一種進行分布式信道探測和序貫接入的方法

2023-05-09 23:36:41

一種進行分布式信道探測和序貫接入的方法
【專利摘要】本發明提供了一種進行分布式信道探測和序貫接入的方法。根據本發明的方案將允許新的發射機在探測間隔以任意恆定的功率發送探測信號，與此同時每個激活的通信鏈路將以預定的機制來迭代地更新其發射功率，該機制僅依賴於其目標SINR和本地SINR的比值和與歸一化的對外幹擾相關的功率調整值。同時，外部網絡確定其所承受的幹擾的歸一化的功率值，並在迭代過程中通過專屬的信道進行廣播。在信道探測過程中，每條通信鏈路都僅測量本地通信鏈路的質量，而在各條通信鏈路之間無需交互信息。同時，新的通信鏈路根據其本地鏈路測量信息，自主地推斷出其最大可實現的信幹噪比，並藉此決定其是否接入與所有激活的鏈路同時在同一信道上傳輸。
【專利說明】一種進行分布式信道探測和序貫接入的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信技術，尤其涉及一種進行分布式信道探測和序貫接入的方 法。

【背景技術】
[0002] 無線網絡能夠被理解為帶有功率控制的相互作用的有效點對點通信鏈路（一對 發射機和接收機）的集合。這種建模的方式可以適用於大多數具有幹擾耦合的實際的無線 系統中，例如多層的蜂窩系統、密集的蜂窩系統、感知無線網絡、ad hoc網絡和ΜΜ0傳輸、 以及多種無線接入技術的共存系統，例如WiFi和蜂窩系統共存的無線通信系統。多條通信 鏈路中的每一條對應於在同一個信道中的單跳傳輸，其不僅相互幹擾，也會對外部傳輸產 生不利的影響。為了提高空間復用的程度，網絡總是希望在同一信道中激活儘可能多的通 信鏈路，並且為所有的激活的通信鏈路分配一組適合的功率，從而使得各條通信鏈路的信 幹噪比（Signal-to-Interference-and-Noise Ratio，SINR)不小於它們期望的閾值，並且 同時將對其他外部傳輸的影響維持在可接受的範圍內。
[0003] 在實際中，期望以自治和分布式的方式實現這樣的網絡。這種分布式的媒介接入 控制能夠使得網絡的部署更加便利，這允許網絡在容納越來越多的用戶的同時，不會引起 網絡結構的變化，以及避免了隨用戶的容量而指數增加的控制開銷。對一個自組織的網絡 而言，對於欲加入到網絡中的新通信鏈路將由其自身決定是否接入該網絡。這就引出了如 下問題：如何分布式探測（probe)信道並且如何獲取足夠的本地信息用以獨立地預測在 被現有的網絡接受後在滿足激活通信鏈路保護（Active Link Protection，ALP)條件下 的最大可實現的SINR。ALP的概念特指這樣一種非入侵的通信要求，具體指在新通信鏈路 的傳輸被授權和激活在其期望的SINR水平上時，網絡總能夠尋求到某個功率配置，其保證 同一信道中的所有的激活的通信鏈路的SINR總是不小於其目標SINR，並且由新通信鏈路 和已有的通信鏈路引起的對外部網絡的總幹擾仍是可忍受的。ALP的概念反映了對於有 效的空間復用所需的系統條件。為此，本發明將涉及創建一種分布式信道探測和序貫接入 (Distributed Channel prObing and SEquential Access，DISC0-SEA)的方法和系統，從 而以自治的方式解決上述問題。
[0004] 信道探測的主要目的在於驗證當新用戶添加至系統時是否存在可行的功率分配。 現有的用於信道探測的方案是針對沒有功率約束的帶有功率控制的網絡，這就意味著傳統 的ALP概念並沒有考慮對外幹擾的約束控制。這些現有的方案可以被歸為兩類 ：
[0005] 1)用於多條新通信鏈路的信道探測：
[0006] 在文獻1中引入了信道探測的想法，其作為用傳統的ALP進行分布式接入控制的 一部分。當新通信鏈路的發射機以功率控制的方式改變功率時，通過觀察新通信鏈路的 SINR的變化來驗證是否允許接入新通信鏈路的。這種方式的局限性在於，如果新通信鏈路 的SINR的變化較小，其將會受到收斂問題的影響。此外，這種方法僅提供了簡單的看門狗 類型的控制，因此是一種次優的準則而不足以確保ALP，並沒有在保證ALP的約束下預測系 統接入的最優臨界點。換而言之，這種方案可能被誤用，從而導致拒絕原本可允許接入的通 信鏈路。
[0007] 另一方面，文獻3提出了一種分布式方式，以通過估計幹擾耦合矩陣的譜半徑來 檢驗信道接入的可行性。由於估計誤差，這種方式需要在試圖加入網絡的用戶之間進行復 雜的協調。而文獻4提出了一種用於檢驗可行性的算法，其中為了精確性需要雙重的迭代 和基於簇的gossip-致性。這就引起了不可忍受的計算量和信令的開銷。此外，這些解決 方案假定所有的通信鏈路具有相同的目標SINR，並且以幹擾耦合的模型矩陣的譜半徑為量 綱來表徵信道的利用效率。這種量綱是缺乏實際指導意義的，並且在各條通信鏈路具有不 同的目標SINR時不能夠用來做出正確的接入決定。
[0008] 2)用於單條新通信鏈路的信道探測
[0009] 文獻2提出了一種用於確定可接入性的技術，其中新用戶通過發送穩定功率水平 的信號來探測信道。隨後，在現有的通信鏈路的功率控制算法收斂之後，新用戶測量其所接 收的幹擾。然而，如何設置探測功率的大小和接入控制決定的時間將影響其實際的應用性。 [0010] 總之，在功率約束的情況下，用於確定一個任意選擇的目標SINR是否能夠實現的 信道探測仍是一個開放性的問題。


【發明內容】

[0011] 根據本發明的第一方面，提出了一種進行分布式信道探測的方法，其中，在所述信 道中存在L-1條激活的通信鏈路，L彡2,每條激活的通信鏈路1，1 = 1，2, 分別具 有與其相關聯的一對發射機和接收機，每個發射機按照各自的發送功率同時在所述信道上 發送信號，並且，新通信鏈路L試圖接入所述信道，以與所述L-1條激活的通信鏈路同時在 所述信道上傳輸信號，所述新通信鏈路L具有與其相關聯的第一發射機和第一接收機，在 所述信道中還存在外部通信鏈路，所述外部通信鏈路具有與其相關聯的第二發射機和第二 接收機，所述方法包括：
[0012] (S1)每條激活的通信鏈路1的發射機在t時刻分別以各自的發射功率Pl (t)，1 = 1，2，…，L-1，向對應的接收機發送信號；
[0013] (S2)所述新通信鏈路L的第一發射機以恆定發射功率pjt)=匕向所述第一接 收機連續地發送探測信號；
[0014] (S3)每條激活的通信鏈路1的接收機分別確定所述激活的通信鏈路1的歸一化的 m η, 噪聲功率；^的數值，並將該g的數值反饋至所述發射機，其中A，1 = 1，2,…，L-1，表示 所述激活的通信鏈路1的背景噪聲的功率，所述激活的通信鏈路1的所述背景噪聲除了所 述激活的通信鏈路1的接收機熱噪聲之外還包括了除來自L條通信鏈路以外的其他幹擾， Gu表示從所述激活的通信鏈路1的發射機至接收機的信道的增益，1 = 1，2,…，L-1 ;
[0015] (S4)在t時刻，所述每條激活的通信鏈路1的接收機分別確定所述激活的通信鏈 路1的信幹噪比

【權利要求】
1. 一種進行分布式信道探測的方法，其中，在所述信道中存在L-1條激活的通信鏈路， L3 2,每條激活的通信鏈路1，1 = 1，2，···，?-1，分別具有與其相關聯的一對發射機和接收 機，每個發射機按照各自的發送功率同時在所述信道上發送信號，並且，新通信鏈路L試圖 接入所述信道，以與所述L-1條激活的通信鏈路同時在所述信道上傳輸信號，所述新通信 鏈路L具有與其相關聯的第一發射機和第一接收機，在所述信道中還存在外部通信鏈路， 所述外部通信鏈路具有與其相關聯的第二發射機和第二接收機，所述方法包括： (51) 每條激活的通信鏈路1的發射機在t時刻分別以各自的發射功率Pl(t)，1 = 1， 2，…，L-1，向對應的接收機發送信號； (52) 所述新通信鏈路L的第一發射機以恆定發射功率pjt)=匕向所述第一接收機 連續地發送探測信號； (53) 每條激活的通信鏈路1的接收機分別確定所述激活的通信鏈路1的歸一化的噪聲 η, η, 功率i的數值，並將該4的數值反饋至所述發射機，其中1 = 1，2,…，L-1，表示所述 激活的通信鏈路1的背景噪聲的功率，所述激活的通信鏈路1的所述背景噪聲除了所述激 活的通信鏈路1的接收機熱噪聲之外還包括了除來自L條通信鏈路以外的其他幹擾，Gn表 示從所述激活的通信鏈路1的發射機至接收機的信道的增益，1 = 1，2,…，L-1 ; (54) 在t時刻，所述每條激活的通信鏈路1的接收機分別確定所述激活的通信鏈路1 的信幹噪比
的數值，並且將該信幹噪比SINRjt)的數值反饋至所 述發射機，其中Glk表示從激活的通信鏈路k的發射機到激活的通信鏈路1的接收機的信道 的增益，k，1 = 1，2，…，L-1，當k = L時，Glk = G1I；，其表示從所述新通信鏈路L的發射機 到所述激活的通信鏈路1的接收機的信道的增益，1 = 1，2,…，L-1 ; (55) 在t時刻，所述外部通信鏈路的所述第二接收機確定歸一化的對外幹擾的功率 的數值，並將所述歸一化的對外幹擾的功率^,_以〇的數值廣播至所述每條激活的 通信鏈路1的發射機和所述新通信鏈路L的第一接收機，其中所述對外幹擾是由所述L-1 條激活的通信鏈路和所述新通信鏈路L共同引起的對所述外部通信鏈路的總幹擾； (56) 在t時刻，所述每條激活的通信鏈路1的發射機基於所述歸一化的噪聲功率t 的數值、所述歸一化的對外幹擾的功率的數值、所述信幹噪比SIN% (t)的數值和所 述每條激活的通信鏈路1的目標信噪比β i來更新所述發射機的在下一個時刻t+Ι的發射 功率pjt+l)，並在時刻t+Ι以經更新的發射功率Pl(t+1)向所述對應的接收機發送所述信 號； (57) 所述每條激活的通信鏈路1按照t = t+Ι方式迭代地重複實施所述步驟（S4)至 所述步驟（S6)直至所述信幹噪比SINRjt)的數值穩定； (58) 所述新通信鏈路L的所述第一接收機確定所述新通信鏈路L的信幹噪比
的數值和信噪
i勺數值，其中，％表示所述新通 信鏈路L的背景噪聲的功率，所述新通信鏈路L的所述背景噪聲除了所述新通信鏈路L的 接收機熱噪聲之外還包括了除來自L條通信鏈路以外的其他幹擾，Ga表示從所述新通信鏈 路L的第一發射機至第一接收機的信道的增益，其中G&表示從所述激活的通信鏈路k的發 射機到所述新通信鏈路L的第一接收機的信道的增益，k = 1，2, 一α-Ι ;並基於所述信幹 噪比SINRjt)的數值、所述信噪比SN&的數值和所述歸一化的對外幹擾的功率
W的 數值來確定所述新通信鏈路L的最大可實現的信幹噪比戌，並將其反饋至所述新通信鏈路 L的所述第一發射機；以及 (S9)所述新通信鏈路L的所述第一發射機將所述最大可實現的信幹噪比戌與所述新 通信鏈路L的目標信噪比進行比較，以確定所述新通信鏈路L是否接入所述信道。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述步驟（S5)中，所述外部通信鏈路的 所述第二接收機在t時刻，根據下式來確定所述歸一化的對外幹擾的功率
（?)的數值：
其中，F表示所述外部通信鏈路的預定的所能夠承受的來自L條鏈路的最大幹擾功率 值，Wp = [w^…Wh]' Wp 1 = 1，2，…，L-1，表示從所述激活的通信鏈路1的發射機至所 述外部通信鏈路的第二接收機的信道增益41^(1：) = |^1(1^2(1:；^11；_1(1:)] 1^1(1:)，1 = 1， 2,…，L-1，表示所述激活的通信鏈路1在t時刻的發射機的發射功率，&表示從所述新通 信鏈路L的第一發射機至所述外部通信鏈路的第二接收機的信道增益，九(t)表示所述新通 信鏈路L的第一發射機的恆定發射功率。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述步驟（S6)中，所述每條激活的通信 鏈路1的發射機根據下式來更新所述發射機在t+Ι時刻的發射功率 ？1(1+1):
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述步驟（S8)中，所述新通信鏈路L的 所述第一接收機根據下式來確定所述通信新鏈路L的最大可實現的信幹噪比:
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟（S4)至所述步驟（S7)同步地實 施，並且所述步驟（S8)也能夠與所述步驟（S4)至所述步驟（S7)同步地實施，其中，在所述 步驟（S8)中，重複地確定所述新通信鏈路L的最大可實現的信幹噪比戌，直至所述最大可 實現的信幹噪比名穩定，並將穩定的最大可實現的信幹噪比式反饋至所述新通信鏈路L的 發射機。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟（S9)進一步包括：當所述最大 可實現的信幹噪比瓦不小於所述新通信鏈路L的目標信噪比時，所述第一發射機自主 確定所述新通信鏈路L接入所述信道，所述新通信鏈路L成為激活的通信鏈路；當所述最大 可實現的信幹噪比冗小於所述新通信鏈路L的目標信噪比時，所述第一發射機確定所 述新通信鏈路L自主地停止發送信號，不接入所述信道並退出傳輸。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，當所述新通信鏈路L成為激活的通信鏈路 時，所述方法還包括如下步驟： (S10)所有激活的通信鏈路的發射機確定各自的發射功率，以使得每條激活的通信鏈 路的信幹噪比分別不小於各自的目標信噪比β i，並且所有激活的通信鏈路施加在所述外 部通信鏈路的所述總幹擾的功率不大於所述外部通信鏈路的預定的所能夠承受的來自L 條鏈路的最大幹擾功率值P。
8. -種在信道中同時存在的L-l，L > 2,條激活的通信鏈路的發射機中協助進行分布 式信道探測的方法，其中，每條激活的通信鏈路1，1 = 1，2,…，L-1，分別具有與其相關聯 的一對發射機和接收機，並且新通信鏈路L試圖接入所述信道，以與所述L-1條激活的通信 鏈路同時在同一所述信道上傳輸信號，在所述信道中還存在外部通信鏈路，所述外部通信 鏈路具有與其相關聯的發射機和接收機，所述方法包括： A1.以發射功率Pl(t)向所述激活的通信鏈路1的接收機發送信號； A2.從所述激活的通信鏈路1的接收機接收反饋回來的所述激活的通信鏈路1的歸一 化的噪聲功率
_的數值，其中h表示所述激活的通信鏈路1的背景噪聲的功率，所述背景 噪聲除了所述激活的通信鏈路1的接收機熱噪聲之外還包括了除來自L條通信鏈路以外的 其他幹擾，Gn表示從所述激活的通信鏈路1的接收機至發射機的信道的增益； A3.從所述激活的通信鏈路1的接收機接收反饋回來的所述激活的通信鏈路1的信幹 噪t
的數值，其中Glk表示從激活的通信鏈路k的發射機到激活的 通信鏈路1的接收機的信道的增益，k，1 = 1，2，…，L-1，當k = L時，Glk = Q，其表示從 所述新通信鏈路L的發射機到所述激活的通信鏈路1的接收機的信道的增益，1 = 1，2,…， L-1 ; A4.從所述外部通信鏈路的接收機接收廣播出來的歸一化的對外幹擾的功率值
.其中所述對外幹擾是由所述L-1條激活的通信鏈路和所述新通信鏈路L共同引起 的對所述外部通信鏈路的總幹擾； A5.基於所述歸一化的噪聲功率
'的數值、所述歸一化的對外幹擾的功庫
的 數值、所述信幹噪比SINRjt)的數值和所述激活的通信鏈路1的目標信噪比、來更新所 述發射機在下一個時刻的發射功率Pl (t+1)，並以經更新的發射功率Pl (t+Ι)向所述激活的 通信鏈路1的接收機發送所述信號；以及 A6.按照t = t+Ι方式迭代地重複實施所述步驟A3至所述步驟A5直至所述信幹噪比 SINRi(t)的數值穩定。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，在所述步驟A5中，根據下式來更新所述發 射機在下一個時刻的發射功率：
10. -種在新通信鏈路L的發射機中協助進行分布式信道探測的方法，其中，在所述信 道中同時存在L-1條激活的鏈路，L > 2,並且所述新通信鏈路L試圖接入所述信道，以與所 述L-1條激活的鏈路同時在所述信道上傳輸信號，所述方法包括： B1.以恆定發射功率&(〇 =匕向所述新通信鏈路L的接收機連續地發送探測信號； B2.從所述接收機接收反饋回來的所述新通信鏈路L的最大可實現的信幹噪比/?；；;以 及 B3.將所述最大可實現的信幹噪比戌與所述新通信鏈路L的目標信噪比比較，以確 定是否將所述新通信鏈路L接入所述信道。
11. 根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述步驟Β3進一步包括：當所述最大 可實現的信幹噪比戌不小於所述新通信鏈路L的目標信噪比時，自主確定所述新通信 鏈路L接入所述信道，所述新通信鏈路L成為激活的通信鏈路；當所述最大可實現的信幹噪 比成小於所述新通信鏈路L的目標信噪比時，確定所述新通信鏈路L自主地停止發送 信號，不接入所述信道並退出傳輸。
12. -種在新通信鏈路L的接收機中協助進行分布式信道探測的方法，其中，在所述信 道中同時存在L-1條激活的通信鏈路，L > 2,並且所述新通信鏈路L試圖接入所述信道，以 與所述L-1條激活的通信鏈路同時在所述信道上傳輸信號，在所述信道中還存在外部通信 鏈路，所述外部通信鏈路具有與其相關聯的發射機和接收機，所述方法包括： C1.從所述新通信鏈路L的發射機接收探測信號，並確定所述新通信鏈路L的信噪比
的數值，其中％表示所述新通信鏈路L的背景噪聲的功率，所述背景噪聲除 了所述新通信鏈路L的接收機熱噪聲之外還包括了除來自L條通信鏈路以外的其他幹擾， Ga表示從所述新通信鏈路L的發射機至接收機的信道的增益，九(t)=匕，表示所述新通信 鏈路L的發射機的恆定發射功率； C2.從所述新通信鏈路L的發射機接收探測信號，並確定所述新通信鏈路L的信幹噪比
的數值，其中，G&表示從激活的通信鏈路k的發射機到所述新通 信鏈路L的接收機的信道的增益，k = 1，2,…，L-1，並從所述外部通信鏈路的接收機接收 廣播出來的歸一化的對外幹擾的功率
的數值，其中所述對外幹擾是由所述L-1條激 活的通信鏈路和所述新通信鏈路L共同引起的對所述外部通信鏈路的總幹擾； C3.基於所述信幹噪比SINRjt)的數值、所述信噪比SN&的數值和所述歸一化的對外 幹擾的功-
:f)的數值來確定所述新通信鏈路L的最大可實現的信幹噪比武；以及 C4.按照t = t+Ι方式迭代地重複實施所述步驟C2和所述步驟C3,直至最大可實現 的信幹噪比尤穩定，並將穩定的最大可實現的信幹噪比戌反饋至所述新通信鏈路L的發射 機。
13. 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，在步驟C3中，根據下式來確定所述新通 信鏈路L的最大可實現的信幹噪比戌：
14. 一種在外部通信鏈路的接收機中協助進行分布式信道探測的方法，其中，在所述信 道中同時存在L-1條激活的通信鏈路，L > 2,並且新通信鏈路L試圖接入所述信道，以與所 述L-1條激活的通信鏈路同時在所述信道上傳輸信號，所述方法包括： D1.確定歸一化的對外幹擾的功率的數值，其中所述對外幹擾是由所述L-1條 激活的通信鏈路和所述新通信鏈路L共同引起的對所述外部通信鏈路的總幹擾； D2.將所述歸一化的幹擾功率
（〇的數值廣播至每條激活的通信鏈路1的發射機和 所述新通信鏈路L的接收機；以及 D3.按照t = t+Ι方式迭代地重複實施所述步驟D1和所述步驟D2,直至所述激活的通 信鏈路1的信幹噪比SINRjt)的數值穩定或者所述歸一化的對外幹擾的功率巧_,(〇的數 值穩定。
15. 根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，在步驟D1中，根據下式來確定所述歸一 化的對外幹擾的功率巧。_, (0的數值：
其中，戶表示所述外部通信鏈路的所能夠承受的來自L條通信鏈路的最大幹擾功率值， Wp = [WA…Wh]' Wp 1 = 1，2，…，L-1，表示從所述激活的通信鏈路1的發射機至所述 外部通信鏈路的接收機的信道增益也_(1：) = |^1(1:)口2(1:；^11；_1(1:)] 1^1(1:),1 = 1,2,···, L-1，表示所述激活的通信鏈路1在t時刻的發射機的發射功率，&表示從所述新通信鏈路 L的發射機至所述外部通信鏈路的接收機的信道增益，pjt)表示所述新通信鏈路L的發射 機的恆定發射功率。
16. -種根據權利要求1至7中任一項所述的方法來將多條新通信鏈路依次序貫接入 信道中的方法，其中，每當一條新通信鏈路試圖接入所述信道，以與所有已激活的通信鏈路 同時在所述信道上傳輸信號時，實施根據權利要求1至7中任一項所述的方法，直至所述信 道不再能夠擴展所述新通信鏈路。
【文檔編號】H04B17/00GK104254084SQ201310261214
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月26日 優先權日:2013年6月26日
【發明者】郭海友 申請人:上海貝爾股份有限公司