CN106028422A - 一种多用户无线通信系统信道选择、功率控制及应答方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多用户无线通信系统信道选择、功率控制及应答方法，属于无线通信技术领域；该多用户无线通信网络包括一个基站节点和多个用户节点，基站节点与用户节点采用时分双工方式实现双工通信；下行信道按照扩频码划分信道，下行通信采用扩频调制方式，上行信道按照载波划分信道，上行通信采用窄带调制方式；基站选择一组下行信道和一组上行信道用于通信。本发明目的在于使采用扩频调制的下行通信与采用窄带调制的上行通信配合工作，达到提高无线通信网络上行网络容量的目的，以支持更大用户容量的通信技术。

Description

一种多用户无线通信系统信道选择、功率控制及应答方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种多用户无线通信系统信道选择、功率控制及应答方法。
背景技术
机器类通信节点越来越多地出现在无线通信网络中，这些机器类通信节点通常只需要进行低数据率无线通信，通常可以采用扩频或者窄带调制方式。其中，扩频调制方式利用了更宽的频谱，可以获得频率分集增益，从而克服无线信道衰落的影响。因此，扩频调制方式比窄带调制方式具有更好的通信性能，在无线通信领域得到了更广泛的应用。扩频调制方式的缺点在于频谱利用效率偏低。在机器类通信中采用扩频调制方式，会限制无线通信网络容量。机器类通信节点逐渐增多的背景下，无线通信网络需要能支持更多的用户节点。
现有的LTE信道选择技术中，用户先在随机接入信道上向基站请求分配一个信道，然后基站会给用户分配一个信道，用户在该信道上发送信息。这样随机接入，然后申请信道，基站分配信道，使用信道，这种方法开销大，频谱利用效率低；现有的功率控制技术采用闭环功率控制技术，基站检查上行信道的功率，发出功率调整的要求，然后上行用户调整上行功率满足基站的要求。机器通信节点的发送数据包比较短，发送上行数据包的时候没有下行通道进行功率控制，所以必须采用开环的功率控制方法。开环的功率控制方法导致功率控制效果很差，造成用户上行信道之间的干扰。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多用户无线通信系统信道选择、功率控制及应答方法，其目的在于提高多用户无线通信网络的频谱利用效率。
本发明所基于的多用户无线通信网络包括一个基站节点和多个用户节点，基站节点与用户节点采用TDD(时分双工)方式实现双工通信。下行信道按照扩频码划分信道，下行通信采用扩频调制方式；各下行信道的参数包括发送功率、载波频率、带宽、扩频因子、扩频码、调制参数、编码参数、CRC校验参数。上行信道按照载波划分信道，上行通信采用窄带调制方式；各上行信道的参数包括：发送功率、载波频率、带宽、调制参数、编码参数、CRC校验参数。
为实现本发明目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多用户无线通信系统信道选择方法，包括下行信道选择和上行信道选择；
其中，下行信道选择方法包括如下步骤：
(a1)基站在多个待选的下行信道上，面向所有用户节点发送广播信号；其中，各待选下行信道具有不同的有效通信距离和频谱效率；
(a2)用户节点按照下行信道的有效通信距离从短到长的顺序对待选下行信道进行排序；
(a3)用户节点按照所述排序逐次选择待选下行信道，并用选择的待选下行信道尝试接收广播信号，直到成功接收到广播信号；将成功接收到广播信号的下行信道作为选定的下行信道；
其中，上行信道选择方法包括如下步骤：
(b1)由基站在各下行信道上广播信道控制信息，包括下行信道对应的上行信道小组的编号，以及各上行信道小组所对应的下行接收信号强度范围；
其中，上行信道小组是通过将下行信道对应的多个上行信道分组形成；各上行信道小组对应不同的下行接收信号强度范围；
(b2)用户节点获取接收到的下行信道广播信号的接收强度，并根据所述接收强度，选择所述接收强度所属的下行信道强度范围对应的上行信道小组，在所述上行信道小组中随机选定上行信道。
优选地，上述多用户无线通信系统信道选择方法，其步骤(a3)具体为：
用户节点在对应最短有效通信距离的下行信道上尝试接收所述广播信号；若接收不成功，则在对应次短有效距离的下行信道上尝试接收广播信号；若接收不成功，则在对应再次短有效距离的下行信道上尝试接收广播信号；按照所述排序逐次尝试，直到成功接收到广播信号；将成功接收到广播信号的信道作为选定的下行信道。
为实现本发明目的，按照本发明的另一方面，提供了一种多用户无线通信系统功率控制方法，包括上行功率控制和下行功率控制；
其下行功率控制方法为：通过基站给每个下行信道指定固定的信号发射功率；
其中，上行功率控制方法包括以下步骤：
(c1)用户节点设定上行信道的信号发射功率w＝w1-w2；
其中，w1是指标准发射功率，w2是指用户节点功率调整量；
其中，用户节点功率调整量w2＝x1-x2；其中，x1是指用户节点测得的广播信号的接收强度，x2是指各小组对应的下行接收信号强度范围的下限。
为实现本发明目的，按照本发明的另一方面，提供了一种多用户无线通信系统对上行数据包的应答方法；
对上行数据包的应答方法包括如下步骤：
(1-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态；并在对应的下行信道上进行监听，等待基站的应答；其中，对应的下行信道是指成功接收广播信号的下行信道；
(1-d2)当基站接收到待应答用户节点数据包，通过数据包内待应答用户节点的上行信道编号，获知待应答用户节点对应的下行信道，在所述下行信道上发送应答信号。
优选地，上述多用户无线通信系统应答方法，包括如下步骤：
(2-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态；并在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(2-d2)当基站接收到待应答用户节点数据包，将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上发送应答信号。
优选地，上述多用户无线通信系统应答方法，包括如下步骤：
(3-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态，在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(3-d2)由基站使用多根天线接收所述上行数据包，并判断哪根天线上的上行数据包的接收信号强度最高；
(3-d3)将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上，用最高接收信号强度对应的天线发送应答信号。
优选地，上述多用户无线通信系统应答方法，包括如下步骤：
(4-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态，在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(4-d2)由基站使用多根天线接收所述上行数据包，并获取天线对应的上行数据包的信道响应hi；其中，i是天线编号；
(4-d3)由基站根据上行信道响应选定一组天线；在该组天线上，所述上行数据包的接收信号总功率最高；
(4-d4)将应答信号乘上系数gi，获得处理后的应答信号；并将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上，由选定的天线组发送处理后的应答信号；其中，gi＝hi *；hi *是hi的共轭。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明所提供的信道选择方法，由于基站接收同一信道的各个用户的信号的功率几乎相同，配合功率控制方法，有助于信号处理算法将这些信号识别出来；
(2)本发明所提供的功率控制方法，在同一个上行信道上，当多个用户同时发射时，当信号到达接收端时，功率是相同的，有助于信号处理算法将这些信号识别出来；随机选择可以使用户平均分配在各个候选的上行信道上；使信道分配更加均匀；
(3)本发明所提供的功率控制方法，通过调整发送功率使得在同一个信道上发送的用户功率到达基站时尽可能相等；若用户功率到达基站时差别较大，那么在同一信道上发送的功率强的信号会干扰功率弱的信号，功率弱的信号基站将不能正确识别出来；本发明用户功率到达基站时尽可能相等，便于将这些信号同时提取出来；
(4)本发明所提供的应答方法，其优选方案中，采用下行临时切换为窄带通信方式进行应答；该方案可以同时应答很多用户，提高了频谱利用效率；与现有技术相比，节省了频谱资源并且应答用户数得到提高；
综上而言，本发明将信道选择方法与功率控制方法结合起来，能够避免同一信道上用户发送信息之间的干扰；另一方面，本发明提供的应答非常适合机器类通信，尤其是考虑到未来的基站是多天线的，接收到上行的数据包后可以了解到信道的状态，有效的利用信道的状态，无线通信信道具有上下行互易性，利用上下行的互易性进行应答，可充分提高频谱利用效率。
附图说明
图1是实施例中的多用户无线通信系统框架示意图；
图2是实施例中的上下行信道选择的流程图；
图3是实施例中的上下行功率控制的流程图；
图4是实施例1提供的应答方法的流程图；
图5是实施例2提供的应答方法的流程图；
图6是实施例3提供的应答方法的流程图；
图7是实施例4提供的应答方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例中，多用户无线通信系统框架如图1所示，该无线通信网络包括一个基站节点和多个用户节点，基站节点与用户节点采用TDD(方式实现双工通信；下行信道按照扩频码划分信道，下行通信采用扩频调制方式，上行信道按照载波划分信道，上行通信采用窄带调制方式。
其中，下行通信采用扩频调制方式，各下行信道的参数包括：发送功率、载波频率、带宽、扩频因子、扩频码、调制参数、编码参数、CRC校验参数；每个下行信道是上述参数的组合；实施例中，发送功率为20dBm；载波频率为433MHz；带宽为500kHz；扩频因子采用256倍扩频；扩频码采用m序列；调制参数采用BPSK；编码参数采用1/2码率的卷积码，生成多项式为(171，133)；CRC校验参数为16比特CRC校验。
上行通信采用窄带调制方式，每个上行信道的参数包括：发送功率、载波频率、带宽、调制参数、编码参数、CRC校验参数，每个上行信道是上述参数的组合；实施例中，发送功率为20dBm；载波频率为434MHz；带宽为3kHz；调制参数采用GMSK调制，其中BT参数为0.3；编码参数采用1/2码率的卷积码，生成多项式为(171，133)；CRC校验参数为16比特CRC校验。
实施例中，信道选择的流程如图2所示，信道选择方法具体如下：
其中，下行信道选择方法包括如下步骤：
(a1)基站在多个待选的下行信道上，面向所有用户节点发送广播信号；其中，各待选下行信道具有不同的有效通信距离和频谱效率；
(a2)用户节点根据下行信道的有效通信距离，按照有效通信距离从短到长的顺序对待选下行信道进行排序；
(a3)用户节点在对应最短有效通信距离的下行信道上接收下行广播信号；若接收不成功，则在对应次短有效距离的下行信道上接收广播信号；若接收不成功，则在对应再次短有效距离的下行信道上接收广播信号；
按照上述排序逐次尝试接收广播信号，直到成功接收到广播信号；将成功接收到广播信号的信道作为选定的下行信道；
其中，待选下行信道中，包括具有较大的扩频因子与较低的编码速率的下行信道、较小的扩频因子与较高的编码速率的下行信道；
其中，上行信道选择方法包括如下步骤：
(b1)由基站在各下行信道上广播信道控制信息，包括下行信道对应的上行信道小组的编号，以及各上行信道小组所对应的下行接收信号强度范围；
其中，上行信道小组是通过将下行信道对应的多个上行信道分组形成；各上行信道小组对应不同的下行接收信号强度范围；
实施例中，包括2个上行信道小组，上行信道小组1对应的下行接收信号强度范围为(-95dBm，-105dBm)；上行信道小组2对应的下行接收信号强度范围为(-105dbm,-115dBm)；
(b2)由用户节点对接收到广播信号的下行信道广播信号的接收强度进行测量；根据测得的接收信号强度，选择该信号强度所属的下行信道强度范围对应的上行信道小组，在上行信道小组中随机选定上行信道；
实施例中，用户节点收到的广播信号的接收强度是-106dBm；因此在用户节点在小组2中随机选择一条信道作为上行信道。
实施例中，上下行功率控制的流程如图3所示，具体如下：
(a)下行方向，由基站给每个下行信道指定固定的信号发射功率。
(b)上行方向：用户节点设定上行信道的信号发射功率w＝w1-w2；
其中，w1是指标准发射功率，w2是指用户节点功率调整量；
其中，用户节点功率调整量w2＝x1-x2；其中，x1是指用户节点测得的广播信号的接收强度，x2是各小组对应的下行接收信号强度范围的下限。
实施例中，上行信道小组1对应的下行接收信号强度范围为(-95dBm，-105dBm)；上行信道小组2对应的下行接收信号强度范围为(-105dbm,-115dBm)；
用户节点收到的广播信号的接收强度是-106dBm，用户节点在小组2中选择上行信道，用户节点功率调整量为：-106dBm-(-115dBm)＝9dB；该调整量为正，表明应该在标准发射功率基础上减掉9dB。
图4所示，是实施例1提供的应答方法的流程图；实施例中，多用户无线通信系统的应答具体如下：
(1-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态，在对应的下行信道上进行监听，等待基站的应答；其中，对应的下行信道是指成功接收广播信号的下行信道；
(1-d2)当基站接收到待应答用户节点数据包，通过待应答用户节点使用的上行信道编号，获知待应答用户节点对应的下行信道，在该下行信道上发送应答信号。
图5所示，是实施例2提供的应答方法的流程图，具体如下：
(2-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态，在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(2-d2)当基站接收到待应答用户节点数据包，将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上发送应答信号。
图6所示，是实施例3提供的应答方法的流程图，具体如下：
(3-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态，在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(3-d2)由基站使用多根天线接收上行数据包，并判断哪根天线上的上行数据包的接收信号强度最高；
(3-d3)将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上，用最高接收信号强度对应的天线发送应答信号。
图7所示，是实施例4提供的应答方法的流程图，具体如下：
(4-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态，在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(4-d2)由基站使用多根天线接收上行数据包，并获取天线对应的上行数据包的信道响应hi；i是天线编号；
(4-d3)由基站根据上行信道响应选择一组天线；在该组天线上，所述上行数据包的接收信号总功率最高；
(4-d4)将应答信号乘上系数gi，获得处理后的应答信号；并将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上，由选定的天线组发送处理后的应答信号；其中，gi＝hi *；hi *是hi的共轭。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多用户无线通信系统信道选择方法，包括下行信道选择和上行信道选择，其特征在于，
所述下行信道选择包括如下步骤：
(a1)由基站在多个待选下行信道上面向所有用户节点发送广播信号；
(a2)用户节点按照下行信道的有效通信距离从短到长的顺序对所述待选下行信道进行排序；
(a3)用户节点按照所述排序逐次选择待选下行信道，并用选择的待选下行信道尝试接收广播信号，直到成功接收到广播信号；将成功接收到广播信号的下行信道作为选定的下行信道；
所述上行信道选择包括如下步骤：
(b1)由基站在各下行信道上广播信道控制信息；
所述信道控制信息包括下行信道对应的上行信道小组的编号，以及各上行信道小组所对应的下行接收信号强度范围；
其中，上行信道小组是通过将下行信道对应的多个上行信道分组形成；各上行信道小组对应不同的下行接收信号强度范围；
(b2)用户节点获取接收到的下行信道广播信号的接收强度，并根据所述接收强度，选择所述接收强度所属的下行信道强度范围对应的上行信道小组，在所述上行信道小组中随机选定上行信道。
2.如权利要求1所述的多用户无线通信系统信道选择方法，其特征在于，所述步骤(a3)为：
用户节点在对应最短有效通信距离的下行信道上尝试接收所述广播信号；若接收不成功，则在对应次短有效距离的下行信道上尝试接收广播信号；若接收不成功，则在对应再次短有效距离的下行信道上尝试接收广播信号；按照所述排序逐次尝试，直到成功接收到广播信号；将成功接收到 广播信号的信道作为选定的下行信道。
3.一种多用户无线通信系统功率控制方法，包括上行功率控制和下行功率控制，其特征在于，
所述下行功率控制方法为，通过基站给每个下行信道指定固定的信号发射功率；
所述上行功率控制包括如下步骤：
(c1)由用户节点设定上行信道的信号发射功率w＝w1-w2；
其中，w1是指标准发射功率，w2是指用户节点功率调整量；
其中，用户节点功率调整量w2＝x1-x2；x1是指用户节点测得的广播信号的接收强度，x2是指上行信道小组对应的下行接收信号强度范围的下限。
4.一种多用户无线通信系统对上行数据包的应答方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态；并在对应的下行信道上进行监听，等待基站的应答；其中，对应的下行信道是指成功接收广播信号的下行信道；
(1-d2)当基站接收到待应答用户节点数据包，通过数据包内待应答用户节点的上行信道编号，获知待应答用户节点对应的下行信道，在所述下行信道上发送应答信号。
5.一种多用户无线通信系统对上行数据包的应答方法，其特征在于，包括如下步骤：
(2-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态；并在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(2-d2)当基站接收到待应答用户节点数据包，将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上发送应答信号。
6.一种多用户无线通信系统对上行数据包的应答方法，其特征在于， 包括如下步骤：
(3-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态，在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(3-d2)由基站使用多根天线接收所述上行数据包，并判断哪根天线上的上行数据包的接收信号强度最高；
(3-d3)将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上，用最高接收信号强度对应的天线发送应答信号。
7.一种多用户无线通信系统对上行数据包的应答方法，其特征在于，包括如下步骤：
(4-d1)当待应答用户节点发送需应答的上行数据包后，将待应答用户节点切换到接收状态，在发送所述上行数据包的上行信道上进行监听，等待基站的应答；
(4-d2)由基站使用多根天线接收所述上行数据包，并获取天线对应的上行数据包的信道响应hi；其中，i是天线编号；
(4-d3)由基站根据上行信道响应选定一组天线；在该组天线上，所述上行数据包的接收信号总功率最高；
(4-d4)将应答信号乘上系数gi，获得处理后的应答信号；并将基站临时切换为窄带调制方式，在待应答用户节点所在的上行信道上，由选定的天线组发送处理后的应答信号；
其中，gi＝hi *；hi *是hi的共轭。
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