CN104955093B - 一种改进的分布式信道探测和序贯接入的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进的进行分布式信道探测和序贯接入的方法。根据本发明的方案，使得外部网络只需进行有限次的确定其所承受归一化的总干扰功率数值的操作，并在迭代过程之外通过专属的信道进行广播。在信道探测过程中，每条通信链路都仅测量本地通信链路的传输质量，而在各条通信链路之间无需交互信息。同时，新的通信链路根据其本地链路测量信息，自主地推断出其最大可实现的信干噪比，并藉此决定其是否接入与所有激活的链路同时在同一信道上传输。

Description

一种改进的分布式信道探测和序贯接入的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种进行分布式信道探测和序贯接入的方法。

背景技术

无线网络能够被理解为带有功率控制的相互作用的有效点对点通信链路(一对发射机和接收机)的集合。这种建模的方式可以适用于大多数具有干扰耦合的实际的无线系统中，例如多层的蜂窝系统、密集的蜂窝系统、感知无线网络、ad hoc网络和MIMO传输、以及多种无线接入技术的共存系统，例如WiFi和蜂窝系统共存的无线通信系统。多条通信链路中的每一条对应于在同一个信道中的单跳传输，其不仅相互干扰，也会对外部传输产生不利的影响。为了提高空间复用的程度，网络总是希望在同一信道中激活尽可能多的通信链路，并且为所有的激活的通信链路分配一组适合的功率，从而使得各条通信链路的信干噪比(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio，SINR)不小于它们期望的阈值，并且同时将对其他外部传输的影响维持在可接受的范围内。

在实际中，期望以自治和分布式的方式实现这样的网络。这种分布式的媒介接入控制能够使得网络的部署更加便利，这允许网络在容纳越来越多的用户的同时，不会引起网络结构和网络管理体制的变化，以及避免了随用户的容量而指数增加的控制开销。对一个自组织的网络而言，对于欲加入到网络中的新通信链路将由其自身决定是否接入该网络。这就引出了如下问题：如何分布式探测(probe)信道并且如何获取足够的本地信息用以独立地预测在被现有的网络接受后在满足激活通信链路保护(Active Link Protection，ALP)条件下的最大可实现的SINR。ALP的概念特指这样一种非入侵的通信要求，具体指在新通信链路的传输被授权和激活在其期望的SINR水平上时，网络总能够寻求到某个功率配置，其保证同一信道中的所有的激活的通信链路的SINR总是不小于其目标SINR，并且由新通信链路和已有的通信链路引起的对外部网络的总干扰仍是可忍受的。ALP的概念反映了对于有效的空间复用所需的系统条件。为此，本发明的发明人在其申请号为201310261214.X的发明专利申中提出了一种分布式信道探测和序贯接入(DIStributedChannel prObing and SEquential Access，DISCO-SEA)的方法和系统，通过迭代的方式进行发射功率的自适应调整，从而以自治的方式解决了上述问题。

然而，在该DISCO-SEA的方法中，要求外部网络在在每次迭代的过程中都进行一次归一化干扰总功率的测量，并且在每次迭代的过程中都要将该归一化干扰总功率的数值通过专用的信道进行广播。考虑到在实际应用的共存系统部署中，内部网络和外部网络的通信并非是易于实现的，而在迭代次数较大的情况下，该测量与广播操作所引入的系统开销和信令开销可能会增大到显著影响整体性能的程度，因此仍有对该方法进行进一步改进的要求。

所以本发明的目标就是找到一种改进的DISCO-SEA方法，可以减少外部网络进行归一化干扰总功率的测量的次数，同时也要减少外部网络和内部网络的信令交互次数，从而进一步的提升性能。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提出了改进的DISCO-SEA方法。通过将原来的一次迭代收敛拆分为两次迭代收敛，达到了将外部网络的干扰总功率的测量操作移出迭代过程的目的，从而解决了原方法所存在的上述问题。

具体的，根据本发明的第一方面，提出了一种进行分布式信道探测的方法，其中，在所述信道中存在L-1条激活的通信链路，L≥2，每条激活的通信链路l，l＝1，2，…，L-1，分别具有与其相关联的一对发射机和接收机，每个发射机按照各自的发射功率同时在所述信道上发送信号，并且，新通信链路L试图接入所述信道，以与所述L-1条激活的通信链路同时在所述信道上传输信号，所述新通信链路L具有与其相关联的第一发射机和第一接收机，在所述信道中还存在外部通信链路，所述外部通信链路具有与其相关联的第二发射机和第二接收机，所述方法包括：

(S1)每条激活的通信链路l的发射机在t时刻分别以各自的发射功率p_l(t)，l＝1，2，…，L-1，向对应的接收机发送信号；

(S2)在t时刻，所述每条激活的通信链路l的接收机分别确定所述激活的通信链路l的信干噪比的数值，其中G_lk，l，k＝1，2，…，L，表示从通信链路k的发射机到通信链路l的接收机的信道的增益；n_l，l＝1，2，…，L，表示所述通信链路l的背景噪声的总功率，所述通信链路l的所述背景噪声除了所述通信链路l的接收机热噪声之外还包括了除来自L条通信链路以外的其他干扰，并且将该信干噪比SINR_l(t)的数值反馈至所述发射机；

(S3)在t时刻，所述每条激活的通信链路l的发射机基于所述信干噪比SINR_l(t)的数值和所述每条激活的通信链路l的目标信噪比β_l来更新所述发射机的在下一个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率p_l(t+1)向所述对应的接收机发送所述信号；

(S4)所述每条激活的通信链路l按照t＝t+1方式迭代地重复实施所述步骤(S2)至所述步骤(S3)直至所述信干噪比SINR_l(t)的数值稳定；

(S5)所述每条激活的通信链路l的发射机分别各自存储所述信干噪比SINR_l(t)的数值稳定时刻的发射功率：

p_c，l＝p_l(t)， l＝1，2，...L-1；

(S6)所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的总功率的数值，并将所述归一化的对外干扰的总功率的数值广播至所述每条激活的通信链路l和新通信链路L的发射机；

(S7)当所述归一化的对外干扰的功率时，所述新通信链路L的第一发射机以恒定发射功率p_L(t)＝P_L连续地发送探测信号；

(S8)所述每条激活的通信链路l的接收机分别确定所述激活的通信链路l的归一化的噪声功率的数值，并将该的数值反馈至所述发射机；

(S9)所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的总功率的数值，并将所述归一化的对外干扰的总功率的数值广播至所述每条激活的通信链路l的发射机；

(S10)在t时刻，所述每条激活的通信链路l的接收机分别确定所述激活的通信链路l的信干噪比的数值，并且将该信干噪比SINR_l(t)的数值反馈至所述发射机；

(S11)在t时刻，所述每条激活的通信链路l的发射机基于所述信干噪比SINR_l(t)的数值、所述每条激活的通信链路l的目标信噪比β_l、所述归一化的噪声功率所述以及所述的数值来更新所述发射机的在下一个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率p_l(T+1)向所述对应的接收机发送所述信号；

(S12)所述每条激活的通信链路l按照t＝t+1方式迭代地重复实施所述步骤(S10)至所述步骤(S11)直至所述信干噪比SINR_l(t)的数值稳定；

(S13)所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的总功率的数值，并将所述归一化的对外干扰的总功率的数值广播至所述每条激活的通信链路l的发射机；

(S14)所述每条激活的通信链路l的发射机基于所述p_c，l、所述所述以及所述的数值来更新所述发射机的在下一个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率p_l(t+1)向所述对应的接收机发送所述信号；

(S15)所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的总功率的数值，并将所述归一化的对外干扰的总功率的数值反馈至所述新通信链路L的所述第一发射机；

(S16)所述新通信链路L的所述第一接收机确定所述新通信链路L在当前时刻的信干噪比的数值和信噪比的数值，并基于所述信干噪比SINR_L(t+1)的数值、所述信噪比SNR_L的数值和所述归一化的对外干扰的总功率的数值来确定所述新通信链路L的最大可实现的信干噪比并将其反馈至所述新通信链路L的所述第一发射机；以及

(S17)所述新通信链路L的所述第一发射机将所述最大可实现的信干噪比与所述新通信链路L的目标信噪比β_L进行比较，以确定所述新通信链路L是否接入所述信道。

优选地，在所述步骤(S3)中，所述每条激活的通信链路l的发射机根据下式来更新所述发射机在t+1时刻的发射功率p_l(t+1)：

优选地，在所述步骤(S6)中，所述外部通信链路的所述第二接收机，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的总功率的数值：

其中，表示所述外部通信链路的预定的所能够承受的来自L条链路的最大总干扰功率值，w_L-＝[w₁ w₂ … w_L-1]^T，w_l，l＝1，2，…，L-1，表示从所述激活的通信链路l的发射机至所述外部通信链路的第二接收机的信道增益，p_L-(t)＝[p₁(t) p₂(t) … p_L-1(t)]^T，p_l(t)，l＝1，2，…，L-1，表示所述激活的通信链路l在t时刻的发射机的发射功率。

优选地，在所述步骤(S9)中，所述外部通信链路的所述第二接收机，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的总功率的数值：

其中，w_L表示从所述新通信链路L的第一发射机至所述外部通信链路的第二接收机的信道增益，P_L表示所述新通信链路L的第一发射机的恒定发射功率。

优选地，在所述步骤(S11)中，所述每条激活的通信链路l的发射机根据下式来更新所述发射机在t+1时刻的发射功率p_l(t+1)：

l＝1，2，…，L-1。

优选地，在所述步骤(S13)中，所述外部通信链路的所述第二接收机，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的总功率的数值：

优选地，在所述步骤(S14)中，所述每条激活的通信链路l的发射机根据下式来更新所述发射机在t+1时刻的发射功率p_l(t+1)：

l＝1，2，…，L-1。

优选地，在所述步骤(S15)中，所述外部通信链路的所述第二接收机，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的总功率的数值：

优选地，在所述步骤(S16)中，所述新通信链路L的所述第一接收机根据下式来确定所述通信新链路L的最大可实现的信干噪比：

优选地，所述步骤(S17)进一步包括：当所述最大可实现的信干噪比不小于所述新通信链路L的目标信噪比β_L时，所述第一发射机自主确定所述新通信链路L接入所述信道，所述新通信链路L成为激活的通信链路；当所述最大可实现的信干噪比小于所述新通信链路L的目标信噪比β_L时，所述第一发射机确定所述新通信链路L自主地停止发送信号，不接入所述信道并退出传输。

优选地，当所述新通信链路L成为激活的通信链路时，所述方法还包括如下步骤：

(S18)所有激活的通信链路的发射机确定各自的发射功率，以使得每条激活的通信链路的信干噪比分别不小于各自的目标信噪比β_l，并且所有激活的通信链路施加在所述外部通信链路的所述总干扰的功率不大于所述外部通信链路的预定的所能够承受的来自L条链路的最大总干扰功率值

根据本发明的第二方面，提出了一种在新通信链路L的发射机中协助进行分布式信道探测的方法，其中，在所述信道中同时存在L-1条激活的链路，L≥2，并且所述新通信链路L试图接入所述信道，以与所述L-1条激活的链路同时在所述信道上传输信号，所述方法包括：

B1.以恒定发射功率p_L(t)＝P_L在所述信道上向所述新通信链路L的接收机连续地发送探测信号；

B2.从所述接收机接收反馈回来的所述新通信链路L的最大可实现的信干噪比以及

B3.将所述最大可实现的信干噪比与所述新通信链路L的目标信噪比β_L比较，以确定是否将所述新通信链路L接入所述信道。

优选地，所述步骤B3进一步包括：当所述最大可实现的信干噪比不小于所述新通信链路L的目标信噪比β_L时，自主确定所述新通信链路L接入所述信道，所述新通信链路L成为激活的通信链路；当所述最大可实现的信干噪比小于所述新通信链路L的目标信噪比β_L时，确定所述新通信链路L自主地停止发送信号，不接入所述信道并退出传输。

根据本发明的第三方面，提出了一种根据本发明第一方面或第二方面中任一项所述的方法来将多条新通信链路依次序贯接入信道中的方法，其中，每当一条新通信链路试图接入所述信道，以与所有已激活的通信链路同时在所述信道上传输信号时，实施根据本发明第一方面或第二方面中任一项所述的方法，直至所述信道不再能够扩展所述新通信链路。

根据本发明的第四方面，提出了一种用于将多条新通信链路依次序贯接入信道中的分布式信道探测和序贯接入系统，其中，每当一条新通信链路试图接入所述信道，以与所有已激活的通信链路同时在所述信道上传输信号时，该系统实施根据本发明第一方面或第二方面中任一项所述的方法，直至所述信道不再能够扩展所述新通信链路。

在此提出的改进的DISCO-SEA方案通过两次迭代过程和4次外部网络的归一化干扰总功率测量步骤的交替实施，从而独立地并且精确地预测对于新通信链路而言的最大可实现的SINR。然后，新通信链路通过比较该最大可实现的SINR与目标SINR来决定是否接入。如果后者没有超过前者，则新通信链路将被识别为非侵入的通信链路，从而能够被所有激活的通信链路接受。否则，该新通信链路将自主退出。随后，还可以实施分布式功率的优化间隔，以对所有被接受的激活的通信链路的进行功率优化，从而使得它们的SINR和总的对外的干扰都符合ALP的要求。通过信道探测和功率优化，每条通信链路都仅测量与该单个通信链路相关联的本地传输质量信息，而在各条通信链路之间无需交互信息(除了归一化的对外干扰总功率值)。这种分布式的特性使得更自治地和灵活地实现了信道探测和接入方案，这允许了在同一信道中以序贯叠加的方式尽可能多地扩展通信链路的个数，从而实现了更有效的空间复用而无需改变网络的管理方式。

进一步地，在此提出的改进的DISCO-SEA提供了一种认知能力，其能够仅依赖于本地测量来计算一个全局最优的最大可实现的SINR，其中最大可实现的SINR精确地表征了对于新通信链路而言的空间复用的效率。这种认知能力能够用于较大范围的无线应用，包括用户配对、小区搜索关联和信道感知。

本发明所提出的改进的DISCO-SEA系统致力于在ALP约束下解答一个用于求解最大可实现SINR的全局最优条件方程。本发明不需要各条通信链路之间的信息交互或中央协调器。相反，本发明的迭代算法实际上给出了信息收集和交互的隐性过程，其中一些全局的信息以计算结果和迭代的方式被封装。当迭代收敛时，新通信链路可以求出最大可实现SINR。本发明具有的主要的优点如下：

1.改进的DISCO-SEA系统提供了一种分布式信道探测能力，其能够精确地预测如果新通信链路被添加至激活的网络时其能够取得的最大可实现SINR。改进的DISCO-SEA系统依据最大可实现SINR来表征对于新通信链路的空间复用的能力。这种表征方式在某些意义上确保了空间复用的全局最优或帕累托(Pareto)最优。该系统对于系统临界点的预测能力远优于现有技术。

2.改进的DISCO-SEA系统实现了在线非侵入性探测和接入。本发明允许探测通信链路以任意恒定的功率水平来发射探测信号，而其他的通信链路在信道探测的间隔仍可以发送数据信号。依据本发明的探测行为是非竞争性的和非攻击性的。具体而言，探测信号的功率能够被设置成很小，以便由于探测通信链路引起的干扰不会影响激活的通信链路的数据传输。此外，改进的DISCO-SEA系统提供了一种面向即将扩展的网络的有效预测方式，而不是针对当前激活的网络的状态。

3.改进的DISCO-SEA系统确保了与当前无线系统的良好的后向兼容性。改进的DISCO-SEA系统中使用的功率更新过程类似于分布式功率控制机制(其作为标准化技术已经被广泛地应用在当前无线系统中)。同时，改进的DISCO-SEA系统的实际实施仅仅涉及SINR、SNR和归一化的噪声的本地测量，这对于通信系统而言都是方便的。因此，通过仅仅更改功率更新的方式就可以简便将现有的通信系统升级至改进的DISCO-SEA系统。例如，通过采用改进的DISCO-SEA系统，单层的蜂窝网络能够被立即扩展至双层的系统。

综上所述，本发明提供了一种用于预测全局的最大可实现SINR的认知能力，其仅仅依赖于本地的测量值。基于这些本地的测量值，新通信链路能够自治地和独立地作出以确保ALP为前提条件的接入决定。这种认知能力避免了用于收集各条链路信息、须在各条通信链路之间交互的信令开销，并且促进了网络的空间重复利用能力。通常这些收集的链路信息用于管理网络内部和对外的干扰，从而改善网络的空间复用效率。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的分布式信道探测和序贯接入系统的系统框图；

图2示出了根据本发明的一个实施方式的用于分布式信道探测和序贯接入系统的帧结构；

图3示出了根据本发明的一个实施方式的用于分布式信道探测和序贯接入系统的信道配置示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施方式的用于分布式信道探测和序贯接入系统的功能模块示意图；

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相对应的部件或特征。

具体实施方式

本发明提出了一种改进的分布式信道探测和序贯接入(DSICO-SEA)方案，以通过自动将通信链路在同一信道中序贯叠加的方式扩展网络，获得高的空间复用效率。本发明的基本思路在于提出了一种分布式算法，其仅仅利用本地的测量值在功率约束的条件下确定全局最优的最大可实现的SINR。下文将详细地从优化的角度阐述功率约束条件下的基于全局的最大可实现的SINR的问题，以及如何上数学上推导出该算法。

1.问题模型

该问题模型适于序贯接入信道的场景。考虑如下场景：一个公共无线信道(例如，一块时频资源)由激活的无线网络和外部通信链路共享。该激活的无线网络已经在同一信道中容纳了L-1个相互干扰的通信链路，其中每条通信链路取得了高于其目标SINR的实际的SINR，而施加在外部通信链路上的总的干扰功率值并没有超过预定的上限。新通信链路L欲接入该网络。尽管新通信链路L希望以期望的SINR水平接入同一信道，但是激活的网络仅接纳一条非侵入性的链路，即其目标SINR并没有超过最大可实现的临界值，从而使得包括了新通信链路L的扩展后的网络仍满足ALP这个条件。逻辑上，这种最大可实现的SINR反映了对于新通信链路L而言的空间复用的能力，也反映了激活的无线网络留给新通信链路L的可利用的剩余信道容量。根据这个规则，更新的激活的网络能够序贯地允许新的非侵入性的通信链路，并且新的非侵入性的通信链路能叠加在同一信道上，直至扩展的网络到达临界点。

也就是说存在一种功率配置，p＝[p₁ p₂ … p_L]^T，是满足如下的ALP条件(ALPCondition)。

其中，

●p_l表示通信链路l的发射功率；

●β_l表示通信链路l的目标SINR；

●表示外部通信链路的预定的所能够承受的来自L条链路的最大总干扰功率值；

●G_lk表示从通信链路k的发射机至通信链路l的接收机的信道增益；

●n_l表示通信链路l的背景噪声的总功率，其用于说明热噪声与来自L条链路之外的干扰的总效用；

●w_l表示从通信链路l的发射机至外部通信链路的接收机的信道增益。

因此给定了L-1条激活的通信链路的目标SINR，新通信链路L的最大可实现SINR能够通过解决下述优化问题而导出。

问题1：maxβ_L

约束条件SINR_l(p)≥β_l，l＝1，2，…，L-1

SINR_L(p)＝β_L

p＞0

变量：p，β_L

其中，w＝[w₁ w₂ … w_L]^T，上标(·)^T表示转置。以表示问题1的最优解，即链路L在满足ALP约束条件下所能实现的最大信干噪比。

根据发明人在其申请号为201310261214.X的发明专利申中的所公开的内容，可以表示为：

其中，

●f_L，L-＝[G_L1 G_L2 … G_L(L-1)]；

●w_L-＝[w₁ w₂ … w_L-1]^T；

●diag(·)表示由向量分量构成的对角矩阵；

●ο表示Schur乘积的计算；

●f_L-，L＝[G_1L G_2L … G_(L-1)L]^T；

●

●n_L-＝[n₁ n₂ … n_L-1]^T；

●P_L表示新通信链路L的探测功率；

●F_L-表示通过删除第L行和第L列获得的F的主子矩阵，其中F表示指示信道间干扰的大小为L的矩阵，其中

2.改进的分布式解决方案

当现有由L-1条激活链路组成的网络满足ALP条件时，并考虑到是一个正矩阵的事实，下式必然成立：

ρ(diag(β_L-οv_L-)F_L-)＜1。

这里，ρ(·)表示非负矩阵的Perron-Frobenius特征值。这就说明了矩阵(I-diag(β_L-οv_L-)F_L-)是非奇异的。由Woodbury恒等式可得，

其中，

●η＝(I-diag(β_L-οv_L-)F_L-)^-1diag(β_L-οv_L-)n_L-；

●

将(2)代入(1)式，我们得到：

接下来将采用分布式方法来计算ξ，η以及公式(3)的结果。

首先：

其中：

等式(5)方括号中的第[1]项表示来自激活链路的内部干扰；第[2]项表示来自探测链路的内部干扰；第[3]项表示外部链路所观测到的来自探测链路的归一化干扰。同时，等式(5)描述了一种迭代算法，激活的通信链路将根据该迭代算法来更新发射功率，作为对探测信号的响应。

等式(5)可以重写为：

其中，

•SINR_p，L-(t)＝[SINR₁(t) SINR₂(t) … SINR_L-1(t)]^T并且

•表示在β_L-和SINR_p，L-(t)之间的按分量方向的除法。

等式(6)说明了在探测间隔用于计算每个激活的链路的发射功率的分布式方法，即：

(7) 其中，除了由探测链路引起的归一化的对外干扰功率值之外的所有变量都能够经由本地链 路测量获得。

另一方面，可以得到：

其中，

描述了激活链路最小化系统总发射功率的迭代算法。等式(9)可以重写为：

其中，

●SINR_c，L-(t)＝[SINR₁(t) SINR₂(t) … SINR_L-1(t)]^T并且

●表示在β_L-和SINR_c，L-(t)之间的按分量方向的除法。

将(4)式和(8)式带入(3)式，得到下式：

结合(2)式，得到下式：

其中，分母中的第[1]项表示所有激活链路对探测链路的内部干扰；第[2]项表示内部网络对外部链路的归一化总干扰。等式(12)可以重写为

其中，

公式(13)表示链路L可以仅仅通过对本地SINR和SNR的测量，并结合所获得的归一化的对外干扰总功率值来独立的计算其最大可实现的SINR。

3.用于改进的信道探测和序贯接入的分布式算法

基于上述分析，我们可以利用本地的测量值来计算在ALP约束下的全局最优的最大可实现SINR。这种用于信道探测的基本的分布式过程可以设计如下：

步骤1：设置t＝0以及任意正的p_L-(0)，即每条激活的通信链路l的发射机在t时刻分别以各自的发射功率p_l(t)，l＝1，2，…，L-1，向对应的接收机发送信号。

步骤2：重复实施步骤2.1-2.3：

步骤2.1：每条激活的通信链路l的接收机分别独立地确定本地信干噪比的数值，并将该数值反馈给相应的发射机。

在上述SINR的公式中，G_lk表示从通信链路k的发射机到通信链路l的接收机的信道的增益，k，l＝1，2，…，L。

类似地，例如，在实际中，各个接收机将根据其接收到的信号来确定该SINR的数值。这些信号包括但不限于各个通信链路的发射机发送的信号。并且，需要指出的是，在实际中，可以应用其他适合的方法来估计出公式SINR的数值，而不严格按照该公式来计算数值。这就意味着，在此步骤中，仅需要通过任意适合的方法来估计出这个公式对应的本地信干噪比的数值即可。

步骤2.2：每条激活的通信链路l的发射机根据下式来更新所述发射机的在下一个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率p_l(t+1)向对应的接收机发送信号。

其中，β_l为各条激活的通信链路l的相应的目标信噪比。

步骤2.3：将t设置为t＝t+1。

步骤3：每条激活的通信链路l按照t＝t+1方式迭代地重复实施步骤2.1至步骤2.3直至信干噪比SINR_l(t)的数值稳定。

步骤4：每条激活的通信链路l的发射机分别且独立的存储各自在上述稳定时刻的发射功率。

P_c，l＝p_l(t)，l＝1，2，…，L-1 (15)

步骤5：同时，外部节点测量这一时刻的归一化的对外干扰总功率值：

并将该数值通过专用信道广播至每条激活的通信链路和新通信链路L的发射机。

步骤6：如果说明系统此时已无法保证对外部节点的干扰的限制要求，需要移除一条激活的通信链路并设置L＝L-1后退回至步骤1；如果说明系统已达到临界点，此时系统将拒绝任何新通信链路的接入；如果则进入下一步骤。

步骤7：新通信链路L的发射机以恒定的发射功率p_L(t)＝P_L(向其对应的接收机)持续发送探测信号。

步骤8：每条激活的通信链路l(l＝1，2，…，L-1)的接收机分别独立地确定归一化的本地噪声功率的数值，并且将其反馈给发射机。例如，在实际中，各个接收机将根据其可接收到的信号来确定该噪声功率值。这些信号包括但不限于各个通信链路的发射机发送的信号。

步骤9：同时，外部节点测量这一时刻的归一化的对外干扰共功率值：

并将该数值通过专用信道广播至每条激活的通信链路的发射机。

步骤10：重复实施步骤10.1-10.3：

步骤10.1：每条激活的通信链路l的接收机分别独立地确定本地信干噪比的数值，并将该数值反馈给相应的发射机。

步骤10.2：每条激活的通信链路l的发射机根据下式来更新所述发射机的在下一 个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率p_l(t+1)向对应的接收机 发送信号。

步骤10.3：将t设置为t＝t+1。

步骤11：每条激活的通信链路l按照t＝t+1方式迭代地重复实施步骤10.1至步骤10.3直至信干噪比SINR_l(t)的数值稳定。

步骤12：同时，外部节点测量这一时刻的归一化的对外干扰的总功率值：

并将该数值通过专用信道广播至每条激活的通信链路的发射机。

步骤13：每条激活的通信链路l的发射机分别且独立的根据下式来更新所述发射机的在下一个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率pl(t+1)向对应的接收机发送信号。

步骤14：同时，外部节点测量这一时刻的归一化的对外干扰的总功率值：

并将该数值反馈至新通信链路L的发射机。

步骤15：新通信链路L的接收机测量该链路的本地信干噪比SINR和信噪比SNR，并根据下式来计算其最大可实现的SINR，并将其反馈至新通信链路L的发射机。

步骤16：新通信链路L的发射机将最大可实现的信干噪比与新通信链路L的目标信噪比β_L进行比较，以确定新通信链路L是否接入信道。如果满足下式：

则新通信链路L的发射机自主确定新通信链路L接入信道，新通信链路L成为激活的通信链路。反之，新通信链路L的发射机确定新通信链路L自主地停止发送信号，不接入信道并退出传输。

以上给出了根据本发明的一个实施例，进行信道探测和序贯接入的具体步骤。

根据本发明的另一个实施例，作为优选的，还实施以下功率优化步骤：

所有激活的通信链路的发射机确定各自的发射功率，以使得每条激活的通信链路的信干噪比分别不小于各自的目标信噪比β_l，并且所有激活的通信链路施加在所述外部通信链路的所述总干扰的功率不大于所述外部通信链路的预定的所能够承受的来自L条链路的最大总干扰功率值。

具体的，当新通信链路L成为激活的通信链路后，可以设置L＝L+1并执行前述步骤1至步骤3的过程，通过迭代的方式得到优化的功率分配；即获得在满足ALP条件下，系统总发射功率最小化的最优化功率分配方案。

在下文，将借助于系统结构来详细介绍用于执行改进的DISCO-SEA系统的实施方式。

1系统框图

图1示出了根据本发明的一个实施方式的分布式信道探测和序贯接入系统的系统框图。该系统包括L-1条内部激活的通信链路，由1，2，…，L-1标识，以及由L标识的内部探测通信链路(即，新通信链路)。这些通信链路在同一公共无线信道(例如，相同的时频资源)上叠加同时传输信号，与此同时，外部通信链路也叠加在同一个信道上。

1)单元1-l和单元2-1表示第l条激活的通信链路的发射机和接收机(l＝1，2，…，L-1)。单元1-l向单元2-l发送数据信号。

2)单元1-L和单元2-L表示探测通信链路L(即，新通信链路L)的发射机和接收机。单元1-L向单元2-L发送数据信号。

3)单元3和单元4表示外部通信链路的发射机和接收机。单元3向单元4发送信号。外部通信链路例如能够可以视为主通信链路(例如，宏小区)，并且期望由L条通信链路引起的到达单元4的总干扰功率值小于预定的上限。

2.时间帧结构

图2示出了用于改进的DISCO-SEA系统的时间帧结构。如图所示，一帧包括三个连续的间隔，其被用于不同的目的。每个间隔包括多个时隙，由{…，t，t+1，t+2，…}标识。能够根据功能将各个间隔分为三类。

1)探测间隔：用于分布式信道探测。在此期间，探测通信链路的发射机以恒定功率发射探测信号，而其接收机根据前述分布式算法计算最大可实现的SINR。与此同时，各个激活的通信链路通过根据前述分布式算法来更新其发射功率，以发送数据信号。在探测间隔的结束时，探测通信链路独立地做出是否接入信道的决定。

2)功率优化间隔：用于分布式功率优化，以寻找并确定对于所有允许接入的通信链路的最优的功率分配方案。在此期间，所有允许接入的通信链路通过根据前述功率优化步骤来更新其发射功率，以发送数据信号。在功率优化间隔的结束时，所有允许接入的通信链路能够自主地获得适合的功率配置来满足ALP这一非侵入性的条件。

3)常规间隔：所有允许的通信链路在此期间发送信号，而不再更新发射功率。

如图2所示，系统以序贯的顺序将尽可能多的通信链路加至同一信道中。

3.信道配置

图3示出了用于改进的DISCO-SEA系统的信道配置示意图。除了用于数据传输的公共无线信道，还将设置如下两种信令信道：

1)单元14-l表示从第l条通信链路的接收机至第l条通信链路的发射机的反馈信道。该反馈信道仅用于第l条通信链路，并且可以用于返回本地SINR的数值，本地归一化噪声功率值，对于新通信链路的最大可实现SINR的数值等。

2)单元15表示用于传输数据的公共无线信道，其以叠加的方式由激活的无线网络和外部通信链路共享。内部通信链路通过其传输数据信号和探测信号。

3)单元16表示用于从单元14广播归一化的对外干扰总功率值的专属信道。所有内部通信链路的接收机和发射机能够从该信道获取归一化的对外干扰总功率的数值。

4.功能模块

图4示出了用于DISCO-SEA系统的基本功能模块。为了实施前述算法，系统例如需要如下功能模块。

1)单元5表示功率放大器，其包含在每个内部通信链路的发射机中。该功率放大器能够根据来自单元6的输入来调节发射功率的大小。

2)单元6表示功率更新器，其包含在每个内部通信链路的发射机中。功率更新器被设计为根据单元7做出的接入决定和当前间隔的类型来实施功率更新。功率更新器将发射功率值输入至单元5。在本发明的一个实施例中，功率更新器的输出值可以例如如下：

大小为P_L的恒定值：用于在探测间隔期间的探测通信链路；

零值：其可以作为指令用于指示探测通信链路在探测间隔结束之后退出；

根据等式(14)(17)和(19)计算的值p_l(t+1)：其用于在探测间隔期间根据前述分布式算法计算的激活的通信链路的发射功率；

3)单元7表示接入控制器，其包含在每个内部通信链路的发射机中。接入控制器被设计为根据等式(22)独立地做出是否接入信道的决定，并且通过其输出来独立地控制功率更新器的实施模式。例如，其输出的值能够为以下中一项：

“探测”：用于探测间隔的开始处的探测通信链路；

“接入”：用于当等式(22)的条件满足时的探测间隔结束处的探测通信链路；

“退出”：用于当等式(22)的条件不满足时的探测间隔结束处的探测通信链路。

4)单元8表示用于存储本地目标SINRβ_l的存储器。该存储器包含在每条内部通信链路的发射机中，其将值输出至单元6和7。

5)单元9表示用于估计本地SINR的估计装置，其包含在每条内部通信链路的接收机中。该估计装置用于基于接收的信号估计SINR_l(t)的数值，并将估计的结果经由反馈信道单元14输出至单元6或单元12。

6)单元10表示用于估计本地SNR的估计装置，其包含在每条内部通信链路的接收机中。该估计装置用于基于接收的信号估计SNR_l的数值，并将估计的结果输出至单元12。

7)单元11表示用于估计归一化的噪声功率的估计装置，其包含在每条内部通信链路的接收机中。该估计装置用于基于接收的信号来估计的数值，并在探测间隔期间将估计的数值经由反馈信道单元14输出至单元6。

8)单元12表示用于计算新通信链路的最大可实现SINR的计算装置。该计算装置包含在每条内部通信链路的接收机中。该计算装置被设置为在探测间隔期间根据来自单元9、10和16的输入来计算根据前述分布式算法的等式(21)。该计算装置在探测间隔期间经由反馈信道单元14将最大可实现SINR的结果输出给单元7。

9)单元13表示用于估计由内部通信链路引起的对外部通信链路的归一化的对外干扰总功率值的估计装置。该估计装置包含在外部通信链路的接收机中。该估计装置被设置为根据前述算法估计归一化的对外干扰总功率值，并将该数值通过专属广播信道单元16广播估计值。

需要说明的是，上述实施例仅是示范性的，而非对本发明的限制。任何不背离本发明精神的技术方案均应落入本发明的保护范围之内，这包括使用在不同实施例中出现的不同技术特征，装置方法可以进行组合，以取得有益效果。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其他权利要求或说明书中未列出的装置或步骤。

Claims (13)

1.一种进行分布式信道探测的方法，其中，在所述信道中存在L-1条激活的通信链路，L≥2，每条激活的通信链路l，l＝1，2，…，L-1，分别具有与其相关联的一对发射机和接收机，每个发射机按照各自的发射功率同时在所述信道上发送信号，并且，新通信链路L试图接入所述信道，以与所述L-1条激活的通信链路同时在所述信道上传输信号，所述新通信链路L具有与其相关联的第一发射机和第一接收机，在所述信道中还存在外部通信链路，所述外部通信链路具有与其相关联的第二发射机和第二接收机，所述方法包括：

(S1)每条激活的通信链路l的发射机在t时刻分别以各自的发射功率p_l(t)，l＝1，2，…，L-1，向对应的接收机发送信号；

(S2)在t时刻，所述每条激活的通信链路l的接收机分别确定所述激活的通信链路l的信干噪比的数值，其中G_lk，l，k＝1，2，…，L，表示从通信链路k的发射机到通信链路l的接收机的信道的增益；n_l，l＝1，2，…，L，表示所述通信链路1的背景噪声的总功率，所述通信链路1的所述背景噪声除了所述通信链路1的接收机热噪声之外还包括了除来自L条通信链路以外的其他干扰，并且将该信干噪比SINR_l(t)的数值反馈至所述发射机；

(S3)在t时刻，所述每条激活的通信链路l的发射机基于所述信干噪比SINR_l(t)的数值和所述每条激活的通信链路l的目标信噪比β_l来更新所述发射机的在下一个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率p_l(t+1)向所述对应的接收机发送所述信号；

(S4)所述每条激活的通信链路l按照t＝t+1方式迭代地重复实施所述步骤(S2)至所述步骤(S3)直至所述信干噪比SINR_l(t)的数值稳定；

(S5)所述每条激活的通信链路l的发射机分别各自存储所述信干噪比SINR_l(t)的数值稳定时刻的发射功率：

p_c，l＝p_l(t)，l＝1，2，...L-1；

(S6)所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的总功率的数值，并将所述归一化的对外干扰的功率的数值广播至所述每条激活的通信链路l和新通信链路L的发射机；

(S7)当所述归一化的对外干扰的功率时，所述新通信链路L的第一发射机以恒定发射功率p_L(t)＝P_L连续地发送探测信号；

(S8)所述每条激活的通信链路l的接收机分别确定所述激活的通信链路l的归一化的噪声功率的数值，并将该的数值反馈至所述发射机；

(S9)所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的总功率的数值，并将所述归一化的对外干扰的总功率的数值广播至所述每条激活的通信链路l的发射机；

(S10)在t时刻，所述每条激活的通信链路l的接收机分别确定所述激活的通信链路l的信干噪比的数值，并且将该信干噪比SINR_l(t)的数值反馈至所述发射机；

(S11)在t时刻，所述每条激活的通信链路l的发射机基于所述信干噪比SINR_l(t)的数值、所述每条激活的通信链路l的目标信噪比β_l、所述归一化的噪声功率所述以及所述的数值来更新所述发射机的在下一个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率p_l(t+1)向所述对应的接收机发送所述信号；

(S12)所述每条激活的通信链路l按照t＝t+1方式迭代地重复实施所述步骤(S10)至所述步骤(S11)直至所述信干噪比SINR_l(t)的数值稳定；

(S13)所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的总功率的数值，并将所述归一化的对外干扰的总功率的数值广播至所述每条激活的通信链路l的发射机；

(S14)所述每条激活的通信链路l的发射机基于所述p_c，l、所述所述以及所述的数值来更新所述发射机的在下一个时刻t+1的发射功率p_l(t+1)，并在时刻t+1以经更新的发射功率p_l(t+1)向所述对应的接收机发送所述信号；

(S15)所述外部通信链路的所述第二接收机确定归一化的对外干扰的总功率的数值，并将所述归一化的对外干扰的总功率的数值反馈至所述新通信链路L的所述第一发射机；

(S16)所述新通信链路L的所述第一接收机确定所述新通信链路L在当前时刻的信干噪比的数值和信噪比的数值，并基于所述信干噪比SINR_L(t+1)的数值、所述信噪比SNR_L的数值和所述归一化的对外干扰的总功率的数值来确定所述新通信链路L的最大可实现的信干噪比并将其反馈至所述新通信链路L的所述第一发射机；以及

(S17)所述新通信链路L的所述第一发射机将所述最大可实现的信干噪比与所述新通信链路L的目标信噪比β_L进行比较，以确定所述新通信链路L是否接入所述信道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(S3)中，所述每条激活的通信链路l的发射机根据下式来更新所述发射机在t+1时刻的发射功率p_l(t+1)：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(S6)中，所述外部通信链路的所述第二接收机，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的总功率的数值：

其中，表示所述外部通信链路的预定的所能够承受的来自L条链路的最大总干扰功率值，w_L-＝[w₁ w₂ … w_L-1]^T，w_l，l＝1，2，…，L-1，表示从所述激活的通信链路l的发射机至所述外部通信链路的第二接收机的信道增益，p_L-(t)＝[p₁(t) p₂(t) … p_L-1(t)]^T，p_l(t)，l＝1，2，…，L-1，表示所述激活的通信链路l在t时刻的发射机的发射功率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(S9)中，所述外部通信链路的所述第二接收机，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的总功率的数值：

其中，w_L表示从所述新通信链路L的第一发射机至所述外部通信链路的第二接收机的信道增益，P_L表示所述新通信链路L的第一发射机的恒定发射功率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(S11)中，所述每条激活的通信链路l的发射机根据下式来更新所述发射机在t+1时刻的发射功率p_l(t+1)：

l=1,2,…, L-1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(S13)中，所述外部通信链路的所述第二接收机，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的总功率的数值：

其中，w_L表示从所述新通信链路L的第一发射机至所述外部通信链路的第二接收机的信道增益，P_L表示所述新通信链路L的第一发射机的恒定发射功率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(S14)中，所述每条激活的通信链路l的发射机根据下式来更新所述发射机在t+1时刻的发射功率p_l(t+1)：

l=1,2,…, L-1。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(S15)中，所述外部通信链路的所述第二接收机，根据下式来确定所述归一化的对外干扰的总功率的数值：

其中，w_L表示从所述新通信链路L的第一发射机至所述外部通信链路的第二接收机的信道增益，P_L表示所述新通信链路L的第一发射机的恒定发射功率。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(S16)中，所述新通信链路L的所述第一接收机根据下式来确定所述通信新链路L的最大可实现的信干噪比

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(S17)进一步包括：当所述最大可实现的信干噪比不小于所述新通信链路L的目标信噪比β_L时，所述第一发射机自主确定所述新通信链路L接入所述信道，所述新通信链路L成为激活的通信链路；当所述最大可实现的信干噪比小于所述新通信链路L的目标信噪比β_L时，所述第一发射机确定所述新通信链路L自主地停止发送信号，不接入所述信道并退出传输。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述新通信链路L成为激活的通信链路时，所述方法还包括如下步骤：

(S18)所有激活的通信链路的发射机确定各自的发射功率，以使得每条激活的通信链路的信干噪比分别不小于各自的目标信噪比β_l，并且所有激活的通信链路施加在所述外部通信链路的所述总干扰的功率不大于所述外部通信链路的预定的所能够承受的来自L条链路的最大总干扰功率值

12.一种根据权利要求1至11中任一项所述的方法来将多条新通信链路依次序贯接入信道中的方法，其中，每当一条新通信链路试图接入所述信道，以与所有已激活的通信链路同时在所述信道上传输信号时，实施根据权利要求1至11中任一项所述的方法，直至所述信道不再能够扩展所述新通信链路。

13.一种用于将多条新通信链路依次序贯接入信道中的分布式信道探测和序贯接入系统，其中，每当一条新通信链路试图接入所述信道，以与所有已激活的通信链路同时在所述信道上传输信号时，该系统实施根据权利要求1至11中任一项所述的方法，直至所述信道不再能够扩展所述新通信链路。