一种基于非正交多址接入的工业无线网络按需重传方法

1.本发明涉及工业无线网络技术和非正交多址接入技术，具体地说是一种基于非正交多址接入的工业无线网络按需重传方法。


背景技术：

2.与传统有线网络相比，工业无线网络具有成本低、结构设计灵活、安装简单等优点，因而被认为是工业4.0重要的使能技术之一。此外，工业无线网络为移动终端(如自动导引车)提供了更广阔的应用场景。然而，工业环境的复杂性和不可预测性使得无线技术难以满足工业应用苛刻的性能要求。例如具有低延迟和高可靠性的确定性通信。
3.如图1所示，非正交多址接入技术允许多个用户在同一频段上同时向同一个接收器发送数据包。通过引入功率域，非正交多址技术可以借助连续干扰消除技术实现不同信号在一个正交时间-频率资源块上的并行传输，从而提高频谱利用率，实现低时延传输。另一方面，虽然非正交多址技术是减少延迟和增加信道容量的有效手段，但工业环境干扰会导致数据包传输失败使得其难以满足可靠性要求。可行的解决方案是引入重传方法，通过合理设计超帧结构，让现场设备可以在一个帧内多次传输数据包，从而提高传输成功率，实现高可靠传输。


技术实现要素：

4.本发明首次将非正交多址接入技术与自动按需重传机制相结合，提出一种基于非正交多址接入的工业无线网络重传方法，该发明可有效提升通信资源的使用效率，进而保证无线网络高可靠低时延上行传输。
5.对于由接入设备与现场设备构成的单信道星型拓扑网络，引入非正交多址技术和连续干扰消除技术，根据自动按需重传机制设计超帧结构，并基于需要传输数据包的现场设备的包错误率和可用通信资源为待传数据包分配传输时隙及功率，实现最大化传输可靠性。
6.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
7.一种基于非正交多址接入的工业无线网络按需重传方法，包括以下步骤：
8.通过非正交多址接入方法与连续干扰消除方法，使多个现场设备在一个时间-频率资源块上并行传输；
9.通过超帧结构，使得现场设备在一个超帧内多次发送数据包，并根据各个现场设备的包错误率及可用通信资源，结合自动按需重传机制动态为需要传输的数据包分配传输时隙和功率级，以最大化帧内数据包传输成功的个数及传输可靠性。
10.所述非正交多址接入方法与连续干扰消除方法，具体为：
11.非正交多址接入方法将一个时间-频率资源块进一步分成预先设定好的k个功率级，使得最多有k个现场设备并行向接入设备传输数据；
12.接入设备配置一个k-sic接收机，通过连续干扰消除方法sic，实现k个并行传输数
据包的解码，在k-sic接收机解码阶段，按照接收功率从高到低的顺序依次解码，当接收数据包的信干噪比大于等于给定的阈值γ时，解码成功，否则解码失败，当一个数据包解码失败时，解码阶段立刻停止，还未解码的数据包被视为传输失败。
13.所述超帧结构具体为：
14.超帧长度为现场设备的数据周期l，超帧由信标时段和数据传输时段构成，其中，所述数据传输时段包括数据首次传输时段、确认信号传输时段和数据重传时段。
15.所述超帧的构成时段具体为：
16.信标时段：用于接入设备向n个现场设备广播信标，所述信标用于时间同步，并且告知现场设备数据首次传输时段的调度表，包括时隙和功率级；
17.数据首次传输时段：用于每个现场设备向接入设备发送一个数据包，长度为个时隙；
18.确认信号传输时段：用于接入设备向现场设备发送否定确认帧nack，接入设备通过更新nack中调度表的内容向需要重传数据包的现场设备分配时隙和功率级，长度为1个时隙；
19.数据重传时段：用于现场设备重传数据包，按照接入设备发送的nack中调度表的内容，未成功传输的现场设备根据分配的功率级和自己的信道增益计算发送功率，并在指定的时隙发送数据包。
20.所述传输成功及传输可靠性具体为：
21.令n个现场设备的包错误率分别为p1，p2，...，pn，则第i个现场设备fdi的传输成功，需要满足两个条件：(1)根据接收功率从高到低的解码顺序，同一时隙里比fdi功率级高的现场设备所发数据包被成功解码；(2)fdi发送的数据包，被成功解码；
22.传输可靠性为一个超帧内传输成功的数据包数与总数据包数之比。
23.现场设备的功率分配为：
24.将k-sic接收机的功率阈值序列设定为sic接收机的功率阈值序列设定为其中σ2为信道噪声的功率，为第m个功率级，1≤m≤k，如果第i个现场设备fdi被分配到了第1个时隙上的第m个功率级，并且fdi的信道增益为hi，则fdi发射数据包的功率为
25.所述的自动按需重传机制具体为：
26.在数据重传时段，接入设备在每轮重传结束向现场设备广播nack，告知传输数据包失败的现场设备在下一轮重传中的调度表，令需要重传的数据包个数n
ω
和超帧剩余时隙个数l
maxω
分别为第ω次重传后传输失败的数据包个数和剩余时隙数，其中，ω＝0，1，...；
27.接入设备的调度表生成包括以下情况：
28.情况1：当n
ω
＞k且即超帧剩余时隙足够完成一次重传，接入设备根据现场设备的包错误率从小到大排序，为每一个现场设备分配一个资源块，占用时隙长度为
29.情况2：当n
ω
＞k且即超帧剩余时隙不足够完成一次重传，接入
设备根据现场设备的包错误率从小到大排序，取前kl
maxω
个现场设备，为此kl
maxω
个现场设备分配剩余资源块；
30.情况3：当n
ω
≤k，即需要重传的现场设备可以在一个时隙内并行传输，接入设备根据现场设备的包错误率从小到大排序，将资源块分配给每一个现场设备。
31.所述当情况1和情况2时，接入设备根据原则2分配资源块，当情况3时，接入设备根据原则1分配资源块，其中：
32.所述的原则1和原则2为：
33.原则1：传输的数据包在同一时隙不同功率级上：在一个时隙内，如果n(n≤k)个现场设备的包错误率满足p1≤p2≤...≤pn，那么第i个数据包所属的功率级为i，i＝1，2，...，n；
34.原则2：：传输的数据包在不同时隙上：在t个时隙内，如果kt个现场设备的包错误率满足p1≤p2≤...≤p
kt
，那么第i个数据包所属的时隙l为l＝(i mod t) 1，功率级m为
35.本发明具有以下有益效果及优点：
36.1.本发明将非正交多址接入技术与自动按需重传机制相结合。其中，非正交多址接入技术实现了多个现场设备在一个正交资源块上的并行传输，而按需重传机制根据前一轮的丢包情况动态更新每一轮重传的数据包，很大程度上避免了重复传输造成的时隙浪费。本发明既提高了频谱利用率和信道容量，又增加了成功传输个数，使工业无线要求的低时延高可靠通信成为可能。
37.2.本发明通过找到一种可行的功率分配策略和最优的重传调度方案，最大限度地提高传输可靠性。这实际上等同于在一个超帧中最大化成功传输个数问题，即最大化每轮重传成功传输个数。
38.3.本发明在每一轮重传时，接入设备会根据未成功传输的现场设备包错误率更新调度表，为每个未成功传输的现场设备分配最优的时隙和功率级。理论证明，本发明可以最大化每一轮重传的成功传输个数，即最大化传输可靠性。
附图说明
39.图1为非正交多址接入技术示意图；
40.图2为超帧结构示意图；
41.图3为工业无线网络示意图；
42.图4为一轮重传算法示例图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
44.本发明主要包含工业无线网络建模，超帧结构设计，功率分配策略和重传调度方案以及基于非正交多址接入的无线网络按需重传方法工作机制四个部分。
45.1.工业无线网络建模
46.本方法考虑的网络模型如图3所示，是由接入设备和现场设备构成的单信道星型
拓扑结构。接入设备通过无线方式与所有的现场设备连接，并负责生成和广播信标、nack信号以及接收现场设备发送的上行数据包。接入设备配置一个k-sic接收机，表示在一个时间-频率资源块上可最多实现k个数据包的并行传输，k为可并行传输的现场设备个数。n个现场设备安装在工业现场，与传感器相连接，负责按照调度表的指示发送数据包。
47.2.超帧结构设计
48.如图2所示，超帧结构具体如下：
49.超帧长度为现场设备的数据周期l，超帧由信标时段和数据传输时段构成，其中数据传输时段包括数据首次传输时段、确认信号传输时段和数据重传时段。
50.·
信标时段：用于接入设备向n个现场设备广播信标，信标主要作用为时间同步，并且告知现场设备数据首次传输时段的调度表，包括时隙和功率级；
51.·
数据首次传输时段：用于每个现场设备向接入设备发送一个数据包，长度为个时隙；
52.·
确认信号传输时段：用于接入设备向现场设备发送nack(negative acknowledgment，否定确认帧)，接入设备通过更新nack中调度表的内容向需要重传数据包的现场设备分配时隙和功率级，长度为1个时隙。
53.·
数据重传时段：用于现场设备重传数据包，按照接入设备发送的nack中调度表的内容，未成功传输的现场设备根据分配的功率级和自己的信道增益计算发送功率，并在指定的时隙发送数据包。
54.3.功率分配策略和重传调度方案
55.考虑到复杂的工业环境，我们令第i个现场设备fdi的包错误率为pi，i＝1，2，
…
n。也就是说，fdi到达接收端并被成功解码的概率服从参数为1-pi的伯努利分布。那么，fdi传输成功需要满足两个条件：(1)根据接收功率从高到低的解码顺序，同一时隙里比fdi功率级高的现场设备所发数据包需要被成功解码，(2)fdi发送的数据包，也需要成功解码。如果一次传输失败，fdi将等待一次重传机会。在第ω轮重传期间，我们用n
ω
表示需要重传的数据包个数，相应的包错误率为n
ω
＝0表示所有数据包在这个超帧中成功传输。让l
maxω
表示第ω轮重传剩余时隙数，l
ω
表示第ω轮重传所用时隙数，则p
ilm
表示在第l个时隙第m个功率级发送数据包的fdi所需要的发射功率。
56.我们的目标是找到一种功率分配和重传调度的联合方案，使传输可靠性最大化，这实际上等同于在一个超帧中最大化传输成功个数问题，进一步来讲，即是使每轮重传的成功传输个数最大化。
57.为解决功率分配问题，如果信干噪比的阈值为γ，我们将k-sic接收机的功率阈值序列设定为1≤m≤k-1，其中σ2为信道噪声的功率，为第m个功率级，1≤m≤k。那么，如果想在接收端能被成功解码，p
ilm
需满足
58.为解决最优重传调度方案问题，我们设定下述两项原则。
59.原则3.1：传输的数据包在同一时隙不同功率级上。在一个时隙内，如果n(n≤k)个
现场设备的包错误率满足p1≤p2≤...≤pn，那么第i个数据包所属的功率级为i，i＝1，2，...，n。
60.原则3.2：传输的数据包在不同时隙上。在t个时隙内，如kt个现场设备的包错误率满足p1≤p2≤...≤p
kt
，那么第i个数据包所属的时隙l为l＝(i mod t) 1，功率级m为
61.4.基于非正交多址接入的工业无线网络按需重传方法工作机制
62.根据原则3.1和原则3.2，我们可以获得每一轮重传的最优调度方案，如图4所示。具体步骤如下：
63.第一步，接入设备搜集还未成功传输的n
ω
个包及其对应的包错误率；
64.第二步，接入设备将包错误率从小到大进行排序，使其满足第二步，接入设备将包错误率从小到大进行排序，使其满足
65.第三步，接入设备计算超帧剩余时隙个数l
maxω
及重传所需时隙个数
66.第四步，接入设备计算此次重传所需时隙个数
67.第五步，初始化i＝1。
68.第六步，接入设备更新调度表，方法如下：
69.循环l从1到l
ω
；
70.m从1到k；
71.第i个设备所属时隙为l，功率级为m；
72.i＝i 1；
73.如果i＞n
ω
，循环结束；
74.第七步，接入设备将新的调度表(包含在nack中)广播给现场设备。
75.第八步，现场设备按照调度表计算发送功率并向接入设备发送数据包。
76.第九步，ω＝ω 1。如果n
ω
为0，表示所有包传输成功，则停止重传，否则返回第一步。