CN103607777B - 窄脉冲超宽带网络基于业务优先级的随机信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄脉冲超宽带网络基于业务优先级的随机信道接入方法，在控制结构上借鉴CDPD分上下行信道的结构特点，在提升吞吐量性能上汲取CSMA和时隙ALOHA克服数据包碰撞的措施，通过定义控制帧等级和结构，使得网络中具有不同业务优先级的节点通过获取不同等级的控制帧来获得对信道的使用权。本发明合理利用窄脉冲超宽带网络中的信道资源，提高了网络的信道利用率，能够在数据包发生碰撞前按等级提供服务，实现了不同于以往基于退避算法的服务等级保障机制。本发明适用于窄脉冲超宽带无线电网络、多跳移动自组织网络、无线局域网、以及下一代异构网络等应用场合。

Description

窄脉冲超宽带网络基于业务优先级的随机信道接入方法

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，如超宽带通信网络、多跳移动自组织网络、无线局域网、无线接入网等，特别是涉及到窄脉冲超宽带网络的信道接入技术。

背景技术

窄脉冲超宽带是最基本的一种超宽带实现方式，和传统的窄带无线通信技术的主要区别在于直接使用时间域上宽度极窄的冲激脉冲传送数据，而不使用载波调制。窄脉冲超宽带网络就是采用脉冲的UWB（Ultra Wideband，超宽带）信号进行通信的网络，由于采用了非常窄的脉冲（纳秒数量级）传输信息，而且发射的平均功率非常低，因此需要非常漫长的同步时间才能建立通信连接，这也是窄脉冲超宽带网络所面临的巨大挑战。

接入技术是无线通信网络MAC层（Media Access Control，媒体访问控制）的重要组成部分，按照随机或预约的方式实现对公共信道资源的共享，而随机方式更适合业务突发和网络用户容量变化的网络。窄脉冲超宽带网络基于业务优先级的随机信道接入方法就是针对窄脉冲超宽带无线网络高速、用户容量大的优点，同时充分考虑收发双方同步捕获时间长的缺点，通过在网络中发放不同等级的控制帧，在数据包发生碰撞前按等级提供服务，保证了按照网络中的业务优先级进行服务质量保障。

对于窄脉冲超宽带网络，由于脉冲占空比非常小，脉冲不易检测，因此在不增加接收机复杂度的前提下实现收发双方同步所需花费的捕获时间较长，这是窄脉冲超宽带网络目前一个尚不能回避的现实，也是设计窄脉冲超宽带网络接入技术必须考虑的问题。超宽带高速的传输能力，搭配上低效的接入机制，其信道利用率大打折扣，不能发挥出超宽带技术的潜力和优势。为此，窄脉冲超宽带网络中高效的信道接入技术成为充分利用超宽带通信本身特性的关键所在。

发明内容

本发明的目的在于充分发挥窄脉冲超宽带通信高速传输能力和用户容量大的特性，合理利用窄脉冲超宽带网络中的信道资源，提高网络的信道利用率，对网络中的不同优先级的业务提供不同的服务保障能力。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种窄脉冲超宽带网络基于业务优先级的随

机信道接入方法，其特征在于：

该信道接入方法设计的网络系统由一个中心（AP）和若干个终端节点（TN）构成。将网络的信道资源分为上行接入信道、下行广播信道和节点的业务信道多个信道，提供节点共享网络信道资源的策略。本发明在控制结构上借鉴CDPD（Cellular Digital Packet Data，蜂窝数字通信）分上下行信道的结构特点，在提升吞吐量性能上汲取CSMA（Carrier SenseMultiple Access，载波侦听多路访问）和时隙ALOHA克服数据包碰撞的措施，通过定义控制帧等级和结构，使得网络中具有不同业务优先级的节点通过获取不同等级的控制帧来获得对信道的使用权。高等级的控制帧只能被高等级的节点获得及使用，低等级的控制帧则可被级别比它高的所有用户使用，这样能够提高关键节点或关键数据包的竞争力，而抑制其它数据的竞争力。

所述上行接入信道定义为从TN向AP发送数据包的信道，所有TN共享该信道。所述下行广播信道定义为从中心（AP）向终端节点（TN）传递信息的信道，下行广播信道是中心（AP）的广播专用信道。通过控制帧的投放，协调和控制终端节点（TN）对上行接入信道的占用。上行接入信道和下行广播信道可采用跳时码分方式进行区分，接入过程使用到上行接入信道和下行广播信道。下行广播信道是连续发送的广播信道，网络中的所有终端节点（TN）必须和它保持同步。

值得说明的是，本发明设计的窄脉冲超宽带网络系统由一个中心AP（Access Point）和多个终端节点TN（Terminal Node）构成。上行接入信道定义为从TN向AP发送数据包的信道，所有TN共享该信道。下行广播信道定义为从AP向TN传递信息的信道，是AP的广播专用信道，通过控制帧的投放，协调和控制TN对上行接入信道的占用。上下行信道可采用跳时码分方式进行区分，其结构如图1所示，接入过程主要使用到上行接入和下行广播信道，因此在该图省去各个终端节点的业务信道部分：

下行信道是连续发送的广播信道，网络中的所有TN必须和它保持同步；上行信道为突发信道，要做到TN的发送机与AP的接收机保持同步比较困难（尤其是在移动的情况下），因此所发送的突发数据包前必须加上足够的同步头。下行广播信道除了广播控制帧以外，还可以发送应答及其它信息。

上行信道为突发信道，要做到任何一个终端节点（TN）的发送机与中心（AP）的接收机保持同步比较困难（尤其是在移动的情况下），因此终端节点（TN）所发送的突发数据包前必须加上足够的同步头。下行广播信道除了广播控制帧以外，还可以发送应答及其它信息。

所述的控制帧的产生策略如下：

控制帧按照一定的时间间隔发放。在这个间隔内，中心节点（AP）能够判定出上行接入信道的忙闲情况，即要求中心节点（AP）在此时间内能够检测出该信道的窄脉冲超宽带信号，因此该时间间隔有一个最小的基准值T。控制帧的投放是中心节点（AP）根据上一时段T内的忙闲来决定的，如果上一时段内上行信道空闲，则中心节点（AP）立即在下行信道中投入控制帧。否则，中心节点（AP）再等待一个时间T再作判定，而如果终端节点（TN）的数据提前结束传输，则中心节点（AP）根据此情况提前投放出控制帧。如果间隔固定不变，且中心节点（AP）不进行接入信道的忙闲判定，则此时的基于业务优先级的信道接入方法跟时隙ALOHA等效。

所述的优先级实现策略如下：

本发明提出的信道接入方法可以在发生碰撞前按用户等级进行接入，接入时机依据的是中心节点（AP）发放的控制帧及等级。为了实现节点按优先权接入，

将所述控制帧分成若干个等级类型，高等级的控制帧发放得多些，有权使用该控制帧的用户接入机会大，获得该控制帧所等待的平均时间短，相反则不然。

这样，在一个包含n个，n通常为奇数，控制帧组成的控制帧周期内，可以由i个级别控制帧组成，i的取值范围为1,2,…,i，不同级别的控制帧发放顺序安排如下，控制帧i占据所有n个发送次序的奇数位置。控制帧i-1占据剩下(n-1)2个发送次序的奇数位置。以此类推，最后剩下的为控制帧1的发送位置。因此，i个级别控制帧可以对应出多个用户级别，这里采取一种比较简单的映射方法，即：

U_i＝{1,2,…,i},i＝1,2,…,i。i为控制帧级别，U_i为用户等级。

同等级控制帧一定程度上呈周期性发送，在该控制帧时隙，对于有权使用的用户来说采用公平竞争方式占用。当然要实现所有用户的公平接入，可采取两种途径之一：一是将所有用户都转变成最高级用户，另一种是中心（AP）将n个控制帧全部广播成最低级控制帧。在用户拥塞时段使用优先级策略，在空闲时段又可切换到公平状态，给网络管理带来了更大的灵活性，体现了服务的质量差异，轻松实现用户按等级接入。

如果用户待发送的是有时限要求的业务数据，在多信道模式下，可首先在上行信道上向中心（AP）发出信道资源申请，中心（AP）则在下行信道给出相应的应答信息，终端节点根据这些信息切换到相应的专用业务信道上通信，结束通信时，通过上行信道通知中心（AP）链路拆除，信道资源被中心（AP）收回。

如果用户待发送的数据包无有时限要求，中心（AP）节点在上行信道收到该包后，可根据目的地址，进行转发或其它相应处理。

附图说明

图1是本发明的信道的控制结构图

图2是本发明控制帧发放流程图

图3是本发明控制帧发送顺序

图4是本发明用户等级与控制帧对应关系

具体实施方式

下面给出一个具体的窄脉冲超宽带网络中本专利的实施方法。网络首先推举出中心节点，其余节点为终端节点。然后中心节点首先检测出窄脉冲超宽带信号的最小基准时间t，然后根据控制帧的投放策略向网络投放控制帧。这里以网络中发放3个等级的控制帧为例，也就是说网络中的用户业务分为三个等级。如图3所示，7个控制帧组成1个控制帧发送周期。一个控制帧周期中，控制帧①的数量只有1个，级别最低；控制帧②的数量有2个，级别次之；控制帧3的数量有4个，级别最高。其发放顺序安排如下，控制帧③占据所有7个发送次序的奇数位置；控制帧②占据剩下3个发送次序的奇数位置；最后剩下的为控制帧①的发送位置，如图3所示。更多的控制帧等级可照此法排列。

根据控制帧与用户等级的映射关系，由3个级别控制帧可以对应出3个用户级别，即：U₁，U₂，U₃。

图4中控制帧等级对应的用户接收关系为：

因此第3等级用户可以接收所有7个控制帧，第2等级用户可以接收控制帧①和控制帧②共3个控制帧，第1等级用户只能接收控制帧①共1个控制帧。此后，网络中同等级控制帧一定程度上呈周期性发送，在该控制帧时隙，对于有权使用的用户来说采用公平竞争方式占用。这样使得第3等级用户获取控制帧的间隔最短，因此其业务能够保证最高的优先权接入到网络中去，实现了网络按照业务的优先级进行服务质量保障。

本发明与传统的信道接入协议相比有如下优点：

①现有的传统随机接入技术通常用于常规无线电网络，其信号的同步捕获时间较短，而对于窄脉冲超宽带网络在信号同步捕获时间上的开销远远高于常规无线电，以往的随机接入技术直接应用过来都存在信道利用率低、载波侦听花费的时延较长等不尽如人意的地方。利用本发明，由于采用了在窄脉冲超宽带网络中定义了控制帧的结构和等级，提出了不同于以往基于退避算法的服务等级保障机制，在数据包发生碰撞前按等级提供服务，保证了网络按照业务的优先级进行信道接入，有效地提高了网络的信道利用率和服务保障质量。

②现有中心式网络中多信道接入协议通过中心节点在一个控制信道上集中调度可用信道资源，获得信道利用率的提高，但调度中心导致的瓶颈问题和开销增加问题比较突出。利用本发明，采用将网络控制信道分为上行和下行信道，中心节点按照业务优先级给用户发放不同等级控制帧的方式，将网络的信道资源通过控制帧映射给每个用户，大大降低了中心节点的负担，防止了传统信道接入方法中退避机制带来的冲突，降低数据包发生碰撞的概率，可有效地克服网络开销增加的问题。

本发明特别适用于窄脉冲超宽带无线网络的多信道接入和频谱资源管理等。

Claims (1)

1.一种窄脉冲超宽带网络基于业务优先级的随机信道接入方法，其特征在于：

该信道接入方法设计的网络系统由一个中心AP和若干个终端节点TN构成；将网络的信道资源分为上行接入信道、下行广播信道和节点的业务信道多个信道，提供节点共享网络信道资源的策略；

所述上行接入信道定义为从TN向AP发送数据包的信道，所有TN共享该信道；所述下行广播信道定义为从中心AP向终端节点TN传递信息的信道，下行广播信道是中心AP的广播专用信道；通过控制帧的投放，协调和控制终端节点TN对上行接入信道的占用；上行接入信道和下行广播信道可采用跳时码分方式进行区分，接入过程使用到上行接入信道和下行广播信道；下行广播信道是连续发送的广播信道，网络中的所有终端节点TN必须和它保持同步；

终端节点TN所发送的突发数据包前必须加上足够的同步头；下行广播信道除了广播控制帧以外，还可以发送应答及其它信息；

所述的控制帧的产生策略如下：

控制帧按照一定的时间间隔发放；在这个间隔内，中心节点AP能够判定出上行接入信道的忙闲情况，即要求中心节点AP在此时间内能够检测出该信道的窄脉冲超宽带信号，因此该时间间隔有一个最小的基准值T；控制帧的投放是中心节点AP根据上一时段T内的忙闲来决定的，如果上一时段内上行信道空闲，则中心节点AP立即在下行信道中投入控制帧；否则，中心节点AP再等待一个时间T再作判定，而如果终端节点TN的数据提前结束传输，则中心节点AP根据此情况提前投放出控制帧；如果间隔固定不变，且中心节点AP不进行接入信道的忙闲判定，则此时的基于业务优先级的信道接入方法跟时隙ALOHA等效；

所述的优先级实现策略如下：

将所述控制帧分成若干个等级类型，高等级的控制帧发放得多些，有权使用该控制帧的用户接入机会大，获得该控制帧所等待的平均时间短，相反则不然；

这样，在一个包含n个，n通常为奇数，控制帧组成的控制帧周期内，可以由i个级别控制帧组成，i的取值范围为1,2,…,i，不同级别的控制帧发放顺序安排如下，控制帧i占据所有n个发送次序的奇数位置；控制帧i-1占据剩下(n-1)/2个发送次序的奇数位置；以此类推，最后剩下的为控制帧1的发送位置；因此，i个级别控制帧可以对应出多个用户级别，这里采取一种比较简单的映射方法，即：

U_i＝{1,2,…,i},i＝1,2,…,i；i为控制帧级别，U_i为用户等级；

同等级控制帧一定程度上呈周期性发送，在该控制帧时隙，对于有权使用的用户来说采用公平竞争方式占用；当然要实现所有用户的公平接入，可采取两种途径之一：一是将所有用户都转变成最高级用户，另一种是中心AP将n个控制帧全部广播成最低级控制帧；在用户拥塞时段使用优先级策略，在空闲时段又可切换到公平状态；

如果用户待发送的是有时限要求的业务数据，在多信道模式下，可首先在上行信道上向中心AP发出信道资源申请，中心AP则在下行信道给出相应的应答信息，终端节点根据这些信息切换到相应的专用业务信道上通信，结束通信时，通过上行信道通知中心AP链路拆除，信道资源被中心AP收回；

如果用户待发送的数据包没有时限要求，中心AP节点在上行信道收到该包后，可根据目的地址，进行转发或其它相应处理。