CN104602334A - 一种点对多点通信系统的功率控制优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点对多点通信系统的功率控制优化方法，涉及通信技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于802.11协议的点对多点通信系统的功率控制优化方法。本发明根据发送端和接收端的距离而相应调整射频模块的发射功率，替代原来固定的最大发射功率，从而达到低功耗的目的，射频模块发射功率在最小功率和最大功率之间采用阶梯分级方式选择合适的发射功率，降低硬件实现的复杂度，发送端和接收端分别维护记录所需最小发射功率的信息表，以避免重复计算，同时能动态跟踪检测站点的移动情况，保持正常的通信，相应调整射频功率，并通知收发机双方更新记录最小发射功率的信息。

Description

一种点对多点通信系统的功率控制优化方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于802.11协议的点对多点通信系统的功率控制优化方法。

背景技术

无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)技术的发展与应用给人们的生活和工作方式带来了极大的便利性和实用性。无线局域网得到了广泛的应用，研究如何降低局域网通信设备的功耗显得非常有意义。基于802.11协议的无线局域网通信设备MAC层低功耗设计主要体现在功率控制优化设计。功率控制主要是通过控制发送节点发送报文时使用的射频发射功率进行调整，在保证接收端正常接收的情况下尽量用较小功率发送报文，以达到降低功耗的目的。硬件的有效性设计可使功耗显著下降。

无线传输系统的站点主要由数据处理模块和射频模块组成，通过射频模块实现站点之间的信息数据的通信。射频模块的能量消耗主要由天线发送功率决定，与射频发生器的调制方式和目标站点距离有关。显然，根据站点之间的距离远近，相应的调节射频模块的发射功率，可以达到降低站点的能量消耗的目的。

在无线局域网中，根据射频电波在自由空间传播损耗的相关公式，接收端根据接收到的信号功率，以及发送端发出此信号的发射功率，可算出收发距离，进而得出发送端合适的发射功率，发送端也以同样的方法得到接收端合适的发射功率。通过更改MAC层帧结构，在其中加入表示发射功率的字段，收发端双方可互相告知对方的功率信息，或者收发端双方协定以已知的最大发射功率发送报文信息，可使收发端各自获得对方的发射功率信息。

点对多点通信系统是无线局域网中常见的通信方式，是指一个站点向多个站点分别发送相同的或者不同的信息，实现一对多的通信。本发明基于现有的功率控制理论，结合点对多点通信系统的特点，设计了一种适用于点对多点通信系统的功率控制优化算法，以降低系统的功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、检测方便的点对多点通信系统的功率控制优化方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：工作站点内的发送端和接收端都具有相同的最大发射功率P_{t_max}，该方法包括以下步骤：

S1、在发送端与所有的接收端首次通信中，根据所述发送端和接收端的RTS帧和CTS帧所携带的信息，分别计算得出所述发送端发送信息数据帧DATA的最小发射功率P_min′和接收端回复ACK帧的最小发射功率P_min，

S2、所述发送端记录发送至每个接收端所需所述最小功率P_min′，每个所述接收端记录其回复至所述发送端所需的所述最小发射功率P_min，

S3、判断所述发送端和接收端站点是否发生移动，若否，则执行步骤S4；若是，则执行步骤S5，

S4、所述发送端和接收端分别根据记录的最小发射功率P_min′和最小发射功率P_min发送DATA和ACK帧，

S5、对发生移动的所述发送端或接收端站点重新进行距离检测，调整最小发射功率P_min，并记录更新最小发射功率P_min′和最小发射功率P_min，

S6、循环执行步骤S3至步骤S5。

进一步地，步骤S1中，所述发送端以最大功率P_{t_max}发射RTS帧，所述接收端接收到RTS帧后，以最大功率P_{t_max}回复CTS帧，且所述接收端根据接收到的RTS帧功率P_{r_rts}计算得出所述接收端发送ACK帧所需的发射功率P_{t_ack}，所述发送端根据接收到的CTS帧功率P_{r_cts}，计算得出所述发送端发送DATA所需的发射功率P_{t_data}。

进一步地，所述接收端发送ACK帧所需的发射功率P_{t_ack}的计算公式为：P_{t_ack}＝RK/G(1)，其中，G＝P_{r_rts}/P_{t_max}(2)，所述发送端发送DATA帧所需的发射功率P_{t_data}的计算公式为：P_{t_data}＝RK/G’(3)，其中，G’＝P_{r_cts}/P_{t_max}(4)，式(1-4)中，R为接收门限，K为功率裕量参数，P_{r_rts}为RTS帧的功率。P_{t_max}为发送端和接收端最大功率，P_{r_cts}为CTS帧的功率。

进一步地，所述发送端和接收端的通信机制为RTS-CTS-DATA-ACK机制。

进一步地，所述步骤S3中，所述发送端发送DATA帧之后判定是否在规定时间Tdata-ack内接收到ACK帧，如果超时，则需下一轮通信重新计算最小发射功率P_min＇，如果未超时，则检测ACK帧的功率P_{r_ack}＇是否大于先前记录的ACK帧的接收功率P_{r_ack}一定范围ΔP，若是，则下一轮通信重新计算最小发射功率P_min＇，若否，则结束本次通信。

进一步地，所述步骤S3中，所述接收端发送CTS帧之后判定是否在规定时间Tcts-data内接收到DATA帧，如果超时，则需下一轮通信重新计算最小发射功率P_min，如果未超时，则检测DATA帧的功率P_{r_data}＇是否大于先前记录的DATA帧的接收功率P_{r_data}一定范围ΔP，若是，则下一轮通信重新计算最小发射功率P_min，若否，则结束本次通信。

进一步地，所述Tdata-ack为RTS-CTS-DATA-ACK机制发送DATA帧后收到ACK帧的规定时间，Tcts-data为RTS-CTS-DATA-ACK机制回复CTS帧后收到DATA帧的规定时间。

进一步地，所述发送端和接收端的最小功率P_{t_min}和最大功率P_{t_max}之间采用阶梯分级方式设置多个发射功率，且相应地将所述发送端和接收端的距离分为若干段，每段范围以不同的射频发射功率Pi进行通信。

进一步地，所述发送端和接收端的与距离相关的功率划分的每段范围为ΔP。

与现有技术相比，本发明的优点在于：根据发送端和接收端的距离而相应调整射频模块的发射功率，替代原来固定的最大发射功率，从而达到低功耗的目的，射频模块发射功率在最小功率和最大功率之间采用阶梯分级方式选择合适的发射功率，降低硬件实现的复杂度，发送端和接收端分别维护记录所需最小发射功率的信息表，以避免每次RTS-CTS交互通信时都要进行的重复计算，同时能动态跟踪检测站点的移动情况，保持正常的通信，相应调整射频功率，并通知收发机双方更新记录最小发射功率的信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的所述点对多点通信系统的功率控制优化方法的方法流程图；

图2是本发明的所述点对多点通信系统的功率控制优化方法的RTS-CTS-DATA-ACK传输机制示意图；

图3是本发明的所述点对多点通信系统的功率控制优化方法的发送端工作流程图；

图4是本发明的所述点对多点通信系统的功率控制优化方法的接收端工作流程图；

图5是本发明的所述点对多点通信系统的功率控制优化方法的工作结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1-4所示，本发明提供一种点对多点通信系统的功率控制优化方法，通信系统内的发送端和接收端都具有相同的最大发射功率P_{t_max}，该方法包括以下步骤：S1、在发送端与所有的接收端首次通信中，根据发送端和接收端的RTS帧和CTS帧所携带的信息，分别计算得出发送端发送信息数据帧DATA的最小发射功率P_min′和接收端回复ACK帧的最小发射功率P_min，S2、发送端记录发送至每个接收端所需最小功率P_min′，每个接收端记录其回复至发送端所需的最小发射功率P_min，S3、判断发送端和接收端站点是否发生移动，若否，则执行步骤S4；若是，则执行步骤S5，S4、发送端和接收端分别根据记录的最小发射功率P_min＇和最小发射功率P_min发送DATA和ACK帧，S5、对发生移动的发送端或接收端站点重新进行距离检测，调整最小发射功率P_min，并记录更新最小发射功率P_min＇和最小发射功率P_min，S6、循环执行步骤S3至步骤S5。

本发明中，发送端和接收端的通信机制为RTS-CTS-DATA-ACK机制。在第一次RTS-CTS交互后，发送端维护一个记录各个接收端与发送端正常通信所需的最小发射功率的信息表，在后面的通信，发送端可轮询信息表以相应的发射功率向不同的接收端发送信息，各个接收端也记录到发送端所需的最小发射功率，从而避免频繁重复的计算。

本发明的步骤S1中，发送端以最大功率P_{t_max}发射RTS帧，接收端接收到RTS帧后，以最大功率P_{t_max}回复CTS帧，且接收端根据接收到的RTS帧功率P_{r_rts}计算得出接收端发送ACK帧所需的发射功率P_{t_ack}，发送端根据接收到的CTS帧功率P_{r_cts},计算得出发送端发送DATA所需的发射功率P_{t_data}。接收端发送ACK帧所需的发射功率P_{t_ack}的计算公式为：P_{t_ack}＝RK/G(1)，其中，G＝P_{r_rts}/P_{t_max}(2)，发送端发送DATA帧所需的发射功率P_{t_data}的计算公式为：P_{t_data}＝RK/G’(3)，其中，G’＝P_{r_cts}/P_{t_max}(4)，式(1-4)中，R为接收门限，K为功率裕量参数，P_{r_rts}为接收到的经过传输衰减后的RTS帧的功率。P_{t_max}为发送端和接收端最大功率，P_{r_cts}为CTS帧的功率。根据式(2)和式(3)可知，传输距离与G或G’有关，即与P_{r_rts}或P_{r_cts}有关，因此，P_{r_rts}与P_{t_ack}的关系以及P_{r_cts}与P_{t_iata}的关系表分别如表1和2所示，具体的关系情况与实际的射频模块和物理环境情况有关，

表一

表二

本发明的步骤S3中，首次与多个接收端进行RTS-CTS-DATA-ACK通信后，发送端建立维护一个记录发送端到各个接收端之间正常通信所需的最小发射功率P_min′的信息表，同时记录接收到的各个接收端的ACK帧功率P_{t_ack}，在接下来的通信中，发送端判断是否需要重新计算最小发射功率，如果不需要则直接以先前记录的小发射功率P_min′发送DATA帧。发送端发送DATA帧之后判定是否在规定时间Tdata-ack内接收到ACK帧，如果超时，则判断为接收端和发射端之间距离变大，从而改为以最大发射功率P_{t_max}重新发射DATA帧，确保接收端和发射端双方可以继续通信。且需在下一轮通信中重新计算最小发射功率P_min＇，并更新记录最小发射功率的信息表，如果未超时，则检测ACK帧的功率P_{r_ack}＇是否大于先前记录的ACK帧的接收功率P_{r_ack}一定范围ΔP，即P_{r_ack}＇-P_{r_ack}>ΔP时，才判断通信距离是否变小，ΔP的值与具体的射频模块以及环境有关，可避免正常通信范围内射频功率随机发生微小变化引起的误判。如果P_{r_ack}＇-P_{r_ack}>ΔP成立，则通知站点下一轮通信重新计算最小发射功率P_min＇，并更新记录最小发射功率的信息表，如果不成立，则通信距离没有变小，结束本次通信。

步骤S3中，在首次与发送端进行RTS-CTS-DATA-ACK通信后，接收端记录到发送端之间正常通信所需的最小发射功率P_min的信息值，同时记录接收到DATA帧功率P_{t_data}。在接下来的通信中，接收端判断是否需要重新计算最小发射功率，如果不需要则直接以先前记录的小发射功率P_{t_ack}回复ACK帧。接收端发送CTS帧之后判定是否在规定时间Tcts-data内接收到DATA帧，如果超时，则判断为收发端之间距离变大，等待时间为RTS-CTS-DATA-ACK机制允许的最大时间，收到DATA帧后改为以最大发射功率P_{t_max}回复ACK，且需在下一轮通信中重新计算最小发射功率P_min，如果未超时，则检测DATA帧的功率P_{r_data}＇是否大于先前记录的DATA帧的接收功率P_{r_data}一定范围ΔP，如果P_{r_data}＇-P_{r_data}>ΔP成立，则通知站点下一轮通信重新计算最小发射功率P_min，并更新记录最小发射功率的信息表，如果不成立，则通信距离没有变小，然后以最小发射功率P_min回复ACK帧，结束本次通信。本发明中，Tdata-ack为RTS-CTS-DATA-ACK机制发送DATA帧后收到ACK帧的规定时间，Tcts-data为RTS-CTS-DATA-ACK机制回复CTS帧后收到DATA帧的规定时间。

发送端和接收端的最小功率P_{t_min}和最大功率P_{t_max}之间采用阶梯分级方式设置多个发射功率，且相应地将发送端和接收端的距离分为若干段，每段范围以不同的射频发射功率Pi进行通信。将射频模块的发射功率在最大范围内阶梯分段设置，减少硬件实现的复杂性。较佳的，为了便于发送端和接收端的距离的移动判断，发送端和接收端划分的功率的每段范围为ΔP。

本发明中，当发送端和接收端距离变小时，可通过检测接收到的信号功率比上一轮接收到的信号功率要大进行识别，从而通知站点下一轮通信时重新计算最小发射功率，并更新记录最小发射功率的信息表。当距离变大时，可通过检测接收到的相应的信号是否在规定时间内接收进行识别，从而增大发射功率，并通知站点下一轮通信时重新计算最小发射功率，更新记录最小发射功率的信息表。检测距离是否变化引入了一定的工作量，但避免了工作量更大的频繁的计算最小发射功率，特别对于站点很少发生显著移动的系统有良好的优化效果。

综合以上构思，设计站点的工作结构图如图5所示，主要包括发送部分和接收部分。

当站点在需要发送报文时，发送控制器控制报文信息通过帧发送模块发送，经过数字基带处理然后调制到射频上，同时判断，若发送RTS和CTS帧，直接通过发送功率控制模式控制射频模块以最大发射功率发射报文，若发送DATA和ACK帧，则先查询相应的最大功率发送模块决定是否以最大发射功率发射报文，如果不是则通过查询发射功率信息表以决定报文的发射功率，其中，发射功率信息表记录了本站点到其它站点正常通信的最小发射功率。

当站点在需要接收报文时，由射频模块接收射频信号，解调到数字基带进行处理再传输到帧接收模块，然后经过帧检测模块判断是否为RTS/CTS/DATA/ACK帧。

1)若为RTS帧，则查询相应的功率计算控制模块以决定是否需要进行计算最小发射功率，如果需要则通过发射功率计算器计算，并更新发射功率信息表，然后通知发送控制模块准备回复CTS帧；

2)若为CTS帧，则同样查询相应的功率计算控制模块以决定是否需要进行计算最小发射功率，如果需要则通过发射功率计算器计算，并更新发射功率信息表，然后通知发送控制模块准备发送DATA帧；

3)若为DATA帧，则查询计时器是否为正常时间内接收，以判断通信双方距离是否变大。如果在正常时间内接收，则通过功率比较器比较当前接收的报文功率与此前通信记录的功率，以判断通信双方是否距离变小。若变小则更新功率记录器记录当前的功率，同时通过接收控制告知计算功率控制模块。如果接收超时，则在允许时间内等待直到接收到报文，然后通过接收控制告知计算功率控制模块，同时告知最大功率发送模块回复ACK帧时用最大功率。然后通知发送控制模块准备以相应的功率回复ACK帧，并将DATA信息传输到上一级模块。

4)若为ACK帧，则查询计时器是否为正常时间内接收，以判断通信双方距离是否变大。如果在正常时间内接收，则通过功率比较器比较当前接收的报文功率与此前通信记录的功率，以判断通信双方是否距离变小。若变小则更新功率记录器记录当前的功率，同时通过接收控制告知计算功率控制模块。如果接收超时，则告知最大功率发送模块，同时通知发送控制模块以最大发射功率重新发送DATA帧，然后告知计算功率控制模块下一轮通信重新计算发射功率。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：工作站点内的发送端和接收端都具有相同的最大发射功率P_{t_max}，该方法包括以下步骤：

S1、在发送端与所有的接收端首次通信中，根据所述发送端和接收端的RTS帧和CTS帧所携带的信息，分别计算得出所述发送端发送信息数据帧DATA的最小发射功率P_min＇和接收端回复ACK帧的最小发射功率P_min，

S2、所述发送端记录发送至每个接收端所需所述最小功率P_min＇，每个所述接收端记录其回复至所述发送端所需的所述最小发射功率P_min，

S3、判断所述发送端和接收端站点是否发生移动，若否，则执行步骤S4；若是，则执行步骤S5，

S4、所述发送端和接收端分别根据记录的最小发射功率P_min＇和最小发射功率P_min发送DATA和ACK帧，

S5、对发生移动的所述发送端或接收端站点重新进行距离检测，调整最小发射功率P_min，并记录更新最小发射功率P_min＇和最小发射功率P_min，

S6、循环执行步骤S3至步骤S5。

2.根据权利要求1所述的点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：步骤S1中，所述发送端以最大功率P_{t_max}发射RTS帧，所述接收端接收到RTS帧后，以最大功率P_{t_max}回复CTS帧，且所述接收端根据接收到的RTS帧功率P_{r_rts}计算得出所述接收端发送ACK帧所需的发射功率P_{t_ack}，所述发送端根据接收到的CTS帧功率P_{r_ats},计算得出所述发送端发送DATA所需的发射功率P_{t_data}。

3.根据权利要求2所述的点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：所述接收端发送ACK帧所需的发射功率P_{t_ack}的计算公式为：P_{t_ack}＝RK/G(1)，其中，G＝P_{r_rts}/P_{t_max}(2)，所述发送端发送DATA帧所需的发射功率P_{t_data}的计算公式为：P_{t_data}＝RK/G’(3)，其中，G’＝P_{r_ats}/P_{t_max}(4)，式(1-4)中，R为接收门限，K为功率裕量参数，P_{r_rts}为RTS帧的功率。P_{t_max}为发送端和接收端最大功率，P_{r_ats}为CTS帧的功率。

4.根据权利要求1、2或3所述的点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：所述发送端和接收端的通信机制为RTS-CTS-DATA-ACK机制。

5.根据权利要求3所述的点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述发送端发送DATA帧之后判定是否在规定时间Tdata-ack内接收到ACK帧，如果超时，则需下一轮通信重新计算最小发射功率P_min＇，如果未超时，则检测ACK帧的功率P_{r_ack}＇是否大于先前记录的ACK帧的接收功率P_{r_ack}一定范围ΔP，若是，则下一轮通信重新计算最小发射功率P_min＇，若否，则结束本次通信。

6.根据权利要求5任一项所述的点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述接收端发送CTS帧之后判定是否在规定时间Tcts-data内接收到DATA帧，如果超时，则需下一轮通信重新计算最小发射功率P_min，如果未超时，则检测DATA帧的功率P_{r_data}＇是否大于先前记录的DATA帧的接收功率P_{r_data}一定范围ΔP，若是，则下一轮通信重新计算最小发射功率P_min，若否，则结束本次通信。

7.根据权利要求6任一项所述的点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：所述Tdata-ack为RTS-CTS-DATA-ACK机制发送DATA帧后收到ACK帧的规定时间，Tcts-data为RTS-CTS-DATA-ACK机制回复CTS帧后收到DATA帧的规定时间。

8.根据权利要求6所述的点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：所述发送端和接收端的最小功率P_{t_min}和最大功率P_{t_max}之间采用阶梯分级方式设置多个发射功率，且相应地将所述发送端和接收端的距离分为若干段，每段范围以不同的射频发射功率Pi进行通信。

9.根据权利要求8所述的点对多点通信系统的功率控制优化方法，其特征在于：所述发送端和接收端的与距离相关的功率划分的每段范围为ΔP。