一種基于非正交多址接入的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)按需重傳方法
1.本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和非正交多址接入技術(shù)，具體地說是一種基于非正交多址接入的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)按需重傳方法。
背景技術(shù)：
2.與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)具有成本低、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而被認(rèn)為是工業(yè)4.0重要的使能技術(shù)之一。此外，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)為移動(dòng)終端(如自動(dòng)導(dǎo)引車)提供了更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。然而，工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性使得無線技術(shù)難以滿足工業(yè)應(yīng)用苛刻的性能要求。例如具有低延遲和高可靠性的確定性通信。
3.如圖1所示，非正交多址接入技術(shù)允許多個(gè)用戶在同一頻段上同時(shí)向同一個(gè)接收器發(fā)送數(shù)據(jù)包。通過引入功率域，非正交多址技術(shù)可以借助連續(xù)干擾消除技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)在一個(gè)正交時(shí)間-頻率資源塊上的并行傳輸，從而提高頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延傳輸。另一方面，雖然非正交多址技術(shù)是減少延遲和增加信道容量的有效手段，但工業(yè)環(huán)境干擾會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸失敗使得其難以滿足可靠性要求。可行的解決方案是引入重傳方法，通過合理設(shè)計(jì)超幀結(jié)構(gòu)，讓現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以在一個(gè)幀內(nèi)多次傳輸數(shù)據(jù)包，從而提高傳輸成功率，實(shí)現(xiàn)高可靠傳輸。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
4.本發(fā)明首次將非正交多址接入技術(shù)與自動(dòng)按需重傳機(jī)制相結(jié)合，提出一種基于非正交多址接入的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)重傳方法，該發(fā)明可有效提升通信資源的使用效率，進(jìn)而保證無線網(wǎng)絡(luò)高可靠低時(shí)延上行傳輸。
5.對(duì)于由接入設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成的單信道星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，引入非正交多址技術(shù)和連續(xù)干擾消除技術(shù)，根據(jù)自動(dòng)按需重傳機(jī)制設(shè)計(jì)超幀結(jié)構(gòu)，并基于需要傳輸數(shù)據(jù)包的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率和可用通信資源為待傳數(shù)據(jù)包分配傳輸時(shí)隙及功率，實(shí)現(xiàn)最大化傳輸可靠性。
6.本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：
7.一種基于非正交多址接入的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)按需重傳方法，包括以下步驟：
8.通過非正交多址接入方法與連續(xù)干擾消除方法，使多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在一個(gè)時(shí)間-頻率資源塊上并行傳輸；
9.通過超幀結(jié)構(gòu)，使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在一個(gè)超幀內(nèi)多次發(fā)送數(shù)據(jù)包，并根據(jù)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率及可用通信資源，結(jié)合自動(dòng)按需重傳機(jī)制動(dòng)態(tài)為需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包分配傳輸時(shí)隙和功率級(jí)，以最大化幀內(nèi)數(shù)據(jù)包傳輸成功的個(gè)數(shù)及傳輸可靠性。
10.所述非正交多址接入方法與連續(xù)干擾消除方法，具體為：
11.非正交多址接入方法將一個(gè)時(shí)間-頻率資源塊進(jìn)一步分成預(yù)先設(shè)定好的k個(gè)功率級(jí)，使得最多有k個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并行向接入設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)；
12.接入設(shè)備配置一個(gè)k-sic接收機(jī)，通過連續(xù)干擾消除方法sic，實(shí)現(xiàn)k個(gè)并行傳輸數(shù)
據(jù)包的解碼，在k-sic接收機(jī)解碼階段，按照接收功率從高到低的順序依次解碼，當(dāng)接收數(shù)據(jù)包的信干噪比大于等于給定的閾值γ時(shí)，解碼成功，否則解碼失敗，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包解碼失敗時(shí)，解碼階段立刻停止，還未解碼的數(shù)據(jù)包被視為傳輸失敗。
13.所述超幀結(jié)構(gòu)具體為：
14.超幀長度為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)周期l，超幀由信標(biāo)時(shí)段和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段構(gòu)成，其中，所述數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段包括數(shù)據(jù)首次傳輸時(shí)段、確認(rèn)信號(hào)傳輸時(shí)段和數(shù)據(jù)重傳時(shí)段。
15.所述超幀的構(gòu)成時(shí)段具體為：
16.信標(biāo)時(shí)段：用于接入設(shè)備向n個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備廣播信標(biāo)，所述信標(biāo)用于時(shí)間同步，并且告知現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)首次傳輸時(shí)段的調(diào)度表，包括時(shí)隙和功率級(jí)；
17.數(shù)據(jù)首次傳輸時(shí)段：用于每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向接入設(shè)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，長度為個(gè)時(shí)隙；
18.確認(rèn)信號(hào)傳輸時(shí)段：用于接入設(shè)備向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送否定確認(rèn)幀nack，接入設(shè)備通過更新nack中調(diào)度表的內(nèi)容向需要重傳數(shù)據(jù)包的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配時(shí)隙和功率級(jí)，長度為1個(gè)時(shí)隙；
19.數(shù)據(jù)重傳時(shí)段：用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備重傳數(shù)據(jù)包，按照接入設(shè)備發(fā)送的nack中調(diào)度表的內(nèi)容，未成功傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備根據(jù)分配的功率級(jí)和自己的信道增益計(jì)算發(fā)送功率，并在指定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。
20.所述傳輸成功及傳輸可靠性具體為：
21.令n個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率分別為p1，p2，...，pn，則第i個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備fdi的傳輸成功，需要滿足兩個(gè)條件：(1)根據(jù)接收功率從高到低的解碼順序，同一時(shí)隙里比fdi功率級(jí)高的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所發(fā)數(shù)據(jù)包被成功解碼；(2)fdi發(fā)送的數(shù)據(jù)包，被成功解碼；
22.傳輸可靠性為一個(gè)超幀內(nèi)傳輸成功的數(shù)據(jù)包數(shù)與總數(shù)據(jù)包數(shù)之比。
23.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功率分配為：
24.將k-sic接收機(jī)的功率閾值序列設(shè)定為sic接收機(jī)的功率閾值序列設(shè)定為其中σ2為信道噪聲的功率，為第m個(gè)功率級(jí)，1≤m≤k，如果第i個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備fdi被分配到了第1個(gè)時(shí)隙上的第m個(gè)功率級(jí)，并且fdi的信道增益為hi，則fdi發(fā)射數(shù)據(jù)包的功率為
25.所述的自動(dòng)按需重傳機(jī)制具體為：
26.在數(shù)據(jù)重傳時(shí)段，接入設(shè)備在每輪重傳結(jié)束向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備廣播nack，告知傳輸數(shù)據(jù)包失敗的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在下一輪重傳中的調(diào)度表，令需要重傳的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)n
ω
和超幀剩余時(shí)隙個(gè)數(shù)l
maxω
分別為第ω次重傳后傳輸失敗的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)和剩余時(shí)隙數(shù)，其中，ω＝0，1，...；
27.接入設(shè)備的調(diào)度表生成包括以下情況：
28.情況1：當(dāng)n
ω
＞k且即超幀剩余時(shí)隙足夠完成一次重傳，接入設(shè)備根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率從小到大排序，為每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配一個(gè)資源塊，占用時(shí)隙長度為
29.情況2：當(dāng)n
ω
＞k且即超幀剩余時(shí)隙不足夠完成一次重傳，接入
設(shè)備根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率從小到大排序，取前kl
maxω
個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，為此kl
maxω
個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配剩余資源塊；
30.情況3：當(dāng)n
ω
≤k，即需要重傳的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)并行傳輸，接入設(shè)備根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率從小到大排序，將資源塊分配給每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
31.所述當(dāng)情況1和情況2時(shí)，接入設(shè)備根據(jù)原則2分配資源塊，當(dāng)情況3時(shí)，接入設(shè)備根據(jù)原則1分配資源塊，其中：
32.所述的原則1和原則2為：
33.原則1：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在同一時(shí)隙不同功率級(jí)上：在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，如果n(n≤k)個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率滿足p1≤p2≤...≤pn，那么第i個(gè)數(shù)據(jù)包所屬的功率級(jí)為i，i＝1，2，...，n；
34.原則2：：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在不同時(shí)隙上：在t個(gè)時(shí)隙內(nèi)，如果kt個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率滿足p1≤p2≤...≤p
kt
，那么第i個(gè)數(shù)據(jù)包所屬的時(shí)隙l為l＝(i mod t)+1，功率級(jí)m為
35.本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：
36.1.本發(fā)明將非正交多址接入技術(shù)與自動(dòng)按需重傳機(jī)制相結(jié)合。其中，非正交多址接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在一個(gè)正交資源塊上的并行傳輸，而按需重傳機(jī)制根據(jù)前一輪的丟包情況動(dòng)態(tài)更新每一輪重傳的數(shù)據(jù)包，很大程度上避免了重復(fù)傳輸造成的時(shí)隙浪費(fèi)。本發(fā)明既提高了頻譜利用率和信道容量，又增加了成功傳輸個(gè)數(shù)，使工業(yè)無線要求的低時(shí)延高可靠通信成為可能。
37.2.本發(fā)明通過到一種可行的功率分配策略和最優(yōu)的重傳調(diào)度方案，最大限度地提高傳輸可靠性。這實(shí)際上等同于在一個(gè)超幀中最大化成功傳輸個(gè)數(shù)問題，即最大化每輪重傳成功傳輸個(gè)數(shù)。
38.3.本發(fā)明在每一輪重傳時(shí)，接入設(shè)備會(huì)根據(jù)未成功傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包錯(cuò)誤率更新調(diào)度表，為每個(gè)未成功傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配最優(yōu)的時(shí)隙和功率級(jí)。理論證明，本發(fā)明可以最大化每一輪重傳的成功傳輸個(gè)數(shù)，即最大化傳輸可靠性。
附圖說明
39.圖1為非正交多址接入技術(shù)示意圖；
40.圖2為超幀結(jié)構(gòu)示意圖；
41.圖3為工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)示意圖；
42.圖4為一輪重傳算法示例圖。
具體實(shí)施方式
43.為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
44.本發(fā)明主要包含工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)建模，超幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功率分配策略和重傳調(diào)度方案以及基于非正交多址接入的無線網(wǎng)絡(luò)按需重傳方法工作機(jī)制四個(gè)部分。
45.1.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)建模
46.本方法考慮的網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示，是由接入設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成的單信道星型
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。接入設(shè)備通過無線方式與所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，并負(fù)責(zé)生成和廣播信標(biāo)、nack信號(hào)以及接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送的上行數(shù)據(jù)包。接入設(shè)備配置一個(gè)k-sic接收機(jī)，表示在一個(gè)時(shí)間-頻率資源塊上可最多實(shí)現(xiàn)k個(gè)數(shù)據(jù)包的并行傳輸，k為可并行傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備個(gè)數(shù)。n個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，與傳感器相連接，負(fù)責(zé)按照調(diào)度表的指示發(fā)送數(shù)據(jù)包。
47.2.超幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
48.如圖2所示，超幀結(jié)構(gòu)具體如下：
49.超幀長度為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)周期l，超幀由信標(biāo)時(shí)段和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)段包括數(shù)據(jù)首次傳輸時(shí)段、確認(rèn)信號(hào)傳輸時(shí)段和數(shù)據(jù)重傳時(shí)段。
50.·
信標(biāo)時(shí)段：用于接入設(shè)備向n個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備廣播信標(biāo)，信標(biāo)主要作用為時(shí)間同步，并且告知現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)首次傳輸時(shí)段的調(diào)度表，包括時(shí)隙和功率級(jí)；
51.·
數(shù)據(jù)首次傳輸時(shí)段：用于每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向接入設(shè)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，長度為個(gè)時(shí)隙；
52.·
確認(rèn)信號(hào)傳輸時(shí)段：用于接入設(shè)備向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送nack(negative acknowledgment，否定確認(rèn)幀)，接入設(shè)備通過更新nack中調(diào)度表的內(nèi)容向需要重傳數(shù)據(jù)包的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配時(shí)隙和功率級(jí)，長度為1個(gè)時(shí)隙。
53.·
數(shù)據(jù)重傳時(shí)段：用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備重傳數(shù)據(jù)包，按照接入設(shè)備發(fā)送的nack中調(diào)度表的內(nèi)容，未成功傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備根據(jù)分配的功率級(jí)和自己的信道增益計(jì)算發(fā)送功率，并在指定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。
54.3.功率分配策略和重傳調(diào)度方案
55.考慮到復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，我們令第i個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備fdi的包錯(cuò)誤率為pi，i＝1，2，
…
n。也就是說，fdi到達(dá)接收端并被成功解碼的概率服從參數(shù)為1-pi的伯努利分布。那么，fdi傳輸成功需要滿足兩個(gè)條件：(1)根據(jù)接收功率從高到低的解碼順序，同一時(shí)隙里比fdi功率級(jí)高的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所發(fā)數(shù)據(jù)包需要被成功解碼，(2)fdi發(fā)送的數(shù)據(jù)包，也需要成功解碼。如果一次傳輸失敗，fdi將等待一次重傳機(jī)會(huì)。在第ω輪重傳期間，我們用n
ω
表示需要重傳的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，相應(yīng)的包錯(cuò)誤率為n
ω
＝0表示所有數(shù)據(jù)包在這個(gè)超幀中成功傳輸。讓l
maxω
表示第ω輪重傳剩余時(shí)隙數(shù)，l
ω
表示第ω輪重傳所用時(shí)隙數(shù)，則p
ilm
表示在第l個(gè)時(shí)隙第m個(gè)功率級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)包的fdi所需要的發(fā)射功率。
56.我們的目標(biāo)是到一種功率分配和重傳調(diào)度的聯(lián)合方案，使傳輸可靠性最大化，這實(shí)際上等同于在一個(gè)超幀中最大化傳輸成功個(gè)數(shù)問題，進(jìn)一步來講，即是使每輪重傳的成功傳輸個(gè)數(shù)最大化。
57.為解決功率分配問題，如果信干噪比的閾值為γ，我們將k-sic接收機(jī)的功率閾值序列設(shè)定為1≤m≤k-1，其中σ2為信道噪聲的功率，為第m個(gè)功率級(jí)，1≤m≤k。那么，如果想在接收端能被成功解碼，p
ilm
需滿足
58.為解決最優(yōu)重傳調(diào)度方案問題，我們?cè)O(shè)定下述兩項(xiàng)原則。
59.原則3.1：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在同一時(shí)隙不同功率級(jí)上。在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，如果n(n≤k)個(gè)
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率滿足p1≤p2≤...≤pn，那么第i個(gè)數(shù)據(jù)包所屬的功率級(jí)為i，i＝1，2，...，n。
60.原則3.2：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在不同時(shí)隙上。在t個(gè)時(shí)隙內(nèi)，如kt個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的包錯(cuò)誤率滿足p1≤p2≤...≤p
kt
，那么第i個(gè)數(shù)據(jù)包所屬的時(shí)隙l為l＝(i mod t)+1，功率級(jí)m為
61.4.基于非正交多址接入的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)按需重傳方法工作機(jī)制
62.根據(jù)原則3.1和原則3.2，我們可以獲得每一輪重傳的最優(yōu)調(diào)度方案，如圖4所示。具體步驟如下：
63.第一步，接入設(shè)備搜集還未成功傳輸?shù)膎
ω
個(gè)包及其對(duì)應(yīng)的包錯(cuò)誤率；
64.第二步，接入設(shè)備將包錯(cuò)誤率從小到大進(jìn)行排序，使其滿足第二步，接入設(shè)備將包錯(cuò)誤率從小到大進(jìn)行排序，使其滿足
65.第三步，接入設(shè)備計(jì)算超幀剩余時(shí)隙個(gè)數(shù)l
maxω
及重傳所需時(shí)隙個(gè)數(shù)
66.第四步，接入設(shè)備計(jì)算此次重傳所需時(shí)隙個(gè)數(shù)
67.第五步，初始化i＝1。
68.第六步，接入設(shè)備更新調(diào)度表，方法如下：
69.循環(huán)l從1到l
ω
；
70.m從1到k；
71.第i個(gè)設(shè)備所屬時(shí)隙為l，功率級(jí)為m；
72.i＝i+1；
73.如果i＞n
ω
，循環(huán)結(jié)束；
74.第七步，接入設(shè)備將新的調(diào)度表(包含在nack中)廣播給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
75.第八步，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備按照調(diào)度表計(jì)算發(fā)送功率并向接入設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包。
76.第九步，ω＝ω+1。如果n
ω
為0，表示所有包傳輸成功，則停止重傳，否則返回第一步。
