CN115988649B - 一种多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法 - Google Patents
一种多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法，每个在网节点分配时隙状态序列后，优先通过在其各链路间进行功率调整来适应链路上通信速率的需求变化，仅在功率分配不能满足链路通信需求的情况下才进行节点时隙状态序列调整，可极大降低节点时隙状态序列的调整频次；以时隙为单位在各链路间动态分配发射功率，可适应节点间链路通信速率的高速时变需求，满足高动态时敏网络的通信需求，在满足各链路速率的基础上，最大化网络的通信容量，并且通过对功率资源的精细调度，提升网络对不同优先级业务、不同传输可靠性要求的适应能力。
Description
技术领域
本发明属于无线自组织网络通信技术领域，具体涉及一种多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法。
背景技术
无线自组织网络是一种无中心的自组织网络，不需要物理基站，而是各主机相互连通，主机即可充当服务器，具有高移动、高便捷、容易构建等优势。
毫米波高增益的多波束相控阵天线用于无线自组织网络时，天线的多波束能力可以使得每个节点同时与周围多个邻居节点建立连接，且各个波束指向不同，实现空分复用，提升网络容量。与此同时，通过提高波束增益可提升节点对间的通信速率，并且定向窄波束也有利于提升网络的抗干扰、抗截获性能。
毫米波多波束相控阵天线用于时分体制组网时，多个波束由于共用天线，同一天线上的多个波束在同一时刻处于同时接收或者同时发送的状态。当一个节点与多个节点通过多波束建立多条通信链路时，由于每个节点分配的时隙状态序列不同，因此，在同一个发送时隙会给不同数量的邻居节点发送信息，需要对发送功率在各链路间按照时隙进行优化分配，使得各链路均能达到最优速率。
过往研究中，在全向天线进行时分组网时，每个节点在自己获得的时隙上根据通信速率需求调整自己的功率，不涉及多个链路间的功率协同分配问题；对于单波束相控阵天线，通常采用跳波束模式与多个节点进行通信，相当于每个时刻只有一条链路，也不存在链路间功率协同分配问题；在扇区型定向波束组网时，受天线硬件限制，各个扇区天线间功率不能调配，只能根据通信速率调整本扇区天线的发射功率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法。
一种多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法，定向自组网的网络节点采用多波束相控阵天线，每个天线同时形成的多个高增益波束与不同邻居节点建立通信链路，定向自组网采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态，节点间的通信链路在时间维度上划分为时隙，网络为每个节点分配一个长度为Q的二进制时隙状态序列，以确定该节点的时隙收发状态，其中“1”表示该节点处于发送状态，“0”表示该节点处于接收状态；当某个时隙两个节点之间的序列对应位分别为“0”和“1”时，能够配对通信，节点时隙状态以周期Q重复，Q根据网络中的节点数量设定；
网络中的任一节点A计算与之相连的M条链路上各个邻居节点可接收节点A信息的时隙数量S j ，并由小到大排列为S 1 ≤S 2 ≤...≤S M ，其中S M ≤S Tmax ，S Tmax 为节点A在一个序列周期Q内的发送时隙数量；记录各个时隙数量S j 对应的时隙序号，构建“通信链路-时隙数量S j -时隙序号”对应关系表；与此同时，节点A计算其每个发送时隙对应的可通信节点数量N i ，构建“时隙序号-节点数量N i -节点编号”对应关系表；
当节点对之间通信链路的通信速率需求变化时，调整分配节点A每个时隙的发射功率和节点对之间的时隙状态序列，以动态适配链路速率需求；
在时隙状态序列和功率协同分配时，在各个节点对之间通信链路的可通信时隙上，首先按照可通信时隙数量S j 由小到大依次进行通信链路各个时隙的功率分配：
当S j ＝1时，直接从该时隙分配全部所需功率；
当S j ＞1时，查找“时隙序号-节点数量N i -节点编号”对应关系表，确定该通信链路上S j 个可用时隙序号中节点A的可通信节点，对于未完成功率分配的节点进行等比例功率分配；
在功率调整无法满足节点对之间通信链路的通信速率需求时，通过调整时隙状态序列，以增加可通信时隙数量，再进行功率调整，直至能够满足节点对之间通信链路的通信速率需求。
进一步的，构建“通信链路-时隙数量S j -时隙序号”对应关系表后，根据节点A的每条链路在一个序列周期Q内需要传输的信息量和可用的通信时隙数量，计算所需发射功率P Li ；若M条链路所需发射功率之和P L ＞天线总功率P total ，则调整时隙数量S 1 对应链路上邻居节点的时隙状态序列，以增加该链路的可通信时隙数量。
进一步的，功率分配时，若该时隙全部功率＜所需发射功率，则再从其他时隙分配剩余所需发射功率，从其他时隙分配剩余发射功率时，按照各时隙序号对应的节点数量N i 大小进行，N i 越小的时隙分配出越多的发射功率。
进一步的，节点A对时隙数量S 2 、S 3 、...、S M 的通信链路进行功率分配时，通过“通信链路-时隙数量S j -时隙序号”对应关系表找出S j 与S j-1 重叠的时隙序号，再查找“时隙序号-节点数N i -节点编号”对应关系表，找出与S j-1 重叠的时隙序号对应节点编号；若对应链路已经完成功率分配，则将该时隙剩余功率分配给S j 其余的通信链路；若对应链路尚未完成功率分配，则优先从与S j-1 不重叠的时隙序号中分配功率。
进一步的，所需发射功率P Li ＝10lg(R b )＋E b /N 0 ＋L s －G t －G r /T－228.6＋M e (dB)，其中R b 为节点对之间需要传输的信息量和可用通信时隙长度计算需要的通信速率，E b /N 0 为调制编码组合对应的解调门限，L s 为空间传输损耗，G t 为发射天线增益，G r 为接收天线增益，T为天线噪声温度，M e 为通信余量，228.6为波尔兹曼常数。
本发明有益效果：
1、每个在网节点分配时隙状态序列后，优先通过在其各链路间进行功率调整来适应链路上通信速率的需求变化，仅在功率分配不能满足链路通信需求的情况下才进行节点时隙状态序列调整，可极大降低节点时隙状态序列的调整频次；
2、以时隙为单位在各链路间动态分配发射功率，可适应节点间链路通信速率的高速时变需求，满足高动态时敏网络的通信需求，在满足各链路速率的基础上，最大化网络的通信容量，并且通过对功率资源的精细调度，提升网络对不同优先级业务、不同传输可靠性要求的适应能力。
附图说明
图1 为实施例1例举的节点A与其四个邻居节点的时隙状态序列分配示意图；
图2 为实施例1例举的节点A与其四个邻居节的通信时隙示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
本发明公开的链路间时隙和功率协同分配方法基于多波束定向自组网，其网络节点采用多波束相控阵天线，每个天线同时形成的多个高增益波束与不同邻居节点建立通信链路，定向自组网采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态。
节点间的通信链路在时间维度上划分为时隙，本实施例中，网络为每个节点分配一个长度为8的二进制时隙状态序列，以确定该节点的时隙收发状态，其中“1”表示该节点处于发送状态，“0”表示该节点处于接收状态；当某个时隙两个节点之间的序列对应位分别为“0”和“1”时，能够配对通信，节点时隙状态以周期8重复。
假定网络中的节点A的某一天线具备4个波束，同时与B、C、D、E这四个节点建立通信链路，天线功率可在4个波束间动态分配。
节点间的通信链路在时间维度进一步划分为时隙，网络为每个节点分配一个长度为8的二进制时隙状态序列，确定该节点的时隙收发状态，其中“1”表示该节点处于发送状态，“0”表示该节点处于接收状态；当某个时隙两个节点之间的序列对应位分别为“0”和“1”时，能够配对通信，节点时隙状态以周期8重复。A、B、C、D、E五个节点在一个序列周期内的时隙状态序列如图1所示。与之对应的，节点A与其邻居节点B、C、D、E在每个发送时隙的通信关系如图2所示。
下面结合从节点A的角度出发，对本发明公开的链路间时隙和功率协同分配方法进行阐述：
1、节点A根据其时隙状态序列11001101，确定其在此序列周期内的发送时隙数量为5，时隙序号分别为1、2、5、6、8。
2、节点A计算与之相连的四条链路上各邻居节点可接收节点A信息的时隙数量S j ，构建“通信链路-时隙数量S j -时隙序号”关系表，如表1所示。
表1
很显然，此处S 1 ＝S 2 ＜S 3 ＜S 4 ，通信链路A-E与通信链路A-B的可通信时隙数量均为2，选取其中一条链路优先进行功率分配即可，本实施例选择通信链路A-E。
3、节点A计算其每个发送时隙对应可通信的节点数量N i 构建，“时隙序号-节点数量
-节点编号”关系表，如表2所示。
表2
4、根据节点A与其邻居节点之间形成的每条链路在一个序列周期内需要传输的信息量和可用的通信时隙数量，计算该条链路所需发射功率P Li ，再计算四条链路所需发射功率之和P L ，并与天线总功率P total 进行比较。
P Li ＝10lg(R b )＋E b /N 0 ＋L s －G t －G r /T－228.6＋M e (dB)，其中R b 为节点对之间需要传输的信息量和可用通信时隙长度计算需要的通信速率，E b /N 0 为调制编码组合对应的解调门限，L s 为空间传输损耗，G t 为发射天线增益，G r 为接收天线增益，T为天线噪声温度，M e 为通信余量，228.6为波尔兹曼常数。
若P L ＞P total ，表明在当前时隙状态序列下，无法满足通信需求，则选择调整节点的时隙状态序列，增加邻居节点与节点A的可通信时隙数量。例如，图1所示的节点E的时隙状态序列为11001010，与节点A只在时隙6和时隙8可通信，将节点E时隙状态序列的时隙1、2、5任一或多个调整为接收状态，即可增加与节点A的可通信时隙数量，从而将信息量分散到更多的可通信时隙进行处理。
若P L ≤P total ，按照可通信时隙数量S j 由小到大依次进行通信链路各个时隙的功率分配。
⑴节点A对表1中具备最小可通信时隙数量S 1 的通信链路A-E进行功率分配，该通信链路上有2个可通信时隙，时隙序号分别为6和8。
查找表2，时隙序号6对应可通信节点有节点B、C、D、E，时隙序号8对应可通信节点只有节点E。此种情况下，节点A将时隙序号8上的全部功率分配给通信链路A-E，若该时隙全部功率仍低于所需功率，则再从时隙序号6分配剩余所需功率。
⑵节点A对表1中可通信时隙数量S 2 的通信链路A-B进行功率分配，该通信链路上有2个可通信时隙，时隙序号分别为2和6，其中时隙6与通信链路A-E的可通信时隙存在重叠。
查找表2，时隙6对应的通信节点有节点B、C、D、E，除节点E已经完成功率分配外，节点B、C、D均未完成功率分配。此时，时隙2对应的通信节点也是B、C、D这三个节点，即时隙2和6均有三个节点需要分配功率，则将时隙2和时隙6剩余功率按照等比例原则对通信链路A-B进行功率分配。
⑶节点A对表1中可通信时隙数量S 3 的通信链路A-D进行功率分配，该通信链路上有3个可通信时隙，时隙序号分别为2、5、6，其中时隙2、6与通信链路A-B的可通信时隙存在重叠。
查找表2，除已经完成功率分配的节点B和节点E，时隙2、5、6均需要对通信链路A-C、A-D进行功率分配，则将时隙5和时隙2、6剩余功率按照等比例原则对通信链路A-D进行分配。
⑷节点A对表1中可通信时隙数量S 4 的通信链路A-C进行功率分配，该通信链路上有4个可通信时隙，时隙序号分别为1、2、5、6，其中时隙2、5、6与通信链路A-C的可通信时隙存在重叠。
查找表2，时隙1仅有节点C独享，则优先将时隙1的功率分配给节点C，当时隙1的功率低于所需功率，再将时隙2、5、6剩余功率按照等比例原则对通信链路A-C进行分配。
步骤⑴-⑷中，若出现所需功率高于该时隙剩余功率，则优先调整节点E的时隙状态序列以增加通信频次，然后再重新进行功率分配；当调整节点E的时隙状态序列也无法满足功率需求时，再调整节点B的时隙状态序列，以此类推，整体原则是N i 越小的时隙分配出越多的发射功率。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法，定向自组网的网络节点采用多波束相控阵天线，每个天线同时形成的多个高增益波束与不同邻居节点建立通信链路，定向自组网采用时分通信体制，同一天线的多个波束同时处于发送状态或同时处于接收状态，其特征在于，
节点间的通信链路在时间维度上划分为时隙，网络为每个节点分配一个长度为Q的二进制时隙状态序列，以确定该节点的时隙收发状态，其中“1”表示该节点处于发送状态，“0”表示该节点处于接收状态；当某个时隙两个节点之间的序列对应位分别为“0”和“1”时，能够配对通信，节点时隙状态以周期Q重复，Q根据网络中的节点数量设定；
网络中的任一节点A计算与之相连的M条链路上各个邻居节点可接收节点A信息的时隙数量S j ，并由小到大排列为S 1 ≤S 2 ≤...≤S M ，其中S M ≤S Tmax ，S Tmax 为节点A在一个序列周期Q内的发送时隙数量；记录各个时隙数量S j 对应的时隙序号，构建“通信链路-时隙数量S j -时隙序号”对应关系表；与此同时，节点A计算其每个发送时隙对应的可通信节点数量N i ，构建“时隙序号-节点数量N i -节点编号”对应关系表；
当节点对之间通信链路的通信速率需求变化时，调整分配节点A每个时隙的发射功率和节点对之间的时隙状态序列，以动态适配链路速率需求；
在时隙状态序列和功率协同分配时，在各个节点对之间通信链路的可通信时隙上，首先按照可通信时隙数量S j 由小到大依次进行通信链路各个时隙的功率分配：
当S j ＝1时，直接从该时隙分配全部所需功率；
当S j ＞1时，查找“时隙序号-节点数量N i -节点编号”对应关系表，确定该通信链路上S j 个可用时隙序号中节点A的可通信节点，对于未完成功率分配的节点进行等比例功率分配；
在功率调整无法满足节点对之间通信链路的通信速率需求时，通过调整时隙状态序列，以增加可通信时隙数量，再进行功率调整，直至能够满足节点对之间通信链路的通信速率需求。
2.根据权利要求1所述的多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法，其特征在于，构建“通信链路-时隙数量S j -时隙序号”对应关系表后，根据节点A的每条链路在一个序列周期Q内需要传输的信息量和可用的通信时隙数量，计算所需发射功率P Li ；
若M条链路所需发射功率之和P L ＞天线总功率P total ，则调整时隙数量S 1 对应链路上邻居节点的时隙状态序列，以增加该链路的可通信时隙数量。
3.根据权利要求1所述的多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法，其特征在于，功率分配时，若该时隙全部功率＜所需发射功率，则再从其他时隙分配剩余所需发射功率，从其他时隙分配剩余发射功率时，按照各时隙序号对应的节点数量N i 大小进行，N i 越小的时隙分配出越多的发射功率。
4.根据权利要求3所述的多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法，其特征在于，节点A对时隙数量S 2 、S 3 、...、S M 的通信链路进行功率分配时，通过“通信链路-时隙数量S j -时隙序号”对应关系表找出S j 与S j-1 重叠的时隙序号，再查找“时隙序号-节点数N i -节点编号”对应关系表，找出与S j-1 重叠的时隙序号对应节点编号；
若对应链路已经完成功率分配，则将该时隙剩余功率分配给S j 其余的通信链路；若对应链路尚未完成功率分配，则优先从与S j-1 不重叠的时隙序号中分配功率。
5.根据权利要求2所述的多波束定向自组网的链路间时隙和功率协同分配方法，其特征在于，所需发射功率P Li ＝10lg(R b )＋E b /N 0 ＋L s －G t －G r /T－228.6＋M e (dB)，其中R b 为节点对之间需要传输的信息量和可用通信时隙长度计算需要的通信速率，E b /N 0 为调制编码组合对应的解调门限，L s 为空间传输损耗，G t 为发射天线增益，G r 为接收天线增益，T为天线噪声温度，M e 为通信余量，228.6为波尔兹曼常数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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