CN109831831A - 基于竞争排序的节点接纳方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于竞争排序的节点接纳方法，主要解决现有节点接纳方法在接入网络中从属节点数量较多的应用场景下面临的接纳时延长、各从属节点发送接纳请求时易发生冲突的问题。本发明的思路为，在由一个中心节点和多个从属节点组成的星型接入网络中，将连续的多个接纳周期组成一个竞争期；各从属节点从竞争期中随机选择一个接纳周期，并从该接纳周期内的N个上行探测帧时隙中随机选择一个上行探测帧时隙，发送接纳请求；中心节点按顺序依次接纳各从属节点。本发明具有接纳时间短，从属节点多时不易发生冲突、接纳效率高的优点。

Description

基于竞争排序的节点接纳方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及接入网技术领域中的一种基于竞争排序的节点接纳方法。本发明可用于各种采用时分复用/时分多址机制分配信道的接入网络，将网络中新上电的终端节点快速高效地接入网络。

背景技术

在基于共享媒质的接入网中，常采用由一个中心节点和若干从属节点组成的星型拓扑结构。在这种网络结构中，中心节点和从属节点之间可以直接进行数据通信，各从属节点之间的通信则需要通过中心节点进行转发。一个新的从属节点上电初始化或复位之后，向中心节点注册并加入到现有系统的过程称为节点接纳。通常，节点接纳完成之后，才能进行正常数据通信。为完成节点接纳，中心节点和从属节点通常需要多次交互信息。在此过程中，信道在时间上被划分成多个连续的且互不重叠的接纳周期，每个接纳周期含有下行探测帧时隙和上行探测帧时隙，下行探测帧时隙用于中心节点生成并发送下行探测帧，上行探测帧时隙用于从属节点生成并发送上行探测帧。上行/下行探测帧主要完成物理层的信道训练，并承载中心节点和从属节点在节点接纳过程中交互的媒质接入控制层上行/下行信令帧。相邻两个下行探测帧的起始时间间隔为一个接纳周期。

在已存在的接入网络系统中，通常采用基于竞争的方法获取接纳机会。在这种方法中，每个接纳周期仅含有一个下行探测帧时隙和一个上行探测帧时隙，各从属节点随机退避若干个接纳周期，使用该接纳周期内唯一的上行探测帧时隙发送接纳请求，竞争接纳机会。接纳请求发送成功的从属节点，可以和中心节点进行接纳过程。该从属节点接纳完成后，其余从属节点继续重复上述过程，执行随机退避算法，竞争接纳机会。该方法的不足之处在于：当多个从属节点需要同时接纳到网络中时，大量从属节点在唯一的上行探测帧时隙竞争接纳机会，故而接纳请求易发生冲突；且该方法中一次竞争只能选出一个可被接纳的从属节点，该从属节点完成接纳过程后，其余的待接纳从属节点需要在之后接纳周期内的上行探测帧时隙再次竞争接纳机会，因此需等待较长时间才能完成整个接纳过程。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于多通道的并行节点接纳方法”(申请号CN201310165257申请公布号CN103237323A)中公开了一种并行节点接纳方法。该方法中节点接纳的步骤为：(1)划分接入信道，将下行信道在频率上划分为N个下行接入信道，承载N路下行MAC层信令帧，将上行信道在时间上划分为N个上行接入信道，承载N路上行MAC层信令帧；(2)构建双向信令帧通道，将N个下行MAC层信令帧通道和N个上行MAC层信令帧通道一一对应，构成N个并行的双向信令帧通道；(3)从属节点选择信令帧通道，各从属节点从N个双向信令帧通道中随机选取一个空闲的双向信令帧通道，进行节点接纳流程。该方法可在多个并行的双向信令帧通道上同时进行从属节点接纳，一定程度上缩短了接纳时长，但是，该方法仍然存在的不足之处有两点：其一，当处于接纳状态的忙双向信令帧通道个数较多时，各从属节点在发送接纳请求时可选择的空闲双向信令帧通道个数少，易发生竞争冲突，导致节点接纳成功率低下。其二，使用该方法进行节点接纳时需要在网络的中心节点配置N套接收机，来完成不同信令帧通道上的从属节点接纳，方法实现过于复杂。

哈尔滨工程大学在其申请的专利文献“一种基于分布式时分多址无线自组网的节点入网方法”(申请号CN201110256511申请公布号CN102264116A)中公开了一种并行节点接纳方法。该方法中节点接纳的步骤为：(1)新节点在网络中发送“入网请求消息”；(2)现有节点评估自身的网络负载情况，判断是否向新节点发送“入网允许消息”；(3)新节点分析接收到的“入网允许消息”，选择可接受的微时隙，并发送“时隙接受消息”予以确认，完成入网过程。该方法存在的不足之处在于：每次入网需要在新节点和现有节点之间进行多次信息交互，当网络中需要入网的新节点个数较多时，整体入网时延较长。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于竞争排序的节点接纳方法，用于解决现有的节点接纳方法在网络中从属节点数量较多的应用场景下面临的接纳时延长、各从属节点竞争接纳机会时易发生冲突的问题。

实现本发明目的的思路是，使用多个连续的接纳周期作为一个竞争期，且在每个接纳周期内规划出若干个上行探测帧时隙，从属节点可以从竞争期内任意选择一个接纳周期，并从该接纳周期内任意选择一个上行探测帧时隙发送接纳请求，竞争接纳机会。各从属节点充分利用多个上行探测帧时隙随机发送接纳请求，避免在唯一的上行探测帧时隙竞争接纳机会，从而降低了冲突概率；且通过一次竞争即可接纳多个从属节点，避免了多次竞争造成的时间浪费，最终实现将各从属节点快速高效地接入现有网络。

本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)划分接纳周期：

将信道在时间上划分成多个连续的且互不重叠的时间段，将每一个时间段作为一个接纳周期；

(2)规划不同用途的时隙：

(2a)将每个接纳周期的起始时刻，作为下行探测帧时隙的起始时刻，中心节点利用下行探测帧时隙，发送承载下行媒质接入控制MAC层信令帧的下行物理层探测帧；

(2b)将每个接纳周期的其余部分N等分，将每个等分的起点作为每个上行探测帧时隙的起始时刻，从属节点利用上行探测帧时隙，发送承载上行媒质接入控制MAC层信令帧的上行物理层探测帧；

(3)从属节点调整接收功率增益：

(3a)中心节点在下行探测帧时隙持续发送下行探测帧，各从属节点检测持续接收的下行探测帧的信号强度；

(3b)从属节点记录检测到的下行探测帧信号强度，利用增益调整方法调整接收功率的增益；

(4)利用信道参数估计方法，从属节点确定下行物理层信道参数；

(5)中心节点发送下行探测帧：

将连续的M个接纳周期组成一个竞争期，中心节点在下行探测帧时隙发送下行探测帧，通告各从属节点可从竞争期内随机选择一个接纳周期，发送接纳请求，其中M的取值范围为，大于等于1且小于等于接入网络中的从属节点的总数；

(6)从属节点发送接纳请求：

每个从属节点接收下行探测帧，从中心节点通告的竞争期中随机选择一个接纳周期，并从该接纳周期内的N个上行探测帧时隙中随机选择一个上行探测帧时隙，发送接纳请求；

(7)中心节点决定各从属节点的接纳顺序：

中心节点按照接收到接纳请求的先后顺序，在下行媒质接入控制MAC层信令帧中填入可以被接纳的从属节点ID；

(8)中心节点通告从属节点的接纳顺序：

中心节点将下行媒质接入控制MAC层信令帧封装入下行探测帧，在下行探测帧时隙广播发送该下行探测帧，向各从属节点通告节点接纳顺序；

(9)从属节点判断下行媒质接入控制MAC层信令帧中是否存在自身节点的ID：若是，执行步骤(10)；否则，等待下行媒质接入控制MAC层信令帧中通报的所有从属节点的接纳流程结束后执行步骤(5)；

(10)中心节点按顺序依次接纳各从属节点：

(10a)中心节点在下行探测帧时隙依次给各从属节点发送接纳响应，调整从属节点的上行发送功率增益；

(10b)从属节点在接纳周期内的N个上行探测帧时隙发送上行探测帧；

(10c)中心节点利用上行探测帧中的训练序列信号确定上行信道参数，将从属节点接纳到当前网络。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明允许从属节点从竞争期内随机选择一个接纳周期，并从该接纳周期内任意选择一个上行探测帧时隙发送接纳请求，竞争接纳机会，克服了现有技术中大量从属节点在唯一的上行探测帧时隙竞争接纳机会，发送接纳请求时极易发生冲突的问题，使得本发明降低了发送接纳请求的冲突概率，具有接纳效率高的优点。

第二，由于本发明中心节点收到接纳请求后，按顺序依次接纳各从属节点，克服了现有技术一次只能选出一个可被接纳的从属节点，当从属节点数量较多时接纳全部从属节点的接纳总时延较长的问题，使得本发明具有接纳总时延小的优点。

第三，由于本发明允许从属节点在确定上行信道参数时，可同时使用多个上行探测帧时隙发送上行探测帧，克服了现有技术中从属节点只能使用唯一的上行探测帧时隙发送上行探测帧，确定上行信道参数时时延较长的问题，使得本发明具有能够快速确定上行信道参数的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的接纳周期结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。

本发明实施例中，星型接入网络由一个中心节点和28个从属节点组成，将新上电的4个从属节点1，2，3，4，再加入星型接入网络。

参照附图1，本发明实施例的实现步骤如下：

步骤1，划分接纳周期。

将信道在时间上划分成多个连续的且互不重叠的时间段，将每一个时间段作为一个接纳周期。

所述的接纳周期，其时间长度由用户根据需求设置为定长或不定长。在本发明的实施例中，接纳周期的时间长度是固定的，设为65536uS。

步骤2，规划不同用途的时隙。

将每个接纳周期的起始时刻，作为下行探测帧时隙的起始时刻，中心节点利用下行探测帧时隙，发送承载下行媒质接入控制MAC层信令帧的下行物理层探测帧；

将每个接纳周期的其余部分8等分，将每个等分的起点作为每个上行探测帧时隙的起始时刻，从属节点利用上行探测帧时隙，发送承载上行媒质接入控制MAC层信令帧的上行物理层探测帧。

附图2为本发明实施例的一个接纳周期，包含1个下行探测帧时隙和8个上行探测帧时隙。

步骤3，从属节点调整接收功率增益。

中心节点在下行探测帧时隙持续发送下行探测帧，各从属节点检测持续接收的下行探测帧的信号强度；

从属节点记录检测到的下行探测帧信号强度，利用增益调整方法，调整从属节点接收功率的增益；

所述的增益调整方法是，当下行探测帧信号强度较弱时，增大接收功率增益直至能正确接收到下行探测帧信号；当下行探测帧信号强度较强时，降低接收功率增益直至能正确接收到下行探测帧信号。

步骤4，利用信道参数估计方法，从属节点确定下行物理层信道参数。

所述的信道参数估计方法是，从属节点先从接收到的下行探测帧信号中提取出训练序列信号，再根据该训练序列信号对物理层信道参数进行估计。

步骤5，中心节点发送下行探测帧。

将连续的4个接纳周期组成一个竞争期，中心节点在下行探测帧时隙发送下行探测帧，通告各从属节点可从竞争期内随机选择一个接纳周期，发送接纳请求。

步骤6，从属节点发送接纳请求。

每个从属节点接收下行探测帧，从中心节点通告的竞争期中随机选择一个接纳周期，并从该接纳周期内的8个上行探测帧时隙中随机选择一个上行探测帧时隙，发送接纳请求。

本发明的实施例中，竞争期由连续的4个接纳周期组成，每个接纳周期包含8个上行探测帧时隙，故从属节点1,2,3,4可以从32个上行探测帧时隙中随机选择一个上行探测帧时隙发送接纳请求：

从属节点1从32个上行探测帧时隙中随机选择第20个上行探测帧时隙发送接纳请求；

从属节点2从32个上行探测帧时隙中随机选择第8个上行探测帧时隙发送接纳请求；

从属节点3和从属节点4均从32个上行探测帧时隙中随机选择第15个上行探测帧时隙发送接纳请求。

步骤7，中心节点决定各从属节点的接纳顺序。

中心节点按照接收到接纳请求的先后顺序，在下行媒质接入控制MAC层信令帧中填入可以被接纳的从属节点ID：

中心节点在第8个上行探测帧时隙收到了从属节点2发送的接纳请求，故中心节点将从属节点2的节点ID填入下行媒质接入控制MAC层信令帧；

由于从属节点3的接纳请求和从属节点4的接纳请求在第15个上行探测帧时隙发生冲突，故中心节点在第15个上行探测帧时隙没有收到上行探测帧，中心节点不做任何处理；

中心节点在第20个上行探测帧时隙收到了从属节点1发送的接纳请求，故中心节点将从属节点1的节点ID填入下行媒质接入控制MAC层信令帧，并置于从属节点2的节点ID之后。

步骤8，中心节点通告从属节点的接纳顺序。

中心节点将下行媒质接入控制MAC层信令帧封装入下行探测帧，在下行探测帧时隙广播发送该下行探测帧，向各从属节点通告节点接纳顺序。

本发明的实施例中，中心节点向各从属节点通告从属节点1和从属节点2可以被接纳，且按照从属节点2、从属节点1的顺序进行接纳。

步骤9，从属节点判断下行媒质接入控制MAC层信令帧中是否存在自身节点的ID：若是，执行步骤10；否则，等待下行媒质接入控制MAC层信令帧中通报的所有从属节点的接纳流程结束后执行步骤5。

本发明的实施例中，从属节点1从接收到的下行媒质接入控制MAC层信令帧中查询到自身节点的ID，得知自己的接纳请求发送成功，且自己为第二个等待接纳的从属节点；

从属节点2从接收到的下行媒质接入控制MAC层信令帧中查询到自身节点的ID，得知自己的接纳请求发送成功，且自己为第一个等待接纳的从属节点；

从属节点3和从属节点4从接收到的下行媒质接入控制MAC层信令帧中没有查询到自身节点的ID，得知自己的接纳请求发送失败。从属节点3和从属节点4等待下行媒质接入控制MAC层信令帧中通报的所有从属节点的接纳流程结束后执行步骤5。

步骤10，中心节点按顺序依次接纳各从属节点。

中心节点在下行探测帧时隙依次给各从属节点发送接纳响应，调整从属节点的上行发送功率增益；

从属节点在接纳周期内的8个上行探测帧时隙同时发送上行探测帧；

中心节点利用上行探测帧中的训练序列信号确定上行信道参数，将从属节点接纳到当前网络。

本发明的实施例中，中心节点按照从属节点2、从属节点1的顺序将两个从属节点接纳到星型接入网络，之后从属节点1和从属节点2可与网络中其他节点进行正常的数据通信。

Claims (4)

1.一种基于竞争排序的节点接纳方法，其特征在于，在由一个中心节点和多个从属节点组成的星型接入网络中，将连续的多个接纳周期组成一个竞争期；各从属节点从竞争期中随机选择一个接纳周期，并从该接纳周期内的N个上行探测帧时隙中随机选择一个上行探测帧时隙，发送接纳请求；中心节点按顺序依次接纳各从属节点；该方法的具体步骤包括如下：

(1)划分接纳周期：

将信道在时间上划分成多个连续的且互不重叠的时间段，将每一个时间段作为一个接纳周期；

(2)规划不同用途的时隙：

(2a)将每个接纳周期的起始时刻，作为下行探测帧时隙的起始时刻，中心节点利用下行探测帧时隙，发送承载下行媒质接入控制MAC层信令帧的下行物理层探测帧；

(2b)将每个接纳周期的其余部分N等分，将每个等分的起点作为每个上行探测帧时隙的起始时刻，从属节点利用上行探测帧时隙，发送承载上行媒质接入控制MAC层信令帧的上行物理层探测帧；

(3)从属节点调整接收功率增益：

(3a)中心节点在下行探测帧时隙持续发送下行探测帧，各从属节点检测持续接收的下行探测帧的信号强度；

(3b)从属节点记录检测到的下行探测帧信号强度，利用增益调整方法，调整从属节点接收功率的增益；

(4)利用信道参数估计方法，从属节点确定下行物理层信道参数；

(5)中心节点发送下行探测帧：

将连续的M个接纳周期组成一个竞争期，中心节点在下行探测帧时隙发送下行探测帧，通告各从属节点可从竞争期内随机选择一个接纳周期，发送接纳请求，其中M的取值范围为，大于等于1且小于等于接入网络中的从属节点的总数；

(6)从属节点发送接纳请求：

每个从属节点接收下行探测帧，从中心节点通告的竞争期中随机选择一个接纳周期，并从该接纳周期内的N个上行探测帧时隙中随机选择一个上行探测帧时隙，发送接纳请求；

(7)中心节点决定各从属节点的接纳顺序：

中心节点按照接收到接纳请求的先后顺序，在下行媒质接入控制MAC层信令帧中填入可以被接纳的从属节点ID；

(8)中心节点通告从属节点的接纳顺序：

中心节点将下行媒质接入控制MAC层信令帧封装入下行探测帧，在下行探测帧时隙广播发送该下行探测帧，向各从属节点通告节点接纳顺序；

(9)从属节点判断下行媒质接入控制MAC层信令帧中是否存在自身节点的ID：若是，执行步骤(10)；否则，等待下行媒质接入控制MAC层信令帧中通报的所有从属节点的接纳流程结束后执行步骤(5)；

(10)中心节点按顺序依次接纳各从属节点：

(10a)中心节点在下行探测帧时隙依次给各从属节点发送接纳响应，调整从属节点的上行发送功率增益；

(10b)从属节点在接纳周期内的N个上行探测帧时隙发送上行探测帧；

(10c)中心节点利用上行探测帧中的训练序列信号确定上行信道参数，将从属节点接纳到当前网络。

2.根据权利要求1所述的基于竞争排序的节点接纳方法，其特征在于，步骤(1)中所述的接纳周期，其时间长度由用户根据需求设置为定长或不定长。

3.根据权利要求1所述的基于竞争排序的节点接纳方法，其特征在于，步骤(3b)中所述的增益调整方法是，当下行探测帧信号强度较弱时，增大接收功率增益直至能正确接收到下行探测帧信号；当下行探测帧信号强度较强时，降低接收功率增益直至能正确接收到下行探测帧信号。

4.根据权利要求1所述的基于竞争排序的节点接纳方法，其特征在于，步骤(4)中所述的信道参数估计方法是，从属节点先从接收到的下行探测帧信号中提取出训练序列信号，再根据该训练序列信号对物理层信道参数进行估计。