一种进行分布式信道探测和序贯接入的方法
【专利摘要】本发明提供了一种进行分布式信道探测和序贯接入的方法。根据本发明的方案将允许新的发射机在探测间隔以任意恒定的功率发送探测信号，与此同时每个激活的通信链路将以预定的机制来迭代地更新其发射功率，该机制仅依赖于其目标SINR和本地SINR的比值和与归一化的对外干扰相关的功率调整值。同时，外部网络确定其所承受的干扰的归一化的功率值，并在迭代过程中通过专属的信道进行广播。在信道探测过程中，每条通信链路都仅测量本地通信链路的质量，而在各条通信链路之间无需交互信息。同时，新的通信链路根据其本地链路测量信息，自主地推断出其最大可实现的信干噪比，并藉此决定其是否接入与所有激活的链路同时在同一信道上传输。
【专利说明】一种进行分布式信道探测和序贯接入的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种进行分布式信道探测和序贯接入的方 法。
【背景技术】
[0002] 无线网络能够被理解为带有功率控制的相互作用的有效点对点通信链路（一对 发射机和接收机）的集合。这种建模的方式可以适用于大多数具有干扰耦合的实际的无线 系统中，例如多层的蜂窝系统、密集的蜂窝系统、感知无线网络、ad hoc网络和ΜΜ0传输、 以及多种无线接入技术的共存系统，例如WiFi和蜂窝系统共存的无线通信系统。多条通信 链路中的每一条对应于在同一个信道中的单跳传输，其不仅相互干扰，也会对外部传输产 生不利的影响。为了提高空间复用的程度，网络总是希望在同一信道中激活尽可能多的通 信链路，并且为所有的激活的通信链路分配一组适合的功率，从而使得各条通信链路的信 干噪比（Signal-to-Interference-and-Noise Ratio，SINR)不小于它们期望的阈值，并且 同时将对其他外部传输的影响维持在可接受的范围内。
[0003] 在实际中，期望以自治和分布式的方式实现这样的网络。这种分布式的媒介接入 控制能够使得网络的部署更加便利，这允许网络在容纳越来越多的用户的同时，不会引起 网络结构的变化，以及避免了随用户的容量而指数增加的控制开销。对一个自组织的网络 而言，对于欲加入到网络中的新通信链路将由其自身决定是否接入该网络。这就引出了如 下问题：如何分布式探测（probe)信道并且如何获取足够的本地信息用以独立地预测在 被现有的网络接受后在满足激活通信链路保护（Active Link Protection，ALP)条件下 的最大可实现的SINR。ALP的概念特指这样一种非入侵的通信要求，具体指在新通信链路 的传输被授权和激活在其期望的SINR水平上时，网络总能够寻求到某个功率配置，其保证 同一信道中的所有的激活的通信链路的SINR总是不小于其目标SINR，并且由新通信链路 和已有的通信链路引起的对外部网络的总干扰仍是可忍受的。ALP的概念反映了对于有 效的空间复用所需的系统条件。为此，本发明将涉及创建一种分布式信道探测和序贯接入 (Distributed Channel prObing and SEquential Access，DISC0-SEA)的方法和系统，从 而以自治的方式解决上述问题。
[0004] 信道探测的主要目的在于验证当新用户添加至系统时是否存在可行的功率分配。 现有的用于信道探测的方案是针对没有功率约束的带有功率控制的网络，这就意味着传统 的ALP概念并没有考虑对外干扰的约束控制。这些现有的方案可以被归为两类 ：
[0005] 1)用于多条新通信链路的信道探测：
[0006] 在文献1中引入了信道探测的想法，其作为用传统的ALP进行分布式接入控制的 一部分。当新通信链路的发射机以功率控制的方式改变功率时，通过观察新通信链路的 SINR的变化来验证是否允许接入新通信链路的。这种方式的局限性在于，如果新通信链路 的SINR的变化较小，其将会受到收敛问题的影响。此外，这种方法仅提供了简单的看门狗 类型的控制，因此是一种次优的准则而不足以确保ALP，并没有在保证ALP的约束下预测系 统接入的最优临界点。换而言之，这种方案可能被误用，从而导致拒绝原本可允许接入的通 信链路。
[0007] 另一方面，文献3提出了一种分布式方式，以通过估计干扰耦合矩阵的谱半径来 检验信道接入的可行性。由于估计误差，这种方式需要在试图加入网络的用户之间进行复 杂的协调。而文献4提出了一种用于检验可行性的算法，其中为了精确性需要双重的迭代 和基于簇的gossip-致性。这就引起了不可忍受的计算量和信令的开销。此外，这些解决 方案假定所有的通信链路具有相同的目标SINR，并且以干扰耦合的模型矩阵的谱半径为量 纲来表征信道的利用效率。这种量纲是缺乏实际指导意义的，并且在各条通信链路具有不 同的目标SINR时不能够用来做出正确的接入决定。
[0008] 2)用于单条新通信链路的信道探测
[0009] 文献2提出了一种用于确定可接入性的技术，其中新用户通过发送稳定功率水平 的信号来探测信道。随后，在现有的通信链路的功率控制算法收敛之后，新用户测量其所接 收的干扰。然而，如何设置探测功率的大小和接入控制决定的时间将影响其实际的应用性。 [0010] 总之，在功率约束的情况下，用于确定一个任意选择的目标SINR是否能够实现的 信道探测仍是一个开放性的问题。
【发明内容】
[0011] 根据本发明的第一方面，提出了一种进行分布式信道探测的方法，其中，在所述信 道中存在L-1条激活的通信链路，L彡2,每条激活的通信链路1，1 = 1，2, 分别具 有与其相关联的一对发射机和接收机，每个发射机按照各自的发送功率同时在所述信道上 发送信号，并且，新通信链路L试图接入所述信道，以与所述L-1条激活的通信链路同时在 所述信道上传输信号，所述新通信链路L具有与其相关联的第一发射机和第一接收机，在 所述信道中还存在外部通信链路，所述外部通信链路具有与其相关联的第二发射机和第二 接收机，所述方法包括：
[0012] (S1)每条激活的通信链路1的发射机在t时刻分别以各自的发射功率Pl (t)，1 = 1，2，…，L-1，向对应的接收机发送信号；
[0013] (S2)所述新通信链路L的第一发射机以恒定发射功率pjt)=匕向所述第一接 收机连续地发送探测信号；
[0014] (S3)每条激活的通信链路1的接收机分别确定所述激活的通信链路1的归一化的 m η, 噪声功率；^的数值，并将该g的数值反馈至所述发射机，其中A，1 = 1，2,…，L-1，表示 所述激活的通信链路1的背景噪声的功率，所述激活的通信链路1的所述背景噪声除了所 述激活的通信链路1的接收机热噪声之外还包括了除来自L条通信链路以外的其他干扰， Gu表示从所述激活的通信链路1的发射机至接收机的信道的增益，1 = 1，2,…，L-1 ;
[0015] (S4)在t时刻，所述每条激活的通信链路1的接收机分别确定所述激活的通信链 路1的信干噪比
【权利要求】
1. 一种进行分布式信道探测的方法，其中，在所述信道中存在L-1条激活的通信链路， L3 2,每条激活的通信链路1，1 = 1，2，···，?-1，分别具有与其相关联的一对发射机和接收 机，每个发射机按照各自的发送功率同时在所述信道上发送信号，并且，新通信链路L试图 接入所述信道，以与所述L-1条激活的通信链路同时在所述信道上传输信号，所述新通信 链路L具有与其相关联的第一发射机和第一接收机，在所述信道中还存在外部通信链路， 所述外部通信链路具有与其相关联的第二发射机和第二接收机，所述方法包括： (51) 每条激活的通信链路1的发射机在t时刻分别以各自的发射功率Pl(t)，1 = 1， 2，…，L-1，向对应的接收机发送信号； (52) 所述新通信链路L的第一发射机以恒定发射功率pjt)=匕向所述第一接收机 连续地发送探测信号； (53) 每条激活的通信链路1的接收机分别确定所述激活的通信链路1的归一化的噪声 η, η, 功率i的数值，并将该4的数值反馈至所述发射机，其中1 = 1，2,…，L-1，表示所述 激活的通信链路1的背景噪声的功率，所述激活的通信链路1的所述背景噪声除了所述激 活的通信链路1的接收机热噪声之外还包括了除来自L条通信链路以外的其他干扰，Gn表 示从所述激活的通信链路1的发射机至接收机的信道的增益，1 = 1，2,…，L-1 ; (54) 在t时刻，所述每条激活的通信链路1的接收机分别确定所述激活的通信链路1 的信干噪比
的数值，并且将该信干噪比SINRjt)的数值反馈至所 述发射机，其中Glk表示从激活的通信链路k的发射机到激活的通信链路1的接收机的信道 的增益，k，1 = 1，2，…，L-1，当k = L时，Glk = G1I；，其表示从所述新通信链路L的发射机 到所述激活的通信链路1的接收机的信道的增益，1 = 1，2,…，L-1 ; (55) 在t时刻，所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的功率 的数值，并将所述归一化的对外干扰的功率^,_以〇的数值广播至所述每条激活的 通信链路1的发射机和所述新通信链路L的第一接收机，其中所述对外干扰是由所述L-1 条激活的通信链路和所述新通信链路L共同引起的对所述外部通信链路的总干扰； (56) 在t时刻，所述每条激活的通信链路1的发射机基于所述归一化的噪声功率t 的数值、所述归一化的对外干扰的功率的数值、所述信干噪比SIN% (t)的数值和所 述每条激活的通信链路1的目标信噪比β i来更新所述发射机的在下一个时刻t+Ι的发射 功率pjt+l)，并在时刻t+Ι以经更新的发射功率Pl(t+1)向所述对应的接收机发送所述信 号； (57) 所述每条激活的通信链路1按照t = t+Ι方式迭代地重复实施所述步骤（S4)至 所述步骤（S6)直至所述信干噪比SINRjt)的数值稳定； (58) 所述新通信链路L的所述第一接收机确定所述新通信链路L的信干噪比
的数值和信噪
i勺数值，其中，％表示所述新通 信链路L的背景噪声的功率，所述新通信链路L的所述背景噪声除了所述新通信链路L的 接收机热噪声之外还包括了除来自L条通信链路以外的其他干扰，Ga表示从所述新通信链 路L的第一发射机至第一接收机的信道的增益，其中G&表示从所述激活的通信链路k的发 射机到所述新通信链路L的第一接收机的信道的增益，k = 1，2, 一α-Ι ;并基于所述信干 噪比SINRjt)的数值、所述信噪比SN&的数值和所述归一化的对外干扰的功率
W的 数值来确定所述新通信链路L的最大可实现的信干噪比戌，并将其反馈至所述新通信链路 L的所述第一发射机；以及 (S9)所述新通信链路L的所述第一发射机将所述最大可实现的信干噪比戌与所述新 通信链路L的目标信噪比进行比较，以确定所述新通信链路L是否接入所述信道。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤（S5)中，所述外部通信链路的 所述第二接收机在t时刻，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的功率
（?)的数值：
其中，F表示所述外部通信链路的预定的所能够承受的来自L条链路的最大干扰功率 值，Wp = [w^…Wh]' Wp 1 = 1，2，…，L-1，表示从所述激活的通信链路1的发射机至所 述外部通信链路的第二接收机的信道增益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链路1在t时刻的发射机的发射功率，&表示从所述新通 信链路L的第一发射机至所述外部通信链路的第二接收机的信道增益，九(t)表示所述新通 信链路L的第一发射机的恒定发射功率。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤（S6)中，所述每条激活的通信 链路1的发射机根据下式来更新所述发射机在t+Ι时刻的发射功率 ？1(1+1):
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤（S8)中，所述新通信链路L的 所述第一接收机根据下式来确定所述通信新链路L的最大可实现的信干噪比:
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（S4)至所述步骤（S7)同步地实 施，并且所述步骤（S8)也能够与所述步骤（S4)至所述步骤（S7)同步地实施，其中，在所述 步骤（S8)中，重复地确定所述新通信链路L的最大可实现的信干噪比戌，直至所述最大可 实现的信干噪比名稳定，并将稳定的最大可实现的信干噪比式反馈至所述新通信链路L的 发射机。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（S9)进一步包括：当所述最大 可实现的信干噪比瓦不小于所述新通信链路L的目标信噪比时，所述第一发射机自主 确定所述新通信链路L接入所述信道，所述新通信链路L成为激活的通信链路；当所述最大 可实现的信干噪比冗小于所述新通信链路L的目标信噪比时，所述第一发射机确定所 述新通信链路L自主地停止发送信号，不接入所述信道并退出传输。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述新通信链路L成为激活的通信链路 时，所述方法还包括如下步骤： (S10)所有激活的通信链路的发射机确定各自的发射功率，以使得每条激活的通信链 路的信干噪比分别不小于各自的目标信噪比β i，并且所有激活的通信链路施加在所述外 部通信链路的所述总干扰的功率不大于所述外部通信链路的预定的所能够承受的来自L 条链路的最大干扰功率值P。
8. -种在信道中同时存在的L-l，L > 2,条激活的通信链路的发射机中协助进行分布 式信道探测的方法，其中，每条激活的通信链路1，1 = 1，2,…，L-1，分别具有与其相关联 的一对发射机和接收机，并且新通信链路L试图接入所述信道，以与所述L-1条激活的通信 链路同时在同一所述信道上传输信号，在所述信道中还存在外部通信链路，所述外部通信 链路具有与其相关联的发射机和接收机，所述方法包括： A1.以发射功率Pl(t)向所述激活的通信链路1的接收机发送信号； A2.从所述激活的通信链路1的接收机接收反馈回来的所述激活的通信链路1的归一 化的噪声功率
_的数值，其中h表示所述激活的通信链路1的背景噪声的功率，所述背景 噪声除了所述激活的通信链路1的接收机热噪声之外还包括了除来自L条通信链路以外的 其他干扰，Gn表示从所述激活的通信链路1的接收机至发射机的信道的增益； A3.从所述激活的通信链路1的接收机接收反馈回来的所述激活的通信链路1的信干 噪t
的数值，其中Glk表示从激活的通信链路k的发射机到激活的 通信链路1的接收机的信道的增益，k，1 = 1，2，…，L-1，当k = L时，Glk = Q，其表示从 所述新通信链路L的发射机到所述激活的通信链路1的接收机的信道的增益，1 = 1，2,…， L-1 ; A4.从所述外部通信链路的接收机接收广播出来的归一化的对外干扰的功率值
.其中所述对外干扰是由所述L-1条激活的通信链路和所述新通信链路L共同引起 的对所述外部通信链路的总干扰； A5.基于所述归一化的噪声功率
'的数值、所述归一化的对外干扰的功库
的 数值、所述信干噪比SINRjt)的数值和所述激活的通信链路1的目标信噪比、来更新所 述发射机在下一个时刻的发射功率Pl (t+1)，并以经更新的发射功率Pl (t+Ι)向所述激活的 通信链路1的接收机发送所述信号；以及 A6.按照t = t+Ι方式迭代地重复实施所述步骤A3至所述步骤A5直至所述信干噪比 SINRi(t)的数值稳定。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤A5中，根据下式来更新所述发 射机在下一个时刻的发射功率：
10. -种在新通信链路L的发射机中协助进行分布式信道探测的方法，其中，在所述信 道中同时存在L-1条激活的链路，L > 2,并且所述新通信链路L试图接入所述信道，以与所 述L-1条激活的链路同时在所述信道上传输信号，所述方法包括： B1.以恒定发射功率&(〇 =匕向所述新通信链路L的接收机连续地发送探测信号； B2.从所述接收机接收反馈回来的所述新通信链路L的最大可实现的信干噪比/?；；;以 及 B3.将所述最大可实现的信干噪比戌与所述新通信链路L的目标信噪比比较，以确 定是否将所述新通信链路L接入所述信道。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤Β3进一步包括：当所述最大 可实现的信干噪比戌不小于所述新通信链路L的目标信噪比时，自主确定所述新通信 链路L接入所述信道，所述新通信链路L成为激活的通信链路；当所述最大可实现的信干噪 比成小于所述新通信链路L的目标信噪比时，确定所述新通信链路L自主地停止发送 信号，不接入所述信道并退出传输。
12. -种在新通信链路L的接收机中协助进行分布式信道探测的方法，其中，在所述信 道中同时存在L-1条激活的通信链路，L > 2,并且所述新通信链路L试图接入所述信道，以 与所述L-1条激活的通信链路同时在所述信道上传输信号，在所述信道中还存在外部通信 链路，所述外部通信链路具有与其相关联的发射机和接收机，所述方法包括： C1.从所述新通信链路L的发射机接收探测信号，并确定所述新通信链路L的信噪比
的数值，其中％表示所述新通信链路L的背景噪声的功率，所述背景噪声除 了所述新通信链路L的接收机热噪声之外还包括了除来自L条通信链路以外的其他干扰， Ga表示从所述新通信链路L的发射机至接收机的信道的增益，九(t)=匕，表示所述新通信 链路L的发射机的恒定发射功率； C2.从所述新通信链路L的发射机接收探测信号，并确定所述新通信链路L的信干噪比
的数值，其中，G&表示从激活的通信链路k的发射机到所述新通 信链路L的接收机的信道的增益，k = 1，2,…，L-1，并从所述外部通信链路的接收机接收 广播出来的归一化的对外干扰的功率
的数值，其中所述对外干扰是由所述L-1条激 活的通信链路和所述新通信链路L共同引起的对所述外部通信链路的总干扰； C3.基于所述信干噪比SINRjt)的数值、所述信噪比SN&的数值和所述归一化的对外 干扰的功-
:f)的数值来确定所述新通信链路L的最大可实现的信干噪比武；以及 C4.按照t = t+Ι方式迭代地重复实施所述步骤C2和所述步骤C3,直至最大可实现 的信干噪比尤稳定，并将稳定的最大可实现的信干噪比戌反馈至所述新通信链路L的发射 机。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在步骤C3中，根据下式来确定所述新通 信链路L的最大可实现的信干噪比戌：
14. 一种在外部通信链路的接收机中协助进行分布式信道探测的方法，其中，在所述信 道中同时存在L-1条激活的通信链路，L > 2,并且新通信链路L试图接入所述信道，以与所 述L-1条激活的通信链路同时在所述信道上传输信号，所述方法包括： D1.确定归一化的对外干扰的功率的数值，其中所述对外干扰是由所述L-1条 激活的通信链路和所述新通信链路L共同引起的对所述外部通信链路的总干扰； D2.将所述归一化的干扰功率
（〇的数值广播至每条激活的通信链路1的发射机和 所述新通信链路L的接收机；以及 D3.按照t = t+Ι方式迭代地重复实施所述步骤D1和所述步骤D2,直至所述激活的通 信链路1的信干噪比SINRjt)的数值稳定或者所述归一化的对外干扰的功率巧_,(〇的数 值稳定。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在步骤D1中，根据下式来确定所述归一 化的对外干扰的功率巧。_, (0的数值：
其中，戶表示所述外部通信链路的所能够承受的来自L条通信链路的最大干扰功率值， Wp = [WA…Wh]' Wp 1 = 1，2，…，L-1，表示从所述激活的通信链路1的发射机至所述 外部通信链路的接收机的信道增益也_(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链路1在t时刻的发射机的发射功率，&表示从所述新通信链路 L的发射机至所述外部通信链路的接收机的信道增益，pjt)表示所述新通信链路L的发射 机的恒定发射功率。
16. -种根据权利要求1至7中任一项所述的方法来将多条新通信链路依次序贯接入 信道中的方法，其中，每当一条新通信链路试图接入所述信道，以与所有已激活的通信链路 同时在所述信道上传输信号时，实施根据权利要求1至7中任一项所述的方法，直至所述信 道不再能够扩展所述新通信链路。
【文档编号】H04B17/00GK104254084SQ201310261214
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月26日 优先权日:2013年6月26日
【发明者】郭海友 申请人:上海贝尔股份有限公司