CN101129022B - 用于具有非集中式介质访问控制的网络的接收器和发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于具有非集中式介质访问控制的网络的接收器和发射器。一种接收器包括用于为通告信号的出现扫描专用信令信道的接收单元(101)。所述通告信号表示发射器希望访问传输介质。所述接收单元还可进行操作以从专用业务信道上的其它发射器接收数据信号。而且，所述接收器包括用于估计新的发射器产生的干扰是否可被允许的干扰估计器(105)。当所述干扰不被允许时，提供处理器(107)以采取干扰防范措施。发射器可以没有任何限制地发射通告信号。当所述发射器从所述寻址的接收器接收到准备接收信号，并且没有从网络中的其它接收器接收拒绝提示音时，所述发射器将开始传输。
Description
技术领域
本发明涉及通过通信网络进行数据传输的领域，尤其涉及介质访问控制领域。
背景技术
在无线网络中，多个设备一般共享相同的传输介质或信道。这就产生了介质访问的问题：如果两个或多个设备在相同的时间访问共享介质，则这些设备的传输将会彼此干扰，从而产生冲突并降低系统性能。介质访问控制(MAC)的功能是通过定义使设备以有序和有效的方式彼此进行通信的规则，来协调对共享介质的访问。MAC协议在确保有效公平地共享稀缺的无线带宽方面起着重要的作用。
可以将MAC协议广泛地分为两类：集中式方案和分布式方案。在具有基础设施的移动网络中，例如，在GSM和UMTS中，特别地以集中式方式控制介质访问。专用的网络实体，例如基站，为移动设备分配时隙或码，从而避免了冲突。
在无基础设施(infrastructure-less)的移动网络中，即所谓的自组织网络(ad hoc network)中，则必须以分布式方式执行MAC。移动节点必须将冲突降低到最小而不需完全了解所处的网络。当前用于自组织网络的MAC方法通常是基于用于无线局域网(WLAN)的IEEE 802.11标准，该标准采用分布式协调功能(DCF)，这种功能基于具有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)机制。DCF包括两个阶段：(a)在发射器处的载波侦听以及(b)协调信息的交换。后者是通过由发射器发送请求发送(request-to-send)(RTS)消息和由接收器响应该RTS消息发射清除发送(clear-to-end)(CTS) 消息实现的。无意听到其中一条或两条消息的相邻节点必须避免在消息所示的时间周期内进行传输。这就确保了通信节点中发射节点和接收节点对周围共享介质的全向空间预留(spatial reservation)。
在自组织网络中，移动设备以对等的方式彼此进行通信；它们建立起一个自组织无线网络，而不需要基站或任何其它先前存在的网络基础设施。如果两个设备不能建立起直接的无线链路(因为这两个设备彼此距离很远)，则这两个设备之间的设备将作为将数据从信源转发到目的地的中继。换句话说，移动设备能够同时用作数据源、数据接收装置，以及中间转发设备。移动设备被称为“节点”。
不管相邻节点是否干扰信号接收都对相邻节点进行抑制。当采用波束形成天线时，在发射器-接收器节点周围的区域中保留信道尤其不是最佳的。
波束形成是一项能够由所谓的“智能”天线执行的技术，这项技术包括多个天线单元。由于这些单元，移动设备能够将“波束”电子地形成为优选方向，而不是同等地即，以基本全向的方式辐射发射功率。根据这些天线系统的能力，这些天线系统被称为“转换波束”天线或“自适应”天线或相控阵列天线。术语“波束形成图案”是指所有基于天线增益特征的方向。由于有限数量的天线单元和所涉及到的复杂性，不是所有的波束形成图案都能够被控制的。相反，通常会有一个希望的主波束，即一个具有增加的天线增益的扇区，和几个或多或少的无关的副波束。可以对发射和接收执行这种根据方向的天线增益调节。
当使用波束形成天线时，目前用于自组织网络的MAC协议就不适合了。其原因有两部分。首先，波束形成天线可能提供目前MAC协议不能采用的相对于全向天线的优势。第二，当使用波束形成天线时，采用当前的MAC协议会导致副效应，这就降低了该协议的有效性和性能。
在自组织网络中使用波束形成天线的最主要的优点是可能增加对稀缺的无线资源的空间再利用。这种可能性是依赖于这种事实，即能够通过在优选的方向上形成波束，同时抑制来自其它方向的干扰， 来增加对于有效的数据传输非常关键的信噪比(SNR)。因此，与采用全向天线的情况相比，在一些给定的区域可能希望实现更多数量的同时传输。
如果只有有效载荷数据被定向地发送和/或接收，同时接收器和发射器的相邻区域仍然被屏蔽，如IEEE 802.11DCF，则MAC协议将不会利用波束形成天线这种可能的优点。
然而，如果前面提到的RTS和CTS消息被定向的发送，则可能产生严重的副效应。在这种情况下，可能有位于当前接收节点的传输范围内的节点，但是这些节点可能没有被接收到RTS包也没有接收到CTS包。这些“隐藏的”节点则可能开始进行传输，这就可能在所述的接收节点造成干扰，导致包的丢失。这种情况被称为“隐藏终端”问题。
通常情况下可以说在空间再利用和(控制和/或数据包的)冲突之间存在折衷。空间再利用程度越高，即，共享相同的物理信道的同时传输越接近，则隐藏终端的数量越多并且冲突的可能性也越大。
已知波束形成天线的第二个主要问题是“聋”。假设存在第一节点和第二节点。并且还假设第一节点想要建立与第二节点的通信。如果第二节点的波束形成图案使得其抑制来自第一节点方向的入射功率，则该第二节点关于第一节点是“聋的”。
为了避免冲突，一些已知的解决方案建议明确地分配冲突避免信息。有了这些解决方案，就保持了相当多数量的信息，其允许节点决定在特定方向上进行发送是否是安全的。这种需要的信息通常被包含在控制分组中。
另一种已知的解决方案是通过定向传输RTS包和全向传输CTS分组，来达到空间再利用和隐藏终端之间的折衷。
其它已知的解决方案采用全向提示音和定向控制分组。
另外，还有包含竞争解决阶段(contention resolution phase)和随后的数据传输阶段的解决方案，其中在竞争解决阶段中需要传输时隙。但是，这种方法需要同步的移动终端。
为了解决“聋”的问题，一种已知的解决方案提出在分组传输时发送提示音。这些提示音将向相邻节点指示可能已经(可能)出现“聋”的情况。
最后，上面的描述说明对于波束形成的情况以及对于非波束形成的情况，现有的网络具有很大的局限性，因此没有充分利用稀缺的传输介质，或者非常复杂，因此以高昂的价格购买最佳的利用。
发明内容
本发明的目的是为具有非集中介质访问控制的网络提供一种有效的方法。
根据本发明，提供了一种用于具有非集中式介质访问控制的网络的接收器，包括：用于为指示发射器希望访问传输介质的通告信号的出现扫描专用信令信道并且用于在专用业务信道上从其它发射器接收数据信号的接收单元；用于估计由发送所述通告信号的所述发射器的可能介质访问产生的业务信道上的干扰是否可被允许的干扰估计器；以及用于当所述干扰不被允许时，采取干扰防范措施的处理器。
根据本发明，还提供了一种用于具有非集中式介质访问控制的网络的发射器，包括：用于在专用信令信道上发送通告信号的发射单元，所述通告信号指示所述发射器希望访问传输介质并与被寻址的接收器通信；用于侦听来自非寻址的接收器的拒绝信号的接收单元；以及用于控制所述发射单元，以便仅当还没有接收到拒绝信号时，才开始在专用数据信道上发送数据信号的处理器。
根据本发明，还提供了一种在具有非集中式介质访问控制的网络中的接收方法，包括：为通告信号的出现扫描专用信令信道，所述通告信号指示发射器希望访问传输介质；在专用业务信道上从其它发射器接收数据信号；估计在发送所述通告信号的所述发射器的可能介质访问产生的所述业务信道上的干扰是否可被允许；以及当所述干扰不被允许时，采用干扰防范措施。
根据本发明，还提供了一种在具有非集中式介质访问控制的网络中的发射方法，包括：在专用信令信道上发送通告信号，所述通告信号指示发射器希望访问传输介质并与被寻址的接收器通信；侦听来自非寻址接收器的拒绝信号；以及仅当还没有接收到拒绝信号时，开始在专用数据信道上传输数据信号。
本发明是基于这一发现，即由于希望通过传输介质开始传输的发射器通过发送通告信号(announcement signal)而没有任何限制地表示其希望，来获得有效的介质访问控制。该通告信号被定位在专用的信令信道中，从而正在进行的传输不会被不同的信令信道上的业务干扰。当接收器从目的接收器接收到准备接收信号时，该准备接收信号也在专用的信令信道中传送，并当该发射器没有从任何其它接收器接收任何拒绝消息时，该发射器就可以开始传输。因此，在具有非集中式介质访问控制的网络中的参与者就可以在彼此之间协商访问控制，而不需要集中的权限。应该注意由于可替换地该发射器还可以等待由定时器控制的特定时间段，直到传输开始而不需要接收准备接收信号，因此准备接收信号不是必须的。存在可替换地可能性是基于当存在拒绝信号时避免进行传输或当不存在拒绝信号时允许进行传输。
在接收器侧，仅有的问题可能由已经进行通信的接收器产生，该接收器不是由新的发射器，即发送通告信号的发射器寻址的。根据本发明，该接收器，即已经从其它发射器接收的接收器，为将到来的通告信号连续扫描专用的信令信道。这种为通告信号连续扫描专用的信令信道是与通过其它专用业务信道正常接收数据同时进行的。当接收器检测到通告信号时，就必须执行干扰估计以得出由发送通告信号的发射器的可能的介质访问产生的业务信道干扰是否可被允许。当该接收器识别该新的发射器不会将其通信与已经进行传送的发射器冲突时，就不需要进行任何操作了。根据本发明，该接收器只是安静地等待，并且忽略所述通告信号。
然而，当该接收器估计新的发射器将会产生不允许的干扰时，该接收器将采取干扰防范措施，从而新的发射器将不会产生关于已有的 发射器/接收器对的任何问题。
在本发明的优选实施例中，自组织网络的最终目的是有尽可能多的发射器加入其中。因此，采用干扰防范措施的接收器将仅在这种情况下，即接收器没有确定任何其它有用的防范措施，发送拒绝提示音。因此，已经进行通信的接收器具有拒绝该新的发射器的可能性，并且实际上具有拒绝该新的发射器的能力。
然而，优选地，拒绝新的发射器仅是最终选择。在特定情况下不会导致拒绝新的发射器的其它防范措施，包括采用基于关于该发射器或其它发射器的信息的多用户检测方案。可替换地，接收器能够利用干扰消除方案来减少由新的发射器产生的干扰。
可替换地，如同其它防范措施，接收器能够应用特定波束形成技术来使发送通告信号的新的发射器无效。如波束形成技术领域已知的，可以控制接收器的相控天线阵列，从而将新的发射器定位在最小天线增益的扇区中，这样新的发射器将不会干扰接收器和已有的发射器之间的通信。当然，必须认真地执行这种波束形成，从而接收器和已经进行传送的发射器之间的通信不会被过多地干扰。
不会导致拒绝新的发射器的防范措施的其它可能方式包括接收器与已经进行传送的发射器进行协商，从而已经进行传送的发射器例如通过增加更高的冗余度来增加其传输的鲁棒性(transmissionrobustness)。
另一种可能的防范措施甚至可以是该已经进行接收的接收器开始与该新的发射器进行协商，从而该新的发射器降低其发射功率，等等。
优选地，用于通告信号的专用信令信道是带内信道，即，使用与业务信道相同的频带。除了通告信号外，还优选地传送准备接收信号和确认信号(后面进行讨论)，当接收器也在该专用的带内信令信道中从发射器接收到所有数据时，就发送该确认信号。
在其它信令信道中，该信令信道优选地是带外信令信道，发送拒绝信号和聋信号，这将在后面进行讨论。
如上面所述，通告信号优选地在用于数据传输的相同的通信信道，即频带中传送。由于在通信信道中，通告信号和其它的数据信号叠加在一起，因此可以使用编码方案对通告信号进行编码，来分离信号。例如，通告信号可以关于通信信道内的其它信号正交，从而通告信号和数据信号都不会受到干扰。
但是，由于通告信号是在使用中的相同的通信信道内传送的，因此可以根据所接收到的通知信号，先验地确定将要接入通信信道的网络实体的影响。因此，其它网络实体，例如在通信信道中进行传送的其它接收器能够从通信信道内接收的信号中提取通告信号，并且能够确定当新的发射器在该通信信道内进行其它传送时所引入的其它干扰是否是可容忍的。
如果通信信道是由多址接入方案，例如CDMA方案确定的，那么优选地使用传送数据时采用的CDMA方案对通告信号进行编码，以模拟实际的传输情况。
有益地，要求访问通信网络的通信信道的网络实体可以在任何时刻进行传输，甚至当其它网络实体正在该通信信道内发送或接收信号时也是如此。
如上所述，采用波束形成技术进行发送和/或接收的通信系统也可以应用本发明的方法。在这种情况下，本发明的方法将被称为使用术语“波束介质访问控制(BeamMAC)”。
名称BeamMAC将指示用于具有波束形成技术实现的天线增益图案的天线系统的方法的适宜性。然而，BeamMAC还与全向天线一同工作。而且，它也可以应用在既具有定向天线也具有全向天线的异构情形中。
BeamMAC与传统的MAC方法的不同之处在于两个节点周围的区域没有明确地保留用于其通信。当然，该协议的目的仍然是限制信道访问。BeamMAC方法的主要贡献在于在接收节点限制干扰，同时允许最大数量的节点进行访问，而不需要复杂的节点同步或复杂的冲突解决协议。
本发明提供了一种用于平衡空间再利用和隐藏终端的解决方案。可以避免冲突同时允许可接受的干扰水平。该方法不需要同步移动设备，这对于自组织网络来说是非常有益的。与以前的方法相比，根据本发明的MAC协议不需要明确地交换大量的冲突避免信息，因此就降低了协议开销。
总之，本发明提供实现具有波束形成天线或非波束形成天线的自组织网络的主要构造模块。这就提供了下述的一般益处：
与802.11相比，通过改进的空间再利用，更有效地利用稀缺的无线资源。
通过产生更低的延迟抖动的改进的公平性，改进服务质量(例如，多媒体应用)。
通过实现全向传输范围上的链路，达到移动设备的更好连通。
附图说明
参考下面的附图将详细地描述本发明的其它实施例，其中：
图1表示根据本发明的接收器的框图；
图2表示本发明网络情形的实施例；
图3a说明一种现有技术情况，其中通过在通信节点周围保留区域来实现冲突避免；
图3b表示一般的波束形成情况；
图3c表示图3b所示的波束形成例子中的冲突情况；
图4a表示这种情况，其中节点C在节点A和节点B之间进行传输时发送通告消息，节点C从节点B接收拒绝提示音；
图4b表示包括业务信道、带内信令信道和带外信令信道的信道分配的视图；
图5表示节点C发送通告信号并且不发送拒绝的情况；
图6表示这种情况，其中节点A与节点B进行通信，节点A关于节点C是聋的；
图7表示在标准的IEEE 802.11协议下可能发生的问题情况；
图8表示另一种问题情况，这种情况可能对节点C产生不公平；
图9a表示根据本发明在节点C和节点D之间的成功信道访问；
图9b表示根据本发明的冲突避免情形，这是由于节点A发送了一个拒绝信号；
图9c表示关于聋的问题情况，这可能导致节点C的不公平对待；
图9d表示根据本发明的聋检测和解决情形，这会产生节点C的公平对待；
图10a表示根据本发明的优选实施例的状态转移图；
图10b表示根据本发明的优选实施例的信道、消息和提示音的视图；
图11a表示成功的信道访问情形；
图11b表示成功的冲突避免情形；
图12表示成功的聋检测和解决情形；
图13表示关于特定发射器和接收器状态/情况的示意图；
图14a表示当前处于空闲状态但是被发射器寻址的接收器执行的步骤的流程图；
图14b表示忙于与其它发射器进行传输并且没有被通告信号寻址的接收器执行的步骤的流程图；
图14c表示当前处于空闲状态并且未被寻址的接收器执行的步骤的流程图；以及
图15表示当前没有进行传输但是试图开始传输的发射器执行的步骤的流程图。
具体实施方式
图1表示用于具有非集中式介质访问控制的网络，例如图2所示的自组织网络的本发明的接收器的优选实施例。
特别地，本发明的接收器包括用于为通告信号(ANN)的出现扫描专用信令信道并用于从专用业务信道上的其它发射器接收数据信号的接收单元101，所述通告信号指示发射器希望访问传输介质。 接收单元101进行操作处理业务信道，从而将在业务信道上传输的数据输出到数据输出终端。接收单元101的另一个输出耦接到干扰估计器。根据本发明，干扰估计器进行操作来估计发送通告信号的发射器的可能的介质访问所产生的业务信道上的干扰是否是可被允许的(例如，可容忍的或非破坏性的)。当干扰估计器确定新的发射器产生的干扰是允许的，则不会对新的发射器进行任何操作。但是，当干扰估计器105确定该干扰是不允许的，则激活用于采取干扰防范措施的处理器107。
根据本发明，干扰防范措施可以是发出拒绝提示音。然而，根据本发明的优选实施例，这种“硬”措施仅被看作最后采取的可能措施，当所有其它“更软”的可能措施不能解决干扰问题时，才执行该“硬”措施。
优选地，使用编码方案对通告信号进行编码，以实现从数据信号和通告信号的叠加中提取通告信号。例如，采用CDMA方案对通告信号进行编码，其中CDMA方案用于通告传输控制信号。然而，可以使用正交序列对通告信号进行编码，其中正交序列关于其它发射器发送的数据正交，从而在接收器上可以使用例如相应的正交序列提取通告信号。
可替换地，用于传送通告信号的专用信令信道不必是带内信道。尽管该实施例是优选的，但是由于其允许非常准确和有效的干扰估计，由于专用的信令信道“模拟”实际的业务信道，因此在特定情况下其它实施例也可能是有用的。因此，在专用信令信道内传送通告信号也将使得更加可能使用通告信号进行干扰估计以达到令人满意的程度，其中的专用信令信道处于业务信道带宽之外但是接近业务信道带宽。
可替换地，用于通告信号的带外信令信道可以距离业务信道更远。在这种情况下，基于通告信号的干扰估计将会损失准确性。然而，可能出现这种情况，即网络具有非常平坦的传输介质信道响应曲线，其中通过使用其它的信道信息能够弥补这种不足，所述的信道信息可 以通过使用特定的专用信道估计器等而被预先确定或自适应地确定。
最后，可以根据分别恢复出的信道信息完成干扰估计，从而完整地推导出干扰估计，而不需要接收通告信号的任何功率或能量信息。在这种情况下，例如，通告信号可能仅用于检测来自发送通告信号的发射器的传输信号的入射方向，同时可以从其它信息源恢复出从该方向到被寻址接收器的信道的信道信息。然而，优选地利用用于干扰估计的通告信号，从而更佳地相对于彼此设置专用信令信道和业务信道，这样信令信道的信道特征就依赖于业务信道的信道特征，反之亦然。
可以在图2所示的通信情形中使用本发明的接收器。
例如，本发明接收器201从其它发射器203接收数据信号。同时，另外的发射器205请求信道访问以将数据传送到例如另一个接收器207。发射器205在访问信道之前，在通信信道内传送通告信号，以“模拟”后续的数据传输。
本发明的方法可以优选地用在波束形成情形的情况中，其中自适应波束形成天线用于进行发送或接收。这种方法将在自组织网络中实现非常大的容量增益，网络中移动节点的更低的功率损耗，这是由更长的电池寿命以及减少的散热体现的。而且，可以获得更好的覆盖/连通性以及改进的安全性。
本发明解决与图3所示的现有技术情形相关的问题。
例如，图3a说明全向天线的情况，这种情况下通过在通信节点周围保留一部分区域来避免冲突。因此，其它节点不能在被保留区域内进行通信(尽管这些节点可能是没有问题的)，这就将总的数据吞吐量降低到尽可能低的程度。
图3b说明现有技术波束形成的情况，其中相关节点使用定向发送和接收图案进行彼此之间的通信。尽管能够实现增加的容量和吞吐量，但是如图3c所示可能产生冲突。
在图4a中说明了本发明冲突避免的例子。在图4b中给出了优选的信道建立的优选实施例。在图4a中，节点C在SCHin上，即在通 信信道401内传送通告消息(ANN)。根据本发明，节点C以与用于实际数据传输相同的波束图案进行传送。节点B以过高的功率电平接收通告消息，因此在信道SCHout上，即在其它的通信信道403内发送拒绝信号(拒绝提示音，OBJ)，作为最后的防范措施。如图4b所示，仅作为例子，具有业务信道和用于ANN信号的专用信令信道的通信信道401和其它的通信信道403的频率是分离的。节点C接收OBJ并因此不传送数据。
图5说明了一个成功的传输情形。例如，当节点B向节点A形成波束时，即当节点B从节点A进行接收时，节点B没有以非常大的功率电平接收通告消息(通告信号)，从而就能忽略其它的干扰。然而被节点C寻址的节点D可以接收通告消息，可以估计达到方向，可以找到适当的波束形成图案以进行接收，并且可以用例如，SCHin上的准备接收(RTR)信号应答节点C。节点C接着将数据传送给节点D。例如，节点D可以在SCHin上将确认(ACK)信号发送给节点C，以指示传输成功。因此，将来的发射器在访问业务信道，即数据信道(通信信道)之前模拟信令信道SCHin(其它通信信道)上的传输。相邻节点可以根据所接收到的通告消息估计干扰电平，并且如果该干扰电平太高则进行拒绝。
如上所述，本发明的方法还可以用于聋检测的情况中。
如图6所示，在正在进行的从节点B到节点A的传输过程中，节点C将向节点A进行传送。然而，如同6所示，由于节点A定向地检测节点B，因此节点A不能从节点C接收任何信息。
通信标准802.11试图通过允许节点C继续尝试联系节点A而解决聋问题，这就产生了无用的信号传输。然而，由于节点A保持向节点B形成波束，因此节点C的退让(back off)间隔就变得越来越大，从而节点B就可能在节点C之前再次获得访问，这就对节点C产生了不公平并导致分组丢失。
根据本发明，每个节点可以定向地或全向地检测出用于通告消息的信令信道(SCHin)。可以通过及时进行切换或通过利用允许有效 执行的信号处理单元来实现定向或全向模式。如上所述，根据本发明，当节点仅是全向地而不是定向地接收信号时，节点可以检测其聋情况。当进行聋检测时，节点可以启动各种装置进行聋解决，例如，发送聋提示音等。优选地，仅当接收器被传送通告信号的发射器寻址时，才发出聋提示音。
应该注意ANN信号可以包括目的接收器的ID。然而，其它实施方案包括匿名的ANN信号。在这种情况下，聋信号应该包括聋接收器的ID，从而“通告”发射器能够找出该发射器的目的方是否是聋的。
再次参考图1所示的接收器的实施例，接收单元101可以具有依赖于方向的方向特征，这种特征是由例如，具有朝向其它发射器的主接收波束(主波瓣)的波束形成图案确定的。因此，接收单元101可被配置为形成接收波束图案。
接收单元101可以包括用于数据接收的天线单元，该天线单元被配置为控制天线单元的接收特征以获得接收波束图案，其中当从主接收波束确定的方向接收信道信号时，即，为了捕获与发射器相关的到达方向，所述接收波束图案具有相应于最大天线增益的主接收波束。
而且，接收单元101被配置为接收通过通信信道内的通信网络传送的信号。如上所述，特定的频带可以确定通信信道。在这种情况下，接收单元可以被配置为抑制该特定的频带外的频率分量，以提供占用该特定的频带的信道信号。例如，接收单元101包括具有被形成为仅捕获特定的频带的特征的滤波器。
然而，可以由特定CDMA方案来确定通信信道。在这种情况下，接收单元101可以被配置为使用关于特定CDMA方案的信息，即使用正交序列，来接收信道信号，其中这种正交序列与该CDMA方案所使用的正交序列相关。
这里应该注意接收单元可以继续扫描专用信令信道。然而，接收单元还可以仅在特定时间点，例如每100毫秒，扫描信令信道，以获得通告信号。
在下文中，参考图7讨论隐藏终端的问题。例如，在从节点B 到节点A的正在进行的传输中，节点C将向节点D进行传送。根据802.11标准，节点C检测信道，并因此没有侦听到任何传输。这样节点C发送请求发送(RTS)，节点D发送清除发送(CTS)。接着，节点C发送数据业务，这就会在节点A产生冲突，从而产生分组丢失。
在图8中描述了与波束形成有关的聋情形。如所示的，由于节点A定向地检测节点B，因此节点A不能从节点C接收任何信息。这样，节点C继续试图联系节点A，这就产生了无用的信号传输。然而，由于节点A保持向节点B形成波束，节点C的退让间隔就变得越来越长，从而节点B就可能在节点C之前获得访问，如上所述，这样就导致了不公平和分组丢失。
再次参考图7所示，节点C可以在SCHin上以相同的波束形成图案传送通告消息，以指示节点C将使用该信道进行数据传输。但是，节点A当向节点B形成波束时，节点A并没有以非常大的功率电平接收通告信号(通告消息)。但是，节点D接收该通告消息，估计到达方向，找到用于接收的适当的波束形成，并用例如，SCHin上的准备接收(RTR)信号应答节点C。接着，节点C将数据传送给节点D，其中节点D在SCHin上向节点C发送确认(ACK)信号。因此，该信道被成功地访问。
对于聋检测，根据本发明，每个节点既可以定向地也可以全向地在SCHin上进行检测，其中可以采用周期切换和并行信号处理的方法。例如，再次参照图8所示，节点A使用全向传输在SCHout上发送聋(DFN)提示音。然而，节点C并没有传送数据而是减少其退让间隔。因此，可以达到更高程度的公平性和降低信令开销。
图9a表示本发明的成功的信道访问情形。特别地，图9a表示节点B和节点A之间正在进行的传输，其中节点A是接收器。节点C希望向节点D进行传送。因此，节点C在信令信道上以用于数据传输的相同的波束形成图案传送通告(ANN)消息。当节点A向节点B形成波束时，节点A没有以非常大的功率电平接收通告信号。因此， 节点A不必采取任何防范措施。节点D接收通告信号，估计该通告信号的到达方向，找到其进行接收的适当的波束形成，并在相同的信令信道上以准备接收(RTR)提示音应答，其中通告信号在该信令信道上被发出。接着，节点C将其数据传送给节点D，节点D向节点C发送数据接收确认(ACK)提示音。
图9b表示本发明的冲突避免情形。同样地，在节点B和节点A之间正在进行传输，其中节点A是接收器。同样地，节点C希望向节点D传送。在图9a中，节点A的天线增益图使节点C处于增益图的低增益部分，图9b与图9a不同，这是因为节点C不是“被无效的”。这样节点A以过大的功率电平接收通告消息，并在第二信令信道上，即带外信令信道上发送拒绝提示音。
节点C接收该拒绝提示音，并因此不传送数据。可替换地，节点A可以执行另一种“更软的”防范措施，以允许节点C的传输。一种这样的防范措施将是使节点A改变其天线图案，从而接收器A的天线图案具有朝向节点C的零或低增益部分。
图9c表示聋情形。同样地，在节点B和节点A之间正在进行传输，节点C希望向节点A传送。为此，节点C在带内信令信道上以与其想用于数据传输相同的波束形成图案传送通告消息。但是，由于节点A向节点B形成波束，因此节点A没有接收通告消息。因此，节点A关于处于节点C的方向上并希望与节点A联系的任何发射器都是“聋的”。
对于聋检测，节点A既定向地也全向地(如图9d中全向天线图所示，以虚线表示)检测信令信道。接着，由于通告消息被全向地接收，并且由于该通告消息将节点A指示为希望的收信方，即目的，因此节点A检测其聋情况。
对于聋解决方案，节点A优选地在使用全向传输的带外信令信道上发送聋提示音。节点C接收聋提示音，因此不传送数据，但是降低了其退让间隔。降低退让间隔会产生这种情况，即在与未降低的退让间隔相比更短的周期内，节点C再次试图与节点A联系。因此， 允许节点C在更短的周期内再次尝试进行传输，在每个解决的聋情况后这种周期变得更短。由于节点C没有不断地尝试到达节点A，因此这一过程具有的优点是更高水平的公平性和降低的信令开销，这将是完全不需要任何聋解决技术的情况。
鉴于此，应该提出的是聋提示音是匿名的提示音。然而，因为聋提示音仅被接收器发出，其中该接收器在通告信号或通告信号后的识别信号中被寻址，因此聋提示音是匿名的信号的事实不会产生问题。
ANN信号优选地包括目的接收器的ID。因此，接收器可以继续向发射器形成波形。根据本发明MAC协议的细节，接收器还传送准备接收(RTR)消息，接着被安排接收有效载荷数据。RTR消息可以包括或不包括发射器或接收器的ID。RTR消息还可以是不包含数据的简单的指示信号。
得知其目的地接收器方向的将来的发射器将使用数据信道上的特定波束形成图案。该波束形成图案优选地包括指向该接收器的主波束。根据本发明，该波束形成图案还用在信令信道上以传输ANN。因此，如果将来的发射器访问数据信道，则其它相邻节点能够使用ANN来估计也可能出现在数据信道上的预期干扰。
根据可进行调整的某种规则，将来发射器的每个当前进行接收的相邻节点检查其是否能够允许其它的干扰。例如，每个相邻节点可以计算其当前接收到的信号功率PDATA与其当前接收到的噪声功率Pn和预期的其它干扰功率PANN的和的比值。如果该比值仍然超过阈值SINRthreshold，则该节点能够接受所通告的传输。这种规则可以被写为：
否则，如果节点不能接受ANN通告的传输，则节点可以拒绝该次传输或采用任何其它的干扰-减少防范措施。
一般说来，本发明也可以用于非波束形成的天线。而且，可以采用多条数据信道。此外，可以对消息和提示音的数量和类型，其用途 以及使用的信道进行各种修改。例如，可以将通告消息发送两次，以允许在第一ANN时进行波束形成并在扩展传输范围内正确接收第二ANN。为此，ANN还可以被分为将不传送数据并且也不会产生其它节点的波束形成的信号，和如果没有出现OBJ，后续的ANN信号包含收信方的ID。
为了减小衰落的可能性，与使用单纯的提示音的情况相比，带外信令信道和OBJ(与DFN)信号可以跨越相当大的频带。
对于聋检测，可以使用两种波束形成图案，这两种图案都不是全向的。
在下文中，将参考两个例子解释本发明协议。
第一个例子表示成功的信道访问；第二个例子表示一个节点如何阻止另一个节点进行传送。在这两个例子中，假设布置波束形成天线。每个节点i能够将主波瓣指向第二节点j，从而生成天线增益图案Pij。全向天线可以被表示为具体的图案Pij＝Pomni。
图11(a)表示节点A向节点B传送数据，节点C将向节点D传送的情形。由于图中所画的波束形成图案表示线性天线增益，因此为进行成功的传输，该图案不能重叠。然而，在允许节点C访问TCH之前，BeamMAC要求节点C在SCHin上传送通告消息(ANN)，该ANN包含收信方(D)的标识符。为了传送ANN，节点C使用图案PCD，向其目的接收器形成波束。如果节点C没有配备波束形成天线，则节点C将使用全向图案POMNI传送ANN。当传送ANN时，节点C使用用于ANN的相同的图案PCD在SCHin和SCHout上侦听。由于没有出现问题，因此最终进行通信。
在图11(b)中，节点C将向节点E传送，因此使用天线图案PCE在SCHin和SCHout上传送ANN。节点B位于节点C的主波束方向上，因此通过其一个副波瓣接收ANN。但是由于在SCHin上发送ANN，因此并没有破坏节点B目前在TCH上接收的数据包。但是，如果节点C继续在TCH向节点E进行数据传输，则会出现冲突或至少出现SIR降级。为了避免这种较高程度的干扰，节点B通过在SCHout 上发送拒绝提示音(OBJ)或采取其它防范措施来拒绝节点C的传输。节点C在SCHout上检测到该OBJ并进入退让状态。
为了进行有效的干扰估计，优选地ANN消息和数据分组以相同的功率进行传输。因此，PANN可以被用作干扰功率的估计，如果没有发送拒绝消息，该PANN将会被加到接收节点的干扰功率电平中。因为，ANN消息优选地在SCHin上，即在与数据分组相同的频带内传输，因此ANN的信道衰落基本与目的数据信号传输的信道衰落相同。
下文中参考图10a、10b、13以及14a到15，概述本发明的主要特点。
图10a表示具有几个状态的状态转移图，其中所述状态可以被自组织网络中的通信节点代替。通常地，每种状态具有包括三行的圆圈。上面一行指示关于业务信道(TCH)的情况，中间一行指示关于带内信令信道(SCHin)的情况，而下面一行指示关于带外信令信道(SCHout)的情况。这就意味着例如在状态1010中，在TCH上没有出现任何情况，而在两个信令信道上设置了定向接收天线(RX dir)。对于状态之间由箭头指示的状态转移来说，水平线上的文字指示特定事件，而水平线下的文字表示对该事件所进行的响应。
第一状态是空闲节点1000，其具有全向接收天线设置(RXomni)。接着，节点1000希望与接收器进行通信。为此，发射器启动其定时器Ta，并将其发射天线的波束形成为定向发射天线设置(TXdir)。接着，传送通告信号ANN。此时，接收器处于另一种状态中，即处于已经通告传输的状态中，如图10a的1010所示。当定时器Ta到期时，即没有接收到准备接收信号时，就从状态1010返回到状态1000。但是，当接收到准备接收信号，没有检测到拒绝信号，并且定时器Ta已经到期时，则发射器开始在业务信道上通过其发射天线以定向设置传送数据。而且，启动另一个定时器Tack。当发射器已传送其数据时，则进入状态1020，此时，发射器等待确认(ACK)信号，该确认信号确认被寻址的接收器完全和成功地接收所有数据。一旦接收到该确认信号，或者一旦定时器Tack已经到期时，则状态就 从状态1020转移回状态1000。
然而当发射器处于状态1010，并且从另一个非寻址的接收器接收拒绝(OBJ)信号或者从被寻址的接收器接收聋(DFN)提示音时，通信节点就进入状态1030，在图10a中这被称为退让状态。在这种状态中，发射器保持等待直到退让定时器Tbo到期，再次进入空闲状态1000以重新尝试与期望的接收器联系。在优选实施例中，将接收器天线设置为全向接收状态(RX omni)，从而状态1030中的节点能够侦听识别状态1030中的节点的通告信号。因此，状态1030中的节点可以从其它发射器接收信息(由从状态1030到状态1040的箭头表示，该箭头与状态1000和状态1040之间的粗箭头相同)，同时处于退让状态中，其中该节点保持等待直到该节点可以进行发送为止。
状态1000、1010、1020以及1030相应于通信节点的“发射器特征”，而且在图13中由模块1300和1310表示这种特征。此外，参照图15所示，图15表示本发明接收器的主要功能的流程图。在步骤1500中，当发射器从状态1000转移到状态1010时，在信令信道(SCHin)上发送通告信号。接着，接收器在信令信道上侦听来自识别的接收器的准备接收信号(步骤1510)。而且，接收器在预定的时间周期内侦听拒绝提示音，其中所述预定时间周期与图10a中的定时器Ta相等。而且，作为一种防范措施，可能存在这种情况，即发射器需要与(可能的)拒绝接收器进行协商(步骤1520)。当还没有接收到拒绝时，并且当接收到准备接收信号时，在通过业务信道已经开始并完成数据传输后，发射器从状态1010跳变到状态1020(步骤1530)。
当通信节点扫描到识别该节点的通告信号时，就从状态1000跳变到状态1040。接着，检测到达方向(DOA)，并执行后续的波束形成，并且以定向发射天线图案传送准备接收信号。另外，启动定时器Tr。当定时器Tr到期时并且没有接收到数据时，就简单地从状态1040返回到状态1000。可替换地，处于状态1040中的接收器现在从发射器接收数据，其中发射器已转发通告信号。在完成数据的接收之后，处于状态1040中的接收器以其定向发射天线发送确认信号 (ACK)，并跳变回空闲状态1000。
状态1050指示没有被寻址但是目前通过业务信道正接收数据的接收器。这种接收器通过扫描专用信令信道接收通告信号，并且评估预期的干扰，以发现在业务信道上进行传送的新的发射器产生的干扰是否是可允许的。当这种干扰不被允许时，就采取防范措施，这种防范措施可以是硬措施，例如发出拒绝提示音，或者可以是“软”措施，例如采用多用户方案，用于使干扰的发射器无效的波束形成过程，或者与将要进行传送的发射器进行明确的协商以减小发射功率，或者与已有的发射器进行明确的协商以增强发射功率或增加接收数据中包括的冗余。这可以通过降低的码速率实现，其中码速率是在实际进行传送的发射器中设置的纠错编码器使用的码速率。
可替换地，当通信节点被通告信号识别时，就可能处于聋状态中。聋状态是由全向天线特征或定向天线特征之间的变化检测的。当检测到聋状态时，接收器自然地继续通过业务信道从已有的“发射器对方”接收数据，但是发出聋提示音。此外，如图10a所示，处于状态1060中的接收器为试图到达该接收器的发射器设置“公平标签”，以在其与发送对方的传输完成后执行任何公平措施。一种可能措施是执行波束形成操作，进入试图到达该接收器的发射器的方向中。另一种可能措施是在特定时间周期内拒绝与该接收器联系的任何其它请求，从而给予该聋-拒绝的发射器一个与接收器联系的公平机会。
图10b表示信道、消息和提示音的视图。
在下文中，将讨论图13。参照图10a中的状态图所示，接收器1相应于状态1040，即，接收器正忙于与发射器，例如其它发射器1310进行通信，而没有产生与聋或干扰相关的任何问题。图13中块1330所示的接收器2相应于状态1040中的另一个接收器，该接收器目前处于空闲状态但是被发射器寻址并可能遇到至少为聋的问题。最后，图13中块1340所示的接收器3指示当前处于空闲状态，并且是未被寻址的接收器，例如图10a的状态1000中的节点。
图14a表示接收器2可以执行的一序列步骤，其中接收器2当前 处于空闲状态但是被发射器寻址。在步骤1400中，该接收器侦听通告信号。
通常地，在检测到通告信号之前，在步骤1401中可以可选地执行聋检测。然而，这里应该注意的是，使用定向天线设置来检测通告信号就自动地排除了聋情况。
在聋情况中，仅通过使用全向接收天线设置才能检测通告消息。当在步骤1400中接收到通告信号时，并且当在步骤1401中没有遇到聋情况时，才执行接收器ID解码步骤1402。
然而，当检测到聋情况时(仅全向地接收ANN)，同时对ANN信号进行解码，以找到聋接收器是否是目的地址。只有当该聋接收器是ANN信号的收信方时，才使用全向天线设置发出匿名的聋提示音。
当非聋接收器确定新的发射器希望与该接收器通信时，在步骤1403中执行接收器波束到发射器1的对准。最后，在步骤1404中传送准备接收信号。在步骤1404后，如果其它的接收器都没有发出拒绝提示音，则该接收器处于状态1040。
图14b表示接收器的情况，该接收器忙于与其它的接收器进行传输，并且没有被通告信号识别。在这种情况下，必须执行干扰估计步骤1405。只有当估计出允许的干扰时，图14b所示的接收器将不会执行任何操作(块1406)。然而，当遇到不允许的干扰时，则在步骤1407中采取干扰防范措施。“最硬”的防范措施是块147中的防范措施(4)，即如图10a的状态1050所示发出拒绝提示音。其它更缓和的防范措施可以是基于该接收器的接收器ID或基于关于已经与该接收器通信的发射器的信息执行多用户检测方案。因此希望能够提高允许的干扰阈值，从而新的发射器能够保持在该阈值以下。
用于控制该阈值的另一种可替换的方案是当接收器执行用于“无效”新的发射器的波束形成过程。这里，允许的干扰阈值保持相同，但是新的发射器的允许的干扰功率增加。无论如何，必须执行这一步骤，从而不会干扰到已有的发射器的通信。自然地，波束形成可以使得接收器和当前进行传送的发射器之间的信噪比降低。然而，当降低 的信噪比仍然高于允许的信噪比时，这就不是问题了。
一种可替换的防范措施是当接收器开始与新的发射器进行协商以降低其发射功率，或者与当前进行通信的发射器进行协商以确保在所传送的数据中包括更多的冗余。在这种连接中可能存在几种可能性。但是，这里应该注意的是任何协商都会产生更复杂的协议。因此，对于要求在接收器和两个“竞争的”发射器之一之间进行通信的措施来说，“只有接收器”的措施是优选的。
图14c表示另一种接收器情况，即，当前处于空闲状态并且未被寻址的接收器。该接收器相应于图10a中的状态1000。接收器继续侦听通告信号。当接收到通告信号时，接收器对所包括的接收器ID进行解码。当接收器不被寻址时，则不进行其它任何操作。接收器仅开始等待专用信令信道上出现的下一个通告信号。
根据本发明方法的特定实施要求，可以用硬件或软件执行本发明方法。可以使用数字存储介质，特别是在其上存储电可读控制信号的磁盘或CD，执行该实施方案，其中磁盘或CD与可编程的计算机系统协同作用，执行本发明的方法。因此，一般地本发明是一种在机器可读载体上存储程序代码的计算机程序产品，当在计算机上运行该计算机程序产品时，可以操作该程序代码执行本发明的方法。因此，换句话说，本发明的方法是一种具有程序代码的计算机程序，当在计算机上运行该计算机程序时，执行至少一种本发明方法。
Claims (28)
1.用于具有非集中式介质访问控制的网络的接收器，包括：
用于为指示发射器希望访问传输介质的通告信号(ANN)的出现扫描专用信令信道(SCHin)并且用于在专用业务信道(TCH)上从其它发射器接收数据信号的接收单元(101)；
用于估计由发送所述通告信号的所述发射器的可能介质访问产生的业务信道上的干扰是否可被允许的干扰估计器(105)；以及
用于当所述干扰不被允许时，采取干扰防范措施的处理器(107)。
2.根据权利要求1所述的接收器，其中选择所述专用信令信道和所述专用业务信道使得所述专用业务信道的信道特征依赖于所述专用信令信道的信道特征，以及
其中所述干扰估计器(105)可进行操作以根据所述接收单元(101)扫描的通告信号估计所述干扰。
3.根据权利要求1所述的接收器，其中所述专用业务信道占用所述传输介质的频带，以及所述专用信令信道占用所述传输介质的相同频带的至少一部分，使用编码方案编码所述通告信号以从所述数据信号和所述通告信号的叠加中提取所述通告信号，
其中所述接收单元(101)可以进行操作为在所述频带内接收信道信号，以使用关于所述编码方案的信息从所述信道信号中提取信号部分，并且在所述信号部分中检测所述通告信号。
4.根据权利要求1所述的接收器，其中所述接收单元(101)被配置为实现具有指向其它发射器的主接收波瓣的接收波束图案。
5.根据权利要求1所述的接收器，其中当包含在所述通告信号中的标识符不识别所述接收器时，所述干扰估计器(105)可以进行操作以仅被激活。
6.根据权利要求1所述的接收器，其中作为防范措施，所述处理器(107)可以进行操作以使所述接收器发送拒绝提示音(OBJ)，通知所述发射器所述传输不被允许。
7.根据权利要求1所述的接收器，其中作为防范措施，所述处理器(107)可以进行操作以检测所述通告信号的入射方向，并且控制所述接收单元降低所述入射方向上的接收天线增益。
8.根据权利要求1所述的接收器，其中作为防范措施，所述处理器(107)可以进行操作以根据所述发射器、所述其它发射器或所述接收器的已知特征采用多用户检测方案或干扰消除方案。
9.根据权利要求1所述的接收器，其中作为防范措施，所述处理器(107)可以进行操作以与其它发射器进行协商以改善传输的鲁棒性，所述传输鲁棒性包括更高的传输功率或更高的数据冗余度。
10.根据权利要求1所述的接收器，其中作为防范措施，所述处理器(107)可以进行操作以与发送所述通告信号的所述发射器进行协商，以降低传输功率。
11.根据权利要求1所述的接收器，其中所述干扰估计器(105)可以进行操作以确定所述通告信号的功率或能量，和所述数据信号的功率或能量，并且根据所述确定值之间的关系估计所述干扰是否可被允许。
12.根据权利要求1所述的接收器，其中所述干扰估计器(105)可以进行操作以求出下面不等式的值：
其中Pdata是当前在业务信道上接收的数据信号功率，
Pn是噪声功率，
PANN是在所述专用信令信道中接收的通告信号的功率，以及
SINRthreshold是确保所述干扰可被允许的最小SINR。
13.根据权利要求1所述的接收器，其中作为防范措施，所述处理器(107)可以进行操作以发送拒绝信号，所述拒绝信号在不同于所述专用业务信道的其它信令信道内传输。
14.根据权利要求13所述的接收器，其中所述其它的信令信道是带外信道。
15.根据权利要求1所述的接收器，还包括：
用于指示所述接收器被所述发射器识别的识别检测器，以及
其中所述处理器还可以进行操作，以当所述接收器没有通过所述专用业务信道从所述其它发射器接收数据时，发送准备接收信号。
16.根据权利要求15所述的接收器，其中所述接收器可以进行操作以检测来自所述发射器的信号的入射方向，并控制所述接收单元(101)增加所检测的入射方向上的接收天线增益。
17.根据权利要求1所述的接收器，其中所述接收单元(101)被配置为利用依赖于方向的接收特征来接收所述信道信号，以及利用其它接收特征来接收其它信道信号，以进行聋检测。
18.根据权利要求17所述的接收器，其中所述接收单元(101)被配置为在一段时间间隔内应用所述依赖于方向的接收特征，以及在另一时间间隔内应用所述其它的接收特征。
19.根据权利要求17所述的接收器，还包括被配置为在其它专用信令信道内发送用于所述通信网络的所述聋信号的发射单元，以便当利用指向所述其它发射器的依赖于方向的接收特征时，指示所述接收器不能从与所述发射器相关的到达方向上捕获信号。
20.根据权利要求17所述的接收器，其中所述接收器可以进行操作以仅当所述接收器被识别为所述发射器寻址的接收器时，检测聋状态。
21.用于具有非集中式介质访问控制的网络的发射器，包括：
用于在专用信令信道(SCHin)上发送通告信号(ANN)的发射单元，所述通告信号指示所述发射器希望访问传输介质并与被寻址的接收器通信；
用于侦听来自非寻址的接收器的拒绝信号的接收单元；以及
用于控制所述发射单元，以便仅当还没有从非寻址的接收器接收到拒绝信号时，才开始在专用数据信道上发送数据信号的处理器。
22.根据权利要求21所述的发射器，
其中所述接收单元可以进行操作以侦听来自所述被寻址的接收器的准备接收信号，以及
其中所述处理器还可以进行操作以控制所述发射单元仅当从所述被寻址的接收器已接收到准备接收信号并且还没有从非寻址的接收器接收到拒绝信号时，才开始在专用数据信道上发送数据信号。
23.根据权利要求21所述的发射器，其中所述接收单元被配置为当已发送所述通告信号时在所述相同的信令信道上接收所述准备接收信号，并在不同的信令信道上接收拒绝信号。
24.根据权利要求21所述的发射器，其中所述接收单元可以进行操作以在不被所述业务信道覆盖的频带内接收所述拒绝信号。
25.根据权利要求21所述的发射器，其中所述处理器可以进行操作以当在预定的时间周期(Ta)内还没有接收到拒绝信号时，控制所述发射单元开始进行传输。
26.根据权利要求22所述的发射器，其中所述发射单元被配置为利用所述相同的波束形成图案发送所述通告信号，其中当发送所述数据信号时利用所述相同的波束形成图案。
27.在具有非集中式介质访问控制的网络中的接收方法，包括：
为通告信号(ANN)的出现扫描(101)专用信令信道(SCHin)，所述通告信号指示发射器希望访问传输介质；
在专用业务信道(TCH)上从其它发射器接收数据信号；
估计(105)在发送所述通告信号的所述发射器的可能介质访问产生的所述业务信道上的干扰是否可被允许；以及
当所述干扰不被允许时，采用(107)干扰防范措施。
28.在具有非集中式介质访问控制的网络中的发射方法，包括：
在专用信令信道(SCHin)上发送通告信号(ANN)，所述通告信号指示发射器希望访问传输介质并与被寻址的接收器通信；
侦听来自非寻址接收器的拒绝信号；以及
仅当还没有从非寻址的接收器接收到拒绝信号时，才开始在专用数据信道上传输数据信号。
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