CN107294666B - 应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法，为解决无线自组网络中用户接入相关广播消息重传问题，降低冲突用户重传次数，提高系统效率，本文提出了一种基于动态门限的用户位置自主猜测及R‑Beacon信号的接入广播包重传机制，用户通过猜测自身位置与其他冲突用户位置的相对关系，对重传广播包发送功率进行动态调整，降低重发广播包的冲突概率，从而降低广播包被成功接收所需的发送次数。本发明所提出的基于R‑Beacon信号的接入广播包重传机制及重传功率控制算法非常适用于密集用户覆盖情况，同时在低密度用户覆盖情况下也可以为系统带来一定的增益，并且该增益与冲突包检测门限(CP_TH)独立。

Description

应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法。
背景技术
随着移动通信技术的发展，对移动通信系统的性能要求也越来越高，包括更高的网络容量，更优质的服务质量等，更为重要的一点是，随着蜂窝网络的演进发展，对带宽的需求也在增加，如何更有效地利用频带资源成为了我们应首先考虑的问题。无线自组网络技术的产生如终端直连方式及Ad Hoc网络为这些问题的解决提供了有效途径。
利用无线自组网络技术，移动设备之间可以自行建立通信网络，在不经过中心节点控制情况下，移动设备可以自主建立一条通信链路，实现数据传递。通常情况下，用户在获取通信相关资源后，要自主建立一条通信链路，首先应检查是否存在相应目的节点的路由信息，若存在则使用已知路由信息进行通信链路建立及数据传输；若不存在已知路由信息，则基于泛洪广播消息进行相应的邻居发现及路由查找流程，为后续的通信链路建立及数据传输提供基础。
利用无线自组网络进行通信的优势之一在于它可以在无基础设施的情况下实现通信。然而，如果没有基站控制，在用户发现和接入的过程中，数据传输就有可能发生冲突，需要重传。例如：当两个用户不检测到对方，但他们的传输范围却有交叠时，就有可能发生数据碰撞，因为如果有第三个用户处在交叠区域，两个用户同时向其发送数据，就会产生碰撞，即隐藏节点问题。目前也有一些研究尝试对这一问题进行解决。这些研究主要针对无线自组网络中的终端直连通信方式，围绕接入相关问题展开，其中KyungHi Chang等提出动态调整无线自组网络用户的发现资源(用以发送发现信号的特定时频资源)来减小数据冲突和碰撞，但这些发现资源的分配及接入优先级的控制必须完全由中心控制节点完成同时辅以额外的信令开销，一方面降低了系统效率，另一方面该算法并不适用于中心控制节点覆盖黑洞下的通信场景。
有学者提出了一种基于碰撞规避的资源接入方法：用户在发送数据前，先发送某种特定指示信息以告知其他用户自己将要占用的时频资源，其他用户收到后选择不同的资源传递信息以避免碰撞发生。这种方法虽然减少了碰撞的发生，但无疑增加了额外的信令开销，当资源竞争较小时，发送这种指示信息就会在一定程度上造成资源的浪费，并且该方法在发生碰撞后缺少有效的重传机制。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一中基于动态门限的用户位置自主猜测及R-Beacon信号的接入广播包重传机制，用户通过猜测自身位置与其他冲突用户位置的相对关系，对重传广播包发送功率进行控制，从而降低广播包被成功接收所需的发送次数的应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法。
本发明采取的技术方案是：一种应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法包括如下步骤
发送端：
S1、数据包发送
发送端产生接入请求或路由查找请求数据包并重置相关定时器，然后对该数据包以广播形式进行发送；
S2、R-Beacon信号或回复信息检测
检测是否接收到R-Beacon信号或所发送广播对应的回复信息：
若接收到R-Beacon信号，则进入S3；
若接收到回复信息，则证明数据包发送成功，退出广播包发送及后续重发流程，停止相关定时器；
若都没有接收到回复信息，则进入S4；
S3、利用重发功率控制算法对广播包进行重发
通过接收到的R-Beacon信号接收功率Pr_R-Beacon进行动态门限计算及用户位置自主猜测，并利用所提出的重发功率控制算法调整重发包的发送功率并进行重发；
S4、等待
发送端等待接收信息至定时器超时，接着判断是否达到预先设定的重发终止条件，若达到则退出重发流程，否则进行下一轮重发；
接收端：
A1、数据包接收
接收端接收广播数据包；
A2、数据包检测并回复
对接收到的数据包进行检测：
接收端根据下式计算所接收到的广播包的接收功率
Figure GDA0002282023520000021
其中PT为广播包发送功率，GT为发射天线增益，GR为接收天线增益，c为自由空间电磁波的传播速度，d为发射天线到接收天线的距离，fc为载波频率；当广播包在接收节点发生隐藏节点问题时，接收节点按(2)中准则判断是否能正确接收广播包；
Figure GDA0002282023520000022
其中
Figure GDA0002282023520000023
为用户1所发送广播包的接收功率，
Figure GDA0002282023520000024
为用户2所发送广播包的接收功率，CP_TH为节点硬件灵敏度相关的冲突包检测门限；
若能成功检出，则向发送端发送回复信息；
若不能成功检出，则以广播形式发送R-Beacon信号；
所述的发送端在步骤S3中的重发功率控制算法包括如下步骤：
K1、用户计算重发数据包所需最小功率
广播包发送用户通过R-Beacon信号的接收功率根据式(3)估算与发生冲突的接收节点之间的距离d，假设无线信号在自由空间传播；
Figure GDA0002282023520000031
并根据式(4)计算无冲突情况下重发数据包能被正确接收所需要的最小发送功率；
Figure GDA0002282023520000032
其中Prsen为由硬件灵敏度决定的接收门限功率；
K2、基于R-Beacon信号进行动态门限计算并利用该动态门限进行重发包功率控制
为了将发送用户位置与发送功率连接在一起，提出了一种用于重发包功率控制的随机数门限，并将该门限应用到重发功率控制之中，其计算方法如式(5)所示：
dynamic_Thr＝1-d/D (5)
其中D为由节点最大发送功率与硬件灵敏度所计算出的覆盖范围；
为降低用户节点计算荷载及相关复杂度，重发包功率控制可基于动态门限按式(6)进行而忽略后续K3：
Figure GDA0002282023520000033
其中，a为各个冲突包发送用户所独立产生的服从(0,1)均匀分布的随机数；
K3、基于动态门限及用户位置自主猜测的重发包功率控制方法
用户1及2所发送广播包在接收节点位置发生冲突时，接收节点发送R-Beacon信号用以通知用户1及2所发送的广播包发生冲突需要重发；广播包发送用户利用式(7)-(10)估算与其冲突节点的大概位置，从而猜测自身与其他冲突用户的相互位置关系，之后利用式(11)中所描述准则对重发包进行功率控制；
当用户1和用户2发生冲突时，其相互位置关系应有两种可能的情况，第一种情况为用户1更接近接收节点，则用户1接收功率应满足如下条件：
Figure GDA0002282023520000034
当用户2恰好处于用户1的冲突检测门限时，可计算出用户2到接收节点的最远可能距离do，do为外环半径：
Figure GDA0002282023520000035
第二种情况为用户2相对于用户1更接近接收节点，则用户1接收功率应满足如下条件：
Figure GDA0002282023520000041
当用户2恰好处于用户1的冲突检测门限时，可计算出用户2到接收节点的最近可能距离di，di为内环半径：
Figure GDA0002282023520000042
若距离接收节点较近的用户使用最大发送功率发送重发广播包，距离接收节点较远的用户使用最小功率发送重发广播包，则发生冲突的接收节点将有较大概率成功检出重发数据包，则将重发包功率控制规则设置如下：
Figure GDA0002282023520000043
作为一种优选的技术方案：所述的步骤K2，为了提高重发包满足式(2)所示广播包被检出条件的概率及简化计算复杂度，可使用式(5)中动态门限及利用式(6)直接进行功率控制而忽略后续用户相互位置关系推测，一方面使与接收节点距离较近用户使用最大功率发送；另一方面使与接收节点位置较远的用户使用如式(4)所示最小功率发送。
作为一种优选的技术方案：所述的步骤K2中随机数为冲突包发送用户各自独立产生的一个随机数，并将该随机数与用户位置相关门限进行比较，从而确定重发包的发送功率。
本发明的有益效果：(1)在不同冲突包检测门限的情况下，基于动态门限的位置关系相互推测重传功率控制算法性能最优，相对于其他两种情况可分别带来最大5％和15％左右的增益，并且随着并发数据包数与接入时隙数的比例增大，增益也有逐渐增大的趋势；(2)本发明非常适用于密集用户覆盖情况，同时在低密度用户覆盖情况也可以为系统带来一定的增益，并且该增益与冲突包检测门限(CP_TH)独立；(3)本发明流程与算法在不同用户密度情况下均有良好的表现，其带来的增益随着并发数据包数的增加而增大，在并发数据包数与接入时隙数比例为4比1时即高用户密度情况，所提出算法可以减少大约15％的数据包重发。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为动态门限算法流程图；
图3为冲突用户可能位置为环带情况示意图；
图4为冲突用户可能位置无di情况示意图；
图5为冲突用户可能位置无do情况示意图；
图6为仿真参数设置表；
图7为CP_TH＝5dB情况下不同算法效果对比图；
图8为CP_TH＝5dB情况下不同算法的发送次数和增益表；
图9为CP_TH＝10dB情况下不同算法效果对比图；
图10为CP_TH＝10dB情况下不同算法的发送次数和增益表；
图11为CP_TH＝15dB情况下不同算法效果对比图；
图12为CP_TH＝15dB情况下不同算法的发送次数和增益表；
图1中：(a)发送端流程；(b)接收端流程；
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
参考附图1，一种应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法，包括如下步骤
发送端：
S1、数据包发送
发送端产生接入请求或路由查找请求数据包并重置相关定时器，然后对该数据包以广播形式进行发送；
S2、R-Beacon信号或回复信息检测
检测是否接收到R-Beacon信号或与所发送广播包对应的回复信息：
若接收到R-Beacon信号，则进入S3；
若接收到回复信息，则证明数据包发送成功，退出广播包发送及后续重发流程，停止相关定时器；
若都没有接收到，则进入S4；
S3、利用重发功率控制算法对广播包进行重发
通过接收到的R-Beacon信号接收功率Pr_R-Beacon进行动态门限计算及用户位置自主猜测，并利用所提出的重发功率控制算法调整重发包的发送功率并进行重发；
S4、等待
发送端等待接收信息至定时器超时，并判断是否达到预先设定的重发终止条件，若达到则退出重发流程，否则进行下一轮重发；
接收端：
A1、数据包接收
接收端接收广播数据包；
A2、数据包检测并回复
对接收到的数据包进行检测：
接收端根据下式计算所接收到的广播包的接收功率
Figure GDA0002282023520000051
其中PT为广播包发送功率，GT为发射天线增益，GR为接收天线增益，c为自由空间电磁波的传播速度，d为发射天线到接收天线的距离，fc为载波频率；当广播包在接收节点发生隐藏节点问题时，接收节点按(2)中准则判断是否能正确接收广播包；
Figure GDA0002282023520000061
其中
Figure GDA0002282023520000062
为用户1所发送广播包的接收功率，
Figure GDA0002282023520000063
为用户2所发送广播包的接收功率，CP_TH为节点硬件灵敏度相关的冲突包检测门限；
若能成功检出，则向发送端发送回复信息；
若不能成功检出，则以广播形式发送R-Beacon信号；
所述的发送端在步骤S3中的重发功率控制算法包括如下步骤：
K1、用户计算重发数据包所需最小功率
广播包发送用户通过R-Beacon信号的接收功率根据式(3)估算与发生冲突的接收节点之间的距离d，假设无线信号在自由空间传播；
Figure GDA0002282023520000064
并根据式(4)计算无冲突情况下重发数据包能被正确接收所需要的最小发送功率；
Figure GDA0002282023520000065
其中Prsen为由硬件灵敏度决定的接收门限功率；
K2、基于R-Beacon信号进行动态门限计算并利用该动态门限进行重发包功率控制
为了将发送用户位置与发送功率连接在一起，提出了一种用于重发包功率控制的随机数门限，并将该门限应用到重发功率控制之中，其计算方法如式(5)所示：
dynamic_Thr＝1-d/D (5)
其中D为由节点最大发送功率与硬件灵敏度所计算出的覆盖范围；
为降低用户节点计算荷载及相关复杂度，重发包功率控制可基于动态门限按式(6)进行而忽略后续K3：
Figure GDA0002282023520000066
其中，a为各个冲突包发送用户所独立产生的服从(0,1)均匀分布的随机数；
K3、基于动态门限及用户位置自主猜测的重发包功率控制方法
参考附图2，利用R-Beacon信号将用户位置关系与广播包发送功率结合在一起，但某些情况下仍然不能满足如式(2)中广播包冲突情况下不同广播包检测所需功率差值条件，因此我们基于R-Beacon信号及冲突包检测门限进行冲突节点位置相互关系推测，从而增加重发包被检出概率；本发明适用于多用户同时发送广播包的情况，参考附图2为两用户情况为例，当用户1及2所发送广播包在接收节点位置发生冲突，接收节点发送R-Beacon信号用以通知用户1及2所发送的广播包发生冲突需要重发；用户利用式(6)-(10)估算与其冲突用户的大概位置，从而猜测自身与其他冲突用户的相互位置关系，之后利用式(11)中所描述准则对重发包进行功率控制；
当用户1和用户2发生冲突时，其相互位置关系应有两种可能的情况，第一种情况为用户1更接近接收节点，则用户1接收功率应满足如下条件：
当用户2恰好处于用户1的冲突检测门限时，可计算出用户2到接收节点的最远可能距离do，do为外环半径：
Figure GDA0002282023520000072
第二种情况为用户2相对于用户1更接近接收节点，则用户1接收功率应满足如下条件：
Figure GDA0002282023520000073
当用户2恰好处于用户1的冲突检测门限时，可计算出用户2到接收节点的最近可能距离di，di为内环半径：
参考附图3、4、5，由式(7)-(10)所估算出冲突用户的可能位置，由于冲突包接收功率差值在CP_TH之内，因此冲突用户可能位于由半径di与do划定的环形区域内。其中图3描述了di与do为非负时干扰用户的可能位置区间；图4描述了当用户1与接收节点位置较近时，其内环半径趋近于零或不存在，从而图3中环带转变为圆形覆盖区，此时干扰用户与接收节点之间的距离极有可能大于用户1与接收节点之间的距离，即d2大于d1；图5描述了与图4相反的情况，此时由式(7)-(10)计算的干扰用户可能位置的外环超过了节点的接收范围D，此时干扰用户与接收节点之间的距离极有可能小于用户1与接收节点之间的距离，即d2小于d1。
若距离接收节点较近的用户使用最大发送功率重发广播包，距离接收节点较远的用户使用最小功率重发广播包，则发送冲突的接收节点将有较大概率成功检出重发数据包，因此将重发包功率控制规则设置如下：
Figure GDA0002282023520000075
参考附图7-12，展示了不同冲突包检测门限(CP_TH)及系统采用传统广播包发送方法，仅使用动态门限功率控制方法及基于动态门限的位置关系相互推测重传功率控制算法的情况下，多用户并发广播包被正确接收所需的平均发送次数；
从蒙特卡罗仿真仿真结果即附图7-12中可以看出，在不同冲突包检测门限的情况下，基于动态门限的位置关系相互推测重传功率控制算法性能最优，相对于其他两种情况可分别带来最大5％和15％左右的增益，并且随着并发数据包数与接入时隙数的比例增大，增益也有逐渐增大的趋势；在并发数据包数与接入时隙数比例为4比1时即高用户密度情况，所提出算法可以减少大约15％的数据包重发。
因此本发明所提出的基于动态门限的位置关系相互推测重传功率控制算法非常适用于密集用户覆盖情况，同时在低密度用户覆盖情况也可以为系统带来一定的增益，并且该增益与冲突包检测门限(CP_TH)独立。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法，其特征在于：
包括如下步骤
发送端：
S1、数据包发送
发送端产生接入请求或路由查找请求数据包并重置相关定时器，然后对该数据包以广播形式进行发送；
S2、R-Beacon信号或回复信息检测
检测是否接收到R-Beacon信号或所发送广播对应的回复信息：
若接收到R-Beacon信号，则进入S3；
若接收到回复信息，则证明数据包发送成功，退出广播包发送及后续重发流程，停止相关定时器；
若都没有接收到回复信息，则进入S4；
S3、利用重发功率控制算法对广播包进行重发
通过接收到的R-Beacon信号接收功率Pr_R-Beacon进行动态门限计算及用户位置自主猜测，并利用所提出的重发功率控制算法调整重发包的发送功率并进行重发；
S4、等待
发送端等待接收信息至定时器超时，接着判断是否达到预先设定的重发终止条件，若达到则退出重发流程，否则进行下一轮重发；
接收端：
A1、数据包接收
接收端接收广播数据包；
A2、数据包检测并回复
对接收到的数据包进行检测：
接收端根据下式计算所接收到的广播包的接收功率
其中PT为广播包发送功率，GT为发射天线增益，GR为接收天线增益，c为自由空间电磁波的传播速度，d为发射天线到接收天线的距离，fc为载波频率；当广播包在接收节点发生隐藏节点问题时，接收节点按(2)中准则判断是否能正确接收广播包；
Figure FDA0002282023510000012
其中
Figure FDA0002282023510000013
为用户1所发送广播包的接收功率，
Figure FDA0002282023510000014
为用户2所发送广播包的接收功率，CP_TH为节点硬件灵敏度相关的冲突包检测门限；
若能成功检出，则向发送端发送回复信息；
若不能成功检出，则以广播形式发送R-Beacon信号；
所述的发送端在步骤S3中的重发功率控制算法包括如下步骤：
K1、用户计算重发数据包所需最小功率
广播包发送用户通过R-Beacon信号的接收功率根据式(3)估算与发生冲突的接收节点之间的距离d，假设无线信号在自由空间传播；
Figure FDA0002282023510000021
并根据式(4)计算无冲突情况下重发数据包能被正确接收所需要的最小发送功率；
其中Prsen为由硬件灵敏度决定的接收门限功率；
K2、基于R-Beacon信号进行动态门限计算并利用该动态门限进行重发包功率控制
为了将发送用户位置与发送功率连接在一起，提出了一种用于重发包功率控制的随机数门限，并将该门限应用到重发功率控制之中，其计算方法如式(5)所示：
dynamic_Thr＝1-d/D (5)
其中D为由节点最大发送功率与硬件灵敏度所计算出的覆盖范围；
为降低用户节点计算荷载及相关复杂度，重发包功率控制可基于动态门限按式(6)进行而忽略后续K3：
其中，a为各个冲突包发送用户所独立产生的服从(0,1)均匀分布的随机数；
K3、基于动态门限及用户位置自主猜测的重发包功率控制方法
用户1及2所发送广播包在接收节点位置发生冲突时，接收节点发送R-Beacon信号用以通知用户1及2所发送的广播包发生冲突需要重发；广播包发送用户利用式(7)-(10)估算与其冲突节点的大概位置，从而猜测自身与其他冲突用户的相互位置关系，之后利用式(11)中所描述准则对重发包进行功率控制；
当用户1和用户2发生冲突时，其相互位置关系应有两种可能的情况，第一种情况为用户1更接近接收节点，则用户1接收功率应满足如下条件：
Figure FDA0002282023510000024
当用户2恰好处于用户1的冲突检测门限时，可计算出用户2到接收节点的最远可能距离do，do为外环半径：
Figure FDA0002282023510000025
第二种情况为用户2相对于用户1更接近接收节点，则用户1接收功率应满足如下条件：
Figure FDA0002282023510000031
当用户2恰好处于用户1的冲突检测门限时，可计算出用户2到接收节点的最近可能距离di，di为内环半径：
Figure FDA0002282023510000032
若距离接收节点较近的用户使用最大发送功率发送重发广播包，距离接收节点较远的用户使用最小功率发送重发广播包，则发生冲突的接收节点将有较大概率成功检出重发数据包，则将重发包功率控制规则设置如下：
Figure FDA0002282023510000033
2.根据权利要求1所述的一种应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法，其特征在于：所述的步骤K2，为了提高重发包满足式(2)所示广播包被检出条件的概率及简化计算复杂度，可使用式(5)中动态门限及利用式(6)直接进行功率控制而忽略后续用户相互位置关系推测，一方面使与接收节点距离较近用户使用最大功率发送；另一方面使与接收节点位置较远的用户使用如式(4)所示最小功率发送。
3.根据权利要求1所述的一种应用于无线自组网络的广播包传输流程及功率控制方法，其特征在于：所述的步骤K2中随机数为冲突包发送用户各自独立产生的一个随机数，并将该随机数与用户位置相关门限进行比较，从而确定重发包的发送功率。
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