CN101132600B - 无线网络中动态信道分配方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种无线网络中动态信道分配方法与装置，将无限局域网络中复杂的动态信道分配的问题构建成为译码的问题。本发明建立标准图来模型化无线网络中接入点与用户之间的环境，然后规范出该标准图在所有接入端节点与客户端节点的区域限制规则，并反复地通过和积算法，来得到动态信道分配的近似最佳化的解。本发明不仅是全分布式低复杂度的动态信道分配技术，并且大幅提高无线网络的数据传输量。本发明进一步采用用户互斥区域，来保证每个用户与接入点之间的链接质量。

Description

无线网络中动态信道分配方法与装置

技术领域

本发明关于无线网络中动态信道分配方法与装置。

背景技术

随着多元化的无线通讯服务，例如声音、数据和多媒体，剧增的需求，促进了高速无线局域网络(WLAN)的快速发展。为了满足快速发展的需求，网络提供的服务不仅可使用通过有线来服务，也可以使用通过无线节点来服务。因为成熟度高且成本低，无线局域网络提供的服务备受欢迎。

在一个无线局域网络的环境里，接入点(AP)通常独自设立，而没有一个整体网络的规划。此情况下，如果邻近的接入点使用了相同信道的话，那么这些接入点会彼此相互干扰。所以，如何限制干扰以维持一个高的载波干扰比(CIR)，来确保高的数据传输率变成是一个重要的议题。

近年来，广泛使用一种多入多出(MIMO)多用户的技术。此技术大幅减小共享信道干扰(CCI)，并且明显增加系统容量。此多入多出的技术里，在每个接入点和每个用户，使用多个天线来同时服务同一频带里的多个用户。该技术被认为是下一代的移动通讯与无线局域网络的可实行的解决良策。该多入多出技术中，一般而言，在不同角度位置里的用户，如果这些用户之间的角度分离足够大的话，则可用相同网络资源来服务他们。

在多入多出技术被应用到无线局域网络后，信道分配在增进网络传输量上就开始扮演一个重要的角色。在传统的无线通讯网络的技术领域里，根据消除共享信道干扰的方法，信道分配大致归为三种方法。第一种为固定式信道分配(FCA)，每个单元(cell)被分配给预定集合的信道(频率)。此固定式信道分配的方法简单，但是在不固定或不均匀的通信情况下，其实施效果不好。

第二种为动态信道分配。在传统的动态信道分配方法里，只要载波干扰比的条件要求符合的话，所有全球集合里的信道都可分配给任一个有服务需求的用户。该种传统的动态信道分配会遇到高度的系统复杂度，并且可能需要反馈大量的信道状态信息。

第三种为混合式信道分配(HCA)方法。复杂度与性能之间要取得平衡的话，适合采用该混合式信道分配方法。传统的动态信道分配方法与该混合式信道分配方法只有对具有相同单元的移动系统，表现出运行良好的能力。不幸的是，为了提供服务给通信阻塞的热点周围的用户，无线局域网络里接入点的配置始终是非均匀分配。甚至，在接收端不容易测量载波干扰比，而且在天线电波形成与频率均衡之前，高的载波干扰比并不直接表明好的服务质量。

发明内容

本发明提供一种无线网络中动态信道分配方法与装置，解决了上述传统信道分配的问题。利用一种标准图(normal graph)，对于非均匀分布的无线网络，提供了一种全分布式且低复杂度的动态信道分配技术。

根据该标准图的架构，本发明利用可用的用户位置信息，来定义软信息(soft information)以反应出区域通信状况。然后，在接入点与用户之间反复地交换该软信息，并通过标准程序，反复地将无线网络中信道的分配最佳化。这样大幅增加了网络的数据传输量。本发明进一步地采取用户互斥区域，来保证每个用户与接入点之间的链接质量。

据此，本发明的无线网络中动态信道分配方法主要包含下列步骤：(a)建立标准图，来模型化无线网络中接入点与用户之间的环境；(b)根据该无线网络中信道相关性(channel correlation)，规范出该标准图在所有接入端节点与客户端节点的区域限制规则；(c)反复地执行标准程序，使得软信息传递在这些接入端节点和客户端节点之间进行交换，借此达到动态地分配信道。根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该标准程序根据和积算法来执行。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该标准程序根据和积算法来执行。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该标准图的建立包括下列子步骤：

定义两种类型的节点，也就是接入端节点和客户端节点，来取代该无线局域网络环境里的所述多个接入点和所述多个用户；以及

只要当一个用户可被一个接入点检测时，从所述一个接入点到所述一个用户用一个边来连接，并且每个边与码字比特相关联。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该无线网络是无线局域网络。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中对于每个用户，根据用户的信道信息，定义用户互斥区域，来保证每个用户与接入点之间的链接质量。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中每个客户端节点的区域限制规则包括下列条件限制：

在该无线网络是一个单信道单数据传输率的环境下，确保在所有连接到所述客户端节点的边所关联的一个或多个码字比特恰好只存在一个非0的码字比特；以及

在该无线网络是多信道多数据传输率的环境下，允许存在多个非0的码字比特。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中每个接入端节点的区域限制规则包括下列条件限制：

当客户端被连线上接入点时，如果其它的客户端有类似的信道相关性，则所述其它的客户端就不能分配相同的信道。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该类似的信道相关性是指该信道相关性超过预定的阈值。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，根据每个用户的位置信息，该动态信道分配还定义用户互斥区域，来保证每个用户与每个接入点之间的链接质量。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该用户互斥区域允许每个客户端与每个接入点之间的通讯链接，同时得到降低客户端相互干扰的保护。

根据所述的无线网络中动态信道分配方法，其中每个用户的位置信息被转换成相关联的软信息，并且该软信息在所述多个接入端节点和所述多个客户端节点之间传递交换，借此实现该动态信道分配。

据此，本发明的无线网络中动态信道分配装置主要包含标准图模型化单元，将该无线网络中接入点与用户之间的环境模型化，并用标准图来表示，该标准图是由多个接入端节点、多个客户端节点、和多个边所组成，并且是一群交互式的区域限制规则的代表图；区域限制规则规范模块，规范出该标准图每个接入点与每个用户之间的区域限制规则；和动态信道分配模块，根据该区域限制规则，反复地执行标准程序，使得软信息传递在所述接入端节点和客户端节点之间进行交换，借此达到动态地分配信道，来实现该动态信道分配方法的运行。

根据所述的无线网络中动态信道分配装置，其中该无线网络是无线局域网络。

根据所述的无线网络中动态信道分配装置，其中该标准程序是和积算法。

根据所述的无线网络中动态信道分配装置，其中该标准图与该无线网络之间的结构对应为：

每个接入端节点和每个客户端节点分别对应该无线局域网络环境里的一个接入点和一个用户；以及

从每个接入点到每个用户用每个所述边来连接。

本发明与两种常用的公知信道分配技术，固定角度信道分配技术和空分多址(SDMA)技术相比，如果以在相同的比特错误率时可服务的用户个数来看，本发明使用标准图的信道分配都优于这两种公知信道分配技术，可以提升的系统的容量约可达到30％和200％的性能增益。

结合下列图示、实施例的详细说明及权利要求，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。

附图说明

图1说明本发明的无线网络中动态信道分配方法的步骤。

图2A是动态信道分配的一个实际的无线局域网络的实施例。

图2B是图2A的无线局域网络的一个标准图。

图2C是图2B的矩形方块的限制规则的一个实施例。

图2D是图2B的饼图示的限制规则的一个实施例。

图3是本发明实现该动态信道分配装置的一个方块示意图。

图4是本发明与常用的公知信道分配技术的效率比较图，横轴表示系统里的用户个数，纵轴表示通讯中断机率。

其中，附图标记说明如下：

101建立标准图，来模型化无线网络中接入点与用户之间的环境

102根据该无线网络中信道相关性，规范好该标准图在所有接入端节点与客户端节点的区域限制规则

103反复地执行标准程序，使得信息传递在这些接入端节点与客户端节点之间进行交换，借此达到动态地分配信道

301标准图模型化单元

303区域限制规则规范模块

305动态信道分配模块

具体实施方式

标准图开始是被使用在通讯系统中的译码过程。通过观察标准图中对数似然比(LLR)的交换，以及标准图离散式操作的特性，本发明把复杂的动态信道分配的问题构建成为译码的问题。

本发明观察到只要能够以一种标准图结构来模型化对动态信道分配的问题，然后规范好该标准图的所有节点应该实行的所有的区域规则，通过预分配区域代理间的信息传递，那么动态信道分配的问题就能容易地用标准的程序来解决。

据此，图1中，一一说明本发明的无线网络中动态信道分配方法。首先，建立标准图，来模型化无线网络中接入点与用户之间的环境，如步骤101所示。该标准图是由多个接入端节点、多个客户端节点、和多个边所组成，并且是一群交互式的检查规则的代表图。根据该无线网络中信道相关性，规范出该标准图在所有接入端节点与客户端节点的区域限制规则，如步骤102所示。反复地执行标准程序，使得信息传递在这些接入端节点和客户端节点之间进行交换，借此达到动态地分配信道，如步骤103所示。该标准程序就是著名的和积算法(sum-product algorithm)。

以图2A的动态信道分配的一个实际的无线局域网络为例，其中该无线局域网络的环境里备有多个接入点和多个用户。本发明首先将图2A的无线局域网络建立成如图2B的标准图。在图2A的接入点可以对应到图2B中的矩形方块，笔记本计算机(用户)则是对应到圆形的图示。然后，矩形方块的限制规则可以根据图2C中的实施例来设定，如果两台笔记本计算机对于同一接入点而言，如果他们的信道太过相似也就是信道相关函数值超过一个预定的常数，例如0.6，则这两台笔记本计算机的连线不可以同时建立。而饼图示的限制规则是根据图2D设定，其中因为每个用户(笔记本计算机)都希望可以获得一条信道来传递信息，因此合法码字(codeword)的字符中恰好有一个非零元素。

图2C中，说明接入端节点A₁的区域限制规则，其中左图的信道相关函数，例如信道相关矩阵，其元素值都小于预定的常数0.6，而其中右图的信道相关矩阵中，如果元素c₁₂与c₂₁的值0.7大于预定的常数0.6，则合法码字就不会是11x，即110与111。图2D则是说明客户端节点(有一台笔记本计算机)的区域限制规则的一个实施例。

完成标准图的建立，并且规范好该标准图在所有接入端节点与客户端节点的区域限制规则之后，本发明根据和积算法的原理，使得信息在接入端节点与客户端节点之间传递交换，并且最后收敛到一组合法的码字，借此实现动态信道分配。

也就是说，该和积算法是该无线局域网络中接入点与用户之间信息传递进行交换的工具，借此使信道资源分配最佳化，以提升网络通讯系统的容量。根据每个用户的位置信息，本发明进一步地定义用户互斥区域，来保证每个用户与接入点之间的链接质量。

在步骤101中，动态信道分配的标准图的建立是以下列子步骤来实现的。

子步骤1：定义两种类型的节点，也就是接入端节点和客户端节点，来取代该无线局域网络的环境里的多个接入点和多个用户。以图2A的无线局域网络为例，该无线局域网络的环境里有5个接入点和6个用户。接入端节点A₁-A₅代表5个接入点，而客户端节点S₁-S₆代表6个用户。

子步骤2：只要当一个用户可被一个接入点检测时，从所述一个接入点到所述一个用户用一个边来连接。这些边集合起来代表一个码字。每个边与一个码字比特(codeword bit)相关联，该码字比特可以是非0(不失一般性，例如以1表示)或是0。非0是指相对应的用户与接入点之间连线，信号正在传输中。0是指该边是一个干扰链接。

换句话说，每个码字描述了一个动态信道分配的解。而本发明只是需要根据规范好的所有客户端节点与接入端节点的区域限制规则，来决定该最好的码字。以下进一步说明在每个节点的区域限制规则。

首先说明在每个客户端节点的区域限制规则。为易于了解起见，假设该无线网络是一个单信道单数据传输率的环境，换句话说，一个连线中的客户端只接受来自一个接入端的服务，并且该服务在一个时间区间或是一个频段里仅限于一条单一的信道。该情况时，每个客户端节点的区域限制规则为，确保在所有连接到该客户端节点的边所关联的码字比特们恰好只存在一个1。然而，该规则可以轻易地延伸到多传输率的多信道系统，只要允许存在多个1在码字比特们里即可。

以下说明在每个接入端节点的区域限制规则。对于每个用户，本发明利用该用户的信道信息，定义用户互斥区域，来保证该用户与接入点之间的链接质量。当客户端被连线上接入点时，就定义了一个用户互斥区域，并且其它的客户端就不能分配相同的信道，如果这些其它的客户端有类似的信道的话，例如信道相关性超过预定的阈值。

值得注意的是，在多入多出的系统里，一个用户互斥区域对使用不同接入点的客户端没有效用，因为这些客户端对信道还有角度的选择性。根据信道相关矩阵的信息，一个用户互斥区域可以使其客户端与接入点之间的通讯链接，同时得到降低客户端相互干扰的保护，以保证每个用户与接入点之间的链接质量。

以5个客户端S₁-S₅连接接入点A₁为例。根据信道相关矩阵的信息，如果以接入点A₁为顶点，客户端S₁和S₂在角度上相近的话，则在相同的频段与相同的时间区间里，到相同接入点的信道链接就不分配给客户端S₁和S₂。因此，接入点A₁的合法码字就不会是{11xxx}，其中“x”代表“不受限制”。同样地，如果以接入点A₁为顶点，客户端S₁、S₄和S₅在角度上相近的话，则接入点A₁的合法码字就不会是{xx111，xx110，xx101，xx011}。同样地，也可以根据距离的分布信息，定义出接入点A₁的不合法的码字。

接下来说明本发明如何将用户的位置信息转换为软信息，以及如何计算每个节点的软信息。

首先，定义从客户端节点S_i传到接入端节点A_j的软信息SI的初始值为节点A_j服务节点S_i的机率，并且

SI(S_i，A_j，1)＝1-SI(S_i，A_j，0)

             ＝λ·exp(d_ij/R_j)，

其中，SI(x，y，b)代表从节点x传到节点y的软信息，并且连接所述两节点的边的相对应的码字比特的值为b；d_ij是节点S_i与A_j之间的距离；R_j是节点A_j的收敛半径；λ是归一化因子，当S_i位于A_j的边上时，λ使机率SI(S_i，A_j，1)的值为1/2。

当每个接入点接收来自关联的客户端的软信息SI后，该接入点根据代码簿(codebook)，也计算出它的软信息SI，并传回到该关联的客户端。以前述5个客户端S₁-S₅连接接入点A₁为例，从接入端节点传到客户端节点的软信息计算如下。

SI(A₁，S₁，1)＝λ₁₁(1-SI(S₂，A₁，0))；

SI(A₁，S₁，0)＝λ₁₁；

而SI(A₁，S₃，1)＝SI(A₁，S₃，0)＝0.5。以同样的方式也可算出从接入点A₁传到客户端S₁、S₄和S₅的软信息，此处不再计算。如果有很多个客户端连接到一个接入点，则可将限制规则细分为多个较简单的限制规则，来降低软信息的计算复杂度。

和积演算中，一次完整的迭代还包括(1)使用从接入端节点传到客户端节点的软信息，和(2)符合数据传输率的要求，来算出从客户端节点传到接入端节点的软信息。

在每次迭代结束时，本发明进一步计算每个码字比特的可能区间，以决定本发明的迭代计算是否视为收敛。在每次迭代结束时，客户端S_i与接入端A_j之间的码字比特的值暂时决定如下。

若SI(S_i，A_j，1)SI(A_j，S_i，1)＞SI(S_i，A_j，0)SI(A_j，S_i，0)，则

该码字比特的值暂时决定为1；否则为0。如果所有的暂时决定都符合所有的区域限制规则，决定本发明的迭代计算为收敛。因为在相当严重的信道过载的无线通讯网络的环境下，解决信道分配的问题可能不存在一种可预见的解决方法。所以，本发明的迭代计算并不保证在任何环境下都是收敛的。然而，与既存的动态信道分配技术相比，本发明的模拟实验结果始终维持低的计算复杂度，并且可提供一个优选的解答。

根据上述的无线网络中动态信道分配方法，图3是本发明实现该动态信道分配的装置的一个方块示意图。参考图3，该动态信道分配装置包含标准图模型化单元301、区域限制规则规范模块303，和动态信道分配模块305。

标准图模型化单元301以标准图将该无线网络中接入点与用户之间的环境模型化。如前所述，该标准图是由多个接入端节点、多个客户端节点、和多个边所组成，并且是一群交互式的区域限制规则的代表图。根据该标准图和该无线网络中信道的相关性，区域限制规则规范模块303规范出该标准图每个接入点与每个用户之间的区域限制规则。动态信道分配模块305根据该区域限制规则，反复地执行标准程序，使得信息传递在这些接入端节点和客户端节点之间进行交换，借此达到动态地分配信道。

标准图的建立、区域限制规则、以及标准程序等皆如前所述，不再重述。

为证明本发明的性能，本发明将模拟结果与两种常用的公知信道分配技术，固定角度信道分配技术和空分多址技术相比较。图4中，相比的公知信道分配技术包括(1)-用户互斥区域的固定角度信道分配，(2)120度扇形-用户互斥区域的固定角度信道分配，(3)90度扇形-用户互斥区域的固定角度信道分配，和(4)空分多址技术。而横轴表示系统里的用户个数，纵轴表示通讯中断机率，SDMA及本发明的括号内的30与60是代表无线电传播的角度。

图4的效率评估如果以在相同的比特错误率时可服务的用户个数来看，则本发明使用标准图的信道分配都优于所述两种公知信道分配技术，并且可以提升系统的容量约可达到30％和200％的效率增益。

以上所述仅为本发明的实施例而已，不能据此限定本发明实施的保护范围。即凡在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (13)

1.一种无线网络中动态信道分配方法，包含下列步骤：

建立标准图，来模型化无线网络中接入点与用户之间的环境，该标准图是由多个接入端节点、多个客户端节点和多个边所组成，并且是一群交互式的检查规则的代表图；

根据该无线网络中信道相关性，规范出该标准图在所有接入端节点与客户端节点的区域限制规则；以及

反复地执行标准程序，使得软信息传递在所述接入端节点与所述客户端节点之间进行交换，借此达到动态地分配信道；

其中该标准图的建立包括下列子步骤：

定义两种类型的节点，也就是接入端节点和客户端节点，来取代该无线局域网络环境里的所述多个接入点和所述多个用户；以及

只要当一个用户可被一个接入点检测时，从所述一个接入点到所述一个用户用一个边来连接，并且每个边与码字比特相关联。

2.如权利要求1所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该标准程序根据和积算法来执行。

3.如权利要求1所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该无线网络是无线局域网络。

4.如权利要求1所述的无线网络中动态信道分配方法，其中对于每个用户，根据用户的信道信息，定义用户互斥区域，来保证每个用户与接入点之间的链接质量。

5.如权利要求1所述的无线网络中动态信道分配方法，其中每个客户端节点的区域限制规则包括下列条件限制：

在该无线网络是一个单信道单数据传输率的环境下，确保在所有连接到所述客户端节点的边所关联的一个或多个码字比特恰好只存在一个非0的码字比特；以及

在该无线网络是多信道多数据传输率的环境下，允许存在多个非0的码字比特。

6.如权利要求1所述的无线网络中动态信道分配方法，其中每个接入端节点的区域限制规则包括下列条件限制：

当客户端被连线上接入点时，如果其它的客户端有类似的信道相关性，则所述其它的客户端就不能分配相同的信道。

7.如权利要求6所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该类似的信道相关性是指该信道相关性超过预定的阈值。

8.如权利要求1所述的无线网络中动态信道分配方法，根据每个用户的位置信息，该动态信道分配还定义用户互斥区域，来保证每个用户与每个接入点之间的链接质量。

9.如权利要求8所述的无线网络中动态信道分配方法，其中该用户互斥区域允许每个客户端与每个接入点之间的通讯链接，同时得到降低客户端相互干扰的保护。

10.如权利要求8所述的无线网络中动态信道分配方法，其中每个用户的位置信息被转换成相关联的软信息，并且该软信息在所述多个接入端节点和所述多个客户端节点之间传递交换，借此实现该动态信道分配。

11.一种无线网络中动态信道分配装置，包含有：

标准图模型化单元，将该无线网络中接入点与用户之间的环境模型化，并用标准图来表示，该标准图是由多个接入端节点、多个客户端节点、和多个边所组成，并且是一群交互式的区域限制规则的代表图；

区域限制规则规范模块，规范出该标准图每个接入点与每个用户之间的区域限制规则；以及

动态信道分配模块，根据该区域限制规则，反复地执行标准程序，使得软信息传递在所述接入端节点和客户端节点之间进行交换，借此达到动态地分配信道；

其中该标准图与该无线网络之间的结构对应为：

每个接入端节点和每个客户端节点分别对应该无线局域网络环境里的一个接入点和一个用户；以及

从每个接入点到每个用户用每个所述边来连接。

12.如权利要求11所述的无线网络中动态信道分配装置，其中该无线网络是无线局域网络。

13.如权利要求12所述的无线网络中动态信道分配装置，其中该标准程序是和积算法。

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