CN108702805A - 设备到设备全双工通信 - Google Patents

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Abstract

一种通过具有多个频率信道的网络节点的全双工无线自组织网络(WANET)进行通信的网络节点，包括执行代码指令的处理器。该代码指令指示该处理器从信号中提取至少一个信道分配信息集(CAIS)，该信号是从其他网络节点中的至少一个网络节点接收的。该CAIS包括相应节点的节点标识符和频率信道使用数据。分析所提取出的CAIS，以识别该多个频率信道中目标节点能够接收的至少一个信道。从所识别出的信道中分配用于发送到该目标节点的至少一个信道。然后，准备用于在已分配的信道上发送到该目标节点的信号。所准备的信号包括该网络节点的CAIS，并且可以可选地包括数据有效载荷和/或控制信息。

Description

设备到设备全双工通信
背景技术
本发明在其一些实施例中涉及一种使用全双工多信道通信的无线自组织网络中的节点，并且更具体地，但不排他地，涉及网络节点的信道分配。
第五代(fifth generation，5G)无线通信的设想是提供低延迟、高可靠性和高吞吐量，以满足各种具有挑战性的使用案例，如自主驾驶和工业自动化。图1示出了一种连接车辆、用户设备和交通信号的示例性5G系统。
在具有5G功能的技术组件中，设备到设备(device-to-device，D2D)通信及其与带内全双工无线电的组合倍受青睐。带内全双工D2D通信提供了低延迟、高吞吐量和高可靠性通信，这预计将满足自动驾驶的要求。
D2D通信已经作为直接车对车(vehicle-to-vehicle，V2V)通信的关键推动因素被提出来。通过探索D2D通信的接近增益(proximity gain)和跳数增益(hop gain)，可以在V2V通信中实现高吞吐量和低延迟。然而，传统设备的半双工约束限制了D2D通信的性能，其中每个设备由于自干扰不能同时进行接收和发送。该半双工约束可能导致信道接入中的长延迟、时间-频率资源块的低利用率和高数据包冲突。
全双工技术的最新发展补充了具有带内双工能力的D2D通信。随着模拟和数字消除技术的新进展，可以实现高达110dB的自干扰抑制。这意味着自干扰信号的残差低于典型无线电设备(例如，Wi-Fi、LTE)的噪声基底，使得接收机可以处理非常弱的接收信号。在物理层，假设具有点到点链路和最佳自干扰消除(self-interference cancellation，SIC)，全双工通信可能提供的频谱效率高达半双工通信的频谱效率的两倍。
另一个受青睐的领域是自组织D2D通信。在典型的自组织D2D通信网络中：
i)任何节点都可以几乎立即向任何其他节点发送信息，而没有握手造成的延迟；以及
ii)任何节点在其向其他节点发送信息时都可以从其他节点同时接收信息。
具有传统无线收发机的现有的传统媒体访问控制(medium access control，MAC)协议仅适用于半双工无线电，这不能利用全双工的优势。示例包括：
i)时分多址(time division multiple access，TDMA)/载波侦听多路访问(carrier sensing multiple access，CSMA)：设备不能同时进行带内发送和接收。网络节点需要依次等待或重复内容时间机会，这可能导致高且不确定的延迟。
ii)频分多址(frequency division multiple access，FDMA)：由于发送设备不能解码来自其他频率信道中的所有其他设备的信号，所以使用传统半双工收发机的自组织网络是有问题的。多对设备可以使用正交频率信道同时进行通信。然而，节点不能在相同频带的不同频率信道中同时进行发送和接收，因为这样的FDD操作需要大的全双工间隙(通常＞几十MHz)以及具有固定且不可配置的传递和抑制频带的RF双工器。因此，对于使用FDMA的自组织通信，不同的节点需要对TDD操作的发送和接收进行时域协调，这导致了高延迟和信号冲突。
iii)码分多址(code division multiple access，CDMA)：很难扩展码分配和功率控制。
iv)空分多址(spatial division multiple access，SDMA)：需要每个节点上都具有有源天线阵列以及更大量的信道信息，使得其复杂且昂贵。
现有的全双工MAC协议由三种关键机制启用：共享随机退避、报头侦听和利用RTS/CTS交换的冲突避免：
i)在基于共享随机退避的协议中，已经完成了用于全双工通信模式的握手的两个节点在该两个节点共享的公共持续时间期间延迟其传输，目的是允许其他节点(对)使用信道。由于共同的退避，基于共享随机退避的协议是隐式同步的，且允许全双工节点公平地使用该信道。
ii)在基于报头侦听的MAC协议中，主要发送的分组报头由网络中除主接收机之外的其他节点解码。由于存在报头侦听，全双工节点以不同的时间戳进行发送，这导致了异步发送。
iii)半双工传输中使用的RTS/CTS机制也可以用在全双工传输中，以缓解隐藏节点问题。
表1总结了各种方法的应用、优点和缺点。
为了执行上述三种机制，引入了独特的字段以在全双工节点之间交换基本信息。这些字段是：
i)在“全双工传输模式”字段中——在给定时间内，为启动全双工传输所选择的节点的集合可以以半双工、双向全双工模式或三节点全双工模式运行。
ii)在“全双工持续时间模式字段”中，指示了全双工通信的持续时间。在这种情况下，可以同步参与全双工通信的节点，并且可以使冲突最小化。
表1
其他背景包括：
[1]A.Sahai,G.Patel,和A.Sabharwal，“打破全双工限制：设计和实时实现,”莱斯 大学技术报告TREE1104，2011。(A.Sahai,G.Patel,andA.Sabharwal,“Pushing the Limits of Full Duplex:Design and Real-Time Implementation,”Rice University Technical Report TREE1104,2011.)
[2]S.Goyal等，“用于全双工无线电的分布式MAC协议，”ASILOMAR会议记录，2013。 (S.Goyal et al.,“A Distributed MAC Protocol for Full Duplex Radio,” Proc.ASILOMAR,2013.)
[3]M.Jain等，“实用、实时、全双工无线，”ACM MobiCom会议记录，2011。(M.Jain et al.,“Practical,Real-Time,Full Duplex Wireless,”Proc.ACM MobiCom,2011.)
[4]W.Zhou，K.Srinivasan，和P.Sinha，“RCTC：全双工无线网络中的快速并行传输 协调，”IEEE国际会议网络协议2013。(W.Zhou,K.Srinivasan,and P.Sinha,“RCTC:Rapid Concurrent Transmission Coordination in Full Duplex Wireless Networks,”IEEE Int’l.Conf.Network Protocols,2013.)
[5]K.Tamaki等，“无线多跳网络的全双工媒体访问控制，”IEEE VTC春季会议记 录,2013。(K.Tamaki et al.,“Full Duplex Media Access Control for wireless Multi-Hop Networks,”Proc.IEEE VTC Spring, 2013.)
[6]Y.Zhang等“FD-MMAC：使用单个收发机防止多信道隐藏和暴露终端，”IEEE INFOCOM会议记录，2014。(Y.Zhang et al.,“FD-MMAC:Combating Multi-Channel Hidden and Exposed Terminals Using a Single Transceiver,”Proc.IEEE INFOCOM,2014.)
发明内容
本发明实施例使用分布式无线多用户接入方案，用于多个频率信道的全双工自组织无线通信。当节点正在一些频率信道中接收数据时，它同时在一个或多个所选择的信道中向其他节点广播相应的信道分配信息集(channel allocation information set，CAIS)。每个CAIS包括发送该CAIS的相应节点的节点标识符和频率信道使用数据。网络节点接收和分析从网络中的其他节点接收到的CAIS消息，并基于该分析，分配用于发送到其他网络节点的频率信道。可选地，该频率信道使用信息由以下指示：
i)当前正在接收数据的信道的索引；以及
ii)不能接收数据的信道的索引(例如，由于较高的自干扰或来自其他节点的干扰)。
根据本发明一些实施例的一个方面，提供了一种用于通过无线自组织网络(wireless ad hoc network，WANET)进行通信的网络节点。该WANET包括在多个频率信道上通信的多个网络节点。该节点包括执行代码指令的处理器。该代码指令指示该处理器从信号中提取至少一个信道分配信息集(channel allocation information set，CAIS)，该信号是从其他网络节点中的至少一个网络节点接收的。该CAIS包括相应节点的节点标识符和频率信道使用数据。分析所提取出的CAIS，以识别该多个频率信道中目标节点能够接收的至少一个信道。从所识别出的信道中分配用于发送到该目标节点的至少一个信道，并准备用于在已分配的信道上发送到该目标节点的信号。
根据本发明的一些实施例，该节点还包括收发机，适配为以全双工模式在该多个频率信道中发送和接收信号。
根据本发明的一些实施例，所准备的用于发送到该目标节点的信号还包括数据有效载荷。
根据本发明的一些实施例，该处理器还执行代码以选择用于暂停将该信号发送到该目标节点的随机时间段，以避免与在已分配的信道上同时开始发送的另一节点的冲突。
根据本发明的一些实施例，该处理器还执行代码以根据该网络节点的当前频率信道使用情况和当前所接收到的来自其他WANET节点的信道分配信息集(channelallocation information set，CAIS)，动态更新该网络节点的该CAIS。
根据本发明的一些实施例，该CAIS还包括通信控制信息。
根据本发明的一些实施例，该CAIS是与以下中的至少一个异步发送的：在其他频率信道上发送的数据和在其他频率信道上发送的CAIS。
根据本发明的一些实施例，CAIS发送与数据接收和/或数据发送是在至少一个已分配的信道上同时执行的。
根据本发明一些实施例的一个方面，提供了一种用于无线自组织网络(wirelessad hoc network，WANET)中的通信的方法。该WANET包括多个网络节点。该方法是在多个频率信道上进行全双工通信的网络节点处执行的，并且包括：
在该多个信道中的至少一个信道上，发送包括该节点的节点标识符和用于该节点的频率信道使用数据的动态更新的信道分配信息集(channel allocation informationset，CAIS)，该频率信道使用数据指定该网络节点当前正在接收的信道和该网络节点当前不能接收的信道；
从信号中提取至少一个CAIS，该信号是从该WANET中的至少一个节点接收的，每个CAIS包括相应节点的节点标识符和频率信道使用数据；
分析至少一个所提取出的CAIS，以识别该多个频率信道中第一目标节点能够接收的至少一个信道；以及
在该第一目标节点能够接收的该多个信道中的至少一个信道上向该第一目标节点进行发送。
根据本发明的一些实施例，该分析是对与该发送同时接收的信号连续执行的。
根据本发明的一些实施例，识别目标节点能够接收的至少一个信道包括：
从接收到的该至少一个CAIS中确定当前未被该WANET节点用来进行数据接收的信道；
从该第一网络节点的相应CAIS中确定当前能被该第一目标节点用来进行接收的至少一个信道；以及
从当前未被该其他WANET节点用来进行数据接收的该信道和当前能被该目标节点用来进行接收的该至少一个信道的交集中，确定用于发送到该第一目标节点的可用信道。
根据本发明的一些实施例，该方法还包括在当前未被该WANET节点用来进行数据接收以及该第一目标节点不能接收的信道上向第二目标节点进行发送。
根据本发明的一些实施例，该发送和接收是由该网络节点处的单个收发机执行的。
根据本发明的一些实施例，该方法还包括将通信控制信息包含在发送的该CAIS中。
除非另外限定，否则本文所使用的所有技术术语和/或科学术语与本发明所属领域内的普通技术人员普遍理解的含义相同。尽管在实践或测试本发明的实施例时可以使用与本文所描述的方法和材料相似或等同的方法和材料，但是以下描述了示例性的方法和/或材料。在冲突的情况下，将以本专利说明书(包括定义)为准。此外，该材料、方法和示例仅仅是说明性的，而不一定是限制性的。
附图说明
在此仅通过示例的方式参考附图描述本发明的一些实施例。现在详细地具体参考附图，需要强调的是，所示出的细节为举例说明并且是出于说明性地论述本发明实施例的目的。就此而言，结合附图所做的描述使得本领域技术人员清楚如何实践本发明实施例。
在附图中：
图1示出了使用D2D通信的5G系统；
图2示出了全双工多信道多节点到多节点通信；
图3A是根据本发明实施例的网络节点的简化框图；
图3B是根据本发明实施例的在网络节点处执行的指令的简化流程图；
图4A是根据本发明实施例的分配管理器的简化框图；
图4B-4C是根据本发明各个实施例的网络节点的简化框图；
图5呈现了多信道全双工节点的发送和接收行为的示例；
图6示出了随机暂停和CAIS更新过程的信令图；
图7示出了CAIS上的控制信息的动态搭载的示例；
图8示出了根据本发明的一个示例性实施例的CAIS的动态更新的简化框图；以及
图9A和图9B呈现了本发明示例性实施例的模拟结果。
具体实施方式
在本发明的一些实施例中，涉及一种使用全双工多信道通信的无线自组织网络中的节点，并且更具体地，但不排他地，涉及网络节点的信道分配。
下一代无线通信(5G)以机器和人类连接的世界为目标。在许多重要领域(例如，车对一切以及工业自动化)中，在面向移动宽带(mobile-broadband，MBB)的无线技术目前无法达到的水平下，需要低延迟和高可靠性。将来，预期D2D通信(有或没有来自基站的控制)会变得越来越受欢迎，特别是对于大量的机器类型节点来说。实际上，从版本12开始，D2D节点就被引入长期演进(long-term evolution，LTE)标准。
全双工无线电技术允许同时进行信号发送和接收，并且和频域中的信道切片一起实现了低延迟和并发的多节点到多节点通信，如图2所示。然而，对于传统的收发机，自组织网络中的多个节点的双工和多址通信存在基本限制。
本发明实施例提供了一种用于基于在网络节点之间交换的信息的带内全双工通信的分布式协议。该信息(本文表示为信道分配信息集(channel allocation informationset，CAIS))能够同时使用多个频率信道。网络节点发送它们自己的CAIS，接收和分析来自其他节点的CAIS，并基于该分析进行信道分配。由于节点在全双工模式下运行，所以可以同时进行发送和接收。
该CAIS包括节点的节点标识符和频率信道使用数据。可选地，该频率信道使用数据在该CAIS中被指示为各个节点数据当前正在接收数据的信道的索引以及节点不能接收数据(例如，由于较高的自干扰和/或来自其他节点的干扰)的信道的索引。
正如以下更详细的说明，该CAIS使得网络节点能够以获得低延迟的方式分配用于发送到其他网络节点的信道，而无需资源竞争和分配的较长且不可预测的延迟。通过D2D和自组织网络可以减少通过基站的耗时业务。通过减少多个用户界面、避免数据包冲突和减少传输，可以获得高可靠性。
在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明并不一定局限于它在细节构造上的应用和以下说明中所提出的附图和/或示例所示出的部件和/或方法的排列。本发明可以有其它实施例并能以各种方式实现。
本发明可以是系统、方法、和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括具有使处理器执行本发明各个方面的计算机可读程序指令的多个(或一个)计算机可读存储介质。
该计算机可读存储介质可以是能够保留和存储供指令执行设备使用的指令的有形设备。该计算机可读存储介质可以是，例如，但不限于，电子存储设备、磁性存储设备、光学存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备、或上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例的非穷尽列表包括以下：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、可擦可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，EPROM)(或闪存)、静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)、便携式光盘只读存储器(compact disc read-only memory，CD-ROM)、数字通用光盘(digital versatile disk，DVD)、记忆棒、软盘、其上记录有指令的槽中的诸如穿孔卡或凸起结构的机械编码设备、以及上述的任意合适的组合。如本文所使用的计算机可读存储介质不应被解释为临时信号本身，例如，无线电波或其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输介质传播的电磁波(例如，经过光纤电缆的光脉冲)、或通过电线传输的电信号。
本文所描述的计算机可读程序指令可以经由网络(例如，因特网、局域网、广域网和/或无线网)从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备或下载到外部计算机或外部存储设备上。该网络可以包括铜传输缆线、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并将该计算机可读程序指令转发以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(instruction-set-architecture，ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或用一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，该编程语言包括诸如Smalltalk、C++之类的面向对象的编程语言、以及诸如“C”编程语言或类似的编程语言的常规过程式编程语言。该计算机可读程序指令可以完全在用户的计算机上执行、部分地在用户的计算机上执行，作为独立的软件包，部分地在用户的计算机上且部分地在远程计算机上执行，或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种场景中，该远程计算机可以通过包括局域网(local area network，LAN)或广域网(wide area network，WAN)的任何类型的网络连接到用户的计算机，或者可以连接到外部计算机(例如，通过因特网使用因特网服务供应商)。为了执行本发明的各个方面，在一些实施例中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)或可编程逻辑阵列(programmable logic arrays，PLA)的电子电路可以利用计算机可读程序指令的状态信息来执行该计算机可读程序指令，以便个性化该电子电路。
本文参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图对本发明的各方面进行描述。应理解，该流程图和/或框图的每一个框，以及该流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令实现。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，以产生机器，从而使得通过该计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中所指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令也可以存储在计算机可读存储介质中，其可以引导计算机、可编程数据处理装置、或其他设备以特定的方式运行，从而使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制成品，该制成品包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中所指定的功能/动作的各方面的指令。
该计算机可读程序指令还可以加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行来产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图的一个或多个框中所指定的功能/动作。
附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图和框图中的每个框可以表示模块、片段或指令的一部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些可替代的实现方式中，框中所提到的功能可以不按图中所提到的顺序出现。例如，实际上，根据所涉及的功能，连续示出的两个框本质上可以同时执行，或者框有时可以以相反的顺序执行。还应注意的是，该框图和/或流程图的每一个框，以及该框图和/或流程图中的框的组合可以由基于专用硬件的系统来实现，该系统执行指定的功能或动作或者实现专用硬件和计算机指令的组合。
I)网络节点
现参考图3A，其是根据本发明实施例的网络节点的简化框图。节点300在多个频率信道上通过无线自组织网络(wireless ad hoc network，WANET)与其他网络节点通信。图4A-4C的上下文中详细描述了网络节点的操作。
网络节点300包括存储代码指令310的非瞬时存储器以及执行代码指令以进行信号处理操作的处理器320。代码指令可选地提供其他功能，如本文所述。可选地，如以下更详细的描述，节点300还包括用于在多个频率信道上发送和接收全双工无线信号的发射机/接收机330。
术语发射机/接收机(也表示为收发机)是指发送和接收无线信号的设备、装置或系统，并且包括该发射机和接收机部分共享硬件的实施例，以及该发射机和接收机具有单独的硬件但在相同的频带上协同运行的实施例。
为了清楚起见，本文中的一些实施例描述两个节点之间的通信。本领域技术人员将理解，本发明实施例不限于特定数量的节点，并且可以在具有更多节点的网络中实现。
现参考图3B，其是根据本发明实施例的在网络节点处执行的指令的简化流程图。该流程图是出于说明目的而示出的，且并不将本发明限制为有序的操作序列。本领域技术人员将理解，在节点运行期间可以同时并动态地执行诸如提取和分析CAIS、更新信道分配(以及其他)的操作。
从接收自其他WANET节点的信号中提取信道分配信息集(allocationinformation set，CAIS)(340)。每个CAIS包括相应节点的节点标识符和频率信道使用数据，该节点标识符标识将CAIS发送到其他节点的节点。该频率信道使用数据指示发送该CAIS的节点当前正在接收的信道和该节点当前不能接收的信道(即在该信道上，节点不能接收数据，可选地，使用指定的可靠性度量确定)。
可选地，该网络节点分配一个或多个信道用于将其CAIS发送到多个网络节点，不一定发送给特定的目标节点或节点。类似地，即使在信号未被发送节点传送到接收节点(例如，未携带传送到接收节点的数据有效载荷)的情况下，该网络节点也可以可选地从接收自其他节点的信号中提取CAIS。
为了向目标节点发送信号，该节点分析该CAIS以识别该目标节点能够接收的一个或多个频率信道(350)。可选地，在从其他节点接收信号时，连续进行该提取和分析。
术语“目标节点”是指正在向它发送无线信号的网络节点。该目标节点可以是将所发送的信号携带的数据转发到另一网络节点(或其他目的地)的中间节点，或者替代地或另外地，该目标节点本身可以是该数据的最终目的地。
从所识别出的信道中分配用于发送到该目标节点的至少一个信道(360)。可选地，当节点正在向一个以上的目标节点进行发送时，可以同时分配用于发送到多个目标节点的信道。
在一些实施例中，通过首先从CAIS中确定哪些信道当前未被用于进行数据接收来执行分配。由于每个CAIS指示哪些信道当前正在被相应节点接收，所以可以编译包括当前正在用于接收的所有信道的集合。只有剩余的信道被认为是未使用的，因此发送到该目标节点的分配是可用的。从该可用信道中分配用于发送到该目标节点的一个或多个信道。需要注意的是，基于该目标节点中的每一个节点的相应可用信道集合，可以同时执行信道分配以向多个目标节点发送信号。
可选地，该分配是建立在诸如网络策略、负载平衡、通信协议之类的附加因素的基础之上的。
可选地，在具有适当的SIC的信道中，即使当前正在同一信道上进行接收的情况下，节点也可以分配用于发送的信道。在这种情况下，CAIS发送、数据接收和/或数据发送是在同一信道上同时进行的。
准备用于在一个或多个已分配的信道上发送到该目标节点的信号。该信号包括以下中的一个或多个：
i)节点的CAIS；
ii)数据有效载荷；以及
iii)控制信息，例如，ACK/NACK、信道状态信息等。
术语“准备用于发送的信号”以及相应的术语是指导致数据被调制到载波信号上的任何操作或操作的组合。这些操作可以在信号处理的数字和/或模拟基带和/或更高的频级(frequency stage)进行。这些操作可以包括但不限于：选择编码和调制参数、选择定时参数、预处理基带信号、编码、加密、信道映射、数模转换、调制和滤波。
可选地，该节点在不同的信道(和/或时隙)上发送不同类型的信号。例如，该节点可以在一个信道中发送仅携带了CAIS的信号，在另一个信道中发送仅携带了数据的信号，并在第三个信道中发送具有CAIS、数据和控制信息的信号。
可选地，该节点与其他频率信道中发送的数据和/或CAIS异步发送携带该CAIS的信号。或者，该CAIS是与该数据和/或其他CAIS同步发送的。
可选地，该网络节点的节点CAIS是动态更新的，以使得接收该CAIS的其他WANET节点具有关于该节点的状态的当前信息。该节点用来更新其CAIS的数据包括该网络节点(接收和/或发送)的当前频率信道使用情况以及从其他WANET节点接收的CAIS的信息。
可选地，该信号在被发送到该目标节点之前被延迟一个随机时间段，以避免与在已分配的信道上同时开始发送的另一节点的冲突(如以下更详细的描述)。
图4A示出了一种基本配置，其包括连续信道使用监视器410、多信道分配器420和CAIS生成器430(本文统一表示为分配管理器)。图4B和图4C包括附加的框，用于包括附加的信号准备和/或处理功能的实施例。
现参考图4A，其是根据本发明实施例的分配管理器的简化框图。分配管理器400包括连续信道使用监视器410、多信道分配器420和CAIS生成器430。
II)连续信道使用监视器
连续信道使用监视器410从所接收到的信号中提取CAIS。连续信道使用监视器410可选地通过使用由接收(Rx)基带预处理提供的原始信号样本解码在频率信道中的一个或多个信道中发送的CAIS帧来监控无线环境(见图4B)，并将此信息提供给多信道分配器420。
III)多信道分配器
多信道分配器420分析该CAIS，并分配用于发送和接收的信道。基于由连续信道使用监视器410采集的信息，多信道分配器420模块分配该频率信道的使用，并确定如何发送不同的信号。
可选地，多信道分配器420提供控制信息，用于以下操作中的至少一种：
i)频率信道映射；
ii)CAIS生成；
iii)编码和调制；
iv)选择随机暂停时间。
可选地，多信道分配器420使用从以下来源中的至少一个中获得的附加数据(参见图4C)：
i)数据业务源
ii)解调/解码操作或模块；以及
iii)中央控制节点(例如，基站)。
IV)CAIS生成器
CAIS生成器430根据多信道分配器420所选择的配置生成该节点的CAIS信号。在一个或多个已分配的频率信道上发送该CAIS信号，以保护正在进行的数据接收。该CAIS信号包括频率信道使用数据，且其可选地由当前数据接收频率信道(即接收信道集合)的索引和当前不能接收的信道(即不能接收的信道集合)的索引指定。该CAIS还包括指示发送它的节点的身份的节点标识符。可选地，该CAIS还包括前导码/导频结构，以辅助其他节点对该CAIS的解码。
为了通过该节点进行最有效的信道分配，所期望的是，该CAIS尽可能接近地反映每个节点各自的频率信道使用情况。可选地，CAIS生成器430动态更新该频率信道使用数据。因此，该节点发送考虑了装置的全双工能力的最新CAIS。
可选地，CAIS生成器430通过以下方式中的至少一种更新该频率信道使用数据：
a)连续地；
b)周期性地；以及
c)当从另一个网络元件(例如，基站)接收到触发时。
可选地，使用数字或使用固定数量的表示信道状态的位标志来显式地索引该CAIS中的频率信道。例如，每个信道的两位足以表示三种不同的状态：数据接收、不能接收和可用。
现参考图4B，其是根据本发明实施例的网络节点的简化框图。该节点包括分配管理器400和下列至少一个：
a)Rx基带预处理模块440：在ADC之后输入接收到的信号，对该信号进行采样，并将样本提供给连续信道使用监视器410。
b)解调/解码模块450：对所接收到的信号进行解调和解码以传送到目的地，并向连续信道使用监视器410提供关于输入数据业务的信息。
c)数据业务源460：是输出数据业务的来源，并且可选地，将向连续信道使用监视器410提供关于输出数据业务的信息。
d)编码/调制模块470：执行数据信号的编码和调制，可选地，根据多信道分配器420提供的参数。
e)随机暂停时间模块480：将该信号暂停一段由多信道分配器420选择的随机暂停时间。
f)频率信道映射器490：根据多信道分配器420提供的信道分配，将该信号映射到发送信道。
g)中央控制节点495：诸如基站的网络节点将附加信息(例如，网络状态)提供给连续信道使用监视器410。
其他可选的网络节点组件(图4C所示)包括但不限于：
a)射频发射机(radio frequency transmitter，Tx RF)/射频接收机(radiofrequency receiver，Rx RF)——根据指定的信道分配和其他发送/接收参数，向/从其他网络节点发送和接收全双工多信道；
b)模拟到数字(analog to digital，ADC)——将模拟信号(在给定频带，例如，RF、IF或基带)转化为数字信号，并将数字化的信号提供给连续信道使用监视器410以及其他系统元件以便进行解调、解码和其他处理；以及
c)数模转换器(digital to analog converter，DAC)——在模拟处理之前，将数字信号转换为模拟信号以进行传输。
图4C是根据本发明的一个示例性实施例的网络节点的简化框图。该网络节点是建立在进行全双工多频率信道无线通信的全双工无线电收发机的最先进的设计的基础之上的。SIC技术在多个层面上被实现：天线SIC、RF SIC(模拟)和基带SIC(数字)。多个频率信道中的全双工信号发送和接收是使用支持SIC的单个发射机/接收机(例如，收发机)执行的，而不是均调谐到单个频率信道的多个独立的发射机和接收机(这是不灵活、昂贵的且耗电的)。数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)模块和模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)模块覆盖了具有所有信道的整个频带，并且信号映射到不同信道可以仅在基带中通过诸如子载波分配、多信道滤波等信号处理执行。
在一个示例性实施例中，向/来自多信道分配器420的输入和输出包括：
1)连续信道使用监视器410至少基于对其他节点发送的CAIS的观察，提供无线频谱环境的连续更新。
2)解调/解码模块450提供关于正在进行的数据接收的信息，以使得多信道分配器420可以确定编码/调制到该CAIS中的内容。
3)当数据接收开始时，多信道分配器420选择一个或多个频率信道来广播节点的CAIS，以便为正在进行的数据接收提供即时保护。相应地，频率信道映射器490映射用于待发送的CAIS的信道。根据节点中的全双工收发机的SIC能力，用于发送该CAIS的频率信道可以包括接收信道和/或非接收信道。
4)多信道分配器420基于多用户访问方法控制随机暂停时间和/或频率信道映射模式，用于发送数据信号。
5)数据业务源460向多信道分配器420提供关于数据比特封装的信息，从而使得多信道分配器420可以确定编码和调制参数，以适应数据发送的频率信道映射模式。
6)多信道分配器420通常在符合预定义的策略时，接收来自中央控制码495的调度命令(例如，来自基站的下行链路)，并相应地分配信道。多信道分配器420还可以向中央控制码495报告其信道分配信息以及连续信道使用监视器410的观察结果(例如，到基站的上行链路)，以协助中央控制码495的决策制定。
V)多频率信道全双工无线分布式多用户访问
现参考图5，其从节点自身的角度呈现了多信道全双工节点的发送和接收行为的示例。该节点当前正在三个频率信道(索引为k+1、k+3和k+4)上接收来自其他节点的数据。此外，该节点在整个频带上连续地接收信号，并监控无线频谱环境的变化。由于该节点是全双工的，所以即使在该节点正在发送数据、CAIS或反馈信号(例如：ACK/NACK)的情况下，全频带接收和监控也是连续的。
在图5中，该节点正在发送CAIS，其包括：前导码、节点ID和频率信道信息(其示出该节点正在信道k+1、k+3和k+4上进行接收，并且不能接收信道k和k+2)。该节点还接收到了来自另一个节点的CAIS。所接收到的CAIS包括前导码、另一个节点的ID和频率信道信息(其示出该另一个节点正在信道k+4、k+5和k+6上进行接收，并且不能接收信道k+2和k+7)。
以下是根据本发明实施例的信道选择和保护机制的示例。
VI)保护数据接收信道
为了保护一些信道中正在进行的数据接收，包含频率信道使用数据(例如，数据接收信道k+1、k+3和k+4的索引)的CAIS信号被广播到所有其他节点。可以解码CAIS的节点避免在这些信道中进行发送，以保护其邻近节点正在进行的数据接收。例如，该节点可以解码在信道k+7中接收的CAIS，并且确定信道k+4、k+5和k+6正在被另一个节点用来进行接收。因此，该节点避免在信道k+4、k+5和k+6中发送数据、ACK/NACK和CAIS。
因为同一频带内无线信道的互易性，由于大的无线衰落而不能解码该CAIS的其他节点可以在不会有害地干扰CAIS发送器的数据接收的情况下安全地发送信号。当该CAIS信号的最小可解码信干噪比(signal to interference and noise ratio，SINR)电平低于正常数据信号的最小可解码SINR电平时，接收节点对来自其他节点的干扰传输具有足够的保护范围。
VII)考虑到有限的全双工收发机设计，保护不能接收的信道
该频率信道使用数据包括发送该CAIS的节点不能接收的信道的索引(或其他指示符)。这有助于使用低复杂度和低成本的全双工收发机，其中，由于收发机的SIC能力有限，一个频率信道中的发送信号不能被充分地消除。然而，由于信道外泄漏的功率电平通常比该发送信号的功率电平低几十分贝(dB)，所以信道外功率泄露通常更容易被充分消除。
由于以下原因，信道可能无法接收信号：
a)来自其他节点的强干扰可能会干扰节点处的接收。该节点可以测量接收信号强度，并确定一些信道正在受到来自其他节点的强干扰，所以在这些信道中不能可靠地接收和解码数据。
b)自干扰——当该节点的SIC能力有限且正在一些信道中进行发送时，这些信道中的信号发送可能会导致强烈的自干扰，所以在这些信道中不能可靠地接收和解码数据。
通过将关于不能接收的信道的信息包含在CAIS中，节点可以避免在不能接收的信道上向目标节点进行发送，但是仍然可以利用这些信道向不同的目标节点进行发送。
VIII)选择用于发送CAIS的信道
考虑到无线信道的频率选择性衰落特性以及不同信道中的不同干扰水平，可选地，该节点在多个频率信道中冗余地发送其CAIS，以增强由其他节点进行的CAIS检测和解码的可靠性。可选地，该多信道分配器基于以下条件中的一个或全部选择用于发送CAIS的频率信道：
1)该CAIS未在其他CAIS可检测节点的数据接收信道中被发送。
2)当节点的SIC能力强到足以将CAIS发送的自干扰消除到可接受的水平时，该多信道分配器将该CAIS发送分配给节点自身的数据接收信道。否则，该信道分配器选择其他信道来发送该CAIS。
IX)基于CAIS的防冲突访问方法
为了使用集合代数说明信道分配的实施例，定义了以下符号：
·在时刻t的所有节点的集合：N(t)
·在时刻t的节点k的CAIS可检测邻近节点(neighbor)的集合：Nk(t)
·在时刻t的节点k的数据接收信道的集合：Rk(t)
·在时刻t的节点k的不能接收的信道的集合：Uk(t)
在时间t，节点m向节点n发送数据的可用频率信道不包括节点m的CAIS可检测邻近节点的所有数据接收信道，也不包括节点n的不能接收的信道：
其中，[.]C表示一个集合的补集。发送节点m通过实时地连续监控来自其他节点的CAIS，更新其发送到节点m的可用信道。
X)随机暂停时间
当多个节点在同一时刻决定使用同一信道发送数据时，可能会出现信号冲突。为了缓解这个问题，在一些实施例中，当节点有数据要发送时，其在实际的数据发送开始之前暂停随机的一段时间。最早开始发送的节点引出对来自该接收节点的CAIS的更新，从而使得之后开始发送的节点在其进行发送之前就知道了无线环境的变化，冲突不太可能会发生。
可选地，随机暂停和CAIS更新过程如下(如图6信令图所示)：
a)节点m在时间t得到发送到节点n的分组，并首先选择发送信道集合：
A＝Am,n(t)
b)节点m暂停一段时间τ，并且其用于节点n的可用信道集合可能由于其他节点的发送而改变，并变为A＝Am,n(t+τ)。候选发送信道还考虑到早期选择的信道集合：
B＝Am,n(t+τ)∩Am,n(t)
c)节点m选择B的子集以便立即开始数据发送：
XI)通过CAIS(搭载)发送附加数据
可选地，除节点ID和频率信道使用数据之外，该CAIS还包括(或封装有)附加数据。进一步可选地，该附加数据包括承载在该CAIS上的控制信息(例如，反馈ACK/NACK、信道中的功率电平等)。该控制信息可以有助于重传、分布式调度和功率控制。
现参考图7，其示出了CAIS上的控制信息的动态承载的示例。数据包括Tx节点ID以及不能接收和能够接收的信道集合(标示为“固定部分”)。该附加数据包括：
a)前导码；
b)反馈+突发(burst)ID#1；
c)反馈+突发ID#2；
d)可选参数(可以有助于节点之间更好的资源协调，从而得到更好的整体系统性能)；以及
e)数据有效载荷。
动态承载的控制信息(标示为“动态部分”)跨节点和跨时间都是动态变化的。该动态部分可以包含来自早期发送的反馈信息(例如，ACK/NACK)以及其他控制信息，以辅助系统性能。因此，正如该固定部分一样，该动态部分包含来自基带单元中的多个实体的最新信息。
在一个示例性实施例中，该反馈信息是唯一地识别上一次传输的元组(例如，ACK/NACK、突发ID)。该突发ID是3元组(例如，发送节点ID、接收节点ID、传输ID)，其中节点ID对于每个节点是唯一的，且该传输ID对于每一对发送节点ID和接收节点ID是唯一的。该可选参数可以包括以下中的一个或多个：发送信道中的发送功率电平、接收信道和可用信道中的平均干扰电平、诸如FD-SIC消除支持度等的其他节点能力。
XII)CAIS的动态更新
现参考图8，其示出了根据本发明的一个示例性实施例的CAIS的动态更新的简化框图。CAIS生成器430基于来自连续频谱监视器、多频道分配器、解调/解码单元和Tx基带处理单元的输入，连续更新该CAIS的固定部分和该CAIS的动态部分(如果存在)，并将所输出的CAIS提供给频率信道映射器。因此，每个节点总是考虑到装置的全双工能力发送更新后的CAIS。
XIII)模拟结果
图9A和图9B呈现了本发明的示例性实施例的模拟结果。表2中列出了模拟参数。
表2
图9A呈现了用于发送帧的等待时间的CDF。图9A表明所提出的全双工分频多址(full-duplex frequency dividing multiple access，FD-FDMA)方案在统计学方面具有比传统CSMA/CA方案短得多的等待时间。
图9B呈现了发送一帧数据的总发送时间的CDF。当频率信道的数量等于或大于节点的数量时，发送数据之前的等待时间变为零，且该总发送时间仅由数据突发的长度决定。此外，由于频繁的竞争和冲突，CSMA/CA的等待时间和总发送时间表现出重尾分布(heavy-tail distribution)，这可能导致不确定的长延迟，而所提出的方案的延迟在确定值内收敛。
本文所呈现的实施例实际上可以通过低成本全双工无线电解决方案实现。例如，仅使用模拟RF SIC(例如，50dB的自干扰消除)以及基带处理中的简单的信道外干扰泄漏抑制(例如，可以轻易实现＞60dB的泄漏抑制的FBMC和滤波后的OFDM)，就可以实现超过11dB的总干扰抑制。这种程度的抑制足以使用如本文所述的单个收发机在多个频率信道中实现全双工无线通信。
如本文所描述的，使用CAIS的信道分配可以显著减少自组织D2D网络中的延迟并提高可靠性。不需要耗时和不可靠的RTS/CTS握手。使用全双工收发机对CAIS信号进行的连续监控将由隐藏/暴露节点问题引起的冲突降至最低。信道分配的CAIS使用可以应用于演进的标准(例如，LTE、5G、WLAN等的未来版本)，这些标准越来越多地关注针对人类和机器(例如，车辆、机器人、无人机等)的可靠且低延迟的D2D连接。
如上所述的方法用于集成电路芯片的制造。
附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图和框图中的每个框可以表示模块、片段或代码的一部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还需要注意的是，在一些可替代的实现方式中，框中所提到的功能可以不按图中所提到的顺序出现。例如，实际上，根据所涉及的功能，连续示出的两个框本质上可以同时执行，或者框有时可以以相反的顺序执行。还应注意的是，该框图和/或流程图的每一个框，以及该框图和/或流程图中的框的组合可以由执行所指定的功能或动作的基于专用硬件的系统、或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
出于说明的目的，已经给出了本发明的各个实施例的描述，但其并非意在穷举或局限于所公开的实施例。在不脱离所公开的实施例的范围和精神的前提下，许多修改和变形对本领域普通技术人员来说将是明显的。本文选择所使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、对市场中见到的技术的实际应用或技术改进，或是使本领域其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。
预计在由本申请形成的专利的有效期内，将会开发出许多相关的WANET、节点、全双工协议、SIC技术、发射机/接收机和收发机、信道分配技术、编码和调制技术、解码和解调技术、信道映射、基带预处理、ADC和DAC，并且术语WANET、节点、全双工、信道分配、SIC、发射机/接收机、收发机、编码、调制、解码、解调、信道映射、基带预处理、ADC和DAC的范围旨在先验性地包括所有此类新技术。
术语“包括”(“comprises”和“comprising”)、“包含”(“includes”和“including”)、“具有”(“having”)、以及它们的同源词是指“包括但不限于”。这类术语包括术语“由……组成”和“基本上由……组成”。
短语“基本上由……组成”是指组合物或方法可以包括其他的成分和/或步骤，但前提是其他成分和/或步骤不会在实质上改变所请求保护的组合物或方法的基本且新颖的特征。
如本文所使用的，单数形式“a”、“an”和“the”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包括其混合物。
本文中所使用的“示例性”一词是指“作为示例、例子或实例”。描述为“示例性”的任何实施例并不一定要被解释为优于或胜于其他实施例，和/或排除其他实施例的特征的并入。
本文所使用的“可选地”一词是指“在一些实施例中提供并且未在其他实施例中提供”。本发明的任何具体实施例可以包括多个“可选的”特征，除非这些特征相冲突。
在整个申请中，本发明的各个实施例可以以范围形式呈现。应该理解，范围形式的描述仅仅是为了方便和简洁，且不应被解释为对本发明范围的僵化限制。因此，对范围的描述应被视为已经具体公开了所有可能的子范围，以及该范围内的单个数值。例如，对范围从1至6的描述应被视为已经具体公开了诸如从1至3、从1至4、从1至5、从2至4、从2至6、从3至6等的子范围，以及该范围内的单个数值，例如，1、2、3、4、5和6。无论范围的宽度如何，这都适用。
无论本文何时指出数值范围，都意在包括指定范围内引用的任何数字(小数或整数)。短语第一指示数字和第二指示数字“之间的范围”和“从”第一指示数字“到”第二指示数字“的范围”在本文中可互换使用，并且意在包括该第一指示数字和该第二指示数字以及它们之间的所有小数和整数。
应当理解，为了清楚起见，在独立实施例的上下文中所描述的本发明的某些特征也可以以组合的形式在单个实施例中提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中所描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的形式提供，或者在适当的时候在本发明的其他所描述的实施例中提供。各种实施例的上下文中所描述的某些特征不被认为是这些实施例的基本特征，除非该实施例在没有那些要素的情况下不起作用。
虽然已经结合本发明特定的实施例对其进行了描述，但显然很多可选方案、修改和变形对本领域技术人员来说将是明显的。因此，本发明意在涵盖所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替代方案、修改和变化。
本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请在本文中通过引用以其整体结合在本说明书中，其程度如同分别具体地指明每个单独的出版物、专利或专利申请通过引用结合在本文中。此外，本申请中对任何参考的引用或借鉴不应理解为承认此参考可用作本发明的现有技术。就所使用的章节标题而言，其不应理解为必然限定。

Claims (14)

1.一种用于通过无线自组织网络(WANET)进行通信的网络节点，所述WANET包括在多个频率信道上通信的多个网络节点，所述节点300包括：
至少一个处理器320，适配为执行用于以下操作的代码指令：
从信号中提取至少一个信道分配信息集(CAIS)，所述信号是从所述WANET节点中的至少一个WANET节点接收的，其中每个CAIS包括相应节点的节点标识符和频率信道使用数据；
分析提取出的所述至少一个CAIS，以识别所述多个频率信道中目标节点能够接收的至少一个信道；
从所识别出的信道中分配用于发送到所述目标节点的至少一个信道；以及
准备用于在已分配的所述至少一个信道上发送到所述目标节点的信号，所述信号包括所述网络节点的CAIS。
2.如权利要求1所述的网络节点，还包括收发机330，适配为以全双工模式在所述多个频率信道中发送和接收信号。
3.如权利要求1或2所述的网络节点，其中所述用于发送到所述目标节点的信号还包括数据有效载荷。
4.如权利要求1至3中任一项所述的网络节点，还被适配为选择用于暂停将所述信号发送到所述目标节点的随机时间段，以避免与在已分配的信道上同时开始发送的另一节点的冲突。
5.如权利要求1至4中任一项所述的网络节点，还被适配为根据所述网络节点300的当前频率信道使用情况和当前所接收到的来自其他WANET节点的信道分配信息集(CAIS)，动态更新所述网络节点300的所述CAIS。
6.如权利要求1至5中任一项所述的网络节点，其中所述CAIS还包括通信控制信息。
7.如权利要求1至6中任一项所述的网络节点，其中所述CAIS是与以下中的至少一个异步发送的：在其他频率信道上发送的数据和在其他频率信道上发送的CAIS。
8.如权利要求1至7中任一项所述的网络节点，其中，对于所述信道中的至少一个信道，CAIS发送与以下中的至少一个在已分配的所述至少一个信道上同时执行：数据接收和数据发送。
9.一种用于无线自组织网络(WANET)中的通信的方法，所述WANET包括多个网络节点，所述方法包括：
在多个频率信道上进行全双工通信的网络节点300处：
在所述多个信道中的至少一个信道上，发送包括所述节点的节点标识符和用于所述节点300的频率信道使用数据的动态更新的信道分配信息集(CAIS)，所述频率信道使用数据指定所述网络节点300当前正在接收的信道和所述网络节点300当前不能接收的信道；
从信号中提取至少一个CAIS，所述信号是从所述WANET中的至少一个节点接收的，其中每个CAIS包括相应节点的节点标识符和频率信道使用数据；
分析至少一个所提取出的CAIS，以识别所述多个频率信道中第一目标节点能够接收的至少一个信道；以及
在所述第一目标节点能够接收的所述多个信道中的至少一个信道上向所述第一目标节点进行发送。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述分析是对与所述发送同时接收的信号连续执行的。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中所述识别包括：
从接收到的所述至少一个CAIS中确定当前未被所述WANET节点用来进行数据接收的信道；
从所述第一网络节点的相应CAIS中确定当前能被所述第一目标节点用来进行接收的至少一个信道；以及
从当前未被所述其他WANET节点用来进行数据接收的所述信道和当前能被所述目标节点用来进行接收的所述至少一个信道的交集中，确定用于发送到所述第一目标节点的可用信道。
12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，还包括在当前未被所述WANET节点用来进行数据接收以及所述第一目标节点不能接收的信道上向第二目标节点进行发送。
13.如权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述发送和接收是由所述网络节点300处的单个收发机330执行的。
14.如权利要求9至13中任一项所述的方法，还包括将通信控制信息包含在发送的所述CAIS中。
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