[发明专利]一种适用于超宽带的无线接入控制与时隙分配方法

摘要

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于超宽带高速数据传输的基于位置信息的无线接入控制与时隙分配方法。主要包括如下步骤：（1）根据电源信息选择中心控制器；（2）中心控制器获得接收节点存储空间、位置等信息；中心控制器通过间接握手协议过程确认两个节点的位置信息及需要传输的数据量；（3）进行时隙分配计算；（4）当发送节点接收到中心控制器发送的决定发送帧后，下一超帧中按照时隙分配结果进行传输，如果没有收到DTS帧，则等待并根据新的链路接入情况重新计算。本发明大大简化了计算，同时时隙分配更加精细化，减少了时隙浪费。

主权项

1.一种适用于超宽带的无线接入控制与时隙分配方法，其特征在于，所述方法包括：（1）根据电源信息选择中心控制器；本发明的时隙分配算法是由中心控制器计算，因此在选择中心控制器时，需要加入电源信息，区分功耗敏感节点以及有源节点；节点开始工作后，其中任意一节点发送扫描脉冲扫描周围的其他节点，接收到该扫描信号的节点反馈一个应答帧，应答帧包含该节点是否接有电源以及能耗信息；为了避免冲突，反馈应答帧时采用随机退避策略，接收到扫描脉冲的节点随机退避一定时间（纳秒级）后发送应答帧，发送扫描脉冲的节点收到应答帧后，选举出能耗不敏感的节点作为中心控制器并发送通知信息；中心控制器广播一个信标帧同步其他节点，定期更新网络信息，并利用超宽带良好的测距定位功能获知各节点位置信息；（2）当有数据链路请求时，信源节点向中心控制器发送请求发送帧，中心控制器存储传输数据需求信息、位置信息，并向接收节点转发RTS帧，接收节点回复清除发送帧给中心控制器，中心控制器获得接收节点存储空间、位置等信息；中心控制器通过间接握手协议过程确认两个节点的位置信息及需要传输的数据量；（3）时隙分配计算：基于复用的思想使一个时隙可以容纳多条数据链路，根据每条链路需要传输的数据量以及链路相互干扰情况，采用近距优先迭代算法为每条数据链路分配时隙，使得在满足需要传输的数据量的情况下时隙被充分利用，时延最小；1）要获得尽量小的延迟，速率要达到最大可传速率，功率控制能减小功耗但是对吞吐量影响甚小，因此不需要功率控制调节速率在区间内取值，可以假设发送节点要么不发送数据，要么以最大发射功率发送；2）无论哪种UWB系统，信干噪比的计算与信道模型无关；研究发现，超宽带有一个特性，高带宽时速率和信干噪比（SINR）成线性关系，信干噪比较低时，通过编码和调制方式使数据速率适应信道比特误码率，可以成功传输；为了在每一个单位时隙中尽可能获得高的吞吐量，采取近距优先迭代的方法，传输距离短的链路优先进行共用时隙判断，满足条件就将该时隙分配给此链路，继续对下一个较长距离的链路进行判断；3）因为当距离很近时，干扰影响会很大，为了减少计算量，根据经验值人为确定排外区域范围，这个排外区域的确定与以前的研究中提到的不同，并不是根据网络拓扑结构严格确定的干扰区域；仿真表明，针对室内（10m×10m）范围随机分布的链路（2～20条），一般确定排外区域为一个半径为2m～4m的圆，这样大大减少了算法的计算量；4）由节点分布情况以及链路干扰状况，可以计算信干噪比，求得每一时隙中容纳哪些数据链路，而同一链路在不同的时隙速率不同；在速率变化的UWB网络资源分配中，目标函数是时延最小，条件受传输需求、发射功率、信干噪比限制；将时隙按最小单位划分，时延最小即等价于总时隙数最小，求出需要的总时隙数量以及每条链路分配的时隙数量；minM    (1.1)subject to:xisΣj∈N(i)xjs=0,i,j∈[1,L]---(1.2)]]>yik+1{pis>0}+1{pks>0}≤2,i,k∈[1,L],s∈[1,M]---(1.3)]]>pis∈{0,P},i∈[1,L],s∈[1,M]---(1.4)]]>ris=Kpisdi-γη+xisαΣj=1,j≠iLpjsdji-γ,i∈[i,L],s∈[1,M]---(1.5)]]>Σs=1Mrists≥Ri,i∈[1,L]---(1.6)]]>1.1式是目标函数，最小化总时隙数M；1.2式中表示第i条链路在第s时隙中传输，表示不传输，N(i)表示处于链路i排外区域内的链路集合，表示第j条链路在第s时隙中传输，表示不传输，L表示链路总数量；1.3式表示任何一个节点在一个时隙内只能参与一条链路的传输，y_ik=1表示链路i和链路k具有相同节点，反之y_ik=0；1.4式表示采取0-P策略传输，链路或者不传输或者以确定功率传输，表示第i条链路在第s时隙中的传输功率；1.5式中表示第i条链路在s时隙中的传输速率，K是一个在高带宽时速率适应信干噪比线性关系的常量，γ是距离衰减因子，η表示背景噪声功率，d_ji表示第j条链路发射节点到第i条链路接收节点的干扰距离，α表示互相关因子，与脉冲形状、周期和调制方式等有关；1.6式中t^s表示s时隙的时长，R_i表示第i条链路需要传输的数据量；5）迭代过程：在第s时隙中，将还没有满足传输数据量的链路的距离按照由近到远的顺序排序，距离最小的链路优先分配，然后依次判断其他链路能否在当前时隙中与已经安排的链路共存；遍历完成后，当前时隙要传输的链路全部确定，然后计算各链路的信干噪比、链路速率，以及在当前时隙传输的数据量，即链路速率与时隙时长的乘积，这样就知道剩余要传输的数据量，生成第s+1时隙列进行下一次迭代，直至所有链路完成要传输的数据量；信道时间分配期的时隙分为两部分，数据传输时隙及应答时段；通过上述迭代计算，求出各链路分配的数据传输时隙数量以及传输速率；为了避免应答链路的干扰，应答链路不采用常用的每个分组传输都立即应答的方式，而是多个数据时隙后统一应答一次；应答时段的时间开销很低，根据数据传输时隙分配情况，多个数据传输时隙后统一发送确认帧，对之前数据传输时隙中未应答的数据流进行应答；（4）当发送节点接收到中心控制器发送的决定发送帧后，下一超帧中按照时隙分配结果进行传输，如果没有收到DTS帧，则等待并根据新的链路接入情况重新计算。