DE602004002802T2

DE602004002802T2 - Verfahren zur verringerung der stromaufnahme in einem drahtlosen mehrstreckenkommunikationsnetz mit mehreren knoten

Info

Publication number: DE602004002802T2
Application number: DE602004002802T
Authority: DE
Inventors: Philip Cambridge ORLIK; Zafer Clifton SAHINOGLU; Jinyun Cambridge ZHANG
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: JP2006515970A; US6996368B2; CN1736071A; EP1481517B1; EP1481517A1; JP4423286B2; US20040198467A1; DE602004002802D1; WO2004066572A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der drahtlosen Kommunikation und spezieller eine leistungsfähige Mehrfachreflexions-Datenübertragung in Funkverkehrsnetzwerken.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem drahtlosen Ad-hoc-Netzwerk sind Sendeempfänger oder „Knoten" eingerichtet, die ohne eine Netzwerkinfrastruktur oder zentralisierte Administration miteinander kommunizieren. Die Anordnung kann statisch oder dynamisch sein, oder kann in Kombinationen davon sein. Die Knoten können Mobiltelefone, tragbare Recheneinrichtungen oder spezielle Geräte wie Sensoren sein. Die Knoten in dem Netzwerk richten eine Leitweglenkung unter sich selbst ein, um ihr eigenes Netzwerk zu bilden. Wegen eines beschränkten Übertragungsbereiches der Sendeempfänger können Nachrichten von einem Quellenknoten einen oder mehrere dazwischen liegende Leitweglenkungsknoten zu durchlaufen haben, bevor sie einen Bestimmungsknoten erreichen.
In vielen drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken sind die meisten Knoten, wenn nicht alle, batteriebetrieben. Daher ist die Einstellung des Leistungsverbrauches auf ein Minimum von grundlegender Bedeutung. Einige Verfahren zur Verringerung der Leistung reduzieren die Vielschichtigkeit von Transkodern, nutzen Schaltkreise kleiner Leistung und Leitweglenkungs- Protokolle mit geringen Meldekosten. Andere Verfahren versuchen, die Netzwerktopologie zur Leistungsverringerung einzusetzen.
Heinzelman et al. beschreiben in „Energy-efficient Communication Protocol for Wireless Micro-sensor Networks" („Energieeffizientes Kommunikationsprotokoll für drahtlose Mikrosensor-Netzwerke"), Sitzungsberichte der Internationalen IEEE Hawaii Konferenz für Systemwissenschaften, S. 3005 bis 3014, Januar 2000, Kommunikationsprotokolle zur Leistungsverringerung in einem drahtlosen Netzwerk. Sie beschreiben ein auf Bündelung basierendes Protokoll, das eine regellos angeordnete Rotation von lokalen Cluster-Köpfen nutzt, um die Leistungsbelastung zwischen den Knoten in dem Netzwerk gleichmäßig zu verteilen. Sie geben auch an, dass eine direkte Übertragung effizienter ist als eine Mehrfachreflexionsübertragung, wenn der Abstand zwischen zwei Knoten kurz ist.
Chang et al. beschreiben in „Energy Conserving Routing in Wireless Ad-hoc Networks" („Energieerhaltende Leitweglenkung in drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken"), Sitzungsberichte von IEEE INFOCOM 2000, März 2000, Verfahren zum Auswählen von Leitungswegen und entsprechenden Leistungspegeln in einem statischen drahtlosen Netzwerk, so dass Leistungsverbrauch reduziert wird.
Catovic et al. beschreiben in „A new approach to minimum energy routing for next generation multi-hop wireless networks" („Neuer Lösungsweg zur Leitweglenkung von minimaler Energie für drahtlose Mehrfachreflexionsnetzwerke der nächsten Generation"), Journal of Communications and Networks, Sonderheft zu „Entwicklung vom Einsatz der 3. Generation zur Definition der 4. Generation", Dezember 2002, ein Verfahren zum Übertragen von Daten über zwei verschiedene Kanäle bei unterschiedlichen Leistungspegeln. Ein so genannter Rake- Receiver wird verwendet, um die ursprünglichen Daten durch Kombinieren der zwei empfangenen Signale zu rekonstruieren.
Chen et al. bestimmen in „Energy Efficient System Design with Optimum Transmission Range for Wireless Ad-hoc Networks" („Energieeffizienter Systementwurf mit optimalem Übertragungsbereich für drahtlose Ad-hoc-Netzwerke"), Sitzungsberichte der Internationalen IEEE-Konferenz für Kommunikation, ICC '02, S. 945 bis 952, Mai 2002, einen optimalen Übertragungsbereich und Sprungabstände in drahtlosen Rd-hoc-Netzwerken.
In „Performance analysis of two-hop relayed transmissions over Rayleigh fading channels" („Leistungsanalyse von durch Relaisstationen übertragenen Zweifachreflexionsverbindungen über Kanäle mit Rayleigh-Fading") VTC 2002-FALL. 2002 Sitzungsberichte der 56. IEEE Fahrzeugtechnologie-Konferenz, Vancouver, Kanada, 24. bis 28. Sept. 2002; IEEE Fahrzeugtechnologie-Konferenz, New York, NY: IEEE, US, Bd. 1 der 4. Konferenz 56, 24. September 2002 (24.09.2002), Seiten 1992 bis 1996, XP010608780 ISBN, 0-7903-7467-3, stellen HASNA M O ET AL. statistische Ergebnisse für einen harmonischen Mittelwert zweier unabhängiger exponentieller Zufallsgrößen vor und wenden diese Ergebnisse auf die Wahrscheinlichkeit von Netzausfall, durchschnittliche BER (Bit-Fehlerrate) und Kapazitätsleistung der Nichtverfügbarkeit von drahtlosen Nachrichtensystemen mit rückkopplungsfreien Relais an. Die zahlenmäßigen Ergebnisse zeigen, dass Systeme mit rückkoppelnden Relais diejenigen mit rückkopplungsfreien Relais bei niedrigem durchschnittlichen SNR (Signal-Rauschverhältnis) übertreffen. Jedoch zeigen diese Ergebnisse bei einem hohen durchschnittlichen SNR, dass die zwei Systeme unter dem Aspekt von Netzausfall-Wahrscheinlichkeit, durchschnittlicher BER und Kapazität bei Ausfall im Wesentlichen äquivalent sind.
Um eine Fehlerausbreitung auszuschließen, müssen die Sendesignal-Leistungspegel auf Mehrfachreflexionspfaden erhöht werden. Die Folge davon ist, dass in dem Netzwerk der gesamte Leistungsverbrauch zunimmt. Andererseits kann an jedem Zwischenknoten ein empfangenes Signal dekodiert und erneut kodiert und anschließend zum Bestimmungsort oder zum nächsten Zwischenknoten weitergeleitet werden. Dies kann eine Fehlerfortpflanzung auf Kosten von zunehmendem Leistungsverbrauch infolge von Komplexitäten des Umkodierprozesses verhindern.
Am wichtigsten ist es, dass das Entscheiden, ob die Daten einfach verstärkt und übertragen werden oder die Daten regeneriert werden, abhängig ist von der Position des Zwischenknotens relativ zu den Quellen- und Bestimmungsknoten und der Höhe von Leistungsverlust, Deshalb besteht Bedarf an einem System und einem Verfahren, das den Leistungsverbrauch in einem drahtlosen Ad-hoc-Netzwerk reduzieren kann.
Abriss der Erfindung
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird durch die Merkmale von Patentanspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungen dieses Verfahrens werden in den Unteransprüchen dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert Leistungsverbrauch in einem Mehrfachreflexions-Funkkommunikationsnetzwerk. An einem Quellenknoten wird ein erstes Leistungserfordernis zum Übertragen eines Signals zu einem Bestimmungsknoten durch einen Zwischenknoten bestimmt, indem ein Verstärkungsmodus verwendet wird. An dem Quellenknoten wird außerdem ein zweites Leistungserfordernis zum Übertragen des Signals zu dem Bestimmungsknoten durch den Zwischenknoten bestimmt, indem ein Regenerierungsmodus genutzt wird. Zu dem Zwischenknoten wird eine Übertragungsanforderungsnachricht gesendet, die das erste und das zweite Leistungserfordernis enthält.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist das Blockdiagramm eines Funkkommunikationsnetzwerks gemäß der Erfindung;
2 ist das Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Verringerung von Leistungsverbrauch in einem erfindungsgemäßen Mehrfachreflexions-Funkkommunikationsnetzwerk;
3A ist ein Ablaufdiagramm der Übertragungsmodusfunktion nach der Erfindung;
3B ist ein Ablaufdiagramm der Regenerierungsmodusfunktion nach der Erfindung; und
4 ist das Blockdiagramm eines drahtlosen Knotens gemäß der Erfindung.
Beste Methode zur Ausführung der Erfindung
Systemaufbau
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Funkkommunikationsnetzwerk 100. Das Netzwerk 100 enthält einen Quellenknoten 110 und einen Zwischenknoten 130 sowie einen Bestimmungsknoten 120. Der Ausgang des Quellenknotens ist ein Signal 111. Das Signal enthält eine Übertragungsanforderung 112, eine Nachricht 113 ein Übertragungsmodus-Leistungserfordernis 114 und ein Regenerierungsmodus-Leistungserfordernis 115.
Eine Energieeinsparung wird als Differenz zwischen der zum Senden der Nachricht über den indirekten Pfad 116 und der über den direkten Pfad 117 benötigten Leistungsgröße ausgedrückt.
Systemfunktion
2 zeigt ein Verfahren 200 zur Verringerung von Leistungsverbrauch in einem erfindungsgemäßen Mehrfachreflexions-Funkkommunikationsnetzwerk 100. Das Signal 111 wird durch den Zwischenknoten 130 von dem Quellenknoten 110 empfangen 210.
Beim Schritt 220 entscheidet der Zwischenknoten 130, ob die Anforderung 112 von dem Quellenknoten 110 zum Übertragen der Nachricht 113 zu dem Bestimmungsknoten 120 akzeptiert oder verweigert wird. In Abhängigkeit von der Entscheidung in dem Schritt 220 sendet der Zwischenknoten eine Annahmeanzeige 221 (Ack) oder Abweisung (Nack) der Anforderung. Wenn die Anforderung innerhalb einer vorgegebenen Zeitgröße verweigert oder nicht akzeptiert wird, dann kann der Quellenknoten 110 einen anderen Knoten suchen, der als Zwischenknoten wirksam wird, oder der Quellenknoten kann versuchen, die Nachricht 113 direkt zu dem Bestimmungsknoten 120 zu senden.
Wenn die Anzeige 221 eine Annahme (Ack) ist, sucht 230 der Zwischenknoten einen Modus zum Übertragen der Nachricht 113 zu dem Bestimmungsknoten 120 aus. Der ausgewählte Modus kann entweder ein Regenerierungsmodus oder ein Übertragungsmodus sein, die beide nachstehend ausführlich erörtert werden.
3A zeigt die Schritte für den Übertragungsmodus. Hierbei verstärkt 310 der Zwischenknoten 130 das Signal 111 von dem Quellenknoten 110 und sendet 320 das verstärkte Signal 321 erneut zu dem Bestimmungsknoten 120.
3B zeigt die Schritte für den Regenerierungsmodus. In diesem Modus wird das am Zwischenknoten 130 empfangene Signal zuerst demoduliert 330 und anschließend dekodiert 340. Der Dekodierprozess 340 korrigiert beliebige Bitfehler, die aufgetreten sind. Die dekodierten Daten 341 werden anschließend kodiert 350, verstärkt 360 und zu dem Bestimmungsknoten 120 gesendet 370.
Regenerierungsmodus
Der Quellenknoten A 110 bestimmt die Größe der Leistung, die zum direkten Senden des Signals 111 zum Bestimmungsknoten B 120 erforderlich ist, durch die Gleichung (1) wie:
in der die erforderliche Leistung
ein in Bitfehlerratenerfordernis Pr_e erfüllt, d_ab der Abstand zwischen dem Knoten A und dem Knoten B ist, der Wert γ ein Pfadverlustexponent ist, und der Wert xab ein Verschattungsverlust in Dezibel auf dem Pfad vom Quellenknoten A 110 zum Bestimmungsknoten B 120 ist. Der Wert
ist davon abhängig, welche Art von Sendermodulation verwendet wird, z. B. PAM (Pulsamplitudenmodulation), QPSK (Quick Phase Shift Keying), QRM (Quadraturamplitudenmodulation), die entsprechende Signalkonstellationen aufweisen, wobei die veränderliche Größe M 2, 4 und 16 entspricht.
Der Quellenknoten A 110 bestimmt die Leistungsersparnis, die erhalten werden könnte, wenn der Zwischenknoten C 130 wie ein Regenerator-Relais wirksam ist. Die Leistungsersparnis ist die Differenz zwischen der auf dem Relaispfad A→C→B 116 genutzten Leistung und der auf dem direkten Pfad A→B 117 genutzten Leistung. Um diese Differenz herauszufinden, bestimmt der Quellenknoten A 110 die Leistung zum Senden zum Zwischenknoten C 120 und die an dem Zwischenknoten genutzte Leistung zum Senden zum Bestimmungsknoten B 120. Diese zwei durch
bezeichneten Leistungen sind von den Abständen (dac, dcb) und der erforderlichen Bitfehlerrate (BER) Pr_e abhängig. Die Leistungsverringerung aufgrund von Regenerierung wird dann durch Gleichung (2) bestimmt wie:
in der P_C der Leistungsverbrauch des Zwischenknotens C ist.
Gleichung 2 ergibt die optimale Leistungsersparnis unter Vernachlässigung von Verschattungsverlusten im Netzwerk 100, in dem der Zwischenknoten wie ein Regenerator arbeitet und das Signal am Quellenknoten 110 zu dem Zielknoten 120 überträgt.
3A stellt das Regeneratorübertragungs-Verfahren mit den berechneten Sendeleistungen
an dem Quellenknoten A 110 und dem Zwischenknoten C 130 dar. In Abhängigkeit von den Abständen zwischen den Knoten kann die Leistungsverringerung Δα_Regen Positiv oder negativ sein.
Wenn die Leistungsverringerung Δα_Regen positiv ist, dann sendet der Quellenknoten keine Übertragungsanforderung zum Zwischenknoten. Wenn die Leistungsverringerung Δα_Regen negativ ist, dann sendet der Quellenknoten die Übertragungsanforderung zu dem Zwischenknoten.
Übertragungsmodus
Im Übertragungsmodus leitet der Zwischenknoten 130 die Nachricht 113 zu dem Bestimmungsknoten B 120 weiter, ohne irgend welche Fehler, die bei der Übertragung vom Quellenknoten A 110 zum Zwischenknoten C 120 aufgetreten sind, zu korrigieren. Die Sendeleistungen am Quellenknoten und am Zwischenknoten sind
und die optimalen Bitfehlerraten am Zwischenknoten und am Bestimmungsknoten (*Prace , *Prcbe ), wobei * ein optimaler Operator ist. Weil sich beim Übertragen Bitfehler vom Zwischenknoten zum Bestimmungsknoten ausbreiten können, wird Gleichung (3) *Prace + *Prcbe = Pre (3)erfüllt durch
wobei M eine Anzahl von Signalkonstellationen ist und *Prcbe durch *Prcbe = Pre – *Prace gefunden wird.
Aus diesen optimalen Bitfehlerraten werden die optimalen Sendeleistungen (αAte , αCte ) bestimmt. Nachdem die Werte (αAte , αCte ) bekannt sind, kann der Quellenknoten A 110 anschließend die Leistungsersparnis gemäß
bestimmen.
Das oben beschriebene Verfahren findet (*Prace , *Prcbe ,
für jedes beliebige rechtwinklige M-ary Modulationsschema, jedoch gilt dieses gleiche Analyseverfahren ebenso für andere Modulationsschemata.
Der Wert Δα_relay ist immer kleiner als der Wert Δα_Regen, weil das Übertragungsverfahren für ein festes Pr_e zusätzliche Leistung benötigt.
Diese zusätzliche Leistung ist jedoch nur der Bruch eines Dezibels. Deshalb kann der Zwischenknoten 130 bestimmen, ob der Übertragungs-Modus oder der Regenerator-Modus basierend auf lokalen Kriterien wie Verarbeitungsbelastung auszuwählen ist. Der Zwischenknoten 130 kann anschließend die Übertragung durchführen, und das Gesamtsystem erzielt dennoch eine Leistungsverringerung.
Knotenstruktur
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Knoten 400. Jeder Knoten enthält eine an einen Sendeblock 410 und einen Empfangsblock 450 angeschlossene Antenne 405. Die Sende- und Empfangsblöcke sind miteinander durch Schalter 491–492 verbunden. Der Knoten enthält außerdem den Prozessor 480 und den Moduswähler 490.
Der Sendeblock 410 enthält eine Kodiereinrichtung 440, einen Sender 420 und einen Verstärker 430. Der Empfangsblock enthält einen Empfänger 460 und eine Kodiereinrichtung 470.
Knotenfunktion
Der Sendeblock 410 kodiert, moduliert und verstärkt das Signal 111. Das Signal kann seinen Ursprung lokal oder von einem anderen Knoten haben.
Die Empfangsblockkette 450 demoduliert und dekodiert ein empfangenes Signal 411. Die Ausgabe des Empfängerblocks 460 ist ein die Nachricht 113 enthaltender Bitstrom, der an den Prozessor 480 und entweder an den Sender zum Übertragen, wenn der Schalter 491 in der „0"-Stellung (Aus) ist, oder an die Dekodiereinrichtung 470, wenn der Schalter 491 in der „1"-Stellung (Ein) ist, gerichtet wird. Die Dekodiereinrichtung 470 dekodiert den Bitstrom 461 und korrigiert Bitfehler.
Nach dem Dekodieren wird die Nachricht 113 rekonstruiert und entweder durch die Sendekette 410 rekonstruiert, wenn sich der Schalter 492 in der „0"-Stellung für den Regenerierungsmodus befindet, oder wird zu dem lokalen Knoten 495 geleitet, wenn die Verarbeitungseinheit 480 bestimmt, dass die Nachricht 113 für den lokalen Knoten beabsichtigt ist.
Der Prozessor 480 verarbeitet ständig empfangene Nachrichten und bestimmt, wenn die Nachrichten Übertragungssteuer-Nachrichten, Übertragungsdaten oder für den lokalen Knoten bestimmte Daten sind. Der Prozessor bestimmt außerdem die Einstellung der Schalter 491–492. Wenn die Daten Relaisdaten sind, wird durch den Modus-Wähler 490 die Entscheidung des Modus, z. B. Regenerator oder Relais, zum Weiterleiten der Daten vorgenommen. Die Entscheidung wird als Funktion der Ersparnis vorgenommen, und die Schalter 491 und 492 werden entsprechend eingestellt.
Obwohl die Erfindung durch Beispiele bevorzugter Ausführungen beschrieben worden ist, soll verständlich werden, dass verschiedene andere Anpassungen und Modifizierungen innerhalb des Umfangs der Erfindung vorgenommen werden können. Deshalb ist es die Aufgabe der angefügten Patentansprüche, alle diese Änderungen und Modifizierungen, wie sie innerhalb des Umfangs der Erfindung vorkommen, zu erfassen.

Claims

Verfahren zur Verringerung des Leistungsverbrauchs in einem Mehrstrecken-Funkkommunikationsnetzwerk (100) enthaltend mehrere Knoten (110, 120, 130), gekennzeichnet durch die Schritte: an einem Quellenknoten (110) Bestimmen eines ersten Leistungserfordernisses zum Übertragen eines Signals zu einem Bestimmungsknoten (120) über einen Zwischenknoten (130) unter Anwendung eines Verstärkungsbetriebs; an dem Quellenknoten (110) Bestimmen eines zweiten Leistungserfordernisses zum Übertragen des Signals zu dem Bestimmungsknoten (120) über den Zwischenknoten (130) unter Anwendung eines Regenerierungsbetriebs; und Übertragen einer Übertragungsanforderungsnachricht zu dem Zwischenknoten (130), welche Übertragungsanforderungsnachricht das erste und das zweite Leistungserfordernis enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Quellenknoten (110) eine erforderliche Übertragungsleistung auf einem direkten Pfad (117) von dem Quellenknoten (110) zu dem Bestimmungsknoten (120) durch
Watt bestimmt, worin αre eine erforderliche empfangene Leistung an einem Bestimmungsknoten (120) ist, um einem Bitfehlerratenerfordernis Pre zu genügen, dab ein Abstand zwischen dem Quellenknoten und dem Bestimmungsknoten ist, γ ein Pfadverlustexponent ist und xab ein Verschattungsverlust, in Dezibel, ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Leistungsersparnis eine Differenz zwischen dem ersten oder zweiten Leistungserfordernis und der erforderlichen Übertragungsleistung auf den direkten Pfad (
bzw.
) ist, und weiterhin aufweisend: Bestimmen der Leistungsersparnis unter Anwendung des Regenerierungsbetriebs als
worin P_C der Leistungsverbrauch des Zwischenknotens ist; und Bestimmen der Leistungsersparnis unter Anwendung des Übertragungsbetriebs als
worin P_C der Leistungsverbrauch des Zwischenknotens ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem optimale Bitfehlerraten an dem Zwischenknoten (130) und dem Bestimmungsknoten (120) gleich (*Prace bzw. *Prcbe ) sind, das Bitfehlerratenerfordernis *Prace + *Prcbe = Pre für den Übertragungsbetrieb
genügt, worin M eine Anzahl von Signalkonstellationen ist, dac der Abstand zwischen dem Quellenknoten und dem Bestimmungsknoten ist, dcb der Abstand zwischen dem Zwischenknoten und dem Bestimmungsknoten ist, und *Prcbe gefunden wird durch *Prcbe = Pre – *Prace , und worin * ein optimaler Operator ist.