一种全双工无线网络中的节点配对与资源竞争方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及信息技术领域中的无线通信网络同时同频全双工双向传输技术，特别 是涉及一种全双工无线网络中的节点配对与资源竞争方法。
【背景技术】
[0002] 长期以来，无线通信网络中的信息双向传输一直是通过"半双工方式"实现的，即 通信节点的信号发射和接收必须占用两个不同的无线信道。根据收发信道的不同配置方 法，无线通信网络可相应地分为时分双工（TDD)和频分双工（FDD)两类。TDD系统的收发 信道分别位于同一载波的不同时隙，而FDD系统的收发信道则被分离在两段不连续的对称 频谱上。尽管传统的半双工双向通信方式，可以有效隔离收发信号间的自干扰，易于工程 实现；但是从信息论的角度而言，上述方法并不是最优的，很可能没有充分逼近双向信道 (Two-WayChannel)的理论容量上限（Shannon, 1961)。此外，由于受到半双工的限制，当前 移动通信网络中始终存在着一些难以克服的缺陷。例如：在TDD系统中，上行定时提前与 收发状态转换降低了资源利用率，固定的上下行时隙配置必然引入较长的传输时延；对于 FDD系统，隔离上下行传输的对称频段需求，随着频谱资源的日益稀缺与宽带无线应用的发 展，将愈发难以满足。
[0003] 全双工无线通信（即同时同频全双工），是一项综合运用多重干扰抑制方法而实 现节点间同时同频双向信息传输的新兴物理层技术。由于该技术有望成倍地提升现有的半 双工双向传输效率，近年来备受关注，逐渐成为当前信息领域的研究热点和重要发展方向。 为了使无线信号能在相同的时频资源上进行收发，全双工无线通信面临的主要技术难点是 "自干扰问题"，即：本地发射信号对本地接收信号所形成的大功率干扰。解决自干扰问题的 两种关键技术手段分别为"主动干扰消除"和"被动干扰抑制"。前者通过在接收端重建发 射信号副本，对自干扰信号（即接收到的本地发射信号）进行主动消除，方法包括：空域信 号处理，射频回波抵消、基带干扰消除等。后者主要采用交叉极化、波束调整、吸收屏蔽等措 施对收发天线进行隔离，实现自干扰信号的被动衰减。典型的点对点全双工无线通信系统 如图1所示，经过在空间域、射频域和基带域的分阶段多步骤干扰消除和抑制，现有主流全 双工试验系统通常可将自干扰信号强度有效衰减70-120dB，从而实现在特定功率范围与通 信距离内可靠的点对点同信道双向传输。
[0004] 全双工无线通信技术，解决了无线信号无法同时同频收发的难题，突破了长期制 约通信系统容量提升的瓶颈，预计将实现无线网络吞吐量和频谱效率的成倍提升；同时成 本可控、后向兼容性强。目前物理层传输技术经历了半个多世纪的快速发展，已进入了一个 平台期或瓶颈期，较难取得新的重大突破；全双工无线通信技术另辟蹊径，转变了通信系统 容量的增长方式，很可能会给未来的无线通信网络带来革命性的变化。例如：当蜂窝网节点 具备了同时同频全双工能力后，FDD和TDD模式将逐步合二为一；双向中继传输可以得到更 高效的应用，有限信道反馈不再是技术瓶颈。鉴于上述诸多优点，全双工无线通信已成为第 五代移动通信（5G)的重要候选技术之一。
[0005] 现阶段，全双工无线通信网络的主要技术缺陷和不足可以归纳为：1)资源竞争与 流量匹配问题；2)同信道干扰与节点配对问题；3)上行多终端竞争接入问题。具体如下所 述：
[0006] 首先，资源竞争与流量匹配问题。当前的全双工无线通信，由于受到节点自干扰消 除能力的制约，通常只能在"短距离和低功率"的场景下表现出明显的性能增益。因此，各种 小规模的无线自组网、无线网状网与无线局域网预计将会成为同时同频全双工技术的主要 应用场合。值得注意的是，上述网络环境中的主流媒介访问控制机制是以CSMA、MACA、IEEE 802.IlDCF为代表的资源竞争型MAC;虽然此类协议可以通过"节点自主竞争"实现多路并 发通信对系统资源的共享，但绝大多数是针对TDD半双工通信而设计的，本质上无法有效 地支持全双工通信。
[0007] 原因在于：1)资源竞争行为是由当前网络中有数据发送需求的节点"单方面"自 主触发的，即：发送节点在开始竞争资源的时刻并不知道自己是否同时将有数据要接收。因 此，在不增加额外控制信道（用来交互各节点的实时通信需求）的情况下，网络中任何一 个节点都无法预判自己是否可以进行全双工通信，从而很难通过现有MC机制为全双工通 信竞争资源。2)在星状拓扑的网络（如WLAN)中，下行通信流量通常会远大于上行通信流 量。当网络中的终端节点都没有数据包需要发送时，即使中心控制节点具备自干扰消除能 力，也无法形成高效的全双工通信。换言之，上下行流量的不平衡性会显著地降低全双工通 信的成功建立概率。因此，从提高网络频谱效率的角度而言，需要尽可能多地使每一次上行 传输都能复用下行传输的资源，提高全双工通信的成功建立概率。现有的竞争类MC协议 显然无法提供合适的机制满足上述需求。
[0008] 其次，同信道干扰与节点配对问题。在星状拓扑的非对等全双工网络中，具有自干 扰消除能力的中心控制节点，可以在相同的频率资源（或信道）上同时与两个半双工终端 节点（一收一发）进行单向通信。此时，全双工通信的双向和速率（sum-rate)很大程度上 取决于两个终端节点之间的同信道干扰强度。
[0009] 全双工网络中的最优化节点配对问题，是指如何在无线网络中选出一对具有较弱 同信道干扰的发送终端节点和接收终端节点，使它们与中心控制节点所形成的全双工通信 具有最大的双向和速率。解决上述问题，不仅需要测量各对可能的收发终端节点之间的无 线信道状况，评估相应的同信道干扰强度，还必须确保在节点配对过程中不会产生过多的 信令开销。
[0010] 节点配对问题是在全双工无线网络环境下出现的新课题，无法通过任何现有的算 法和协议来解决。主要困难来自于两个方面：1)在理想情况下，与中心控制节点一起建立 全双工通信的两个终端节点应该是互相隐藏（hidden)的，彼此之间无法直接交互信息。因 此，如果采用分布式的节点自主配对方式，当发送终端节点进行资源竞争和上行传输时，接 收终端节点通常很难及时地获得相关信息，从而无法实施有效的信道测量和干扰评估。2) 如果采用基于中心控制节点调度的集中式节点配对方式，则需要在全双工通信建立之前， 对网络中可能的节点配对组合分别进行信道测量，并通过上行信道反馈相应的干扰评估结 果；此时，反馈信息量会随着网络中节点数的增加而指数增长，信令开销过大，难以支持网 络拓扑快速变化的应用场景。
[0011] 最后，上行多终端竞争接入问题。在资源竞争型半双工无线网络中，如果存在多个 终端节点同时需要向中心控制节点发送数据包，终端节点通常会采用Listen-Before-Talk的机制实现上行多址接入，即：多个终端节点首先监听当前信道是否空闲，然后再以某种特 定的方式进行协商或退避，从而达到尽量避免发生数据包碰撞的目的。
[0012] 然而在全双工无线网络中，虽然上行传