CN104702398B

CN104702398B - 一种全双工通信方法

Info

Publication number: CN104702398B
Application number: CN201310647984.8A
Authority: CN
Inventors: 王华俊; 周斌; 徐景; 杨旸
Original assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Current assignee: Shanghai Research Center for Wireless Communications
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2018-02-02
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: CN104702398A

Abstract

本发明提供一种全双工通信方法，包括：第一节点发送第一请求，并估计其自干扰信道的AC部分，第二节点估计出第一节点到第二节点的第一和第二信道状态信息的步骤；第二节点向第一节点发送第二请求，并估计第二节点自干扰信道AC部分，第一节点估计出第二节点到第一节点的第一和第二信道状态信息的步骤；第一节点向第二节点发送通知，并估计第一节点的自干扰信道DC部分，第二节点估计出第一节点到第二节点的第三和第四信道状态信息的步骤；第二节点向第一节点发送初级传输数据，并估计第二节点的自干扰信道DC部分，第一节点估计出第二节点到第一节点的第三和第四信道状态信息的步骤；第一节点向第二节点发送次级传输数据的步骤。

Description

一种全双工通信方法

技术领域

本发明涉及一种通信方法，特别是涉及一种全双工通信方法。

背景技术

近年来，通信领域出现了一种应用现有的硬件便可实现全双工双向通信新技术。全双工无线通信系统中的节点通过主动抵消(RF/模拟消除和基带/数字抵消)和被动抵消(天线抵消)能够在同一频带同时收发信息。因此，全双工的吞吐量理论上比传统的半双工能够增加一倍，进而提高系统性能。而且全双工在解决隐藏终端的问题上也发挥了极大的作用。

全双工通信的双向传输模式如图1所示。每个节点配置一根发射天线和一根接收天线，从而具备同时收发信息的能力。图中虚线代表同一节点上发射天线对接收天线产生的自干扰。相同节点的发射天线对其接收天线会产生强大的自干扰，这也是全双工通信的主要挑战。任何自干扰抵消方案都至少包括模拟抵消(Analog Cancellation，简称AC)和数字抵消(DigitalCancellation，简称DC)。AC和DC均需正交资源进行独立的信道估计，这会对信令开销产生很大的负担。

另外信道状态信息(CSI)对于通信传输也非常重要，相对于不知道CSI而言，发射机若知道CSI能够获得更高的信道容量，这个结论同样适用于全双工通信。如图2所示，有两种方案实现全双工通信。如果节点获得全部的CSI就能够选择最佳的全双工样式实现容量最大化，此时称为“FD-CSIT”。如果全双工节点无法获知全部的CSI，那么它们只能够采用一种固定样式进行通信而不能根据信道信息进行天线的自适应切换，此时称为“FD withoutCSIT”。FD-CSIT比FD without CSIT获得更高的效率，且性能增益高达2dB。若从中断容量的角度考虑，FD-CSIT可能会获得更大的增益。

根据现有的技术，估计自干扰信道的AC和DC部分及CSI都存在不足。一种现有的实现全双工通信的方案是基于经典的CSMA/CA机制，提出了一种适用于全双工双向传输的MAC协议，如图2所示。要发送数据包的节点首先感知信道，若信道空闲了DIFS时间后，源节点开始发送数据包，这称为“初级传输”。目的节点解出包头之后，立即从反方向也开始进行数据包的传输，这称为“次级传输”。这样初级传输和次级传输同时进行就构成了全双工通信。否则若信道忙，源节点会延迟发送直到信道空闲分布式协调帧间隔(简称DIFS)的时间。

由于起始时间和包长的不同，初级传输和次级传输很可能在不同的时间结束，这样会产生隐藏终端的问题：假设初级传输先结束，那么节点1周围的其他与节点2互为隐藏的节点过了SIFS+ACK时间后，可能会发送数据给节点1，而此时次级传输还未结束，这时会在节点1处发生冲突。这时，源节点可发送一个特殊的信号“busytone”来占用信道直至次级传输结束，反之亦然。这样即可消除隐藏终端的影响，但是是以功率消耗为代价的。

这种实现方案未给出如何得到自干扰信道AC和DC部分的估计，而且该方法无法实现FD-CSIT。另外，基本接入机制在建立双向传输之前，目的节点需先解出源节点的MACHeader获取目的地址，因此该文献提出的MAC设计没有进行信道编码，这在实际系统应用中会极大地降低性能。

另外一种全双工通信的实现方式是在传统半双工的CSMA/CA协议中，将两次握手机制拓展为四次握手“RTS-CTS-Data-ACK”(如图3所示)，其中请求发送(Request to Send，简称RTS)包含发送地址、接收地址和传输时间等信息，允许发送(Clear To Send，简称CTS)包含接收地址(即RTS的发送地址)和传输时间等信息，RTS/CTS使节点周围的节点保持静默，减少冲突。这种拓展方法也可以直接应用于全双工通信。节点利用RTS/CTS预约信道并获知发送地址和接收地址，这样无需解码Data的MAC header便可进行全双工通信。

但这种方案也存在缺陷：一方面，仅有两个正交资源，同样无法在双向传输之前分别估计出自干扰信道的AC和DC部分。另一方面，该方案无法实现获得最大系统容量的FD-CSIT。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全双工通信方法，用于解决现有技术无法在双向传输之前分别估计出自干扰信道的AC和DC部分，以及无法实现获得最大系统容量的FD-CSIT的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种全双工通信方法，应用于具有至少两个节点，并且每个节点都具有收发功能的通信系统中，包括：第一节点发送第一请求，并估计其自干扰信道的AC部分，第二节点估计出所述第一节点到所述第二节点的第一和第二信道状态信息的步骤；所述第二节点向所述第一节点发送第二请求，并估计所述第二节点自干扰信道AC部分，所述第一节点估计出所述第二节点到所述第一节点的第一和第二信道状态信息的步骤；所述第一节点向所述第二节点发送通知，并估计所述第一节点的自干扰信道DC部分，所述第二节点估计出所述第一节点到所述第二节点的第三和第四信道状态信息的步骤；所述第二节点向所述第一节点发送初级传输数据，并估计所述第二节点的自干扰信道DC部分，所述第一节点估计出所述第二节点到所述第一节点的第三和第四信道状态信息的步骤；所述第一节点向所述第二节点发送次级传输数据的步骤。

如上所述，本发明的全双工通信方法，具有以下有益效果：在双向传输之前能分别估计出自干扰信道的AC和DC部分，并能实现获得最大系统容量的FD-CSIT

附图说明

图1显示为全双工无线通信系统模型示意图；

图2显示为一种现有全双工双向传输握手过程示意图；

图3显示为另一种现有全双工双向传输握手过程示意图；

图4显示为本发明一个实施例的流程图；

图5-10显示为应用本发明全双工通信方法过程中节点状态示意图；

图11-12显示为根据本发明的全双工通信多轮握手过程示意图；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面参阅图4-10，图4所示为本发明全双工通信方法实施例的流程图，图5-10所示为应用本发明全双工通信方法过程中节点状态示意图。本发明适用于具有至少两个通信节点的系统中，并且两通信节点均同时具备发送和接收功能。以下的说明中，假设相同的天线对之间的信道具有互易性，这样的假设是合理的，因为相同的天线对之间是同时同频相同的信道，而且每根天线都能够进行发射/接收的功能切换。此外，假设信道是慢时变的。本发明在握手过程中，两个节点分别获得了自干扰信道的AC和DC估计结果以及全部的信道信息，不仅能够实现全双工的可靠传输，而且能够进行天线选择(信道选择)，从而提高了全双工的通信效率。为说明方便，对每个节点而言，上面的天线标记为A₁，下面的天线标记为A₂。那么，h_ij表示节点1的天线A_i和节点2的天线A_j之间的信道状态信息(CSI)。h′_i,AC和h′_i,DC分别表示节点在数字域和模拟域采用干扰抵消时的自干扰信道估计。

图4中，步骤S1表示节点1发送请求，并估计自干扰信道的AC部分，节点2估计出节点1到节点2的第一和第二信道的CSI。结合图5，节点1的A₁发送RTS₁，那么在RTS₁覆盖范围内的其它节点都能够探听到包头进而延迟接入。此时，节点1的A₂作为接收天线用来接收RTS₁便可估计出自干扰信道的AC部分h′_1,AC。节点2接收RTS₁后就能利用RTS₁包头的训练序列估计出两个传输信道的响应h₁₁和h₁₂。

图4中步骤S2表示节点2向节点1发送双向通信通知，并估计自干扰信道AC部分，节点1估计出节点2到节点1的第一和第二CSI。结合图6，节点2接收RTS₁之后，如果没有数据包要发送，回复CTS来通知节点1进行单向传输；如果有数据包要发送，节点2会用A₁或A₂回复RTS₂来通知节点1进行双向传输。那些能够侦听到RTS₂的节点均会延迟发送。节点1通过接收RTS₂能够获得信道状态信息h₁₁和h₂₁，而节点2同时也能够估计出其自干扰信道，h′_2,AC。

图4中步骤S3表示节点1根据收到的通知决定发送数据或广播信号，并估计其自干扰信道DC部分，节点2估计出节点1到节点2的第三和第四CSI。结合图7，节点1若接收到CTS，那么它直接发送数据包，完成单向传输；若接收到RTS₂，过了SIFS时间间隔后，为实现全双工双向传输，节点1需广播CTS。需要注意的是，为了使节点2能够获得所有的信道信息，节点1必须用不同于步骤S1的A₂作为其发射天线。那么，节点2便可得到信道状态信息h₂₁和h₂₂，而节点1可以估计出其自干扰信道，h′_1,DC。

至此，节点2已经得到所有可能的传输信道状态信息(h₁₁，h₁₂，h₂₁和h₂₂)。

图4中步骤S4表示节点2发送数据给节点1，并估计其自干扰信道DC部分，节点1获得全部的信道状态信息。结合图8，由于节点2已经得到所有可能的传输信道状态信息，所以节点2便可以从下面的方案中选择信道质量更好的天线对进行通信，从而增加信道容量：

(1)节点1的A₁和节点2的A₁，节点1的A₂和节点2的A₂，称为平行传输。

(2)节点1的A₁和节点2的A₂，节点1的A₂和节点2的A₁，称为交叉传输。

虽然节点1触发了全双工传输，但是节点2先发送数据包给节点1。节点1获得全部的信道信息之后才会进行次级传输。在节点1开始次级传输之前，节点2可利用这段时间进行自干扰信道DC部分的估计。针对节点1如何获得全部信道信息这一问题，我们提供了两种可选的方案：

隐性指示：利用节点2的训练序列，节点1可以获得剩下的信道信息(如h₁₂和h₂₂)，这样就可以判断哪根天线更适合作为接收/发射天线。本例中握手信息采用IEEE 802.11a/g标准，对某些PPDU帧格式而言，训练序列位于preamble中，而preamble中信息的获取不需要依赖于后面的解码，所以信道信息可以先一步估计出来。值得注意的是，为了使节点1获得全部的CSI，节点2必须用不同于步骤S2中的发送天线进行数据发送传输。同时，为了在两个节点间进行天线配对，我们假设节点2的发射天线在开始通信时就已经确定，即上面的A1用于发送，下面的A2用于接收(或者是下面的A2用于发送，上面的A1用于接收)。那么根据判断的结果，节点1能够知道哪个天线是最佳的接收天线。

显性指示：节点2发送的数据包含有一个指示比特用来指示节点1的最佳接收天线号。如果PPDU中有预留比特，那么它可以直接作为指示比特来用；否则，由于指示比特只有一个比特，所以它可以直接在物理层的header中添加而不会对信令开销产生太大的影响。一般来说，header的编码与后面数据的编码是独立的。因此，header可以先解出来从而得到最佳的接收天线号。与隐性指示相比，显性指示花费的时间更少，因为节点1不需要进行判断。

图4中步骤S5表示节点1开始发送数据给节点2。结合图9，节点1解出节点2的header后可立即开始发送数据包给节点2。节点2可选择出最佳的接收天线，即选择进行平行传输或交叉传输。

由于起始时间和包长的不同，初级传输和次级传输很可能在不同的时间结束，针对此时引入的隐藏终端问题，本发明能够通过多轮握手来解决这一问题，如图10-11所示。图10表示初级传输先结束的情况；图11表示次级传输先结束的情况。设t₁，t₂和t₃分别为RTS₁，RTS₂和CTS中网络分配向量(NAV)的时间，那么t₁＝RTS₁+CTS+头信息+初级传输包+ACK+4*SIFS，t₂＝CTS+max(初级传输包+头信息，次级传输包)+ACK+3*SIFS，t₃＝t₂–CTS–SIFS。这样节点1和节点2周围的节点都能够保持静默直至初级传输和次级传输都结束。

需要注意的是，上述实施例中握手所使用的请求、通知数据包可以是任意的短数据包，但前面两次握手的短数据包至少需要包含三个信息：传输所需的时间、发送地址和接收地址，第三次握手的短数据包至少需要包含传输所需的时间信息，若为减少冲突，用于握手的短数据包还要有能够令周围节点保持静默的功能。上述的本实施例中，请求、通知的短数据包使用了IEEE802.11RTS/CTS。

另外，本发明是基于全双工网络提出的，但考虑到WLAN等传统的半双工系统已广泛应用，如果要兼顾与半双工节点的通信，本发明存在一个问题：若通信的发送方是传统的半双工节点，接收方为全双工节点且有数据要发送，此时可能无法正常通信。要解决这个问题的关键是如何判别一个节点的工作模式(全双工或者半双工)，判别的方案有两种：(1)节点在接入过程中进行MAC地址登记，这样通过MAC地址可判断某个节点的工作模式；(2)在RTS中用1bit指示节点的工作模式(例，0表示仅支持半双工模式，1表示全双工模式)。这样，若通信的发送方是传统的半双工节点，工作模式为全双工的接收节点通过上述方案可识别发送节点的工作模式，则无论接收节点是否有数据要发送都直接回复CTS，完成半双工传输，从而确保正常通信。

综上所述，本发明在双向传输之前能分别估计出自干扰信道的AC和DC部分，并能实现获得最大系统容量的FD-CSIT。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例示例性说明本发明的原理及其功效，为简化说明，仅以具有两个通信节点的系统举例，并非用于限制本发明，实际应用中，本发明的思想可以应用于具有多个节点的通信系统。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种全双工通信方法，应用于具有至少两个节点，并且每个节点都具有收发功能的通信系统中，其特征在于，包括：

第一节点发送第一请求，并估计其自干扰信道的模拟抵消部分，第二节点估计出所述第一节点到所述第二节点的第一和第二信道状态信息的步骤；

所述第二节点向所述第一节点发送第二请求，并估计所述第二节点自干扰信道模拟抵消部分，所述第一节点估计出所述第二节点到所述第一节点的第一和第二信道状态信息的步骤；

所述第一节点向所述第二节点发送通知，并估计所述第一节点的自干扰信道数字抵消部分，所述第二节点估计出所述第一节点到所述第二节点的第三和第四信道状态信息的步骤；

所述第二节点向所述第一节点发送初级传输数据，并估计所述第二节点的自干扰信道数字抵消部分，所述第一节点估计出所述第二节点到所述第一节点的第三和第四信道状态信息的步骤；

所述第一节点向所述第二节点发送次级传输数据的步骤。

2.根据权利要求1所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第一和第二请求和所述通知包括传输所需的时间、发送地址和接收地址信息。

3.根据权利要求1所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第一和第二请求和所述通知能令非传输目标节点保持静默。

4.根据权利要求1所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第一和第二请求中包括节点工作模式指示位。

5.根据权利要求1所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第一节点发送第一请求，并估计其自干扰信道的AC部分，第二节点估计出所述第一节点到所述第二节点的第一和第二信道状态信息的步骤之前还包括所述第一节点和所述第二节点MAC地址登记的步骤。

6.根据权利要求1所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第一和第二请求为IEEE802.11RTS；所述通知为IEEE802.11CTS。

7.根据权利要求1所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第二节点向所述第一节点发送数据，并估计所述第二节点的自干扰信道DC部分，所述第一节点估计出所述第二节点到所述第一节点的第三和第四信道状态信息的步骤中，所述第一节点根据所述第二节点的指示估计出所述第二节点到所述第一节点的第三和第四信道状态信息。

8.根据权利要求1所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第二节点向所述第一节点发送的数据中包含训练序列，所述第一节点根据所述训练序列估计所述第二节点到所述第一节点的第三和第四信道状态信息。

9.根据权利要求8所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第二节点向所述第一节点发送的数据中包含指示比特，所述第一节点根据所述指示比特估计所述第二节点到所述第一节点的第三和第四信道状态信息。

10.根据权利要求1所述的全双工通信方法，其特征在于，所述第一请求的网络分配向量时间等于所述第一请求数据包传输时间、所述通知传输时间、所述初级传输数据中的头信息传输时间，所述初级传输数据中的数据部分传输时间、确认字符传输时间和4倍SIFS之和；所述第二请求的网络分配向量等于所述通知传输时间、所述初级传输数据传输时间与所述次级传输数据中的数据部分传输时间中较大者、确认字符传输时间、3倍短帧间间隔之和；所述通知的网络分配向量时间等于所述第二请求的网络分配向量时间减去所述通知传输时间和1倍短帧间间隔。