专利名称：一种树状网络多跳无线通信系统无线帧长自适应调整方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种针对树形或链形网络的无线通信系统的可变帧长自适应传输方案，可用于基于有中心或无中心控制的宽带无线多跳中继网络，属于无线通信领域。
背景技术：
无线系统的网络架构包括集中式网络和分布式多跳网络等。集中式网络一般网络容量较大，但由于受限于基站发射功率，网络覆盖范围一般几公里之内；分布式多跳无线网络的各节点之间的距离相对较短，每ー跳可以完成比直接通信高得多的数据传输速率，使在长距离的端到端通信系统中同样能支持高数据传输速率，并且随着网络节点的増加，网络的覆盖范围以及灵活性也会随之增加，在一定程度上解决了集中网络覆盖范围受限的问题。无线系统采用的网络拓扑包括点对点拓扑、总线形拓扑、星形拓扑、环形拓扑、树形拓 扑、Mesh拓扑和混合拓扑等。无线网络拓扑的选择取决于无线系统的应用和地理环境。在鉄路、公路沿线、河流沿岸、电カ线、矿井、边防、海防等应用场景下，采用树形和链形网络拓扑的多跳中继无线通信系统具有天然的优势。在如图I所述树形网络拓扑中，整个网络仅有ー个根节点(位于网络最顶层)，除根节点外的每个节点仅与ー个父节点连接，但与ー个或多个子节点相连接。每个节点是其上一级节点的子节点同时是其下一级节点的父节点。当数据帧从一个节点(主机或路由器)沿着某条路径到另ー节点(主机或路由器)时，该数据帧在沿途的每个节点都经受了几种不同类型的时延(Delay)。包括节点处理时延(Nodal Processing Delay)、排队时延(Queuing Delay)、传输时延(TransmissionDelay)、传播时延(Propagation)等。而这些时延总体累加起来是节点总时延(Total NodalDelay)。节点处理时延检查数据帧首部和决定将该数据帧导向何处所需要的时间是节点处理时延的一部分。处理时延也包括其他因素，如检查比特级差错所需要的时间，该差错出现在这些数据帧比特从上游节点向下一节点传输的过程中，由于差错校验只能针对整个数据帧进行，因此，数据帧的长度影响着节点处理时延。高速节点(或路由器)的处理时延通常是微秒或更低的数量级。在这种节点处理之后，节点将该数据帧引向通往下ー节点链路之前的队列。排队时延在队列中，当数据帧在链路上等待传输时，它经受排队时延。ー个特定数据帧的排队时延将取决于先期到达的、正在排队等待向链路传输的数据帧的数量。如果该队列是空的，并且当前没有其他数据帧在传输，则该数据帧的排队时延为O。另ー方面，如果流量很大，并且许多其他数据帧也在等待传输，该排队时延将很大。到达数据帧的数量是到达该队列的流量強度和性质的函数。实际的排队时延通常在毫秒到微秒级。传输时延假定数据帧以先到先服务的方式传输——这在多跳无线通信网络中是常见的方式，仅当所有已经到达的数据帧被传输后，才能传输我们的数据帧。用L比特表示数据帧的长度，用R bps表示从节点A到节点B的链路传输速率。传输时延是L/R。这是将所有数据帧比特推向链路所需要的时间，传输时延也与数据帧的长度息息相关。实际的传输时延通常在毫秒到微秒级。传播时延一旦一个比特被推向链路，该比特需要向节点B传播，从该链路的起点到节点B的传播所需要的时间是传播时延。该比特以该链路的传播速率传播，该传播速率取决于该链路的物理媒介，其速率范围是2*108-3*108m/s，这等于或略小于光速。传播时延等于两个节点之间的距离除以传播速率，即传播时延是d/s，其中d是两个节点之间的距离，s是该链路的传播速率。传播时延在毫秒级。令dpMe, dqvsas, dtaans和dpMp分别表不处理时延、排队时延、传输时延和传播时延,那么节点的总时延由下式给定dnataidproe+dqVsas+dtrans+dprop这些时延成分所起的作用可能变化很大。本发明主要考虑距离和帧长对时延的影 响。有许多因素会影响延时大小，比如转发技术等等。采用直接转发技术的节点有固定的延吋。因为直接转发式节点不管数据包的整体大小，而只根据目的地址来决定转发方向。所以，它的延时是固定的，取决于节点解读数据帧种目的地址的解读速率。采用存储转发技术的节点由于必须要接收完了完整的数据帧才开始转发数据帧，所以它的延时与数据帧的长短有夫。数据帧长，则延时大；数据帧短，则延时小。采用直接转发技术的节点有固定的延时，因为直接转发节点不管数据帧的整体大小，而只根据目的地址来决定转发方向。所以，它的延时是固定的。采用存储转发技术的节点由于必须要接收完了完整的数据帧才开始转发数据帧，所以它的数据帧长，则延时大；数据帧短，则延时小。对于多跳无线网络，数据在网络中的端到端传输时延为各节点间的传输时延的累カロ。当多跳无线网络跳数较多时，必须对各节点间的传输时延加以严格控制，以使网络可支持话音和视频等实时业务。其中各节点间数据传输的无线帧长是决定传输时延的关键因素，减小无线帧长可有效降低网络的传输时延。然而，对于子向链路与父向链路采用时分双エ的系统，当节点间距离较远、信号传播时延较大时，下行链路传输时隙间的保护间隔在整个无线帧长中的比例将显著増加，从而降低系统传输效率。因此，树形网络多跳无线通信系统需要能够支持不同节点根据节点间的距离自适应调整无线帧长，以获得网络传播时延和系统传输效率的总体性能优化。另外，对于视频监控系统，下行和上行链路传输数据带宽并不平衡，如下行一般为窄带控制信令数据，而上行一般为宽带多媒体业务数据，而且，网络中各节点下行链路和上行链路数据带宽比例也不尽相同，因此树形网络多跳无线通信系统各节点需要能够根据其下行和上行链路负荷情况独立动态调整下行和上行链路传输时频比例，以提高系统传输效率。目前支持树形和链形网络拓扑的无线系统有WiFi，WiMAX(802. 16d，802. 16j)等，但这些系统都还没有针对上述应用进行优化设计，均不能完全满足上述需求。基于WiFi技术构建的多跳无线系统采用单信道同频组网，即各节点数据的传输采用CSMA/CA方式工作于单个同频信道，节点间的数据传输是完全独立的，各节点物理帧的长度的选择没有考虑对网络传输时延的影响，当网络中节点跳数较大时，无法为实时业务的时延等QoS提供保障。基于WiMAX技术的多跳网络，网络中各节点也是在同一物理信道上工作，其无线帧格式在系统工作时是固定的，无法根据相邻节点的间距、信道状态、业务类型、数据包大小等因素，独立动态调整与其子节点之间的无线帧长度，在网络节点数较多，各相邻节点的间距、信道状态等因素差异较大时，系统传输时延、传输效率和链路质量无法得到保障。
发明内容
本发明提出一种适用于树形和链形网络的宽带多跳无线通信系统的无线帧长自适用调整实现方案。树形和链形网络的宽带多跳无线通信系统各节点由一个数据传输控制単元10、一个子向无线帧控制单元21、一个父向无线帧控制单元22、ー个子向无线收发单元31、一个父向无线收发单元32构成。网络中各节点的数据传输控制单元根据节点间的距离、信道状态、业务类型、数据包大小，独立动态调整与其子节点之间的无线帧长度；并根据 父节点到子节点的下行链路和子节点到父节点的上行链路的负荷情况动态调整相邻节点间无线帧中的下行链路传输时间与上行链路传输时间比例，解决了现有多跳系统传输方案中各节点间数据传输帧结构长度相对固定，下行链路和上行链路时隙比例不变，在控制多跳网络传输时延的条件下系统传输效率不高的问题。为了解决上述技术问题，本发明提出了ー种多跳无线通信系统中无线帧长自适应调整方法，包括如下步骤I)根据节点间的距离、信道状态、业务类型、数据包大小，网络中各节点独立计算与其子节点无线帧长最大值Tm;2)由父节点与其子节点之间的间距确定下行链路传输保护时间；3)根据无线帧长最大值、上下行链路传输时间比例和缓存中待传输的下行链路数据量、确定下行链路传输时间；4)根据无线帧长最大值、下行链路传输时间、下行链路传输保护时间，上行链路传输保护时间和缓存中待传输的上行链路数据量，确定上行链路传输时间；5)根据下行链路传输时间，下行链路传输保护时间，上行链路传输时间和上行链路传输保护时间，确定无线帧长Tf ；6)在各节点与其子节点之间的数据传输按照确定的无线帧长Tf进行数据传输。。根据本发明的ー个方面，各节点独立计算与其子节点无线帧长最大值采用如下方法I)获取业务要求的端到端时延Td ；2)预设无线帧长裕量el ；3)获取控制节点Ntl和最远节点NMax之间的距离DMax ；4)根据控制节点Ntl和最远节点NMax之间的距离DMax，确定单位距离对应的平均时延值Tk;5)根据父节点Nd与其第m个子节点之间的间距Dd m确定节点Nd与其第m个子节点之间的无线帧长最大值Tf d π Tp djl — Dd m X Tr。按照本发明的ー个方面，多跳无线通信系统中传输的无线帧的基本结构包括上行链路传输时隙、下行链路传输时隙、下行链路传输保护时隙、上行链路传输保护时隙四个部分。按照本发明的ー个方面，无线帧长包括上行链路传输时间、下行链路传输时间、下行链路传输保护时间、上行链路传输保护时间，其中上行链路传输保护时间为固定值，由射频单元从接收到发射的转换时间确定。按照本发明的ー个方面，所述控制节点为根结点。按照本发明的ー个方面，无线帧长裕量el可采用如下方式获取根据节点间的距离、信道状态、业务类型、数据包大小、空ロ信号传播时延、上下行传输时间保护时间、数据处理及转发时延等因素，确定无线帧长裕量el，其取值范围为(0，1)。按照本发明的ー个方面，控制节点Ntl和最远节点NMax之间的距离DMax采用以下方 式获得根据从根节点Ntl到最远节点NMax所经过的各节点与其父节点之间的距离直接累加获得，即
权利要求
1.ー种多跳无线通信系统中无线帧长自适应调整方法，其特征在于，包括如下步骤 .1)根据节点间的距离、信道状态、业务类型、数据包大小，网络中各节点独立计算与其子节点无线巾贞长最大值Tm ； .2)由父节点与其子节点之间的间距确定下行链路传输保护时间； .3)根据无线帧长最大值、上下行链路传输时间比例和缓存中待传输的下行链路数据量、确定下行链路传输时间； . 4)根据无线帧长最大值、下行链路传输时间、下行链路传输保护时间，上行链路传输保护时间和缓存中待传输的上行链路数据量，确定上行链路传输时间； .5)根据下行链路传输时间，下行链路传输保护时间，上行链路传输时间和上行链路传 输保护时间，确定无线巾贞长Tf ； .6)各节点与其子节点之间的数据传输按照确定的无线帧长Tf进行数据传输。
2.如权利要求I中的方法，其特征在于，各节点独立计算与其子节点无线帧长最大值采用如下方法 .1)获取业务要求的端到端时延Td； . 2)预设无线帧长裕量el； .3)获取控制节点Ntl和最远节点NMax之间的距离DMax； . 4)根据控制节点Ntl和最远节点NMax之间的距离DMax，确定单位距离对应的平均时延值Te； .5)根据父节点Nd与其第m个子节点之间的间距Ddm确定节点Nd与其第m个子节点之间的无线帧长最大值Tf d π ； Tf—d—III — Dd—mXTR。
3.如权利要求I中的方法，其特征在于，各节点根据与其子节点之间的间距确定节点Nd与其第m个子节点之间的下行传输保护时间TF g m，采用如下方法Tf—g—m = 2XDd—m/V其中V为光速。
4.如权利要求I中的方法，其特征在于，按照下述方式确定下行链路的传输时间 确定相邻节点的下行链路传输时间最大值Tii k 根据缓存中待传输的下行链路数据量，确定下行链路传输时间參考值Tdui ； 若し小于Tm K，则选择下行链路传输时间Tm为Tdui ； 若Tdui大于Tm K，则选择下行链路传输时间Tm为等于或小于Tii k的某个值。
5.如权利要求I中的方法，其特征在于，按照下述方式确定上行链路传输时间 子节点根据下行链路接收的来自父节点的根据下行链路传输时间Tm传输的信号，获得下行链路传输时间Tm ； 子节点根据无线帧长最大值Tm、下行链路传输时间Tm、下行链路传输保护时间Tm、上行链路传输保护时间Tem确定上行链路传输时间最大值Tuui，方法如下 rprp rprprp !UL—R — !M !DL !GDL ! GUL ; 子节点根据缓存中待传输的上行链路数据量，确定上行链路传输时间參考值Tuui ； 若し小于Tm K，则选择上行链路传输时间Tm为Tuui ； 若Tuui大于Tm K，则选择上行链路传输时间Tm为等于或小于Tuui的某个值。
6.如权利要求I中的方法，其特征在于，按照下述方式确定无线帧长Tf: Tf — TUL+TDL+TGDL+TGUL 无线帧长Tf为节点与其子节点之间的上行链路传输时间Tm、下行链路传输时间Tm、下行链路传输保护时间Tem、上行链路传输保护时间Tem之和。
7.如权利要求I中的方法，其特征在于，多跳无线通信系统中传输的无线帧的基本结构包括上行链路传输时隙、下行链路传输时隙、下行链路传输保护时隙、上行链路传输保护时隙四个部分。
8.如权利要求I中的方法，其特征在于，无线帧长包括上行链路传输时间、下行链路传 输时间、下行链路传输保护时间、上行链路传输保护时间，其中上行链路传输保护时间为固定值，由射频单元从接收到发射的转换时间确定。
9.如权利要求2中的方法，其特征在于 所述控制节点Ntl为根结点。
10.如权利要求2中的方法，其特征在于，无线帧长裕量el可采用如下方式获取 根据节点间的距离、信道状态、业务类型、数据包大小、空□信号传播时延、上下行传输保护时间、数据处理及转发时延，确定无线帧长裕量el，其取值范围为(0，1)。
11.如权利要求2中的方法，其特征在于，控制节点Ntl和最远节点NMax之间的距离DMax采用以下方式获得 根据从控制节点Ntl到最远节点NMax所经过的各节点与其父节点之间的距离直接累加获得，即
12.如权利要求2中的方法，其特征在于，控制节点Ntl和最远节点NMax之间的距离DMax采用以下方式获得 根据从控制节点Ntl到最远节点NMax所经过的各节点与其最远子节点之间的距离直接累加获得，即
13.如权利要求I中的方法，其特征在于，控制节点Ntl和最远节点NMax之间的距离DMax采用以下方式获得 根据从控制节点Ntl到最远节点NMax所经过的各节点与其所有子节点之间的距离直接累加获得，即
14.如权利要求2中的方法，其特征在于，所述单位距离对应的平均时延值采用如下方式获取 Tr — e I X TD/DMax。
15.ー种多跳无线通信系统中无线帧长自适应调整装置，其特征在于，包括 数据传输控制单元10 :用于控制单向节点的单向数据发送或接收，以及双向节点的同步或异歩数据转发； 子向无线帧控制单元21 :用于根据节点与其子节点间的信道状态以及业务类型、数据包大小、数据缓存中待发数据量，动态调整与其子节点的下行链路传输时间； 父向无线帧控制单元22 :用于根据节点与其父节点间的信道状态以及业务类型、数据包大小、数据缓存中待发数据量，动态调整与其父节点的上行链路传输时间； 子向无线收发单元31 :用于节点与其子节点之间的下行链路信号的发射和上行链路信号的接收； 父向无线收发单元32 :用于节点与其父节点之间的上行链路信号的发射和下行链路信号的接收。
16.如权利要求15中的装置,其特征在于,用于实现如权利要求1-14中任ー种的方法。
全文摘要
本发明提出了一种适用于多跳无线通信系统中的无线帧长自适应调整方法，根据节点间的距离、信道状态、业务类型、数据包大小，网络中各节点独立计算该节点与其子节点之间的无线帧长；根据父节点到子节点的下行链路和子节点到父节点的上行链路的负荷情况动态调整下行链路传输时间与上行链路传输时间比例，解决了现有多跳系统传输方案中各节点间数据传输帧结构长度相对固定，下行链路和上行链路时隙比例不变，在控制多跳网络传输时延的条件下系统传输效率不高的问题。
文档编号H04L1/00GK102724014SQ20111045733
公开日2012年10月10日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者幕福奇 申请人:幕福奇