窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡基于業(yè)務優(yōu)先級的隨機信道接入方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡基于業(yè)務優(yōu)先級的隨機信道接入方法，在控制結(jié)構上借鑒CDPD分上下行信道的結(jié)構特點，在提升吞吐量性能上汲取CSMA和時隙ALOHA克服數(shù)據(jù)包碰撞的措施，通過定義控制幀等級和結(jié)構，使得網(wǎng)絡中具有不同業(yè)務優(yōu)先級的節(jié)點通過獲取不同等級的控制幀來獲得對信道的使用權。本發(fā)明合理利用窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡中的信道資源，提高了網(wǎng)絡的信道利用率，能夠在數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞前按等級提供服務，實現(xiàn)了不同于以往基于退避算法的服務等級保障機制。本發(fā)明適用于窄脈沖超寬帶無線電網(wǎng)絡、多跳移動自組織網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)、以及下一代異構網(wǎng)絡等應用場合。
【專利說明】窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡基于業(yè)務優(yōu)先級的隨機信道接入方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡【技術領域】，如超寬帶通信網(wǎng)絡、多跳移動自組織網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)、無線接入網(wǎng)等，特別是涉及到窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡的信道接入技術。
【背景技術】
[0002]窄脈沖超寬帶是最基本的一種超寬帶實現(xiàn)方式，和傳統(tǒng)的窄帶無線通信技術的主要區(qū)別在于直接使用時間域上寬度極窄的沖激脈沖傳送數(shù)據(jù)，而不使用載波調(diào)制。窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡就是采用脈沖的UWB (Ultra Wideband，超寬帶)信號進行通信的網(wǎng)絡，由于采用了非常窄的脈沖(納秒數(shù)量級)傳輸信息，而且發(fā)射的平均功率非常低，因此需要非常漫長的同步時間才能建立通信連接，這也是窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡所面臨的巨大挑戰(zhàn)。
[0003]接入技術是無線通信網(wǎng)絡MAC層(Media Access Control,媒體訪問控制)的重要組成部分，按照隨機或預約的方式實現(xiàn)對公共信道資源的共享，而隨機方式更適合業(yè)務突發(fā)和網(wǎng)絡用戶容量變化的網(wǎng)絡。窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡基于業(yè)務優(yōu)先級的隨機信道接入方法就是針對窄脈沖超寬帶無線網(wǎng)絡高速、用戶容量大的優(yōu)點，同時充分考慮收發(fā)雙方同步捕獲時間長的缺點，通過在網(wǎng)絡中發(fā)放不同等級的控制幀，在數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞前按等級提供服務，保證了按照網(wǎng)絡中的業(yè)務優(yōu)先級進行服務質(zhì)量保障。
[0004]對于窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡，由于脈沖占空比非常小，脈沖不易檢測，因此在不增加接收機復雜度的前提下實現(xiàn)收發(fā)雙方同步所需花費的捕獲時間較長，這是窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡目前一個尚不能回避的現(xiàn)實，也是設計窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡接入技術必須考慮的問題。超寬帶高速的傳輸能力，搭配上低效的接入機制，其信道利用率大打折扣，不能發(fā)揮出超寬帶技術的潛力和優(yōu)勢。為此，窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡中高效的信道接入技術成為充分利用超寬帶通信本身特性的關鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于充分發(fā)揮窄脈沖超寬帶通信高速傳輸能力和用戶容量大的特性，合理利用窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡中的信道資源，提高網(wǎng)絡的信道利用率，對網(wǎng)絡中的不同優(yōu)先級的業(yè)務提供不同的服務保障能力。
[0006]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術方案是:一種窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡基于業(yè)務優(yōu)先級的隨
[0007]機信道接入方法，其特征在于:
[0008]該信道接入方法設計的網(wǎng)絡系統(tǒng)由一個中心(AP)和若干個終端節(jié)點(TN)構成。將網(wǎng)絡的信道資源分為上行接入信道、下行廣播信道和節(jié)點的業(yè)務信道多個信道，提供節(jié)點共享網(wǎng)絡信道資源的策略。本發(fā)明在控制結(jié)構上借鑒CDI3D (Cellular Digital PacketData，蜂窩數(shù)字通信)分上下行信道的結(jié)構特點，在提升吞吐量性能上汲取CSMA (CarrierSense Multiple Access,載波偵聽多路訪問)和時隙ALOHA克服數(shù)據(jù)包碰撞的措施,通過定義控制幀等級和結(jié)構，使得網(wǎng)絡中具有不同業(yè)務優(yōu)先級的節(jié)點通過獲取不同等級的控制幀來獲得對信道的使用權。高等級的控制幀只能被高等級的節(jié)點獲得及使用，低等級的控制幀則可被級別比它高的所有用戶使用，這樣能夠提高關鍵節(jié)點或關鍵數(shù)據(jù)包的競爭力，而抑制其它數(shù)據(jù)的競爭力。
[0009]所述上行接入信道定義為從TN向AP發(fā)送數(shù)據(jù)包的信道，所有TN共享該信道。所述下行廣播信道定義為從中心(AP)向終端節(jié)點(TN)傳遞信息的信道，下行廣播信道是中心(AP)的廣播專用信道。通過控制幀的投放，協(xié)調(diào)和控制終端節(jié)點(TN)對上行接入信道的占用。上行接入信道和下行廣播信道可采用跳時碼分方式進行區(qū)分，接入過程使用到上行接入信道和下行廣播信道。下行廣播信道是連續(xù)發(fā)送的廣播信道，網(wǎng)絡中的所有終端節(jié)點(TN)必須和它保持同步。
[0010]值得說明的是，本發(fā)明設計的窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡系統(tǒng)由一個中心AP (AccessPoint)和多個終端節(jié)點TN (Terminal Node)構成。上行接入信道定義為從TN向AP發(fā)送數(shù)據(jù)包的信道，所有TN共享該信道。下行廣播信道定義為從AP向TN傳遞信息的信道，是AP的廣播專用信道，通過控制幀的投放，協(xié)調(diào)和控制TN對上行接入信道的占用。上下行信道可采用跳時碼分方式進行區(qū)分，其結(jié)構如圖1所示，接入過程主要使用到上行接入和下行廣播信道，因此在該圖省去各個終端節(jié)點的業(yè)務信道部分:
[0011]下行信道是連續(xù)發(fā)送的廣播信道，網(wǎng)絡中的所有TN必須和它保持同步；上行信道為突發(fā)信道，要做到TN的發(fā)送機與AP的接收機保持同步比較困難(尤其是在移動的情況下)，因此所發(fā)送的突發(fā)數(shù)據(jù)包前必須加上足夠的同步頭。下行廣播信道除了廣播控制幀以外，還可以發(fā)送應答及其它信息。
[0012]上行信道為突發(fā)信道，要做到任何一個終端節(jié)點(TN)的發(fā)送機與中心(AP)的接收機保持同步比較困難(尤其是在移動的情況下)，因此終端節(jié)點(TN)所發(fā)送的突發(fā)數(shù)據(jù)包前必須加上足夠的同步頭。下行廣播信道除了廣播控制幀以外，還可以發(fā)送應答及其它信`肩、O
[0013]所述的控制幀的產(chǎn)生策略如下:
[0014]控制幀按照一定的時間間隔發(fā)放。在這個間隔內(nèi)，中心節(jié)點(AP)能夠判定出上行接入信道的忙閑情況，即要求中心節(jié)點(AP)在此時間內(nèi)能夠檢測出該信道的窄脈沖超寬帶信號，因此該時間間隔有一個最小的基準值T。控制幀的投放是中心節(jié)點(AP)根據(jù)上一時段T內(nèi)的忙閑來決定的，如果上一時段內(nèi)上行信道空閑，則中心節(jié)點(AP)立即在下行信道中投入控制幀。否則，中心節(jié)點(AP)再等待一個時間T再作判定，而如果終端節(jié)點(TN)的數(shù)據(jù)提前結(jié)束傳輸，則中心節(jié)點(AP)根據(jù)此情況提前投放出控制幀。如果間隔固定不變，且中心節(jié)點(AP)不進行接入信道的忙閑判定，則此時的基于業(yè)務優(yōu)先級的信道接入方法跟時隙ALOHA等效。
[0015]所述的優(yōu)先級實現(xiàn)策略如下:
[0016]本發(fā)明提出的信道接入方法可以在發(fā)生碰撞前按用戶等級進行接入，接入時機依據(jù)的是中心節(jié)點(AP)發(fā)放的控制幀及等級。為了實現(xiàn)節(jié)點按優(yōu)先權接入，
[0017]將所述控制幀分成若干個等級類型，高等級的控制幀發(fā)放得多些，有權使用該控制幀的用戶接入機會大，獲得該控制幀所等待的平均時間短，相反則不然。
[0018]這樣，在一個包含η個，η通常為奇數(shù)，控制幀組成的控制幀周期內(nèi)，可以由i個級別控制幀組成，i的取值范圍為1，2，…，i，不同級別的控制幀發(fā)放順序安排如下，控制幀i占據(jù)所有η個發(fā)送次序的奇數(shù)位置?？刂茙?-Ι占據(jù)剩下(n-1) 2個發(fā)送次序的奇數(shù)位置。以此類推，最后剩下的為控制幀I的發(fā)送位置。因此，i個級別控制幀可以對應出多個用戶級別，這里采取一種比較簡單的映射方法，即:
[0019]Ui = {1，2，…，i}，i = 1，2，…，i。i為控制幀級別，Ui為用戶等級。
[0020]同等級控制幀一定程度上呈周期性發(fā)送，在該控制幀時隙，對于有權使用的用戶來說采用公平競爭方式占用。當然要實現(xiàn)所有用戶的公平接入，可采取兩種途徑之一:一是將所有用戶都轉(zhuǎn)變成最高級用戶，另一種是中心(AP)將η個控制幀全部廣播成最低級控制幀。在用戶擁塞時段使用優(yōu)先級策略，在空閑時段又可切換到公平狀態(tài)，給網(wǎng)絡管理帶來了更大的靈活性，體現(xiàn)了服務的質(zhì)量差異，輕松實現(xiàn)用戶按等級接入。
[0021]如果用戶待發(fā)送的是有時限要求的業(yè)務數(shù)據(jù)，在多信道模式下，可首先在上行信道上向中心(AP)發(fā)出信道資源申請，中心(AP)則在下行信道給出相應的應答信息，終端節(jié)點根據(jù)這些信息切換到相應的專用業(yè)務信道上通信，結(jié)束通信時，通過上行信道通知中心(AP)鏈路拆除，信道資源被中心(AP)收回。
[0022]如果用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)包無有時限要求，中心(AP)節(jié)點在上行信道收到該包后，可根據(jù)目的地址，進行轉(zhuǎn)發(fā)或其它相應處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的信道的控制結(jié)構圖
[0024]圖2是本發(fā) 明控制幀發(fā)放流程圖
[0025]圖3是本發(fā)明控制幀發(fā)送順序
[0026]圖4是本發(fā)明用戶等級與控制幀對應關系
【具體實施方式】
[0027]下面給出一個具體的窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡中本專利的實施方法。網(wǎng)絡首先推舉出中心節(jié)點，其余節(jié)點為終端節(jié)點。然后中心節(jié)點首先檢測出窄脈沖超寬帶信號的最小基準時間t，然后根據(jù)控制幀的投放策略向網(wǎng)絡投放控制幀。這里以網(wǎng)絡中發(fā)放3個等級的控制幀為例，也就是說網(wǎng)絡中的用戶業(yè)務分為三個等級。如圖3所示，7個控制幀組成I個控制幀發(fā)送周期。一個控制幀周期中，控制幀①的數(shù)量只有I個，級別最低；控制幀②的數(shù)量有2個，級別次之；控制幀3的數(shù)量有4個，級別最高。其發(fā)放順序安排如下，控制幀③占據(jù)所有7個發(fā)送次序的奇數(shù)位置；控制幀②占據(jù)剩下3個發(fā)送次序的奇數(shù)位置；最后剩下的為控制幀①的發(fā)送位置，如圖3所示。更多的控制幀等級可照此法排列。
[0028]根據(jù)控制幀與用戶等級的映射關系，由3個級別控制幀可以對應出3個用戶級別，即=U1, U2, U3O
[0029]圖4中控制幀等級對應的用戶接收關系為:
[0030]因此第3等級用戶可以接收所有7個控制幀，第2等級用戶可以接收控制幀①和控制幀②共3個控制幀，第I等級用戶只能接收控制幀①共I個控制幀。此后，網(wǎng)絡中同等級控制幀一定程度上呈周期性發(fā)送，在該控制幀時隙，對于有權使用的用戶來說采用公平競爭方式占用。這樣使得第3等級用戶獲取控制幀的間隔最短，因此其業(yè)務能夠保證最高的優(yōu)先權接入到網(wǎng)絡中去，實現(xiàn)了網(wǎng)絡按照業(yè)務的優(yōu)先級進行服務質(zhì)量保障。[0031]本發(fā)明與傳統(tǒng)的信道接入?yún)f(xié)議相比有如下優(yōu)點:
[0032]①現(xiàn)有的傳統(tǒng)隨機接入技術通常用于常規(guī)無線電網(wǎng)絡，其信號的同步捕獲時間較短，而對于窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡在信號同步捕獲時間上的開銷遠遠高于常規(guī)無線電，以往的隨機接入技術直接應用過來都存在信道利用率低、載波偵聽花費的時延較長等不盡如人意的地方。利用本發(fā)明，由于采用了在窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡中定義了控制幀的結(jié)構和等級，提出了不同于以往基于退避算法的服務等級保障機制，在數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞前按等級提供服務，保證了網(wǎng)絡按照業(yè)務的優(yōu)先級進行信道接入，有效地提高了網(wǎng)絡的信道利用率和服務保障質(zhì)量。
[0033]②現(xiàn)有中心式網(wǎng)絡中多信道接入?yún)f(xié)議通過中心節(jié)點在一個控制信道上集中調(diào)度可用信道資源，獲得信道利用率的提高，但調(diào)度中心導致的瓶頸問題和開銷增加問題比較突出。利用本發(fā)明，采用將網(wǎng)絡控制信道分為上行和下行信道，中心節(jié)點按照業(yè)務優(yōu)先級給用戶發(fā)放不同等級控制幀的方式，將網(wǎng)絡的信道資源通過控制幀映射給每個用戶，大大降低了中心節(jié)點的負擔，防止了傳統(tǒng)信道接入方法中退避機制帶來的沖突，降低數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的概率，可有效地克服網(wǎng)絡開銷增加的問題。
[0034]本發(fā)明特別適用于窄脈沖超寬帶無線網(wǎng)絡的多信道接入和頻譜資源管理等。
【權利要求】
1.一種窄脈沖超寬帶網(wǎng)絡基于業(yè)務優(yōu)先級的隨機信道接入方法，其特征在于: 該信道接入方法設計的網(wǎng)絡系統(tǒng)由一個中心(AP)和若干個終端節(jié)點(TN)構成；將網(wǎng)絡的信道資源分為上行接入信道、下行廣播信道和節(jié)點的業(yè)務信道多個信道，提供節(jié)點共享網(wǎng)絡信道資源的策略； 所述上行接入信道定義為從TN向AP發(fā)送數(shù)據(jù)包的信道，所有TN共享該信道；所述下行廣播信道定義為從中心(AP)向終端節(jié)點(TN)傳遞信息的信道，下行廣播信道是中心(AP)的廣播專用信道；通過控制幀的投放，協(xié)調(diào)和控制終端節(jié)點(TN)對上行接入信道的占用；上行接入信道和下行廣播信道可采用跳時碼分方式進行區(qū)分，接入過程使用到上行接入信道和下行廣播信道；下行廣播信道是連續(xù)發(fā)送的廣播信道，網(wǎng)絡中的所有終端節(jié)點(TN)必須和它保持同步； 終端節(jié)點(TN)所發(fā)送的突發(fā)數(shù)據(jù)包前必須加上足夠的同步頭；下行廣播信道除了廣播控制幀以外，還可以發(fā)送應答及其它信息； 所述的控制幀的產(chǎn)生策略如下: 控制幀按照一定的時間間隔發(fā)放；在這個間隔內(nèi)，中心節(jié)點(AP)能夠判定出上行接入信道的忙閑情況，即要求中心節(jié)點(AP)在此時間內(nèi)能夠檢測出該信道的窄脈沖超寬帶信號，因此該時間間隔有一個最小的基準值T ;控制幀的投放是中心節(jié)點(AP)根據(jù)上一時段T內(nèi)的忙閑來決定的，如果上一時段內(nèi)上行信道空閑，則中心節(jié)點(AP)立即在下行信道中投入控制幀；否則，中心節(jié)點(AP)再等待一個時間T再作判定，而如果終端節(jié)點(TN)的數(shù)據(jù)提前結(jié)束傳輸，則中心節(jié)點(AP)根據(jù)此情況提前投放出控制幀；如果間隔固定不變，且中心節(jié)點(AP)不進行接入信道的忙閑判定，則此時的基于業(yè)務優(yōu)先級的信道接入方法跟時隙ALOHA等效；所述的優(yōu)先級實現(xiàn)策略如下: 將所述控制幀分成若干個等級類型，高等級的控制幀發(fā)放得多些，有權使用該控制幀的用戶接入機會大，獲得該控制 幀所等待的平均時間短，相反則不然； 這樣，在一個包含η個，η通常為奇數(shù)，控制幀組成的控制幀周期內(nèi)，可以由i個級別控制幀組成，i的取值范圍為1，2，…，i，不同級別的控制幀發(fā)放順序安排如下，控制幀i占據(jù)所有η個發(fā)送次序的奇數(shù)位置；控制幀1-Ι占據(jù)剩下(n-1) 2個發(fā)送次序的奇數(shù)位置；以此類推，最后剩下的為控制幀I的發(fā)送位置；因此，i個級別控制幀可以對應出多個用戶級別，這里采取一種比較簡單的映射方法，即: Ui == 1，2，…，i ;i為控制幀級別，Ui為用戶等級； 同等級控制幀一定程度上呈周期性發(fā)送，在該控制幀時隙，對于有權使用的用戶來說采用公平競爭方式占用；當然要實現(xiàn)所有用戶的公平接入，可采取兩種途徑之一:一是將所有用戶都轉(zhuǎn)變成最高級用戶，另一種是中心(AP)將η個控制幀全部廣播成最低級控制幀；在用戶擁塞時段使用優(yōu)先級策略，在空閑時段又可切換到公平狀態(tài)； 如果用戶待發(fā)送的是有時限要求的業(yè)務數(shù)據(jù)，在多信道模式下，可首先在上行信道上向中心(AP)發(fā)出信道資源申請，中心(AP)則在下行信道給出相應的應答信息，終端節(jié)點根據(jù)這些信息切換到相應的專用業(yè)務信道上通信，結(jié)束通信時，通過上行信道通知中心(AP)鏈路拆除，信道資源被中心(AP)收回； 如果用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)包無有時限要求，中心(AP)節(jié)點在上行信道收到該包后，可根據(jù)目的地址，進行轉(zhuǎn)發(fā)或其它相應處理。
【文檔編號】H04B1/7163GK103607777SQ201310473164
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權日:2013年10月11日
【發(fā)明者】馬寶紅, 葛利嘉, 朱林, 張昊, 鄭鶴, 錢林杰, 梁濤 申請人:中國人民解放軍重慶通信學院