CN1328870C - 带有调制方法适配的网络 - Google Patents

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Abstract

在包括多个终端的网络中，由某一发送终端在数据传送开始时在第一步选择一种调制方法。该选择是基于一个估测的有效接收信噪功率比C/I，在该信噪比情况下不会超过最大允许的分组出错率PER。在第二步由该发送终端确定发送功率，该发送功率是针对第一步所选择的调制方法而为所需的分组出错率得出的。

Description

带有调制方法适配的网络
本发明涉及一种含有多个终端的网络，这些终端经无线介质进行信息交换。这种网络可以是自组织专用(ad hoc)网络而且譬如可包括多个子网。
根据文献“J.Habetha，A，Hettich，J.peetz，Y.Du：CentralController Handover Procedure for ETSI-BRAN HIPERLAN/2 Ad HocNetworks and Clustering with Quality of Service Gurantees，2000年8月11日IEEE第一次关于移动专用网络与计算的年度专题讨论会议录”可知：一个专用网络包括多个终端。至少有一个终端作为控制器来控制所述专用网络，在这种网络中希望尽可能将终端的能耗降至最低。
因此，本发明的一个目的在于提供一种降低所述终端能耗的网络。
通过开篇段落中定义的那种网络类型由以下措施来实现该目的：
所述网络包括多个终端，这些终端在数据发送开始时分别作为发送终而被设置用来
-在第一步选择一个调制方法，在该方法中为某一估测的有效接收信噪功率比而保持低于允许的最大分组出错率或允许的最大分组延迟，或达到最大的数据通过量，以及
-在第二步确定发送功率，该发送功率是针对第一步所选择的调制方法而为所需的分组出错率或分组延迟得出的。
本发明可以用于象UMTS(通用移动电信系统)、HIPERLAN/2、蓝牙等多种移动无线系统中。本发明特别适合通过不同无线分段线路实现通信的专用网络。这样专用网络便可以是完全分散的或者被分为多个子网。在这些子网中，所述终端不但是移动的，而且其中一个终端还用作中央控制器(起到基站的功能)。当某个终端建立连接时，由于在第一步选择了某种调制方法，其中对于估测的有效接收信噪功率比而保持低于允许的最大分组出错率，并接着在第二步为第一步所选择的调制方法而针对所需的分组出错率确定出发送功率，所以得到的该发送功率是准最优的。接着选择所述允许的最大分组出错率(最小分组出错率)，这样，即使是在最坏的条件下也能保证可靠的数据传输。反之，所需的分组出错率(目标分组出错率)取决于所要发送的数据类型(语音，文件的下载，因特网数据等)。其结果便能实现所述终端的准最优能耗。所需的分组出错率可以小于或大于所述允许的最大分组出错率。
所述所需分组出错率还取决于有关允许传输延迟方面的业务要求。这是由于当使用具有重复发送功能(自动重请求(ARQ))的防错协议时，更高的分组出错率会引起更频繁的重复发送，以及相应地带来更长的分组发送周期或延迟。因此，除了所述分组出错率，所述分组延迟也可以是一种判据。除此之外所述数据传输量也可以作为一种判据。
提供一种发送终端，用于按所述最大发送功率减去发送终端与接收终端之间的估测路径损耗及一个参数来确定估测的有效接收信噪功率比。权利要求3说明的是所述路径损耗的确定，权利要求4说明的是所述参数的初始值。
为了在第二步确定出所述发送功率，对应不同调制方法，终端将存储一些与有用信噪功率比相关的分组出错率的曲线值。
当接收条件改变时，必须采取的措施在权利要求6中说明。权利要求7则说明如何使所述参数和所需分组出错率自适应地相匹配。
本发明还涉及到在这种网络中的终端。
下面还将参照附图对本发明实施例作进一步阐述，其中：
图1所示为含有三个子网的专用网络，每个子网还包括多个用于无线传输的终端，
图2所示为图1所示局域网的一个终端，
图3所示为图2所示终端的无线电装置，
图4所示为用于连接两个子网的一种桥接终端的实施方案，
图5所示为两个子网的MAC帧以及桥接终端的MAC帧结构，
图6为对应于某种调制方法的不同曲线的样图，这些式样表示依赖于所述有效接收信噪功率比的分组出错率。
下述实施例涉及与传统网络相反的自组织形式的专用网络。这种专用网络的每个终端均能访问固定网并能立刻投入使用。专用网络的特征在于其结构和预定边界值内的用户数量均不固定。例如，某个用户的通信装置可以从该网络中移去或包含于该网络中。与传统移动无线网相反，专用网络无需借助于固定安装的底层结构。
所述专用网络的区域大小通常远大于某个终端传输范围。这样两个终端之间的通信通常需要使用其它的终端，以便能够在这两个通信的终端之间传送信息或数据。这种需要经终端传送信息或数据的专用网络称为多跳专用网络。专用网络的一种可能结构包括常规结构的子网或群集。例如，所述专用网络的子网可以由绕工作台而坐的用户的、经无线路径连接的终端组成。例如，这些终端可以是用于文档、图像等的无线交换的通信装置。
有两种类型的专用网络-分散式和集中式专用网络。在分散式专用网络中，终端之间的通信是分散的，即：每个终端均能直接与其它任何终端进行通信，条件是这些终端要位于其它那些终端的发送范围之内。分散式专用网络的优点是简单和可靠地防止出错。在集中式专用网络中，某些功能如终端对所述无线传输介质的多路接入功能(介质接入控制＝MAC)由每个子网的特定终端控制。该终端称为中央终端或中央控制器(CC)。这些功能不总是由同一终端执行，而是这些功能能够从作为中央控制器的终端转交给接着作为中央控制器的其它终端。集中式专用网络的优点在于这种网络中有关服务质量的协议可以用简单方法制定。中央式专用网络的一个实例是根据HIPERLAN/2内部环境扩充(HEE)(参见J.Habetha，A.Hettich J.Peetz，Y.Du的Central Controller Handover Procedure for ETSI-BRAN HIPERLAN/2Ad Hoc Networks and Clustering with Quality of ServiceGurantees，，2000年8月11日IEEE第一次关于移动专用网络与计算的年度专题讨论会议录)而组成的网络。
图1所示为含有三个子网1~3的专用网络实施例，每个子网还含有多个终端4~16，终端4~9构成子网1，终端4和10~12构成子网2，终端5和13~16构成子网3。在子网中，属于该子网的那些终端经无线路径来交换数据。图1所示的椭圆表示某个子网(1~3)的无线区域，在该区域内可能在属于该子网的那些终端之间进行大量无障碍的无线传输。
由于终端4和5能使数据分别在两个子网1和2或1和3之间进行交换，所以称其为桥接终端。所述桥接终端4负责子网1和2之间的数据交换，桥接终端5负责子网1和3之间的数据传送。
图1所示的局域网终端4~16可以是移动的或是固定的通讯装置，而且至少包括一个站17，一个连接控制器18和一个带天线20的无线电装置19(如图2所示)。例如站17可以是便携式计算机，电话等等。
如图3所示，所述终端6~16的无线电装置19除了天线20还包括一个高频电路21，一个调制解调器22和一个协议装置23。所述协议装置23根据从所述连接控制器18接收到的数据流形成分组单元。每个分组单元包括该数据流部分和由所述协议装置23产生的附加控制信息。所述协议装置使用有关LLC层(LLC＝逻辑链路控制)和MAC层(MAC＝媒质访问控制)的协议。所述MAC层控制着终端到无线传输介质的多路接入，LLC层则执行数据通过量和差错控制。
由上所述，集中式专用网络其子网1~3的某个特定终端负责控制和管理功能，并被称为中央控制器。该控制器还在相关的子网中用作普通终端。例如，由所述控制器负责在该子网中运行的终端的注册，负责在所述无线传输介质中在至少两个终端之间建立连接，负责资源管理和在所述无线传输介质中的接入控制。例如，在注册并已发出传输请求后，所述控制器将为子网的某一终端分配数据的传输容量(分组单元)。
在专用网络中能够用TDMA、FDMA或CDMA方式(TDMA＝时分多址，FDMA＝频分多址，CDMA＝码分多址)在各终端之间进行数据交换。也可以将这些方式结合使用。所述局域网的每个子网1~3均会分配多条信道-称为信道组。例如，由一个频段，由一个时段，在CDMA方式中则由一个扩码来确定一个信道。再如，每个子网1~3能够使用某一载频为fi的不同的特定频段来进行数据交换。在这个频段中，例如，可用所述TDMA方式来传送数据。将载频f1分配给所述子网1，将载频f2分配给所述子网2，将载频f3分配给所述子网3。一方面，所述桥接终端4用载频f1与子网1的其它终端进行数据交换，另一方面，用载频f2与子网2的其它终端进行数据交换。所述局域网中的第二桥接终端5使用载频f1和f3在子网1和3之间传送数据。
如上所述，所述中央控制器具有接入控制器的功能，这意味着，由该中央控制器负责所述MAC层各帧的形成(MAC帧)。为此使用所述TDMA方式。这种MAC帧有不同信道用于控制信息和有用数据。
图4所示为桥接终端实施例的方块图。该桥接终端的无线交换装置包括一个协议装置24，一个调制解调器25和一个带天线27的高频电路26。无线交换装置28与所述协议装置24相连，还与连接控制器29和缓存装置30相连。本实施例中的缓存装置30包括一个存储元件，用于数据缓存而且是一种FIFO元件(先进先出)，即：从所述缓存装置30读出数据的顺序是按照它们写入的顺序。图4所示终端也能作为普通终端使用。这样与所述连接控制器29相连的站(图4中未示出)通过该连接控制器29将数据传送至无线交换装置28。
图4所示的桥接终端轮流与第一子网和第二子网同步。同步理解为包括该子网中的终端接入直到数据交换的全过程。当所述桥接终端与第一子网同步时，该终端能够与第一子网中所有终端和控制器进行数据交换。如果其目的地是第一子网的终端或控制器或是其它子网的终端或控制器的这些数据是由所述连接控制器29传送至所述无线交换装置28-经所述第一子网能够获得这些数据-，则所述无线交换装置直接将这些数据传送到协议装置24。这些数据一直缓存在该协议装置24中，直到达到由所述控制器所确定的发送时隙。如果由所述连接控制器29传送的数据要发送至第二子网的终端或控制器，或经第二子网到达其它子网，那么将延迟该无线传输直到到达所述桥接终端与第二子网同步的时隙。因此，所述无线交换装置将目的地为第二子网或经第二子网能够到达的那些数据传送至所述缓存装置30，该装置会将这些数据缓存至所述桥接终端与第二子网同步的时隙。
如果由所述桥接终端接收来自第一子网终端或控制器的数据，且其目的地是第二子网的终端或控制器或者是经所述第二子网能够到达的其它子网的终端或控制器，那么这些数据也会一直存储在所述缓存装置30中直到与第二子网同步。目的地为所述桥接终端的某个站的那些数据则直接经所述无线交换装置28发送至所述连接控制器29，然后再由该控制器将接收到的数据传送到目的站。目的地既不是所述桥接终端的某个站也不是所述第二子网的终端或控制器的那些数据，则被发送至另一桥接终端。
所述桥接终端的同步从第一子网变到第二子网后，则再次从所述缓存装置30中按其写入的顺序读出储存于该装置中的数据。接着，在所述桥接终端与第二子网同步期间，将目的地为第二子网的终端或控制器，或是经第二子网能够到达的其它网络的所有数据从所述无线交换装置28直接传送至所述协议装置24，而且只有那些目的地是第一子网的终端或控制器或是经第一子网能够到达的其它子网的数据才存储在所述缓存装置30中。
两个子网SN1和SN2的所述MAC帧通常不同步。因此，桥接终端BT不仅在转接期TS而且在等待期TW均不与子网SN1和SN2相连。这能够从图5中得出，图中还示出子网SN1和SN2的MAC帧系列以及所述桥接终端BT的MAC帧结构。所述切换期TS是桥接终端能够与子网同步所需的时间。所述等待期TW表示与所述子网同步的结束到该子网新的MAC帧开始之间的时间。
假设所述桥接终端BT只在一个MAC帧期间与子网SN1和SN2相连，那么该桥接终端BT只有一个子网的可用信道容量的1/4信道容量。在另一种极端的情况下，所述桥接终端BT与一个子网长时间相连，其信道容量为子网可用信道容量的一半。
如上所述，每个子网均包括一个中央控制器用于控制指定的子网。当一个子网开始运行时，将保证只有一个终端执行中央控制器的功能。假设不是每个终端都能执行中央控制器的功能。为了确定一个中央控制器，其处理过程可以是：每个能执行中央控制器功能的终端应检测在其接收区域内是否有其它终端能够执行该控制器的功能。如果有，那么该检测终端确定它本身不成为控制器。如果所有其它终端也执行这种检测，那么最终有一个终端会检测到没有其它具有控制功能的终端，于是它本身将执行控制器的功能。
在该网络中，要经无线路径发送的信号首先按特定的数字调制方法进行调制。可能应用的调制方法有BPSK(二进制相移键控)，QPSK(四进制相移键控)，16QAM(16正交调幅)和64QAM。在所述调制前，用诸如穿孔卷积码等对这些要调制的信号进行编码。例如那时可以用3/4或9/10编码率。
根据本发明，当用后述的方法并根据接收条件在一个发送终端与一个或多个接收终端之间建立连接时，自适应地确定一种适合的调制方法和发送功率。
在传输(步骤1)开始时，相应地由发送终端确定或选择一种调制方法。依如下方式完成，根据存储在该发送终端(见图6)列表(相应的存储器)中的曲线值，用代表分组出错率(PER)的这种曲线值作为不同调制方法下有效接收信噪功率比(C/I)的函数，由此选择出调制方法，其中估测的有效接收信噪功率比C/Iest不超过最小分组出错率(允许的最大分组出错率)，如0.01。所述有效接收信噪功率比C/Iest预先用所述最大发送功率Tx减去发送终端和接收终端之间的路径损耗Lp及自适应参数AMM(自适应调制余量)计算得出：
C/Iest＝Tx-Lp-AMM
在建立连接期间将为所述参数AMM设定一个初始值(如0dB)。所述路径损耗Lp由发送终端和接收终端之间的功率控制信息的交换来确定(在建立连接期间)。在该处理期间，除了使用特定的信道之外还使用所述发送终端和接收终端均已知的调制方法。所述功率控制信息以最大发送功率发送，这样所述接收终端便能根据接收到的功率计算出所述路径损耗。
例如，如果估测的有效接收信噪功率比C/Iest为26.5dB，则在图6(该图中示出选择调制方法的多个曲线值)所示的第一步中选择编码率为3/4的16QAM调制方法。
接着，在第二步确定出所需的或最优的发送功率。首先，为目标分组出错率(所需分组出错率)确定一个初始值PER0(见图6)。与预先设定的最小分组出错率(或最大允许分组出错率)-在最坏的条件下保证可靠数据传输而选择得出的-相反，所述目标分组出错率(或所需分组出错率)取决于所要发送数据的类型(语音，文件下载，因特网数据等等)。由于在上一步已经确定出所述调制方法，所以然后根据存储的对应于该调制方法的所述曲线值(见图6)来读出所述目标分组出错率PER0所需的有效接收信噪功率比C/Ireq。在目标分组出错率PER0时对应于该有效接收信噪功率比C/Ireq的发送功率在下面称为PPER0。根据下面的关系式，由所述有效接收信噪功率比C/Ireq便得出所述目标分组出错率PPER0。
PPER0＝C/Ireq+Lp+AMM
所述路径损耗Lp在第一步根据被交换的功率控制信息计算得出。现在开始用发送功率P＝min(Pmax，PPER0)来发送数据。Pmax表示发送功率最大允许值，例如可由专业人士确定。
在本例的第一步，对应于计算出的有效接收信噪功率比C/Iest＝26.5dB选择具有编码率3/4的16QAM调制法。在有效接收信噪功率比C/Ireq＝23.5 dB处找到3/4编码率的16QAM调制方法同目标分组出错率PER0的曲线交点。这样与第一步相比发送功率在第二步将降低3dB。
在连接期间根据不同的接收条件(干扰，天气，其它统计上的影响，终端变动等等)可能会存在路径损耗或接收功率会发生相应变化。那么便在第三步再次执行第一步和第二步，其中不对AMM和PER0这两个参数重新初始化，而是保持其先前的值。可选地，可以周期间隔地执行第三步。
这两个参数AMM和PER0还可以在第四步作相应的改变。为此，根据该系统运行的功率参数来周期地匹配参数AMM和PER0。下面这些数值：“成功建立连接的百分比”，“网络平均分组出错率的倒数”，“网络平均分组延迟的倒数”，“整个系统的数据通过量”，“连接断开数量的倒数”，可以作为功率的参数轮流使用或组合使用。这种匹配可以按与第三步适配相等或比其更大的时间间隔来进行。下述调整用于修改参数AMM和PER0，其中Lki表示某特定时隙(或周期)ti的功率参数值，i＝0，1，2.....
首先匹配参数AMM：
如果Lki≥Lki-1且结果增加ti-1AMM
那么AMM增加1dB；
如果Lki≥Lki-1且结果减少ti-1AMM
那么AMM减少1dB；
如果Lki＜Lki-1且结果增加ti-1AMM
那么AMM减少1dB；
如果Lki＜LKi-1且结果增加ti-1AMM
那么AMM增加1dB。
接着，匹配参数PER0(例如，根据功率参数“整个网络的平均分组出错率”PERaV)：
如果PERaV，i＜PERaV，i-1，
那么PER0除以0.9
如果PERaV，i＞PERaV，i-1，
那么PER0乘以0.9
除了上述简单的调整，还可以使用更高阶调整或诸如模糊调节器或卡尔曼滤波器这类调整技术。
上例中的调整会是如此进行的，使得相互独立地重新调整所述两个参数。但也可以使用相关联的调整。即不是先设定参数AMM再设定参数PER0，而是同时增加参数AMM和PER0。
作为所述分组出错率PER的替换，存储的曲线值还能表示平均分组延迟或数据通过量与有效接收信噪功率比(C/I)的依赖关系。先阐述分组延迟的使用，再阐述数据通过量的使用。
当使用平均分组延迟时，依赖于不同调制方法的有效接收信噪功率比(C/I)而选择出一个调制方法，在该调制方法中使有效接收信噪功率比C/Iest保持低于固定的最小延迟。如上述那样求出有效接收信噪功率比C/Iest，其中也使用了参数AMM。
接着，在第二步确定所需或最优的发送功率。首先为平均目标延迟(所需分组延迟)T0确定初始值，这取决于将要发送的数据的类型(语音，文件下载，因特网数据等等)。由于在前一步已确定了调制方法，于是根据为该调制方法存储的所述曲线值读出对目标延迟T0所必须的有效接收信噪功率比C/Ireq。
在网络运行期间，就象使用分组出错率PER一样根据功率参数对AMM和T0这两个参数进行优化。所述参数AMM的匹配与上述过程相同。接着，匹配参数T0(例如，根据功率参数“整个网络中平均分组延迟”Tav)：
如果Tav，i≤Tav，i-1，
那么T0除以0.9，
如果Tav，i＞Tav，i-1，
那么T0乘以0.9。
任意的功率参数均能用于该过程(例如象匹配参数PER0一样，可以选择整个网络的平均分组出错率来匹配参数T0)。
当不用所述平均分组出错率而是使用数据通过量时，根据各种调制方法的有效接收信噪功率比(C/I)来选择一种调制方法，该调制方法在所估测的有效接收信噪功率比C/Iest情况下具有最大的数据通过量。如上所述那样求出有效接收信噪功率比C/Iest，其中也使用了参数AMM。
接着，在第二步确定所需的或最优发送功率。使用上述两种方法之一，既可以根据所述分组出错率(以及参数PER0)也可以根据平均分组延迟(以及参数T0)来完成已选定调制方法中的最优发送功率的确定。
如上所述，当网络运行时，根据功率参数对所述参数AMM和PER0或T0进行优化。

Claims (7)

1.一种网络，包括多个终端(4-16)，这些终端在数据传输开始时被设立用来
-在第一步选择一个调制方法，这是从所述终端中所有存储的、用于分组出错率、分组延迟或数据通过量的不同的调制方法曲线值之中选出的，其中，所述调制方法的选择取决于允许的最大分组出错率或允许的最大分组延迟保持低于估测的有效接收信噪功率比，或取决于针对估测的有效接收信噪功率比而达到最大的数据通过量，所估测的有效接收信噪功率比是按最大发送功率减去所估测的位于发送终端与接收终端之间的路径损耗以及一个代表自适应调制余量的参数来计算的，其中
-在第二步所述终端适配于确定发送功率，该发送功率是针对第一步所选择的调制方法而为所需的分组出错率或分组延迟得出的，其中，在某些间隔上，一个发送终端被设立用来把代表自适应调制余量的所述参数和所需的分组出错率或分组延迟予以适配，这是基于下述功率参数来进行的，该功率参数包括成功建立连接的百分比、网络平均分组出错率的倒数、网络平均分组延迟的倒数、整个系统的通过量、连接断开数量的倒数的其中之一。
2.如权利要求1的网络，其特征在于，设有一个发送终端，用于确定一个代表自适应调制余量的参数。
3.如权利要求2的网络，其特征在于，设有一个发送终端用于与一个接收终端进行功率控制信息交换，以及用于根据返回所述接收终端的功率控制信息来确定所述路径损耗。
4.如权利要求2的网络，其特征在于，当建立连接时，一个终端将所述代表自适应调制余量的参数设置为0。
5.如权利要求1的网络，其特征在于，不同的调制方法曲线值依赖于用户信噪功率比。
6.如权利要求1的网络，其特征在于，根据改变的接收条件或是以周期的方式，一个发送终端执行所述第一和第二步来确定一种调制方法和一种发送功率。
7.在包括多个另外的终端的网络中的一个终端，这个终端在数据传输开始时作为一个发送终端被设立用来
-在第一步选择一个调制方法，这是从所述终端中所有存储的、用于分组出错率、分组延迟或数据通过量的不同的调制方法曲线值之中选出的，其中，所述调制方法的选择取决于允许的最大分组出错率或允许的最大分组延迟保持低于估测的有效接收信噪功率比，或取决于针对估测的有效接收信噪功率比而达到最大的数据通过量，所估测的有效接收信噪功率比是按最大发送功率减去所估测的位于发送终端与接收终端之间的路径损耗以及一个代表自适应调制余量的参数来计算的，其中
-在第二步所述终端(4-16)适配于确定发送功率，该发送功率是针对第一步所选择的调制方法而为所需的分组出错率或分组延迟得出的，其中，在某些间隔上，一个发送终端被设立用来把代表自适应调制余量的所述参数和所需的分组出错率或分组延迟予以适配，这是基于下述功率参数来进行的，该功率参数包括成功建立连接的百分比、网络平均分组出错率的倒数、网络平均分组延迟的倒数、整个系统的通过量、连接断开数量的倒数的其中之一。
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