专利名称：结合了多用户检测能力的基于争用的转发的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及通信网络，更具体地说，涉及多跳网络。
背景技术：
用于多用户之间有效地共享无线媒体的协议通常称为多址协议、信道接入方案或媒体接入方案。如[1]中所述，多址协议可以分成两个主要类别无冲突协议和基于争用的协议。
无冲突协议是确保在任何时候进行的传输成功、即不受其他传输干扰的协议。无冲突传输可以通过以静态方式或动态方式对用户分配信道来实现。这常常分别称为固定和动态调度。站之间的精确协调的好处在于，确信可提供高效率，但是付出的代价是带来了复杂性和有时要交换大量控制业务。
基于争用的协议与无冲突协议的基本区别在于，不保证传输成功。因此一旦发生冲突，该协议应当指定解决冲突的程序，以便最终成功传送所有消息。
多址协议还可以基于它们的设计所用于的场合或应用来划分。一些协议适用于向/从单个站(例如蜂窝系统中的基站)的接入，而另一些协议是为在分布式环境中工作而设计的。分布式情况的主要区别在于该协议是否主要为单跳场合而设计，即只与能达到的范围内的指定相邻者通信，或它是否专门为多跳情况而设计。
在多跳情况中，信息可以通过源和目的地之间的多跳来传送，而非直接以单跳传送。一般来说，多跳方法与直接单跳方法相比具有多个优点，如功耗较低以及信息吞吐量较大。在多跳网络中，在彼此之间可达范围以外的节点可以从能将其消息从源转发到目的地的中间位置节点获益。多跳网络可以是所说的自组织网络，其中节点大多数是移动的，不存在中央协调基础设施，但是当节点固定时也可以应用多跳联网的理念。
在基于底层最短路径路由选择协议(如基于Bellman-Ford的路由选择)的现有路由选择技术中，基于通过系统传送的路由选择成本信息来确定从源到目的地的定义明确的多跳路由。简单地说，每个节点或站知道其出局链路的成本，并将此信息广播到每个相邻节点。此链路成本信息通常在每个节点上的本地数据库中维护，基于数据库中的信息，利用适用的路由选择算法计算路由选择表。一般来说，最短路径和相似的路由选择技术促使对应于每个源-目的地对有一个路由。非常简单的基于最短路径的路由选择方案虽然不是最有效率的，但是可以例如采用熟知的ALOHA基于争用的多址协议。
现有一些基于在转发过程中通过或多或少的主动路由选择方式来使用多个节点的概念的协议(可以使用底层最短路径协议)。例如，称为EIGRP(增强的内部网关路由选择协议)[2]的协议是一种主要用在固定网络以允许随机地向多个路由器其中一个转发的路由选择协议。Sylvester和Kleinrock提出的随机但转发路由选择[3]与EIGRP相似，即，随机地将分组转发到若干分组无线电网络路由器其中一个，但是它还包括重大的修改；确保分组总是朝总体正确的方向转发。DARPA(国防高级研究计划局)提出的备用路径路由选择[4]允许通过链路重发的分组被复制而多播到多个节点，从这些节点开始分组再遵循最短路径路由选择方法。主N/M转发[5]基于如下理念节点尝试向一个节点发送分组最多N次，如果失败，则尝试下一个节点最多N次。在丢弃该分组之前，对最多M个节点重复此过程。备用路径路由选择和主N/M转发的优点在于，它们可以适应于局部通信情况，包括例如衰落或干扰波动导致的拥塞和临时性通信质量不佳。
系统内随时间的变化或波动可以创建使信号传输比在其他时间和条件下更成功的机会窗口或峰。单纯的最短路径技术以及相关的现有路由选择技术无法识别这些机会窗口，因为每个节点或站未存储相关的信息。相比之下，适时路由选择[6，7]在某种程度上将系统变化和波动提供的机会加以利用。特别是在无线路由选择的场合中，当链路质量随时间快速变化(例如由于瑞利衰落)时降低了整个系统性能。但是，适时路由选择通过利用这些波动提供的机会窗口部分地缓解了该性能劣化。利用适时路由选择，每个源-目的地对不只有一个路由，即与EIGRP、随机但转发技术相似，某种程度上还与备用路径路由选择和主N/M转发技术相似。相反，数据分组沿着有些随机、同时仍是从源到目的地的路由。因此，当采用最短路径程序时，一般将连续的分组通过同一个路由发送，而当采用适时路由选择时，连续的分组可能通过不同的路径发送，只是方向相同。
但是，[6，7]中的通用监视是一个慢过程。监视通过收听旁路消息或偶尔地发出所说的探测信号来执行。当发出探测信号时，预期会返回包含与例如路径损耗有关的信息的响应。当探测信号与数据传输之间有延迟时，则为转发算法而返回的输入信息可能到发送数据时变为过时。尤其不希望的结果是，现有适时路由选择以及基于单纯最短路径的路由选择技术都不能有效地处理可能的分集效应。
选择分集转发(SDF)[8]是一种以准最优方式有效处理分集效应的技术。该创新方法是基于将传输从始发站送往附近的一组接收机或站。当一个或多个接收站回复时，选择回复站之一，并向所选的站发送命令消息，指示它负责转发数据消息。该过程对所有后续负责站重复执行，直到信息到达目的地为止。按此方法执行，可以在数据转发过程中同时利用分支分集和捕获效应。具体来说，分支分集减少对使用交织数据以及抵抗衰落信道的编码的需要，这又意味着延迟减小以及因此吞吐量更高。捕获效应指处于或接近相同频率的两个信号中只有较强者被解调，而较弱的信号作为噪声被抑止并被拒绝的现象。结合多个接收站，捕获效应在数据传输冲突时提供高度的稳健性。SDF利用慢的底层成本协议，但是本身允许即时调整以适应快速的信道波动。
在[9、10和11]中可以找到利用波动、但用于单跳的普通蜂窝网络的相似观点，它们分别称为高速下行链路分组接入(HSDPA)、高数据速率(HDR)和机会性波束成形(OB)。HSDPA和HDR彼此非常相似。但是，从功能的角度来看，机会性波束成形的不同之处在于，OB随机指向不同方向或持续在不同方向扫描天线波束，而HSDPA和HDR没有波束成形的概念。具体而言，机会性波束成形[11]利用机会主义的观点并关于波束成形利用机会性方法来增强蜂窝系统或基站中的系统容量。但是，HSDPA、HDR和OB的概念都没有涉及多跳。OB实质是基站上考虑快速信道波动的快速调度的扩充，是针对CDMA 2000HDR和WCDMA HSDPA提出的。
发明概述本发明克服了现有技术方案中的这些和其他缺点。
本发明的一般目的在于提供用于在多跳网络中转发信息的有效机制。
本发明的另一个目的在于提供一种多跳路由选择方案，它以更优化的方式利用分组无线电网络中的接收能量。
本发明的再一个目的是就吞吐量、延迟特性和/或功耗方面改善多跳网络的性能。
本发明的一个目的是改善该网络中的服务质量(QoS)支持。
本发明还有一个目的是降低拥塞和缓冲器溢出的风险。
本发明的具体目的在于提供一种方法和系统，用于高效地在多跳网络中转发信息。
还有一个目的在于提供一种通信节点，支持在分组无线电多跳网络中信息的高效转发。
这些和其他目的通过所述专利权利要求定义的本发明来实现。
本发明认识到虽然机会性路由选择和选择分集转发比起常规路由选择都各自构成显著的改进，但是这些现有技术的多跳/路由选择方案都无法以完全最优方式利用所接收的能量，这意味着存在吞吐量和延迟特性以及功耗方面进行改进的潜力。
本发明主要基于在多跳网络中的接收方的基于争用的转发和多用户检测(MUD)的有效组合，这有效地结合并利用了MUD的设计选择。
基本观点是在接收方采用MUD，同时解码始发于多个节点的多个分组，并在正确解码的分组当中设置优先级，以选择适合于转发的一个或多个分组，以及最后对于每个选择的分组以分组确认来回复。由此，在转发程序中采用了MUD的设计选择。
通常，接收方根据预定的优先级设置准则在MUD解码的分组当中设定优先级。通常希望选择某种意义上是最优的分组。为了能够以明确定义的方式来讨论最优性，最好引入目标函数。该函数可以反映多个性能目标中的任一个。就此而言，已经认识到信息成本进度是特别有用的目标函数。就信息成本进度以及尤其是信息转发进度而言，自然优先级设置准则是，选择具有最高转发进度的那些分组。通常，转发进度高的分组是接收到且正确解码、同时接收功率电平低(例如来自远处发送节点)的那些分组。转发进度高通常意味着分组在网络上占用的时间较少，由此降低了延迟和增加了吞吐量，然后因为快速离开网络，将无线电资源提供给其他业务。
最好是，选择多个数据分组来转发，以及由此将多个分组确认发送到多个对应的发送节点。在此情况中，可能有利的是将多个分组确认聚集到单个确认消息中，以便广播或组播到发送节点。
为了改善的稳健性，不采用自动转发，每个发送节点可以交替向该接收节点发送转发指令，以响应分组确认，以及可选地，接收节点可以用对应的转发指令确认来回复。如果需要的话，接收与先前发送的分组相关的确认的发送节点可以将该分组从它的队列中删除。
适合于与MUD结合的基于争用的多跳协议的实例包括，标准的基于最短路径的转发协议以及面向分集的和机会性转发协议。对此通过传统ALOHA分别结合i)基于最短路径的转发和ii)选择分集转发来举例说明。可以与MUD结合的其他转发方案包括适时路由选择、随机但转发、主N/M-转发和备用路径路由选择，以及如下文所述，甚至是诸如STDMA(空分时分多址)的多址协议。
特别有利的是将分集转发与多用户检测结合，还利用存在多个相邻中继站/用户而启用的分集。将数据分组信号发送到多个中继候选节点、然后从所述中继候选节点中至少两个接收确认的发送节点最好执行优先级设置程序，以便从确认中继节点集合中选择适合的中继节点。发送节点则通常向所选的中继节点发送转发指令，以指示所述候选节点负责将信息转发到下一个节点。
本发明提供如下优点高效的多跳转发；提升了网络性能；在分组无线电网络中有效利用接收到的能量；改进了吞吐量和延迟特性；改进了QoS支持；降低拥塞和缓冲器溢出的风险；以及高成本和转发进度。
通过阅读本发明实施例的以下描述将了解本发明提供的其他优点。
附图简介参考以下结合附图的说明，可以最佳地理解本发明及其其他目的和优点，其中
图1以示意过程流程图说明根据本发明第一优选实施例与多个发送节点和一个接收节点相关的操作和信令；图2以示意图说明从距接收节点不同距离的两个发送节点发送信号的实例；图3以示意过程流程图说明根据本发明第二优选实施例与多个发送节点和一个接收节点相关的操作和信令；图4以示意过程流程图说明根据本发明第三优选实施例与多个发送节点和多个中继候选节点相关的操作和信令；图5以示意图说明在中继候选节点上接收功率电平的实例；图6以发送节点和接收节点的示意图说明根据本发明实例在优先级设置和对应的转发指令之后有效的转发结果；图7以示意框图说明根据本发明示范实施例的接收机端的相关部件；以及图8以示意框图说明根据本发明示范实施例的发射机端的相关部件。
发明的详细说明所有这些附图中，相同的引用符号表示相应的或相似的功能部件。
对于在无冲突多址协议中结合MUD，已经进行了诸多尝试。例如，参考文献[12，13]涉及多跳分组无线电网络中的调度多址(空分时分多址，STDMA)，其中用户采用MUD。但是，STDMA中查找最小长度调度的任务，如本领域所熟知的，实际上难控制且是NP完全的(运行时间是非多项式的，即通常是与输入大小呈指数关系)，因此不得不接受试探性解决方案。然而，即使试探性解决方案往往也非常复杂。在STDMA结合MUD的情况中，协调发射功率(和速率)以及发送/接收实例因为增加了自由度，所以复杂度更高。再者，因为无线电信道不可预测地变化，例如因为衰落，所以难以控制和维持正确的接收功率电平并确保基于MUD的调度正确工作。利用固定调度，衰落峰值或突然出现的中继节点都使得调度不适应最新情况，偶尔导致分组冲突以及整体性能劣化。参考文献[12]的侧重点在于集中式调度，如常常为STDMA采用的，即使在非变化业务模式的稳定情况中。
参考文献[14]中公开的方案未涉及到多跳网络场合中的MAC(媒体访问控制)层，而仅仅涉及用于(分布式)单跳网络的CDMA(码分多址)结合MUD。
本发明克服了现有技术方案中的这些和其他缺点。
核心是，找到一种优先级设置程序以及允许多用户检测(MUD)有效地结合到基于争用的转发框架中的消息交换方案。
多跳网络、如分组无线电多跳网络中的每个信息转发节点通常包括可根据需要并在需要时调用的接收机和发射机功能。但是，为简明起见，当侧重点在于发射机功能时，一般讨论发射机端，并且将节点简称为发送节点，而当侧重点在于接收机功能时，一般讨论接收机端，并且将节点简称为接收节点。
在一般基于争用的多址方案结合最短路径路由选择的概念层，现在将描述根据第一优选实施例的示范方案。
一个可能情况是，多个数据分组按各自路由发往它们的一个或多个目的地在特定接收节点同时发生。按常规，这种情况被视为接收节点上的冲突，那么一般仅转发最强的接收信号(如果可解码)。但是根据本发明，接收到多个同时发生的信号的节点执行MUD解码，并对来自多个发送节点的正确解码的分组设置优先级，向对应的发送节点传送对一个或多个设置优先级的分组的确认，然后负责不断地将设置优先级的分组沿着它们各自的路径转发到它们的目的地(除非本节点就是目的地)。
参考图1的示意过程流程图在t1，一组发送站或节点T1、T2、T3具有数据分组D1、D2和D3要沿着至一个或多个目的地的各自路径发送到特定的预期接收节点R。
在t2，处于接收模式的任何站或节点收听无线电媒体并接收(潜在的)多个发射信号的叠加。具体地说，节点R从发送节点T1、T2、T3接收信号的叠加。
在t3，接收节点利用MUD成功解码多个分组D1、D2和D3。
在t4，对正确解码的分组设置依次的优先级，以查找最期望转发的一组分组D1和D3。可以被接受以进行转发的分组数量可能因例如有限的可用缓冲器空间而有限。
在t5，然后将无冲突或几乎无冲突的反馈确认从接收节点R发送到对应的发送节点T1和T3，以指示被接受用于转发(即接收到的、已解码且已缓存的)的分组。最好是，将这些确认聚集到单个确认消息ACK中，以便广播或组播到多个发送节点。接收确认(本身作为目的地)的任何发射机可以可选地从它的发送缓冲器中删除已发送的数据分组。接收节点还可以用NACK(否定确认)回复以通知对应的发送节点所发送分组未被接受。
对每个从源节点生成和发送的数据分组执行并重复该过程，直到该信息到达预期目的地为止。注意，可以丢弃将不从接收节点转发的已解码分组，并在新分组到达时，根据需要可以重新调度发送缓冲器，以便满足任何预定的优化标准。
所提出的结合MUD的多址协议的重点在于，在优先级设置程序中接收机要能够在多个同时解码的分组当中进行选择，由此提供新形式的分集来供使用。分组优先级设置最好基于给定的目标性能函数的优化。由此，接收节点可以在多个同时解码的分组中选择，以查找一组在某种意义上从性能的角度来看得到最高结果的一个或多个分组。还可以在优先级设置过程中考虑QoS(服务质量)方面，因为例如不同的分组可能具有不同的QoS要求。举例来说，具有严格延迟要求的分组就可以设置比延迟要求较松的分组更高的优先级。
图2以示意图说明从距接收节点不同距离的两个发送节点发送信号的实例。接收节点R从两个发送节点T1、T2接收信号。可以看到，来自发送节点T1的信号信息所传送的距离比来自发送节点T2的信息所传送的距离长，以及因为两种信号是以高于噪声最低限度的接收功率电平接收的，所以它们一般可以利用接收节点R上的MUD来正确地解码。一般来说，正是所用速率和接收功率的组合决定了分组是否可以解码以及哪些分组可以解码。虽然来自发送节点T1的信号信息的接收功率电平PRX1较低，但是从性能角度来看，选择来自节点T1的信号信息进行转发总是更好些。当考虑到信息转发进度时，信息转发进度高的分组一般是那些接收到且正确解码、同时接收功率电平低(一般指示这些分组从远处发送节点发送)的分组。转发进度高通常意味着分组在网络上占用的时间少，由此，降低了延迟和增加了吞吐量，然后通过快速离开网络，将无线电资源提供给其他业务。
在图1的实例中，被选择的分组自动在网络中沿着往它们的目的地的方向从接收节点向前转发。当然，为了更高的稳健性，每个发送节点可以交替向该接收节点发送转发指令，以响应分组确认，以及可选地，接收节点可以用对应的转发指令确认来回复。图3中说明了此类扩充消息交换方案的实例。
图3以示意过程流程图说明根据本发明第二优选实施例与多个发送节点和一个接收节点相关的操作和信令。在时刻t1-t5的操作和信令与结合图1所述的那些完全相同。但是在时间t6，接收到各自分组确认的发送节点T1和T3的每一个向接收节点R以转发指令FO响应。在t7，接收节点R向相关的发送节点T1和T3用对应的转发指令确认回复。这些转发指令确认最好聚集到单个确认消息中，以便广播或组播到这些发送节点。如果需要的话，接收到与其内部发送队列中保留的分组相关的确认的发送节点可以将该分组从队列中删除。然后在如下条件下重复整个过程i)当发送新的数据分组时，以及ii)直到该信息到达预期目的地为止。
通过分析和模拟已经证明，特别有利的是，将分集转发与多用户检测结合，还利用存在多个相邻中继站/用户而启用的分集。
简言之，基于分集的协议(如SDF)的示范消息交换方案按如下步骤工作含有要发送的分组的任何发射机可以确定一组候选节点，并利用组播或甚至广播发送未决分组。候选节点一般是就目标成本量度或仅地理位置而言较靠近目的地的节点。成本信息可以根据任何常规或将来的底层路由确定协议来获取，如最短路径协议或更针对分集转发定制的路由确定协议。采用分集转发结合底层最短路径路由确定通常意味着，实际选择的转发路径可能偏离最短路径协议建议的最短路径。而是利用成本信息作为选择候选节点和分组优先级设置的基础。还可以为数据分组选择速率，例如基于至候选中继的平均路径损耗以及预期的干扰活动等来选择速率。同样地，发射功率也可以相同方式来选择。一般来说，速率和发射功率可以基于已知采用了MUD的事实来确定。接收模式的任何站收听无线电媒体并接收(潜在的)多个发射信号的叠加。接收机利用MUD来对数据解码。一个或多个分组可能被成功解码，对正确解码的分组设置依次的优先级，以查找最期望转发的一组分组。此外，可以被接受的分组数量可能(例如由于缓冲器空间)受到限制。然后从接收节点发送无冲突或几乎无冲突的反馈(确认)分组，指示可接受用于转发(即接收到的已解码且已缓存的)的分组。接收到确认(本身作为目的地)的任何发射机最好在这些确认中设置优先级，并确定应该负责所发送分组的后续转发的优选节点。随后，通过无冲突或几乎无冲突信道向选择的优选节点通知转发指令，然后优选节点执行转发，以及可选地用转发指令确认响应。该过程重复执行，直到该信息到达目的地为止。注意，可以丢弃将不转发的已解码分组，并在新分组到达时可以重新排序/重新调度发送缓冲器以满足任何预定的优化准则。
已经认识到，当在面向分集且基于争用的协议中利用所存在的多个相邻中继站/用户时，可以实现特别有利的实现方案。例如，要从一个站或节点发送的分组可以不局限于朝向其目的地的方向上的一个路由路径，而是根据通信条件以及通过局部发送调整，可以在路由选择过程中采用一个或多个链路质量好的相邻中继站或节点。可从中受益且提供期望的分集优点和稳健性的通信条件其中包括传播条件，诸如无线信道的固有广播特性、因衰落导致的路径损耗波动、因衰落导致的干扰电平波动、与传输有无相关的干扰波动。除了传播条件外，在局部调整中一般还要考虑其他方面，其中对于多跳分组无线电网络中所用的面向分集且基于争用的协议涉及到多个站/节点/用户。
下文将参考图4详细地举例说明该基本原理，在选择分集转发(SDF)的具体框架内描述。尽管如此，但是应该明确的是本发明普遍适用于任何基于争用的协议，包括适时路由选择、选择分集转发(SDF)或任何其他面向分集基于争用的协议，甚至诸如随机但转发路由选择、主N/M转发和备用路径路由选择、以及结合了基于最短路径的路由选择的ALOHA等的协议。
在如下实例中，系统通常假定是以如下方式设计的控制信息分组很小且占用比数据分组少得多的资源和能量。
图4说明基于SDF的消息交换方案结合多用户检测以及分组和候选节点优先级设置的一个实例，其中在时刻t1，两个节点T1和T2各具有一个要发送的分组。在此阶段，根据指示期望它们将数据分组转发到预期目的地的信息来选择候选节点T1R1、R2、R3和T2R2、R3。底层成本确定协议(例如最短路径协议)可以提供此类信息，从而确保有稳定的“成本进度”。
在t2，利用广播或组播技术将分组从发送节点发送到候选节点。最好是，限制候选节点的数量，由此通常采用组播来按正确的“大致方向”发送信息。
在t3，采用多用户检测解码这些分组。在该特定实例中，候选节点R1无法解码任何分组，而候选节点R2和R3同时解码分组D1和D2。
在t4，在每个中继候选节点中对解码的分组设置优先级。设置优先级的目的可能涉及优化吞吐量、改进服务质量(QoS)特性、电池管理、拥塞控制和避免接收缓冲器溢出(流量控制)。期望选择某种意义上为最优的分组。为了能够以明确定义的方式来讨论最优性，最好引入目标函数并针对解码的分组进行优化。该目标函数可以反映多个性能目标中的任一个。设置优先级可以基于从发送节点到接收节点的成本进度、延迟信息、优先级设置参数或任何其它用于分组优先级设置的相关信息。基于成本进度的优先级设置通常需要将成本信息连同数据分组一起传送，或通过将发送ID包含在每个数据分组中从底层成本确定协议来导出成本信息。具体地说，从吞吐量的角度而言，最好将高成本进度的分组优先化。
有效的目标函数的一个具体实例是如下所示的信息成本进度函数Zij(D)=f(Costi(D),Costj(D),...),]]>其中Zij(D)是朝目的地D的分组的信息成本进度，i是发送节点而j是接收节点。再者，Costi(D)和Coostj(D)是发往目的地D的分组所见的成本。然后对所有解码的分组优化该信息成本进度函数，从而选择最高成本进度的一个或多个分组。成本和/或目标函数f可以反映多种因素的任何一种。例如，成本和目标函数可以反映地理距离上的转发进度，但是也可以采用其他成本进度度量。距离上的转发进度可以例如基于位置信息(如GPS(全球定位系统)信息)来确定或基于路径损耗计算来估算。
分组通常属于各自的流，因此可以采用上述信息成本进度函数的另一种公式化，并执行针对流而非目的地的优化。由此，自然就可以将不同流的QoS要求结合到优化中。
在优先级设置过程中，如果需要，可以偶尔地丢弃低优先级的分组。可以在此时或可选地在后续阶段丢弃将不使用的任何分组。在此实例中，候选节点R2选择分组D1和D2，而候选节点R3仅选择分组D2(例如因为缓冲器溢出)。
总之，在t4的步骤和选项提供优于单用户SDF的新显著优点。
在t5，发送数据确认。这些确认的发送最好使冲突风险最小，同时确保合理的低开销，例如用有效率的调度来实现。还有一种可能是采用MUD来同时接收多个控制分组。注意，单个确认消息可以(且最好应该)包含多个数据确认，以便高效地利用无线电资源。
在t6，只要至少一个确认到达发送节点，则确定了应该负责转发的一个或多个候选节点。选择多个中继节点来进行转发提供了更高的稳健度，但是通常会降低吞吐量。例如优先级设置可以基于成本进度、队列状态信息和/或剩余电池。此类信息可以显式地包含在确认消息中和/或从先前收到的信息来隐式地导出，例如成本进度可以是从底层路由确定协议中已知的先验信息。如果期望考虑诸如队列状态和剩余电池之类的因素，则可以将这些因素结合到成本信息中，或另外作为对基本成本进度计算的补充来评估。例如，低电池电量或有加载队列的中继候选节点可以不被优先化，既使它在其他方面具有高成本进度。
与单用户检测SDF相比的差异在于，在本情况中，发送节点通常接收更多ACK，因此具有更多的候选节点可供在其中设置优先级，从而在整形QoS、最大化吞吐量、成本进度或其他重要特性方面赋予更大的自由度。在此实例中，发送节点T1只从中继候选节点R2接收分组确认，由此进行选择中继节点R2的微不足道的选择。发送节点T2从中继候选节点R2和R3接收分组确认，以及本特定实例中优先级设置过程的结果是中继节点R2。
在t7，最好向被选择的负责转发数据的一个或多个节点发送转发指令。一般来说，接受的分组根据预定的优化准则被插入所选一个或多个中继节点的发送缓冲器中，但是可选地可以执行对发送队列的整体重新调度。可以为此设想各种准则，例如基于延迟或优先级类。
在t8，所选的一个或多个节点用转发指令确认响应。再者，在t8，可以此时或可选地在后续阶段丢弃将不使用的任何分组(例如因为选择了另一个节点作为转发节点)。这些转发指令确认的发送最好使冲突风险最小。而且，类似于数据确认，转发指令确认可以对应于每个响应节点被聚集到一个转发指令确认消息中。注意，可能必须交换多个转发指令和转发指令确认ACK，以确保受控的转发指令ARQ(自动重复请求)状态。这是与常规ARQ中同样的问题，可以应用众所周知的ARQ方法。
优化因为发送大量的控制消息，所以将开销和能耗尽可能保持较小是至关重要的。为此可以通过利用隐含信令将分组中的信息量降至最小。例如，不采用候选节点的完整地址，而可以采用本地(且唯一)指定的地址(例如在路由确定协议的控制下)。因为这些地址是本地的，所以短地址就足够了。另一种方法是仅向具有正成本进度或特定范围或区间(例如超过正阈值)内的成本进度的那些候选节点发送。因此，地址字段被替换为较短成本要求字段。还可以通过指明它们是与发送节点某种程度相邻的邻节点(集合)来隐式地寻址候选节点。例如，在分组中显式地寻址一个候选节点，并通过在分组中指示它们是显式寻址的候选节点的邻节点来隐式寻址一个或多个其他适合中继候选节点。这需要执行一种协议来建立相邻关系，例如路由确定协议中所结合的功能，如因特网中所熟知的协议(Hello消息)。这意味着开销不一定会像首次假定的那么大。
还应该注意，t1之前的步骤，即什么触发了节点发送通常取决于所采用的信道或媒体访问方法。例如，可能采用时隙ALOHA、CSMA(载波读取多址)或甚至计划的发送时机的方案(如STDMA中)。即使STDMA本身复杂，但是要理解，在分开的时隙上部署所提出的发明实现了创新的(节点调度的)STDMA派生物，它使STDMA方案对衰落和移动性更加稳健，因此需要较慢的调度更新。
虽然描述了发送数据分组的节点负责判断哪个节点应该转发数据分组，但是也可以指定另一个节点(或可选地一个节点列表)来负责决定以及随后发送转发指令。然后必须将该信息与数据分组包含在一起。此外还针对SDF描述了本发明，其优点在于允许节点群一起协作来提高通信保真度，例如通过分集。这种局部处理转发指令决策的另一个优点在于，由于降低了干扰，消耗的能量更少，且更高效地在空间上再用资源。这特别适用于诸如提出的MUD启用的SDF的协议，因为MUD相关的控制信令的原因，控制业务可以增加相对单纯的SDF。再一个选择是，通过接收和发送控制消息来指定执行控制功能的预定站。
排队纪律是重要的，因为它们是公平地共享网络资源和以性能保证的方式提供性能要求高的应用的关键。一般来说，在为尽力而为的应用(即无QoS要求的应用)设计的排队纪律与为保证服务的应用(即有QoS要求的应用)设计的排队纪律之间形成差距。对于尽力而为的连接，最重要的目的是以公平的方式共享资源，而为此服务类型设计的排队算法的实例有1)加权循环；2)逆差循环；以及3)加权公平排队，它们均尝试仿真通用处理器共享算法。自然，对于保证服务的应用，最重要的目的是要提供性能保证，而实现此任务的排队纪律的实例有1)加权公平排队；2)虚拟时钟；以及3)最早到期日期。
图5表示在接收节点上如何可从不同用户分布接收功率的一个实例。在此实例中，MUD检测器能够解码来自节点Tt、Tu和Tv的三个最强信号，但是无法解码来自第四发送节点Tw的非常弱的信号。因为发送节点与其他候选节点之间路径增益是不同的，所以接收功率电平在这些节点上也不同，由此指令和可解码的数据分组数量也将不同。
注意，如果为优先级设置而采用转发(成本)进度准则，则通常使最低接收功率电平的分组成为最高优先级的。因此，此分组通常会“跳过”一些节点，并沿路衰减，直到它被更远的候选节点接收到并被接受。图6中显示了此情况，其中发送功率指示条指示数据分组的接收功率电平，以及箭头显示在候选节点和发送节点中优先级设置的有效结果的一个实例。
讨论总之，本发明的一个重要方面涉及优先级设置以及交换消息，以允许MUD高效地结合到例如基于争用的协议、尤其是诸如SDF的面向分集的转发协议的框架中。
对于利用存在多个中继候选节点的面向分集的转发，可以在候选节点上解码多个数据分组。候选节点根据各种选择/性能准则对正确解码的分组设置优先级。这可以例如涉及流量控制(避免缓冲器溢出)、拥塞控制(目标是优化吞吐量)或性能整形(例如基于QoS度量来设置优先级)等。
候选节点可以用对设定优先级的数据分组的确认进行响应，该确认可以在聚集的确认消息中发送或分开发送。当接收到聚集确认消息时，发送节点提取它们对应的确认。
如果不涉及分集，则对于例如ALOHA结合最短路径路由选择，发送节点仅发送数据和接收(组播的)确认可能就足够了。
发送节点基于期望的性能目标对多个接收的确认设置优先级，然后选择候选节点以向其发送对应的转发指令。
所选的候选节点将为之接收了转发指令的已解码且被接受的分组插入到它的发送缓冲器，以便它优化期望的性能目标。
本发明的另一个重要方面涉及候选节点内部、发送节点内部或候选节点和发送节点同时可以采用的基于最大转发或成本进度的示范优先级设置准则。
通过创新的优先级设置和消息交换方案实现的MUD与面向分集的转发的特殊组合获得优于现有技术的多个优点。
比起在多跳网络中结合STDMA使用的MUD，本发明提供如下优点。首先，本发明表现出比常规MUD和STDMA明显降低的复杂性，因为共同避免了调度，同时提供MUD所给出的优点。其次，没有含严格MUD约束的调度，这种严格MUD约束因移动性而需要非常频繁地更新，或在信道快速衰落的情况下需要极快地更新。再者，没有具有需要在每次业务模式变化时变更的MUD约束的调度。简言之，比起结合MUD的STDMA，本发明提供MUD的优点但是复杂性明显降低。再者，本发明可有利地在信道衰落时使用，而调度的多址协议(如STDMA)将遇到性能的劣化。
就MUD兼容的分集转发消息交换方案的设计而言，不仅保留了分集转发的优点(例如允许利用衰落信道)，而且还可以显著增强吞吐量。这是因为两个主要的原因·由于MUD，可以在每个节点上同时解码多个数据分组，只要接收的功率电平足够高，且给定所接收分组使用的链路模式(例如编码速率)。
·转发进度一般较高，因为优选的优先级设置准则是选择最高(信息)转发(成本)进度的分组。通常这意味着所选择的分组是被接收到且正确解码、同时接收功率电平低的那些分组。但是例如在单纯SDF中，这是不可能的。具体地说，注意，对于低功率电平分组还可以利用衰落增益。转发进度高意味着分组在网络上占用的时间少，由此，降低了延迟，又由于快速离开网络，将无线电资源提供给其他业务。
再者，比起基于单用户检测的SDF，交换方案使候选节点和分组发送节点上具有更大的灵活性，从而改善了整体性能。在候选节点中，可以利用对多个分组的优先级设置，在接收数据时以及之后接收转发指令时最大化转发进度(如上所述)，整形QoS和用于其他优化准则。发送节点上也增加了灵活性，因为可以接收更多的ACK，可以将此用于优化转发进度、拥塞控制、QoS整形，以及用于其他的优化准则。
实现方面图7以示意框图说明根据本发明示范实施例的接收机端的相关部件。具体地说，图7的实现适用于为在MUD兼容的分集转发协议中工作而定制的中继候选节点。图7的中继候选节点100基本包括与天线或天线系统连接的常规接收机链110、MUD解码器120、接收缓冲器130、分组优先级设置单元140、确认单元150、常规封装单元160、编码器和调制单元170、与天线或天线系统连接的常规发射链180、发送缓冲器190以及用于提供多跳成本信息的单元195。
中继候选节点100通过接收机链110接收从多个发送节点发送的信号的叠加，其中包括诸如A/D转换和可能还有的频率转换等操作。MUD解码器120对接收到的叠加信号执行处理，以同时解码多个数据分组，其中在第一轮(1)将这些分组传递到接收缓冲器130。MUD解码器120通常与多用户解码同时执行解调。
分组优先级设置单元140基于目标性能函数执行适当的优先级设置，并选择适合转发的一个或多个分组。在优先级设置过程中，优先级设置单元140通常利用从底层成本确定协议(如Bellman-Ford或类似的协议)获取的多跳成本信息。在中继候选节点100中，最好在与分组优先级设置单元连接的多跳成本信息单元195中收集和/或生成此类成本信息。可以被接受进行转发的分组数量可能因可用缓冲器空间而受到限制，因此通常从发送缓冲器190向优先级设置单元140传送缓冲器空间信息，以便确定分组极限。分组优先级设置单元140与确认单元150协作或与其结合，在第一轮(1)中，对于每个选择的分组发出分组确认，以发送到对应的分组发送节点。
利用封装单元160进行封装和寻址，利用组合单元170进行编码172和调制174以及利用包括诸如频率转换和D/A转换等操作的传输链180，将分组确认在聚集的确认消息中发送或分开发送。
在第二轮(2)中，中继候选节点100最好从选择该候选节点的发送节点接收一个或多个转发指令。接收到的转发指令通常被转发到分组优先级设置单元140。协同分组优先级设置单元140工作的确认单元150可以发出转发指令确认，以发送到对应的一个或多个发送节点。
分组优先级设置单元140最好将含有对应转发指令的所选分组插入到发送缓冲器190。通常，根据预定的优化准则插入这些分组。但是，可选地，发送缓冲器190也可以例如基于延迟或优先级类来重新调度。如果不需要QoS支持，则可采用简单的先进先出(FIFO)队列。
然后利用封装单元160进行封装和寻址，利用组合单元170进行编码172和调制174以及传输链180，把发送缓冲器190中的分组传送到多跳网络中的后续中继候选节点。
图8以示意框图说明根据本发明示范实施例的发射机端的相关部件。具体地说，图8的实现适用于为在MUD兼容的分集转发协议中工作而定制的发送节点。图8的发送节点200基本包括发送缓冲器210、封装单元220、编码器和调制单元230、与天线或天线系统连接的常规发射链240、常规接收机链250、解调和解码器单元260、节点优先级设置单元270和接收缓冲器280。
发送节点200在它的发送缓冲器210中准备有数据分组，以向一个或多个目的地节点传送。在第一轮(1)中，将分组从发送缓冲器210传送到封装单元220，以进行封装和寻址。从寻址的角度来说，发送节点200采用组播或可能采用广播以将分组传送到多跳网络中的多个中继候选节点。有关此具体方面的信息，可参阅[8]。然后将封装的分组信息传递到组合单元230，以进行编码232和调制234，以及发射链240以便发往中继候选节点。
在第二轮(2)中，发送节点200通过接收机链250从一个或多个中继候选节点接收分组确认，并通过组合单元260进行解调262和解码264。将分组确认传递到节点优先级设置单元270，并根据目标性能函数选择适合的中继候选节点。优先级设置单元270然后发出转发指令，以向所选中继节点发送。
在第三轮(3)中，作为可选方式，可以利用从一个或多个选择的中继节点接收的转发指令确认，从发送缓冲器210中删除相应分组。
在例如参考文献[15]的文献中，可以找到有关MUD检测器/解码器的详细信息，其中描述了现有技术的线性多用户检测器系列。
应当理解，在接收机端的分组优先级设置可以分布到负责一个或多个发送节点的相关控制节点上。同样，在发射机端选择适当中继节点的优先级设置也可以分布到相关控制节点上。
上述实施例仅作为示例给出，应当理解本发明不局限于此。保留所公开且要求权利的基本底层原理的其他修改、改变和改进均属于本发明范围。
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美国专利6097703。
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美国专利6618433。
权利要求
1.一种用于在具有多个节点的多跳网络中转发信息的方法，所述方法包括以下步骤在至少一个接收节点(R，100)中接收从多个发送节点(T)发送的信号的叠加；采用多用户检测(MUD)从所接收的信号叠加中解码多个数据分组(D)；对正确解码的分组(D)设置优先级，以选择适合转发的至少一个数据分组；以及对于每个所选择的分组以分组确认(ACK)回复。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述优先级设置步骤包括选择适合转发的多个数据分组的步骤，以及将多个分组确认发送到多个相应的发送节点。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述多个分组确认聚集到单个确认消息中。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括响应分组确认(ACK)、向所述至少一个接收节点(R，100)发送转发指令(FO)的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括响应转发指令、执行相应的所选分组的转发的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括所述至少一个接收节点(R，100)响应转发指令而以相应的转发指令确认来回复的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括所述至少一个接收节点限制所选分组的数量的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分组优先级设置步骤基于预定目标函数的优化来执行。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定目标函数包括信息成本进度。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分组优先级设置步骤基于至少一个服务质量(QoS)要求来执行。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转发是根据基于争用的多址协议来执行的。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述基于争用的多址协议是面向分集的。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述面向分集的协议是选择分集转发(SDF)协议。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述基于争用的多址协议是机会性协议。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个发送节点将它的数据分组信号发送到多个中继候选节点，以及所述方法还包括以下步骤对从中接收确认的中继候选节点设置优先级，从而选择至少一个适合的中继节点；向所述至少一个所选的中继节点发送转发指令。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，对中继候选节点设置优先级的所述步骤基于预定目标函数的优化来执行。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述多个中继候选节点中的至少一个是基于它与显式寻址的中继候选节点相邻的指示来隐式寻址的。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括以下步骤每个发送节点响应先前发送的分组的确认，从所述发送节点中的数据缓冲器中删除已确认的分组数据。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多跳网络是广播/组播分组无线电网络。
20.一种用于在具有多个节点的多跳网络中转发信息的系统，所述系统包括装置(110)，用于在至少一个接收节点(R，100)中接收从多个发送节点(T)发送的信号的叠加；装置(120)，用于采用多用户检测(MUD)从所接收的信号叠加中解码多个数据分组；装置(140)，用于对正确解码的分组设置优先级，以选择适合转发的至少一个数据分组；以及装置(150、160、170、180)，用于对于每个所选择的分组以分组确认来回复。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述分组优先级设置装置(140)可用于选择适合转发的多个数据分组，以及所述回复装置可用于将多个分组确认发送到多个相应的发送节点。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述回复装置可用于将多个分组确认聚集到单个确认消息中。
23.如权利要求20所述的系统，其特征在于还包括用于响应分组确认、向所述至少一个接收节点发送转发指令的装置。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于还包括用于响应转发指令、执行相应的所选分组的转发的装置。
25.如权利要求23所述的系统，其特征在于还包括用于响应转发指令、以相应的转发指令确认来回复的装置。
26.如权利要求20所述的系统，其特征在于还包括用于限制所选分组的数量的装置。
27.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述分组优先级设置装置(140)配置为基于预定目标函数的优化来执行分组优先级设置。
28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，所述预定目标函数包括信息成本进度。
29.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述分组优先级设置装置(140)配置为基于至少一个服务质量(QoS)要求来执行分组优先级设置。
30.如权利要求20所述的系统，其特征在于，至少一个发送节点将它的数据分组信号发送到多个中继候选节点，以及所述至少一个发送节点(200)包括装置(270)，用于对从中接收确认的中继候选节点设置优先级，以选择至少一个适合的中继节点；装置(270，220，230，240)，用于向所述至少一个所选的中继节点发送转发指令。
31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，对中继候选节点设置优先级的所述装置(270)配置为基于预定目标函数的优化来执行候选节点优先级设置。
32.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述至少一个发送节点还包括用于对所述多个中继候选节点中的至少一个基于它与显式寻址的中继候选节点相邻的指示来隐式寻址的装置。
33.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述多跳网络是广播/组播分组无线电网络。
34.一种分组无线电多跳网络中的通信节点(100)，所述通信节点包括装置(110)，用于接收从多个发送节点发送的信号的叠加；装置(120)，用于采用多用户检测(MUD)从所接收的信号叠加中解码多个数据分组；装置(140)，用于对正确解码的分组设置优先级，以选择适合转发的至少一个数据分组；以及装置(150、160、170、180)，用于对于每个所选择的分组以分组确认来回复。
35.如权利要求34所述的通信节点，其特征在于，所述分组优先级设置装置(140)可用于选择适合转发的多个数据分组，以及所述回复装置可用于将多个分组确认发送到多个相应的发送节点。
36.如权利要求35所述的通信节点，其特征在于，所述回复装置可用于将多个分组确认聚集到单个确认消息中。
37.如权利要求34所述的通信节点，其特征在于还包括用于限制所选分组的数量的装置。
38.如权利要求34所述的通信节点，其特征在于，所述分组优先级设置装置(140)配置为基于预定目标函数的优化来执行分组优先级设置。
39.如权利要求38所述的通信节点，其特征在于，所述预定目标函数包括信息成本进度。
40.如权利要求34所述的通信节点，其特征在于，所述分组优先级设置装置(140)配置为基于至少一个服务质量(QoS)要求来执行分组优先级设置。
41.一种分组无线电多跳网络中的通信节点(200)，所述通信节点包括装置(210、220、230、240)，用于将数据分组信号发送到多个中继候选节点，所述多个中继候选节点中的至少一个是基于它与显式寻址的中继候选节点相邻的指示来隐式寻址的。装置(270)，用于对从中接收了对于已接受分组用于转发的确认的中继候选节点设置优先级，从而选择至少一个适合的中继节点；以及装置(270，220，230，240)，用于向所述至少一个所选的中继节点发送转发指令。
全文摘要
基本原理是在多跳网络的接收机端采用多用户检测(MUD)同时解码从多个节点(T1，T2)发送的多个分组，并对正确解码的分组设置优先级，以选择适合于转发的一个或多个分组，最后对于每个所选分组向对应发送节点以分组确认(ACK)来回复。由此，在转发程序中采用MUD的设计选择。还有利的是采用因存在多个中继节点(R1，R2，R3)而启用的分集。将其数据分组信号发送到多个中继候选节点、然后从至少两个中继候选节点接收分组确认的发送节点最好执行优先级设置以选择适合的中继节点。然后发送节点向所选的负责将信息转发到下一个节点的中继节点发送转发指令(FO)。
文档编号H04L12/56GK1771699SQ200480009370
公开日2006年5月10日 申请日期2004年3月17日 优先权日2003年4月11日
发明者P·拉松, N·约翰松 申请人:艾利森电话股份有限公司