一種全雙工無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)配對(duì)與資源競爭方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息技術(shù)領(lǐng)域中的無線通信網(wǎng)絡(luò)同時(shí)同頻全雙工雙向傳輸技術(shù)，特別 是涉及一種全雙工無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)配對(duì)與資源競爭方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 長期以來，無線通信網(wǎng)絡(luò)中的信息雙向傳輸一直是通過"半雙工方式"實(shí)現(xiàn)的，即 通信節(jié)點(diǎn)的信號(hào)發(fā)射和接收必須占用兩個(gè)不同的無線信道。根據(jù)收發(fā)信道的不同配置方 法，無線通信網(wǎng)絡(luò)可相應(yīng)地分為時(shí)分雙工（TDD)和頻分雙工（FDD)兩類。TDD系統(tǒng)的收發(fā) 信道分別位于同一載波的不同時(shí)隙，而FDD系統(tǒng)的收發(fā)信道則被分離在兩段不連續(xù)的對(duì)稱 頻譜上。盡管傳統(tǒng)的半雙工雙向通信方式，可以有效隔離收發(fā)信號(hào)間的自干擾，易于工程 實(shí)現(xiàn)；但是從信息論的角度而言，上述方法并不是最優(yōu)的，很可能沒有充分逼近雙向信道 (Two-WayChannel)的理論容量上限（Shannon, 1961)。此外，由于受到半雙工的限制，當(dāng)前 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中始終存在著一些難以克服的缺陷。例如：在TDD系統(tǒng)中，上行定時(shí)提前與 收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換降低了資源利用率，固定的上下行時(shí)隙配置必然引入較長的傳輸時(shí)延；對(duì)于 FDD系統(tǒng)，隔離上下行傳輸?shù)膶?duì)稱頻段需求，隨著頻譜資源的日益稀缺與寬帶無線應(yīng)用的發(fā) 展，將愈發(fā)難以滿足。
[0003] 全雙工無線通信（即同時(shí)同頻全雙工），是一項(xiàng)綜合運(yùn)用多重干擾抑制方法而實(shí) 現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間同時(shí)同頻雙向信息傳輸?shù)男屡d物理層技術(shù)。由于該技術(shù)有望成倍地提升現(xiàn)有的半 雙工雙向傳輸效率，近年來備受關(guān)注，逐漸成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。 為了使無線信號(hào)能在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行收發(fā)，全雙工無線通信面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)是 "自干擾問題"，即：本地發(fā)射信號(hào)對(duì)本地接收信號(hào)所形成的大功率干擾。解決自干擾問題的 兩種關(guān)鍵技術(shù)手段分別為"主動(dòng)干擾消除"和"被動(dòng)干擾抑制"。前者通過在接收端重建發(fā) 射信號(hào)副本，對(duì)自干擾信號(hào)（即接收到的本地發(fā)射信號(hào)）進(jìn)行主動(dòng)消除，方法包括：空域信 號(hào)處理，射頻回波抵消、基帶干擾消除等。后者主要采用交叉極化、波束調(diào)整、吸收屏蔽等措 施對(duì)收發(fā)天線進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)自干擾信號(hào)的被動(dòng)衰減。典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)全雙工無線通信系統(tǒng) 如圖1所示，經(jīng)過在空間域、射頻域和基帶域的分階段多步驟干擾消除和抑制，現(xiàn)有主流全 雙工試驗(yàn)系統(tǒng)通常可將自干擾信號(hào)強(qiáng)度有效衰減70-120dB，從而實(shí)現(xiàn)在特定功率范圍與通 信距離內(nèi)可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)同信道雙向傳輸。
[0004] 全雙工無線通信技術(shù)，解決了無線信號(hào)無法同時(shí)同頻收發(fā)的難題，突破了長期制 約通信系統(tǒng)容量提升的瓶頸，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量和頻譜效率的成倍提升；同時(shí)成 本可控、后向兼容性強(qiáng)。目前物理層傳輸技術(shù)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的快速發(fā)展，已進(jìn)入了一個(gè) 平臺(tái)期或瓶頸期，較難取得新的重大突破；全雙工無線通信技術(shù)另辟蹊徑，轉(zhuǎn)變了通信系統(tǒng) 容量的增長方式，很可能會(huì)給未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)帶來革命性的變化。例如：當(dāng)蜂窩網(wǎng)節(jié)點(diǎn) 具備了同時(shí)同頻全雙工能力后，F(xiàn)DD和TDD模式將逐步合二為一；雙向中繼傳輸可以得到更 高效的應(yīng)用，有限信道反饋不再是技術(shù)瓶頸。鑒于上述諸多優(yōu)點(diǎn)，全雙工無線通信已成為第 五代移動(dòng)通信（5G)的重要候選技術(shù)之一。
[0005] 現(xiàn)階段，全雙工無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)缺陷和不足可以歸納為：1)資源競爭與 流量匹配問題；2)同信道干擾與節(jié)點(diǎn)配對(duì)問題；3)上行多終端競爭接入問題。具體如下所 述：
[0006] 首先，資源競爭與流量匹配問題。當(dāng)前的全雙工無線通信，由于受到節(jié)點(diǎn)自干擾消 除能力的制約，通常只能在"短距離和低功率"的場景下表現(xiàn)出明顯的性能增益。因此，各種 小規(guī)模的無線自組網(wǎng)、無線網(wǎng)狀網(wǎng)與無線局域網(wǎng)預(yù)計(jì)將會(huì)成為同時(shí)同頻全雙工技術(shù)的主要 應(yīng)用場合。值得注意的是，上述網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的主流媒介訪問控制機(jī)制是以CSMA、MACA、IEEE 802.IlDCF為代表的資源競爭型MAC;雖然此類協(xié)議可以通過"節(jié)點(diǎn)自主競爭"實(shí)現(xiàn)多路并 發(fā)通信對(duì)系統(tǒng)資源的共享，但絕大多數(shù)是針對(duì)TDD半雙工通信而設(shè)計(jì)的，本質(zhì)上無法有效 地支持全雙工通信。
[0007] 原因在于：1)資源競爭行為是由當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點(diǎn)"單方面"自 主觸發(fā)的，即：發(fā)送節(jié)點(diǎn)在開始競爭資源的時(shí)刻并不知道自己是否同時(shí)將有數(shù)據(jù)要接收。因 此，在不增加額外控制信道（用來交互各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)通信需求）的情況下，網(wǎng)絡(luò)中任何一 個(gè)節(jié)點(diǎn)都無法預(yù)判自己是否可以進(jìn)行全雙工通信，從而很難通過現(xiàn)有MC機(jī)制為全雙工通 信競爭資源。2)在星狀拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)（如WLAN)中，下行通信流量通常會(huì)遠(yuǎn)大于上行通信流 量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)都沒有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時(shí)，即使中心控制節(jié)點(diǎn)具備自干擾消除能 力，也無法形成高效的全雙工通信。換言之，上下行流量的不平衡性會(huì)顯著地降低全雙工通 信的成功建立概率。因此，從提高網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的角度而言，需要盡可能多地使每一次上行 傳輸都能復(fù)用下行傳輸?shù)馁Y源，提高全雙工通信的成功建立概率?，F(xiàn)有的競爭類MC協(xié)議 顯然無法提供合適的機(jī)制滿足上述需求。
[0008] 其次，同信道干擾與節(jié)點(diǎn)配對(duì)問題。在星狀拓?fù)涞姆菍?duì)等全雙工網(wǎng)絡(luò)中，具有自干 擾消除能力的中心控制節(jié)點(diǎn)，可以在相同的頻率資源（或信道）上同時(shí)與兩個(gè)半雙工終端 節(jié)點(diǎn)（一收一發(fā)）進(jìn)行單向通信。此時(shí)，全雙工通信的雙向和速率（sum-rate)很大程度上 取決于兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間的同信道干擾強(qiáng)度。
[0009] 全雙工網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)化節(jié)點(diǎn)配對(duì)問題，是指如何在無線網(wǎng)絡(luò)中選出一對(duì)具有較弱 同信道干擾的發(fā)送終端節(jié)點(diǎn)和接收終端節(jié)點(diǎn)，使它們與中心控制節(jié)點(diǎn)所形成的全雙工通信 具有最大的雙向和速率。解決上述問題，不僅需要測量各對(duì)可能的收發(fā)終端節(jié)點(diǎn)之間的無 線信道狀況，評(píng)估相應(yīng)的同信道干擾強(qiáng)度，還必須確保在節(jié)點(diǎn)配對(duì)過程中不會(huì)產(chǎn)生過多的 信令開銷。
[0010] 節(jié)點(diǎn)配對(duì)問題是在全雙工無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下出現(xiàn)的新課題，無法通過任何現(xiàn)有的算 法和協(xié)議來解決。主要困難來自于兩個(gè)方面：1)在理想情況下，與中心控制節(jié)點(diǎn)一起建立 全雙工通信的兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)該是互相隱藏（hidden)的，彼此之間無法直接交互信息。因 此，如果采用分布式的節(jié)點(diǎn)自主配對(duì)方式，當(dāng)發(fā)送終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源競爭和上行傳輸時(shí)，接 收終端節(jié)點(diǎn)通常很難及時(shí)地獲得相關(guān)信息，從而無法實(shí)施有效的信道測量和干擾評(píng)估。2) 如果采用基于中心控制節(jié)點(diǎn)調(diào)度的集中式節(jié)點(diǎn)配對(duì)方式，則需要在全雙工通信建立之前， 對(duì)網(wǎng)絡(luò)中可能的節(jié)點(diǎn)配對(duì)組合分別進(jìn)行信道測量，并通過上行信道反饋相應(yīng)的干擾評(píng)估結(jié) 果；此時(shí)，反饋信息量會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而指數(shù)增長，信令開銷過大，難以支持網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓膽?yīng)用場景。
[0011] 最后，上行多終端競爭接入問題。在資源競爭型半雙工無線網(wǎng)絡(luò)中，如果存在多個(gè) 終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)需要向中心控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，終端節(jié)點(diǎn)通常會(huì)采用Listen-Before-Talk的機(jī)制實(shí)現(xiàn)上行多址接入，即：多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽當(dāng)前信道是否空閑，然后再以某種特 定的方式進(jìn)行協(xié)商或退避，從而達(dá)到盡量避免發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞的目的。
[0012] 然而在全雙工無線網(wǎng)絡(luò)中，雖然上行傳