CN101682915A

CN101682915A - 无线网络中的合作多路访问

Info

Publication number: CN101682915A
Application number: CN200880020673A
Authority: CN
Inventors: T·科克斯; A·霍什内维斯
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: EP2158703A1; WO2008157147A1; US8576772B2; US20080310405A1; CN101682915B; EP2158703A4

Abstract

无线节点的合作群在通过MIMO信道合作地与目的地节点进行通信之前交换数据。在M个节点的合作群中，每个节点与其它节点中的每个共享它自己的数据的1/M，并且保留它自己的数据的1/M用于传输。每个节点接收来自每个合作节点的数据的1/M。数据在每个合作节点经过合并，并且发送给目的地节点。

Description

无线网络中的合作多路访问

技术领域

一般来说，本发明涉及无线通信，更具体来说，本发明涉及用于提供无线系统中的多路访问的技术。

背景技术

无线通信系统的普及度正在迅猛增长，并且对于无线服务的需求在不断增加。照这样，可以预见未来无线系统的数据速率必须显著增加。一种已经成功地用于无线系统中的性能增强技术是多输入多输出或MIMO。在MIMO系统中，在无线通信链路的每侧使用多个天线。因此，发射装置使用多个发射天线向接收装置发送数据，并且接收装置使用多个接收天线来接收所发送数据。MIMO技术的使用能够通过分别提供空间复用增益、分集增益和阵列增益来提高系统中的谱效率、链路可靠性和功率效率。但是，如上所述，MIMO通常要求系统中的每个装置具有多个天线。在一些系统中，在每个通信装置内提供多个天线是不实际的。需要允许在使用单天线装置的系统内获得MIMO的优点的技术。

附图说明

图1示出与目的地节点进行通信的两个源节点；

图2示出合作地与目的地节点进行通信的两个源节点；

图3示出两个合作节点之间的数据交换；

图4示出具有使用合作多路访问的多个站的无线网络；

图5示出能够进行合作通信的发送节点的框图；

图6示出能够进行合作通信的接收节点的框图；以及

图7示出根据本发明的各种实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参照附图，附图通过图解示出可实施本发明的具体实施例。充分详细地描述这些实施例，使本领域的技术人员能够实施本发明。要理解，本发明的各种实施例虽然不同，但不一定相互排斥。例如，本文中结合一个实施例所述的具体特征、结构或特性可在其它实施例中实现，而没有背离本发明的精神和范围。另外，要理解，可修改每个公开的实施例中各个要素的位置或布置，而没有背离本发明的精神和范围。因此，以下详细描述不应视为限制性的，本发明的范围仅由适当解释的所附权利要求以及权利要求涵盖的等效物的全部范围来定义。附图中，相似的标号在若干视图中表示相同或相似的功能性。

本发明涉及用于在网络内的无线装置之中提供合作操作以增加用于向远程无线实体发送数据的天线的数量的技术。以这种方式，多个单天线装置可相互合作以表现为单个多天线装置，使得可获得MIMO操作的益处中的许多益处。通过单天线装置和多天线装置都可实现本发明的技术。另外，本发明的技术可用于无线局域网(LAN)、无线广域网(WAN)、无线城域网(MAN)、本地多点分布服务(LMDS)系统、多信道多点分布服务(MMDS)系统、无线蜂窝电话网络、地面无线通信网络、卫星通信网络和/或其它类型的无线系统和网络内。

图1示出无线网络布置100内与目的地节点进行通信的两个源节点。如图所示，第一和第二无线源节点112、114以多路访问关系分别与目的地节点116进行通信。目的地节点116具有有限的通信资源可供它用于向源节点提供服务，并且必须在当前节点(用户)之中分配这些资源。在多路访问系统中可采取各种各样的不同方式来分配资源。用于分配资源的一些技术包括：时分多址(TDMA)，其中将一个或多个时隙分配给每个活动用户；频分多址(FDMA)，其中将一个或多个频率信道分配给每个用户；码分多址(CDMA)，其中可将一个或多个扩展频谱代码分配给每个用户；正交频分多址(OFDMA)，其中可将副载波的小组分配给每个用户；空分多址(SDMA)，其中可将公共资源同时分配给两个不同用户，只要空间上分离的天线波束用于两个用户；以及具有防碰撞的载波检测多址(CSMA-CA)，其中用户首先查看介质当前是否忙，如果介质不忙，则进行发送，如果发生碰撞，则进行重传。也可使用上述技术的组合。这些技术全部要求不同用户为可用资源“竞争”。

本发明涉及一种在本文中称作合作多路访问的技术。合作多路访问允许多个用户形成合作群，所述合作群作为单个实体与远程目的地装置(例如，基站、接入点等)进行通信。通过相互合作，群中的装置不再为通信资源而相互竞争。而是，向合作装置指配它们可以好像是单个装置那样合作使用的单一资源分配。即使合作装置是单天线装置，合作布置也允许装置获得基于MIMO的无线操作的益处中的许多益处(例如，空间复用增益、分集增益、阵列增益等)。群内的合作装置可包括全部单天线装置、全部多天线装置、或者单天线装置和多天线装置的组合。

图2示出合作地与目的地节点进行通信的两个源节点。如图所示，第一和第二无线节点212、214作为合作群220相互联络，以便与远程无线目的地节点216进行通信。如将更详细地描述的，合作装置212、214可经由群内无线链路218相互通信。群220则可作为单个MIMO类型单元，经由MIMO信道向目的地节点216发送数据。这种技术可称作MIMO单用户(MIMO-SU)。群220可利用目的地节点216所分配的公共时间/频率资源(可使用诸如，例如，OFDMA、OFDM-TDMA和/或其它技术之类的资源分配技术)。在接收之后，目的地节点216可对来自群220的数据进行解调和解码，并且分出与合作装置212、214中的每个相关联的数据。在至少一个实施例中，节点216内的接收器使用常规MIMO接收器设计。节点216可以在它支持合作群220的同时，能够支持其它非合作无线装置和/或其它群。

在本发明的各种实施例中，合作通信过程被分解为两个阶段。在第一阶段，合作节点交换要送往目的地节点的数据。这个阶段被视为带内合作开销，因为没有向目的地节点传送有用信息。在第二阶段，所有参与的合作节点向目的地节点发送数据，使得在目的地节点相干地组合由合作节点发送的所有分组。本发明的各种实施例通过交换比要送往目的地节点的全部数据少的数据来减小与合作过程的第一阶段相关联的开销。下面参照图3进一步描述在两个合作节点之间比全部数据少的数据的合作消息交换。

图3示出两个合作节点之间的数据交换。在第一无线网络节点的数据和操作一般在310示出，而在第二无线网络节点的数据和操作一般在330示出。例如，在310示出的数据可以是源节点212(图2)所生成或者所操作的数据，而在330示出的数据可以是源节点214(图2)所生成或者所操作的数据。数据分组312包括由第一无线网络节点所生成的、将要发送给目的地节点的数据。同样地，数据分组332包括由第二无线网络节点所生成的、将要发送给相同的目的地节点的数据。

第一节点将数据分组312分为两个部分，即，分别在314和316示出的D1-1和D1-2。同样地，第二节点将数据分组332分为两个部分，即，分别在334和336示出的D2-1和D2-2。然后，各节点将其数据的一半提供给合作节点。例如，如图3所示，D2-2从第二节点发送给第一节点，并且D1-2从第一节点发送给第二节点。D1-1和D2-2的组合根据需要经过交织和编码而成为发送数据分组320，并且D2-1和D1-2的组合根据需要经过交织和编码而成为发送数据分组340。第一节点发送数据分组320，并且第二节点发送数据分组340。

在图2和图3的两节点合作系统示例中，接收器在接收之后对数据分组进行解交织和解码。在解交织和解码之后，接收器具有两个分组，每个分组由两个分开的部分组成。一个分组包括来自第一节点的数据(D1-1)和来自第二节点的数据(D2-2)。同样地，另一个分组包括来自两个节点的其余数据(D2-1，D1-2)。

如两节点示例中所示，每个合作节点把比其全部数据少的数据发送到合作节点。在一些实施例中，两个节点中的每一个将其数据的一半发送给合作节点。这减小合作多路访问的第一阶段中所花费的时间。下面进一步描述包括不止两个合作节点的示例实施例。

图4是说明根据本发明的一个实施例的示例合作多路访问无线网络布置400的框图。如图所示，布置400包括多个无线网络站(STA)412、416、422和426，它们合作地充当合作群410。群410通过MIMO信道与远程无线接入点(AP)460进行通信。接入点460可包括例如同时与多个外部无线装置进行通信的任何其它类型的无线装置或系统。接入点460包括多个天线462、464。可使用任何数量的天线。除了群410之外，接入点460还可同时与其它装置和/或群进行通信。任何类型的无线网络站可形成群，包括例如具有无线能力的计算机、具有无线能力的个人数字助理(PDA)、蜂窝电话和其它手持无线通信装置和/或其它装置。另外，在至少一个实施例中，单个合作群可包括不同类型的无线用户装置。例如，群可包括合作向远程基站发送数据的蜂窝电话和PDA。群410中的每个无线网络站412、416、422和426包括至少一个对应的天线414、418、424、428。可使用任何类型的天线，包括例如偶极天线、接线天线、螺旋天线和/或其它天线。

在群410能够与接入点460进行通信之前，必须形成该群。如前面所述，在一些实施例中，合作群内的装置使用群内无线链路相互通信。这些群内链路应当是能够采用相对较高的数据速率的高质量链路(例如，高信噪比(SNR)等)。当在合作用户之间存在高质量链路时，用户能够以功率和带宽方面的极小成本来交换分组。因此，在至少一个实施例中，仅允许能够相互之间支持高质量链路的无线用户装置形成群。例如，仅当与装置相关联的信道质量参数满足预定条件(例如，装置与群中的其它装置之间的信道的信道系数大于阈值)时，才可允许用户装置加入特定群。在一种可能的方法中，可将用户装置指定为群的主控者以控制组的形成。这可以是例如表明形成群的意愿的第一装置。然后，主控装置可在其它装置合格时允许其它装置加入群。可对每个候选装置相对于群内的每个其它装置的信道质量进行测量。在一些实施例中，可存在将被准许加入群的装置的最大数量。作为备选，可使用建立群的其它技术。

在一些实施例中，群410中的无线站使用相同的通信资源来合作地通信以及与接入点460进行通信。例如，布置400可以是802.11无线网络，并且群410中的站可将相同频率信道和信道接入方法用于群内通信以及与接入点460之间的通信。

在以上讨论的示例中，基于MIMO的装置被表示为包括两个天线。应当理解，装置(或群)可包括大于一的任何数量的天线以支持MIMO操作。但是，可能达到一个点，在该点，向群添加另外的用户装置不会提供附加的性能增益。群中的装置可均具有一个或多个天线。

在群内可包含任何数量的合作装置，并且每个节点与合作节点共享比其全部数据少的数据。例如，如果总共有M个合作节点，则每个节点保留它自己的数据的(1/M)，而与其它节点共享其数据的其余(M-1)/M。因此，例如，对于两个合作节点的情况，在每个节点生成的最终分组使用它自己的数据的一半和另一个用户的数据的一半。这示于图2和图3中。

作为其中所有合作节点与所有其它合作节点共享每个完整的数据分组的对比情况，这个过程引起在分组交换阶段中节省一个分组的传输。这种节省相当于t＝1/C₁秒的变得空闲的时间，其中C₁表示单位为分组/秒的分组传输速率。

可通过保存交换信息量的方式在两个阶段之间共享额外时间。假定t＝t₁+t₂，其中将t₁分配给阶段1，而将t₂分配给阶段2。那么，阶段1中的每个分组可包含(t₁C₁/M)的更多信息。这个额外信息等于可在第二阶段检索的额外信息，它通过(t₂C₂)给出，其中C₂是到目的地的合作链路的容量。因此，得到：

t = \frac{1}{C_{1}}

t＝t₁+t₂

t_{1} \frac{C_{1}}{M} = t_{2} C_{2}

求解t₂，则得到

t_{2} = \frac{1}{{MC}_{2} + C_{1}}

这是在阶段2中可获得的额外时间，它可被分配用于有用数据的传输。通过下式来确定增益量：

ΔT = C_{2} t_{2} = \frac{C_{2}}{{MC}_{2} + C_{1}}

注意，增益是随合作节点的数量M单调递减的函数，因此，当仅有2个合作节点时，达到最大增益，而随着M趋于无穷大，增益趋于零。

图5示出能够进行合作通信的发送节点的框图。发射器系统500可用于例如将要加入合作多路访问系统中的合作群的无线用户装置(例如，图2中的节点212等)内。如图所示，发射器系统500可包括：比特流接收器502、比特流合并器510、时间-频率编码器和交织器520、符号映射器530、RF发射器540、处理器504和存储器506。RF发射器540可耦合到一个或多个天线542，以便于将信号发送到无线信道上。

在本发明的至少一个实施例中，在数据由合作群发送给目的地节点之前，群的装置交换它们希望发送给目的地节点的数据消息的部分。在这个数据交换之后，群的每个装置具有群中的其它装置的消息的一部分。

比特流接收器502接收来自群中的合作节点的合作比特流。在一些实施例中，比特流接收器502专用于在群内链路上操作，如上所述。在其它实施例中，比特流接收器502是用于所有信号接收的通用接收器。例如，系统500可以是无线网络中的诸如膝上型计算机之类的移动用户装置的部分，并且接收器502和发射器540都可操作以在无线网络中进行通信。

特定装置内的比特流合并器510将合作群内的其它装置的比特流与该装置本身的比特流进行合并，从而形成已合并的比特流。例如，合作群中的M个节点中的每个将它自己的本地比特流的(1/M)与其它M-1个合作节点的各比特流的(1/M)进行合并。

合作群内的其它装置中的每个也按照同样的方式将比特流合并在一起。可建立优先级方案，使得每个装置知道合并比特流要采取的顺序。已合并的比特流随后由时间-频率编码器和交织器520进行处理，时间-频率编码器和交织器520对该流应用时间-频率编码和交织，从而生成已编码的比特流。虽然示为单个单元，但是应当理解，在至少一个实施例中，时间-频率编码和交织可分开执行。合作群内的每个装置将在这个阶段应用相同的时间-频率编码。

符号映射器530接收待发送的已编码的比特流，并且按照预定调制方案将比特映射到符号。然后将符号传递给RF发射器540，RF发射器540可对符号进行上变频，并且在将它们馈送给天线542以便发送到无线信道上之前进行放大。

在操作中，处理器504从存储器506读取指令和数据，并且对此进行响应而执行动作。例如，处理器504可从存储器506存取指令，并且执行本发明的方法实施例，例如方法700(图7)或者参照其它附图所述的方法。处理器504表示任何类型的处理器，包括但并不局限于微处理器、数字信号处理器、微控制器等等。

存储器506表示包括机器可读介质的产品。例如，存储器506表示随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器或者包括处理器504可读的介质的任何其它类型的产品。存储器506可存储用于完成本发明的各种方法实施例的执行的指令。

图5所示的每个框可通过硬件、软件或者它们的任何组合来实现。例如，处理器504可通过执行存储器506中存储的指令来执行参照图中的其它框所述的各种功能。又例如，每个功能框可通过可编程硬件或专用硬件来实现。

图6示出根据本发明的一个实施例、能够接收来自合作群的传输的接收节点的框图。接收器系统600可包括：第一和第二RF接收器610、640，第一和第二符号解映射器620、650，第一和第二解交织器和时间-频率解码器630、660，以及复用器670。第一和第二RF接收器610、640可分别耦合到对应的接收天线612、642，以便于从无线介质接收信号。当合作群向接收器系统600发送信号时，第一和第二RF接收器610、640接收信号，并且将它们转换成基带表示。然后，第一和第二符号解映射器620、650将信号解映射成软比特。第一和第二解交织器和时间-频率解码器630、660生成已解码的比特流。每个已解码的比特流可以是包括与始发合作群内的每个用户装置相关联的部分的已合并的比特流。然后，复用器670将解交织器和时间-频率解码器630、660的输出复用成对应每个合作节点的单个流。

图7是说明根据本发明的一个实施例、用于以合作多路访问模式来操作用户装置的示例方法700的流程图。首先，用户装置建立或加入需要向远程目的地节点上行传输数据的用户装置的合作群(框710)。任何数量的装置(即2个或更多)可以是群的部分。在已经形成群之后，用户装置识别待发送给目的地节点的数据分组(框720)。用户装置向群中的合作装置发送少于数据分组全部数据的数据(框730)。例如，在M个合作节点的群中，每个节点将其数据的不同1/M传递给其余M-1个合作节点中的每个。类似地，用户装置可从群内的其它合作装置中的一个或多个(或者全部)接收需要传递给目的地节点的合作数据(框740)。来自M-1个合作节点中的每个的合作数据包括来自该节点的数据的1/M。合作节点之间的这种数据传递可使用群内无线链路来执行，或者可使用为群与目的地之间的通信使用的相同介质来执行。

来自合作装置的合作数据随后与执行该方法的用户装置中始发的数据分组的其余部分组合(合并)(框750)。可例如通过以预定方式把各个比特流连接在一起来执行合并。可在其它合作装置中的每个中执行合作数据的相同合并，从而生成每个合作装置内的唯一的已合并的比特流。然后，在用户装置内，已合并的比特流经过时间-频率编码、交织并且映射到符号，从而生成发送分组(框760)。然后将已编码的比特流发送到无线信道中(框770)。

在至少一个实施例中，在群内无线链路内使用与到目的地装置的MIMO信道内所使用的频带不同的频带。以这种方式，群内通信不会在主通信网络内产生带宽损失(penalty)。例如，在一种可能的实现中，群内的每个无线用户装置可同时包括IEEE 802.11a无线电和蓝牙无线电。蓝牙无线电可用于支持群内链路，而IEEE 802.11a无线电提供与远程目的地节点之间的通信。使用蓝牙无线电的通信不会在IEEE802.11a网络内产生带宽损失。在其它实施例中，用于主网络的相同的频带可用于群内链路。例如，在一种可能的实现中，合作装置中的每个可以仅包括IEEE 802.11a无线电。装置则可将这个无线电用于群内通信以及与远程目的地节点之间的通信。大家会理解，许多不同的备选方案可用于支持群内通信。

本发明的技术和结构可通过各种不同形式中的任一种来实现。例如，本发明的特征可在下列各项内实施：具有无线能力的膝上型计算机、掌上计算机、台式计算机和平板计算机；具有无线能力的个人数字助理(PDA)；蜂窝电话和其它手持无线通信装置；寻呼机；卫星通信装置；具有无线能力的照相机；具有无线能力的音频/视频装置；网络接口卡(NIC)和其它网络接口结构；基站；无线接入点；集成电路；作为机器可读介质上存储的指令和/或数据结构；和/或以其它格式。可使用的不同类型的机器可读介质的示例包括软盘、硬盘、光盘、压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字视频盘(DVD)、蓝光盘、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦可编程ROM(EPROM)、电可擦可编程ROM(EEPROM)、磁或光卡、闪速存储器和/或适合于存储电子指令或数据的其它类型的介质。在至少一种形式中，本发明被实施为调制到载波上供通过传输介质传输的指令集。在这里所使用的术语“逻辑”可包括例如软件或硬件和/或软件和硬件的组合。

应当理解，在这里的框图中所示的各个框实际上可以是功能性的，而不一定对应于分立硬件元件。例如，在至少一个实施例中，图中的框其中的两个或更多在单个数字处理装置内以软件来实现。数字处理装置可包括例如通用微处理器、数字信号处理器(DSP)、简化指令集计算机(RISC)、复杂指令集计算机(CISC)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和/或其它装置，包括上述各项的组合。可使用硬件、软件、固件和混合实现。

在前面的详细描述中，为了简化本公开，本发明的各种特征集中在一个或多个单独的实施例中。这个公开的方法不应解释为反映了要求保护的发明需要比各权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明的方面可在于少于每个所公开实施例的全部特征。

Claims

1.一种供无线用户装置使用的方法，包括：

识别要从所述无线用户装置传递到目的地节点的数据的第一分组；

将所述数据的第一分组的第一半发送到群中的合作无线用户装置；

从所述合作无线用户装置接收合作数据；

组合所述合作数据和所述数据的第一分组的第二半，从而形成发送分组；以及

向所述目的地节点发送所述发送分组。

2.如权利要求1所述的方法，其中，发送所述第一分组的第一半和发送所述发送分组包括在相同的频谱中发送。

3.如权利要求1所述的方法，其中，发送所述第一分组的第一半和发送所述发送分组包括在不同的频谱中发送。

4.如权利要求1所述的方法，其中，接收合作数据包括从所述合作无线用户装置接收数据的一个分组的一半。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：在向所述合作无线用户装置发送所述数据的第一分组的第一半之前，加入所述合作群。

6.一种供无线用户装置使用的方法，包括：

向群中的至少一个合作无线用户装置发送所述数据的第一分组的少于其全部的数据；

从所述至少一个合作无线用户装置接收合作数据；

组合所述合作数据和所述数据的第一分组的其余部分，从而形成发送分组；以及

向所述目的地节点发送所述发送分组。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述群包括M个合作无线用户装置，其中包括所述无线用户装置，以及发送所述数据的第一分组的少于其全部的数据包括向所述至少一个合作无线用户装置中的每一个发送所述数据的第一分组的1/M。

8.如权利要求7所述的方法，其中，接收包括从所述至少一个合作无线用户装置中的每一个接收所述合作数据的1/M。

9.如权利要求6所述的方法，其中，组合包括将所述数据的第一分组的1/M与来自所述至少一个合作无线用户装置中的每一个的数据分组的1/M进行组合，其中M是包括所述无线用户装置在内的合作无线用户装置的数量。

10.如权利要求6所述的方法，其中，组合还包括交织。

11.一种无线装置，包括：

从合作群中的M-1个合作无线装置中的每一个接收数据分组的1/M的接收器；

比特流合并单元，把从所述合作无线装置接收的数据与源自所述无线装置的数据分组的1/M进行合并，从而形成已合并的比特流；以及

发送与所述已合并的比特流对应的符号的发射器。

12.如权利要求11所述的无线装置，还包括交织所述已合并的比特流的交织器。

13.如权利要求12所述的无线装置，还包括对所述已合并的比特流进行编码的时间-频率编码器。

14.如权利要求11所述的无线装置，其中，所述无线装置包括无线网络站(STA)。

15.如权利要求11所述的无线装置，其中，所述无线装置包括膝上型计算机。

16.如权利要求11所述的无线装置，还包括接线天线。

17.一种具有上面存储了指令的机器可读介质的产品，所述指令被访问时导致无线用户装置：

从所述至少一个合作无线用户装置接收合作数据；

向所述目的地节点发送所述发送分组。

18.如权利要求17所述的产品，其中，所述群包括M个合作无线用户装置，其中包括所述无线用户装置，以及发送所述数据的第一分组的少于其全部的数据包括向所述至少一个合作无线用户装置中的每一个发送所述数据的第一分组的1/M。

19.如权利要求18所述的产品，其中，接收包括从所述至少一个合作无线用户装置中的每一个接收所述合作数据的1/M。

20.如权利要求17所述的产品，其中，组合包括将所述数据的第一分组的1/M与来自所述至少一个合作无线用户装置中的每一个的数据分组的1/M进行组合，其中M是包括所述无线用户装置在内的合作无线用户装置的数量。