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基于信道状态感知的频分调制型机会协作QoS保障方法

摘要

本发明公开了一种基于信道状态感知的频分调制型机会协作QoS保障方法,包括发送端节点根据P

著录项

  • 公开/公告号CN104660371A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2015-05-27

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 常熟理工学院;

    申请/专利号CN201510053519.0

  • 申请日2015-02-02

  • 分类号

  • 代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙);

  • 代理人张俊范

  • 地址 215500 江苏省苏州市常熟市南三环路99号

  • 入库时间 2023-12-18 09:04:05

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2022-03-29

    专利权的转移 IPC(主分类):H04L 1/00 专利号:ZL2015100535190 登记生效日:20220317 变更事项:专利权人 变更前权利人:常熟理工学院 变更后权利人:常熟市知识产权运营中心有限公司 变更事项:地址 变更前权利人:215500 江苏省苏州市常熟市南三环路99号 变更后权利人:215500 江苏省苏州市常熟市常福街道联丰路68号4号楼5楼

    专利申请权、专利权的转移

  • 2017-10-10

    授权

    授权

  • 2015-06-24

    实质审查的生效 IPC(主分类):H04L1/00 申请日:20150202

    实质审查的生效

  • 2015-05-27

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及一种QoS保障方法,特别是涉及一种基于信道状态感知的频分调制型机 会协作QoS保障方法,属于无线通信服务质量保障技术领域。

背景技术

机会协作通信技术使得通信系统机会式选择满足一定条件的移动终端设备通过协 同合作的方式为发送端与接收端的数据传输提供QoS(英文全称为:Quality of Services, 中文名称为:服务质量)保障,中继节点共享自身的时间和空间资源,从而获得时间、 空间和频率等多维分集增益,保障无线通信系统性能。而在物联网、无线传感器网络或 者无线自组织网络中,每个移动节点的工作效率或生命周期受到来自供电方式、内部噪 声或未知移动性等方面约束,远距离或长时间通信时系统效率较低,数据质量得不到有 效、可靠的保障。在协作通信过程中机会式建立传输方案,通过多个中继节点时间协同、 空间和频率合作为端到端通信提供可靠性保障,降低异构移动节点的内部噪声和外界环 境参量导致信号强度衰减、延迟失真,改善数据质量,提高系统资源利用率,为用户提 供满意的QoS保障。

物联网、无线传感器网络或无线自组织网络中的机会协作通信与直接传输方式和协 作传输方式相比具有以下特点,主要表现为:其一,不同通信系统的移动终端内部噪声 源及其对数据质量产生的影响程度不同,不同应用环境的外界参量对信号传输的干涉程 度不同,在机会协作传输过程中必须感知移动终端自身物理属性和电气特性及工作环境 状态的多样性特点;其二,对于不同的网络架构及系统应用,各类中继终端节点加入协 作传输的时间控制,空间部署和频率分配,退出协作传输的控制和机会式协作传输控制 方案等问题成为机会协作技术在实际应用中的关键问题;其三,研究多样性QoS保障系 统及控制方法,满足用户的单一性能或多性能综合保障需求,改善物联网、无线传感器 网络或无线自组织网络中移动终端设备的功耗、吞吐率、时延和丢包率,是机会协作通 信领域面临的重要挑战。

综上所述,由于不同网络架构和应用需求,异构移动终端设备固有物理和电气属性 的限制以及无线通信网络的动态拓扑等特殊性,使用直接传输或静态协作传输方法已无 法满足物联网、无线传感器网络或无线自组织网络的多样性移动应用业务的保障需求。 鉴于此,本申请人作了有益的设计,下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

针对上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种基于信道状态感知的频分调制 型机会协作QoS保障方法,通过实时感知物联网、无线传感器网络或无线自组织网络状 态,发送端节点和中继移动设备节点构成机会协作QoS保障系统,实时感知信道状态构 建具有单一性或综合式QoS保障的机会协作传输方案,为各类移动应用提供可靠性、实 时性、可持续性和高效性等方面保障。

本发明的技术方案是这样的:一种基于信道状态感知的频分调制型机会协作QoS 保障方法,包括以下步骤:

S01、发送端节点将Pct/Ptotal与阈值相比,若Pct/Ptotal大于阈值,则采用直接传输方 式对信号数据起始位置零进入S04,若Pct/Ptotal小于等于阈值,进入S02;

S02、由协作节点数M、信道状态hi、Pct/Ptotal和链路层ARQ的最大重传次数Nmax对吞吐率SARQ、丢包率PARQ、平均往返时延TARQ和能效ηARQ的变化规律建立六个机会 协作控制方案,并对六个机会协作控制方案编码,每个协作控制方案确定一组协作节点 数M和最大重传次数Nmax

S03、发送端节点选择一个机会协作控制方案并将对应方案编码加入信号数据起始 位,然后对信号数据进行12频分型QPSK调制;

S04、添加循环冗余校验码后发送信号数据,同时侦听信道,若收到来自中继节点 的NAK包,则根据S03中选择的机会协作控制方案确定的最大重传次数Nmax进行信号 数据重传,否则继续发送信号数据;

S05、M个中继节点分别选择一个机会协作控制方案并将对应方案编码加入信号数 据起始位,然后对信号数据进行12频分型QPSK调制;

S06、添加循环冗余校验码后发送信号数据,同时侦听信道,若收到来自接收端节 点的ACK包则继续发送信号数据,若收到来自接收端节点的NAK包,则根据S05中 选择的机会协作控制方案确定的最大重传次数Nmax进行信号数据重传;

S07、若中继节点在机会协作控制过程中进行信号数据重传次数大于S06中的最大 重传次数Nmax则通过反馈信道向发送端节点发送NAK包,请求发送端节点重传;

S08、接收端节点判断接收到的信号数据包的起始位,若为直接传输则对信号数据 包直接解调解码,若为机会协作控制方案编码则进行12频分型QPSK解调解码,其余 情况丢弃信号数据包并反馈NAK包;

S09、执行CRC校验,确认信号数据包无误后传至上层同时通过反馈信道发送ACK 包,否则主动丢弃信号数据包后反馈NAK包。

进一步,所述阈值为协作节点数M对信噪比SNR的影响规律阈值、信道状态hi对 信噪比SNR的影响规律阈值、信道状态hi对中断概率Pout的影响规律阈值和信道状态 hi对误码率Pb的影响规律阈值中的最大值。

进一步,所述协作节点数M对信噪比SNR的影响规律阈值和信道状态hi对信噪比 SNR的影响规律阈值由公式SNR=f(|hi|2)f(x)=E0N0*dllΣi=1MSli[Ptotal-(2M-1)Pct]x获得,所述信道状态hi对 中断概率Pout的影响规律阈值由公式SNR=f(|hi|2)f(x)=E0N0*dllΣi=1MSli[Ptotal-(2M-1)Pct]x和 Pout=P(SNR<α)=1-SNR/α获得,所述信道状态hi对误码率Pb的影响规律阈值由公式 SNR=f(|hi|2)f(x)=E0N0*dllΣi=1MSli[Ptotal-(2M-1)Pct]xPb=12ef(|hi|2)γ获得。

进一步,所述协作节点数M、信道状态hi、Pct/Ptotal和链路层ARQ的最大重传次数 Nmax对吞吐率SARQ、丢包率PARQ、平均往返时延TARQ和能效ηARQ的变化规律由公式 SARQ=lpayloadlDATA+lACKg(hi,Nmax)g(hi,Nmax)=(1-(1-(1-12ef(|hi|2)BN2Rradio)lDATA)Nmax+1),PARQ=h(hi,Nmax)h(hi,Nmax)=(1-(1-(1-12ef(|hi|2)BN2Rradio)lDATA)Nmax+1),TARQ=T1-h(hi,Nmax)Nmax+11-h(hi,Nmax)ηARQ=EeffiEtotal(1-PARQ)=lpayloadlDATA+lACK(l-h(hi,Nmax))确定。

进一步,所述六个机会协作控制方案编码分别为001、010、011、100、101和110。

本发明所提供的技术方案的有益效果是,本发明采用信道状态感知的通信系统性能 分析,根据不同的网络状态和移动接收端节点状态实时判断分析信噪比SNR、中断概率 Pout和误码率Pb的变化规律,结合吞吐率SARQ、丢包率PARQ、平均往返时延TARQ和能 效ηARQ的变化规律构建多样性自适应QoS保障系统。发送端节点根据信道状态和感知 移动设备状态选择最佳机会协作保障方案;中继节点和接收端节点根据用户需求、网络 状态和自身特性与发送端节点协同构建机会式保障方案,并设计了12频分型QPSK调 制方案及其电路。本发明与现有技术相比,具有的有益效果是:实时感知物联网、无线 传感器网络或无线自组织网络的信道状态,充分考虑移动终端设备固有属性,机会式建 立能够满足各类应用且可靠、高效和稳定的协作QoS保障方法。

附图说明

图1为机会协作QoS保障系统架构及工作流程示意图。

图2为协作节点个数M对信噪比SNR的影响变化规律示意图。

图3为信道状态hi对信噪比SNR的影响变化规律示意图。

图4为信道状态hi对中断概率Pout影响变化规律示意图。

图5为信道状态hi对误比特率Pb影响变化规律示意图。

图6为最大重传次数Nmax为1时信道状态hi对丢包率PARQ影响规律示意图。

图7为最大重传次数Nmax为2时信道状态hi对丢包率PARQ影响规律示意图。

图8为最大重传次数Nmax为3时信道状态hi对丢包率PARQ影响规律示意图。

图9为最大重传次数Nmax为4时信道状态hi对丢包率PARQ影响规律示意图。

图10为协作节点个数M和Pct与Ptotal比值固定时信道状态hi对丢包率PARQ影响规 律示意图。

图11为最大重传次数Nmax为1时信道状态hi对吞吐率SARQ影响规律示意图。

图12为最大重传次数Nmax为2时信道状态hi对吞吐率SARQ影响规律示意图。

图13为最大重传次数Nmax为3时信道状态hi对吞吐率SARQ影响规律示意图。

图14为最大重传次数Nmax为4时信道状态hi对吞吐率SARQ影响规律示意图。

图15为协作节点个数M为1和Pct与Ptotal比值为0.1时最大重传次数Nmax对吞吐 率SARQ影响规律示意图。

图16为协作节点个数M为1和Pct与Ptotal比值为0.3时最大重传次数Nmax对吞吐 率SARQ影响规律示意图。

图17为协作节点个数M为2和Pct与Ptotal比值为0.1时最大重传次数Nmax对吞吐 率SARQ影响变化规律示意图。

图18为协作节点个数M为2和Pct与Ptotal比值为0.3时最大重传次数Nmax对吞吐 率SARQ影响规律示意图。

图19为信道状态hi对平均往返时延TARQ影响规律示意图。

图20为协作节点个数M为1和Pct与Ptotal比值为0.1时最大重传次数Nmax对平均 往返时延TARQ影响规律示意图。

图21为协作节点数M为1和Pct与Ptotal比值为0.3时最大重传次数Nmax对平均往 返时延TARQ影响规律示意图。

图22为协作节点数M为2和Pct与Ptotal比值为0.1时最大重传次数Nmax对平均往 返时延TARQ影响变化规律示意图。

图23为协作节点数M为2和Pct与Ptotal比值为0.3时最大重传次数Nmax对平均往 返时延TARQ影响规律示意图。

图24为信道状态hi对能效ηARQ影响规律示意图。

图25为协作节点个数M为1和Pct与Ptotal比值为0.1时最大重传次数Nmax对能效 ηARQ影响规律示意图。

图26为协作节点数M为1和Pct与Ptotal比值为0.3时最大重传次数Nmax对能效ηARQ影响规律示意图。

图27为协作节点个数M为2和Pct与Ptotal比值为0.1时最大重传次数Nmax对能效 ηARQ影响变化规律示意图。

图28为协作节点个数M为2和Pct与Ptotal比值为0.3时最大重传次数Nmax对能效 ηARQ影响规律示意图。

图29为12频分QPSK编码调制信号波形示意图。

图30为12频分QPSK编码调制示意图。

图31为12频分的QPSK调制电路原理图

图32为发送端节点、中继节点和接收端节点编码调制解码解调过程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明,但不作为对本发明的限定。

请参阅图1,对机会协作QoS保障系统进行说明。物联网、无线传感器网络或无线 自组织网络中,发送端节点与接收端节点之间建立端到端通信,数据传输可以采用两种 模式:直接传输或机会协作传输。发送端节点网络状态定义为{协作节点数M,信噪比 SNR,信道状态hi,中断概率Pout,误码率Pb},接收端节点网络状态定义为{活跃概率 Sli,系统总功率Ptotal,发射功率Pt,电路处理能耗Pct}。其中发送端节点网络状态参数 值可在系统初始化后监测得到,接收端节点网络状态参数值可根据终端设备固有属性获 取。通信系统总能耗包括发射功率Pt和电路处理能耗Pct,根据公式(1)计算得到。

Ptotal=Pt+Pct   (1)

此外,Pts表示发射端节点发射信息所需的电路处理能耗,Ptc表示节点接收信息所需 的电路处理能耗。直接传输方式中发送端节点的发射功率和机会协作传输方式下中继节 点的发射功率可由公式(2)和(3)计算得到。

Pts=Ptotal-Pct   (2)

Ptc=Ptotal-(2M-1)Pct-Pt   (3)

其中M表示处于活跃状态的中继节点个数。

在公式(1)、(2)和(3)基础上,当各个信道相互独立且高斯白噪声方差一致 时,接收端的信噪比可由公式(4)计算得到。

SNR=f(|hi|2)f(x)=E0N0*dllΣi=1MSli[Ptotal-(2M-1)Pct]x---(4)

其中,N0表示高斯白噪声方差,E0表示发送信号能量,dl表示发送端节点与接收端 节点之间的距离,l表示信道衰落指数。

本发明中定义中断概率表示接收端节点的通信性能,可由公式(5)计算得到。

Pout=P(SNR<α)=1-SNR/α   (5)

其中α为无线链路中断阈值,可通过实测统计得到。

本发明中定义误比特率Pb表示接收端节点收到的数字信号中发生差错的比特数与 总比特数之比,可由公式(6)计算得到。

Pb=12ef(|hi|2)γ---(6)

其中,γ是接收端节点设备差错因子,由设备内部噪声和数据发射速率决定。

请参阅图2,根据公式(4)协作节点个数M对信噪比SNR的影响变化规律,得到 Pct与Ptotal比值的阈值α1和β1,具体如下:

(1)当Pct/Ptotal<0.1时,信噪比SNR随着活跃协作节点数M的递增而逐渐增大, 此时机会协作中可以通过增加中继节点个数显著改善通信系统性能。

(2)当0.01<Pct/Ptotal<0.4时,信噪比SNR随着活跃协作节点数M的递增先逐渐增 大然后减小,此时协作传输需要选取最合适的协作节点数M才能达到最优传输效果。

(3)当Pct/Ptotal>0.4时,信噪比SNR随着协作节点M的递增而减小,此时选择直 接传输方式即可。

此处,α1取0.4,β1取0.1。

请参阅图3,根据公式(4)信道状态hi对信噪比SNR的变化规律,得到Pct与Ptotal比值的阈值α2,具体如下:

(1)当活跃协作节点数M,电路处理能耗一定时,信道状态越好信噪比SNR越高。

(2)当活跃协作节点数M,信道状态一定时,电路处理能耗越低信噪比SNR越高;

(3)当信道状态一定时,分以下两种情况讨论:

(a)当电路处理能耗与系统总功率比值即Pct/Ptotal>0.4时直接传输的信噪比SNR 更高,此时采用直接传输。

(b)当电路处理能耗与系统总功率比值即Pct/Ptotal<=0.4时,随着比值越来越小机 会协作的信噪比SNR更高,此时采用机会协作传输。

此处,α2取0.4。

同理,参阅图4和5,发现中断概率和误比特率具有与信道状态hi相同规律,阈值 α3和α4均取0.4。因此,可根据误比特率、中断概率、信噪比、协作节点数和信道状态 分析决策采用直接传输或机会协作传输,由图1所示的机会决策模块完成。

接着,本发明中每个接收端节点链路层采用ARQ机制,吞吐率SARQ为成功发送数 据包的有效负载与总传输数据之比,可由公式(7)计算得到。

SARQ=lpayloadlDATA+lACKg(hi,Nmax)g(hi,Nmax)=(1-(1-(1-12ef(|hi|2)BN2Rradio)lDATA)Nmax+1)---(7)

其中,Nmax表示最大重传次数,lpayload表示负载长度,反馈系统中的ACK包长记为 lACK,此处lDATA和lACK值可根据移动终端设备固有属性及所采用通信协议得到。

丢包率PARQ为单位时间内通信过程中发生差错的数据包数与总发送数据包数之 比,可由公式(8)计算得到。

PARQ=h(hi,Nmax)h(hi,Nmax)=(1-(1-(1-12ef(|hi|2)BN2Rradio)lDATA)Nmax+1)---(8)

端到端平均往返时延TARQ为数据包从发送端节点发出到收到ACK包的平均时间, 可由公式(9)计算得到。

TARQ=T1-h(hi,Nmax)Nmax+11-h(hi,Nmax)---(9)

基于可靠性分析系统能效ηARQ可由公式(10)计算得到。

ηARQ=EeffiEtotal(1-PARQ)=lpayloadlDATA+lACK(l-h(hi,Nmax))---(10)

参阅图6、7、8、9和10,可以看出信道状态好时,通过增大最大重传次数Nmax可 以明显降低丢包率,而信道状态较差时即使多次重传也无法改善,此时应该主动弃包。 参阅图11、12、13和14,发现协作节点数M固定时,电路处理能耗Pct越低则系统吞 吐率SARQ越大,当Pct增大后吞吐率反而降低;Pct固定时,协作节点数M越大系统吞 吐率SARQ越大。参阅图15、16、17和18,发现不同协作节点数M和Pct与Ptotal比值情 况下,最大重传次数Nmax的增大对其性能影响规律不同,并非重传越多系统吞吐率SARQ越大。应根据分析模型计算得到其重传次数对吞吐率影响的递变关系,据此设置最佳的 最大重传次数Nmax值,该递变关系具体如下:

(1)当M=1且Pct/Ptotal=0.1时,Nmax为2时吞吐率最大,Nmax为1次之,接着是 Nmax为3,最差为Nmax等于4;

(2)当M=1且Pct/Ptotal=0.3时,Nmax为4时吞吐率最大,Nmax为3次之,接着是 Nmax为1,最差为Nmax等于2;

(3)当M=2且Pct/Ptotal=0.1时,Nmax为1时吞吐率最大,Nmax为4次之,接着是 Nmax为2,最差为Nmax等于3;

(4)当M=2且Pct/Ptotal=0.3时,Nmax为3时吞吐率最大,Nmax为4次之,接着是 Nmax为2,最差为Nmax等于1。

参阅图19,发现Nmax固定时,协作节点越多且Pct与Ptotal比值越大则平均往返时延 TARQ越大,依此可通过减少协作节点数或者减小Pct与Ptotal比值来有效缩短时延,改善 实时性。

参阅图20、21、22和23,可以得出如下结论:

(1)Nmax越大时延越大;

(2)Pct与Ptotal比值固定时协作节点越多时延越大;

(3)当协作节点少且Pct与Ptotal比值小时,信道状态的改善有助于缩短时延,Nmax固定时随着信道质量的提高,时延会逐步减小,减小的幅度随着Pct与Ptotal比值的增加 而降低;

(4)协作节点多或Pct与Ptotal比值较大时,平均往返时延对信道状态不敏感,即使 在质量较高的状态下时延始终保持最大。

参阅图24,发现Nmax固定时Pct与Ptotal比值越大则能效ηARQ越低,Pct与Ptotal比值 越小则能效越高;Pct与Ptotal比值固定时,协作节点越多则能效ηARQ越高。该结论表明: 可以通过增加协作节点或降低Pct与Ptotal比值,有效降低系统能效。

参阅图25、26、27和28,发现不论M和Pct/Ptotal如何设置,均可通过增大Nmax提 高系统能效。

综上所述,可以根据M,Pct/Ptotal和Nmax三个参量结合用户对时延、吞吐率、能效 和丢包率的敏感程度建立单一性能或多性能综合机会协作保障方案,具体如表1所示。

方案编号 保障能力 M Pct/PtotalNmax敏感表现 头类型编码 1 实时性最好 1 0.1 1 1 001 2 可靠性最强 2 0.3、0.4 4 6 010 3 吞吐率最大 2 0.1 1 2 011 4 能效最高 2 0.1 4 3 100 5 折中方案一 2 0.3 2 5 101 6 折中方案二 2 0.1 2 4 110

表1六个机会协作传输方案中传输策略表

其中,折中方案一是以可靠性为主兼容实时性、吞吐率和能效。折中方案二是以实 时性为主兼容可靠性、吞吐率和能效。发送端节点和中继节点可以按照上述原则自适应 实时机会式建立最佳协作传输方案。

接收端节点将收到来自发送端节点和多个协作节点发来的复合信号,需由同构信号 复用器进行对其处理,为了解决信号复用带来的噪声干扰、时延失真和变形等问题,可 参阅图29所示的12频分QPSK调制原理,参阅图30所示流程采用图31所示电路实施 信号调制,一次应用示范如图32所示,其实施步骤具体如下:

S01、发送端节点结合网络状态、节点状态和用户QoS保障需求,从表1中选择最 佳机会协作方案001,将头格式“001”输入74LS90,判断采用何种协作方案后进行6 分频然后外接一个74LS74再进行2分频,从而实现12分频后将信号发送至网络中,若 收到来自中继节点的NAK包则进行信号重传;

S02、中继节点收到来自发送端节点信号后,参照S01操作从表1中选择最佳机会 协作方案010,头格式“010”输入74LS90,判断采用何种协作方案后进行6分频然后 外接一个74LS74再进行2分频,从而实现12分频后将信号发送至网络中,若收到来自 接收端节点的NAK包则进行信号重传,重传次数超过协作方案的Nmax时向发送端节点 发送NAK包;

S03、接收端节点通过分析机会协作方案头格式类型解码后发现收到2种不同QoS 保障方案的信号,分别为001和010,按照12频分QPSK解调后通过后得到 有效信号,进行CRC校验,数据无误返回ACK包否则返回NAK包,如果头格式类型 不是直接传输或者六个协作方案之一则直接丢弃数据包返回NAK包。

由发送端节点直接向接收端节点发送信号时,头格式为“000”,接收端节点解码头 类型确定为直接传输则直接进行解调解码忽略其他节点信号,其他具体过程与现有技术 相同,在此不再累述。

本发明通过实时感知物联网、无线传感器网络或无线自组织网络状态,发送端节点 和中继移动设备节点状态,实时感知信道状态和QoS保障需求,构建具有单一性能或多 性能综合式的机会协作QoS保障方案及其12频分QPSK调制解调原理和实施电路,从 而满足不同网络架构中移动应用在可靠性、实时性、可持续性和工作效率等方面的多样 性和动态性保障需求。

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