CN1698313A - 在包括多个节点的多中继段无线通信网络中减小功耗的方法和包括多个节点的无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在包括多个节点的多中继段无线通信网络中减小功耗的方法和包括多个节点的无线通信系统。本发明的系统和方法减小了在多中继段无线通信网络中的功耗。在中间节点上接收来自源节点的信号。该信号包括将消息中继给目的节点的请求。该请求包括关于以中继模式或再生模式转发消息的功率需求的信息。如果在中间节点上可用的功率超过该功率需求，则接受该请求。基于再发射消息的标准选择中继模式或再生模式，然后使用所选择的模式将该消息中继到目的节点。

Description

在包括多个节点的多中继段无线通信网络中 减小功耗的方法和包括多个节点的无线通信系统

技术领域

一般地说本发明涉及无线通信领域，更具体地说涉及在无线通信网络中功率有效的多中继段(multi-hop)数据传输。

背景技术

特别是在无线网络中，收发器或“节点”设置成彼此进行通信而没有任何网络基础设施或集中管理机构。这种结构设置可以是静态或动态，或者它们的组合。节点可以是蜂窝电话、便携式计算装置或专用器件比如传感器。在网络中的节点在它们本身之间建立了线路以形成它们自己的网络。由于收发器有限的传输范围，来自源节点的消息在达到目的地之前可能必须通过一个或多个中间路由节点。

特别是在无线网络中，大多数(如果不是所有的)节点都是电池供电。因此，使功耗最小是个基本的问题。一些降低功率的技术减小了代码转换器的复杂性、使用低功率电路和低信令成本的路线选择协议。其它的技术试图利用网络拓扑来减小功率。

Heinzelman等人在“Energy-efficient Communication Protocolfor Wireless Micro-sensor Networks，”(Proc.Of the IEEE Hawaii Int.Conf.On System Sciences，pp.3005-3014，January，2000)中描述了在无线网络中减小功率的通信协议。它们描述了利用本地集群端头的随机化旋转来均匀地分布在网络中的节点的功率负载的基于分群的协议。他们还指出在两个节点之间的距离短时直接传输比多中继段传输更加有效。

Chang等人在“Energy Conserving Routing in Wireless Ad-hocNetworks，”(Proc.Of IEEE INFOCOM 2000，March，2000)中描述了在静态无线网络中选择线路和对应的功率级以使功耗降低的方法。

Catovic等人在“A New approach to minimum energy routing fornext generation multi-hop wireless networks，”(Journal ofCommunications and networks，Special Issue on“Evolving from 3Gdeployment to 4G definition，”December 2002)中描述了在不同的功率级上在两个不同的通道上传输数据的技术。一种瑞克接收器用于通过组合两个所接收的信号重构原始数据。

Chen等人在“Energy Efficient System Design with OptimumTransmission Range for Wireless Ad-hoc networks，”(Proc.Of IEEEInt.Conf.On Communications ICC’02，pp.945-952，May，2002)中确定了尤其是在无线网络中的最佳的传输范围和跳跃距离。

已有技术还没有解决的问题是通过多中继段路径的误码传播。为消除错误传播，在多跳跃路径上必须增加传输信号功率级。结果，在网络中的整个功耗增加。在另一方面，在每个中间节点上，对所接收的信号进行解码和再编码，然后转发给目的地或下一中间节点。这可以防止错误传播，但这以由于代码转换过程的复杂性而引起功耗增加为代价。

最为重要的是，决定是否简单地简化放大和发送数据或再生数据取决于中间节点相对于源节点和目的节点的位置和功率损失的等级。因此，需要一种特别是在无线网络中减小功耗的系统和方法。

发明内容

根据本发明的系统和方法减小了在多中继段无线通信网络中的功率消耗。在中间节点上接收来自源节点的信号。该信号包括中继请求、消息、中继功率需求和再生功率需求。如果在中间节点上可用的功率超过将消息中继到目的节点所要求的功率量则接收该请求。基于在中间节点上的本地标准选择中继模式或再生模式并使用所选择的模式将该消息中继到目的节点。

附图说明

附图1所示为根据本发明的无线通信网络的方块图；

附图2所示为根据本发明在多中继段无线通信网络中减小功耗的方法的流程图；

附图3A所示为根据本发明的中继模式操作的流程图；

附图3B所示为根据本发明的再生模式操作的流程图；和

附图4所示为根据本发明的无线节点的方块图。

具体实施方式

系统结构

附图1所示为根据本发明的无线通信网络100。网络100包括源节点110、中间节点130和目的节点120。源节点的输出是信号111。该信号包括中继请求112、消息113、中继模式功率需求114和再生模式功率需求115。

节省功率表现为在间接路径116和直接路径117上发送消息所要求的功率的大小之间的差异。

系统操作

附图2所示为根据本发明在多中继段无线通信网络100上减小功耗的方法200。中间节点130从源节点110接收210信号111。

在步骤220中，中间节点130确定是接受还是拒绝来自源节点110的将消息113中继到目的节点120的请求112。根据步骤220的决定，中间节点发出接受(Ack)或拒绝(Nack)请求的指示221。如果在预定的时间量内拒绝或不接受该请求，则源节点110可以搜寻另一节点作为中间节点，或者源节点试图直接将消息113发送给目的节点120。

如果指示221是Ack，则中间节点选择230将消息113中继给目的节点120的模式。所选择的模式可以是再生模式或中继模式，下文详细地讨论这两种模式。

附图3A所示为中继模式的步骤。在此，中间节点130放大310来自源节点110的信号111，并将经放大的信号321再发送给目的节点120。

附图3B所示为再生模式的步骤。在这种模式中，在中间节点130上所接收的信号首先解调330然后解码340。解码340过程校正所发生的任何误码。然后对经解码的数据341进行编码350、放大360并发送370给目的节点120。

再生模式

源节点A 110通过下式(1)确定将信号111直接发送给目的节点B 120所要求的功率大小：

这里所要求的功率α_re。满足误码率要求Pre，值γ是路径损失指数，值x_ab是在从源节点A 110到目的节点B 120的路径上的以分贝为单位的阴影损失。值α_re。取决于所使用的比率调制的类型，例如PAM、PQSK、QAM。

源节点A 110确定如果中间节点C 130作为再生器中继则可以获得的功率节省。功率节省是在中继路径A→C→B 116上使用的功率和在直接路径A→B 117上使用的功率之间的差值。为得出这个差值，源节点A 110确定发送到中间节点C 120的功率和在中间节点上使用的发送给目的节点B 120的功率。这两个功率(由

表示)取决于距离(dac，dcb)和所要求的误码率(BRE)Pre。则由再生所引起的功率降低由下式(2)确定：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{regen}}={\mathrm{\α}}_{t_e}^A+{\mathrm{\α}}_{t_e}^C-{\mathrm{\α}}_{t_e}^{\mathrm{AB}}+P_c.---\left(2\right)$

公式2给出了最佳的功率节省，忽略了在网络100上的阴影损失，在网络100上中间节点起再生器的作用并将信号从源节点110中继到目的节点120。

附图3A所示为在源节点A 110和中间节点C 130上具有计算的发射功率

的再生器中继方法．根据在节点之间的距离不同，功率降低Δα_regen可以是正的或负的。

如果功率降低Δα_regen为正，则源节点不将中继请求发送给中间节点。如果功率降低Δα_regen为负，则源节点将中继请求发送给中间节点。

中继模式

在中继模式中，中间节点130将消息113转送给目的节点B 120而不校正在从源节点A 110到中间节点C 130的传输中发生的任何错误。在源节点和中间节点上的发射功率是

并且在中间节点和目的节点上的最佳误码率是 因为中继允许误码从中间节点传播到目的节点，公式(3)

$*{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ac}}+*{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{cb}}={\mathrm{Pr}}_e---\left(3\right)$

通过下式满足：

$\ln \left(\frac{d_{\mathrm{ac}}^{\mathrm{\γ}}{10}^{x_a/10}}{d_{\mathrm{cb}}^{\mathrm{\γ}}{10}^{x_{\mathrm{cb}}/10}}\right)=\ln \left(Q^{-1}\left(\frac{{\log }_{2}M}{(1-1/M)}({\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ab}}-{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ac}})\right)\right)+{\left({\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{2{\log }_{2}M}{(1-1/M)}({\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ab}}-{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ac}}))\right)}^2-$

$-{\left({\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{2{\log }_{2}M}{4(1-1/M)}{\mathrm{Pr}}_c^{\mathrm{ac}})\right)}^2-\ln \left(Q^{-}\left(\frac{2{\log }_{2}M}{4(1-1/M)}{\mathrm{Pr}}_c^{\mathrm{ac}}\right)\right)$

并且通过 $*{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{cb}}={\mathrm{Pr}}_e-*{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ac}}$ 得到^*Pr_e ^cb。

从这些最佳误码中，确定最佳发射功率 在已知值

之后，源节点A 110根据下式确定功率节省：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{relay}}={\mathrm{\α}}_{t_e}^A+{\mathrm{\α}}_{t_e}^C-{\mathrm{\α}}_{t_e}^{\mathrm{AB}}+P_c.$

上文描述的方法对于任何三角M-ary调制方案都获得了

，然而，相同的分析技术也可应用到其它的调制方案。

值Δα_relay总是小于值Δα_regen，因为对于固定的Pre，中继方法要求附加功率。

然而，这种附加功率仅是几分之一分贝。因此，中间节点130可以根据本地标准比如处理负载确定是选择中继模式还是再生模式。然后中间节点130执行中继并且整个系统仍然实现功率降低。

节点结构

附图4所示根据本发明的节点400。每个节点包括连接到发射块410和接收块450的天线405。发射和接收块通过开关491-492彼此耦合。此外，节点包括处理器480和模式选择器490。

发射块410包括编码器440、发射器420和放大器430。接收块包括接收器460和解码器470。

节点操作

发射块410编码、调制和放大信号111。该信号可以源自本地或其它的节点。

接收块链450对所接收的信号411进行解调并解码。接收器块460的输出是包括消息113并导入到处理器480的位流，该位流在开关491处于“0”(切断)位置时进入发射器以便中继或者在开关491处于“1”(接通)位置时进入解码器470。解码器470对位流461进行解码并校正误码。

在解码之后，消息113被重构，并且对于再生模式如果开关492在“0”位置则通过发射链410发送，或者如果处理单元480确定希望消息113用于本地节点则将其传送到本地节点495。

处理器480连续地处理所接收的消息并确定该消息是否是中继控制消息、中继数据或者指定用于本地节点的数据。处理器也确定开关491-492的设置。如果数据是中继数据，则通过模式选择器490确定转送数据的模式，例如再生模式或者中继模式。这种决定作为节省的功能进行，并且因此设定了开关491和492。

虽然通过优选实施例的实例已经描述了本发明，但是应该理解的是在本发明的精神和范围内可以做出各种其它的修改或改进。因此，附加的权利要求的目的是覆盖落在本发明的真实精神和范围内的所有的变型和改进。

Claims (9)

1.一种在包括多个节点的多中继段无线通信网络中减小功耗的方法，包括：

在中间节点上接收来自源节点的信号，该信号包括中继请求、消息、中继功率需求和再生功率需求；

如果在中间节点上可用的功率超过将该消息中继到目的节点所要求的功率量则接受该请求；

基于在中间节点上的本地标准选择中继模式或再生模式；

使用所选择的模式将该消息中继到目的节点。

2.权利要求1所述的方法，其中本地标准包括在中间节点上的当前处理负载。

3.权利要求1所述的方法，进一步包括：

如果接受中继请求则将该接受指示发送给源节点；和

如果拒绝该中继请求则将拒绝指示发送给源节点。

4.权利要求1所述的方法，其中所选择的模式是中继模式，中继步骤进一步包括：

放大该信号；和

将经放大的信号发送给目的节点。

5.权利要求1所述的方法，其中所选择的模式是再生模式，中继步骤进一步包括：

解调该信号；

解码该信号；

编码该信号；

放大该信号；和

将经放大的信号发送给目的节点。

6.权利要求1所述的方法，其中源节点通过下式确定在从源节点到目的节点的直接路径上所要求的传输功率：

${\mathrm{\α}}_{t_e}^{\mathrm{AB}}={\mathrm{\α}}_{r_e}{d}_{\mathrm{ab}}^{\mathrm{\γ}}{10}^{x_{\mathrm{ab}}/10},$ 瓦

这里α_re是满足误码率需求Pre所要求的接收功率，γ是路径损失指数，和x_ab是以分贝为单位的阴影损失。

7.权利要求6所述的方法，其中功率节省是分别为(α_te ^A，α_te ^C) 的在中继路径上所使用的功率和在直接路径上使用的功率之间的差值，并进一步包括：

通过下式确定使用再生模式的功率节省：

${\mathrm{\Δ\α}}_{\mathrm{regen}}={\mathrm{\α}}_{t_e}^A+{\mathrm{\α}}_{t_e}^C-{\mathrm{\α}}_{t_e}^{\mathrm{AB}}+P_c.$

8.权利要求7所述的方法，其中在中间节点和目的节点上的最佳误码率分别是(*Pr_e ^ac，*Pr_e ^cb)， 对于中继模式的误码率需求 $\mathrm{Pr}_e^{\mathrm{ac}}{}_{*}+\mathrm{Pr}_e^{\mathrm{cb}}{}_{*}={\mathrm{Pr}}_e$ 满足：

$\ln \left(\frac{d_{\mathrm{ac}}^{\mathrm{\γ}}{10}^{x_{\mathrm{ac}}/10}}{d_{\mathrm{cb}}^{\mathrm{\γ}}{10}^{x_{\mathrm{cb}}/10}}\right)=\ln \left(Q^{-1}\left(\frac{{\log }_{2}M}{(l-1/M)}({\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ab}}-{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ac}})\right)\right)+{\left({\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{2\mathrm{lo}{g}_{2}M}{l-1/M)}({\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ab}}-{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ac}})\right)}^2-{\left({\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{2{\log }_{2}M}{4-(l-1/M)}{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ac}})\right)}^2-\ln \left(Q^{-1}\left(\frac{{2\log }_{2}M}{4-(l-1/M)}{\mathrm{Pr}}_e^{\mathrm{ac}}\right)\right)$

并且通过 $\mathrm{Pr}_e^{\mathrm{cb}}{}_{*}={\mathrm{Pr}}_e-\mathrm{Pr}_e^{\mathrm{ac}}{}_{*}$ 得到*Precb。

9.一种包括多个节点的无线通信系统，每个节点包括：被构造成选择中继模式和再生模式中的一种模式的模式选择器；被构造成如果所选择的模式是中继模式则将所接收的信号路由到发射器而如果所选择的模式是再生模式则路由到解码器的第一开关装置，该解码器提供经解码的信号；和

被构造成如果所选择的模式是再生模式则将经解码的信号路由到与发射器耦合的编码器的第二开关装置。

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