CN1996920A - 基于协同机理的新型无线通信组网方法 - Google Patents

Abstract

一种基于协同机理的新型无线通信组网方法，它通过节点间的协同处理，保证异构无线接入网络互联互通及提供异构网络间的协同涌现增益。本发明中提出的协同中继节点除了具有异构中继节点的全部功能外，还具有协同处理功能，能够自组织成协同中继子网。本发明还提出了协同中继子网的逻辑协议参考模型和无线空中接口协同协议，具体包括新定义协同数据传输平面以完成协同的控制和管理，新定义协同处理层以支持异构数据的转换和协同处理。使用本方法的益处在于可以把两个内部采用了协同技术的无线接入网能无缝整合在一起，提供高速的数据传输，解决异构无线接入网间整合的瓶颈，在异构无线接入系统间通过协同中继子网进行数据的有增益无缝中继。

Description

基于协同机理的新型无线通信组网方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，不仅适合于传统的蜂窝移动通信系统，也适合各种无线宽带接入系统，如无线局域网、无线城域网等，还适合异构无线接入系统，在未来的无线接入网融合中也具有广泛的应用。它不仅能应用于民用通信系统，也可以应用于自组织的军事通信系统，还可以应用于各种特定的行业应用。

背景技术

随着信息通信技术的发展和普及，人们对信息量和信息业务类型的需求不断增加，任何一种单一网络或者单一技术都无法满足所有的需求，通过联合不同的终端、不同的机制、不同的技术、不同的系统，能产生它们各自独立运行/应用时所不具有的能力，即“涌现”效果，这就是协同机理。

协同和融合是一对统一体，通信网络的融合一般是指对不同通信网络间共性的整合，而通信网络的协同则是对不同通信网络间或者同一通信网络内不同终端或者不同技术间个性的整合。不同通信网络的融合是为了更好的服务于异构通信网络的协同，即融合可以使原有各单通信网络更好的实现其原有功能，也为更进一步的功能实现和技术创新等协同操作提供了条件。

协同技术是为了生成单一网络或者单一技术所不具有的能力，通过协同处理后的网络或者技术的功能大于每个组成部分的功能之和，即追求系统理论中的“涌现”效应。无线通信网络的协同技术研究，包含两方面内容：一是指单一无线通信网络内部不同终端或者不同技术的协同，以增强单一无线通信系统的性能；另一内容是指不同异构无线网络相互协同，以提供异构无线通信网络的“涌现”增益。需要注意的是异构无线通信网络的协同不是多种无线网络或者多种无线通信技术的拼凑，它涉及到从频谱协同到协议设计协同、空中接口协同、业务协同、通信技术协同、网络安全协同等。

为了保证无线接入网络能够拥有海量数据传输的能力，目前在无线接入网络内可以采用协同技术，例如协同分集、协同多输入多输出技术(协同MIMO，Cooperative MIMO)、协同编码等，例如在下一代蜂窝移动通信系统中推荐使用协同MIMO技术，在无线传感器网络中协同MIMO被视为关键技术之一，用以提高传输链路的稳健性和减少功耗。

MIMO技术通过在发射和接收端都使用多天线，有效消除无线信道多径、时变衰落的影响。但移动终端由于受到体积、功率、实现等因素的限制，使得上行链路使用多天线几乎是不实际的，限制了MIMO技术的应用。所以提出了新的空间分集技术，即协同MIMO(Cooperative MIMO)，也称为虚拟MIMO(VirtuaL MIMO)。协同MIMO的基本原理是多用户环境中的单天线用户，在传输自己的信息时，也能传送所接收和检测到的临近用户(即伙伴)的信息。其实质就是希望利用合作伙伴的天线与自身天线构成多发射天线，得到分集增益，形成虚拟的MIMO系统。

协同MIMO克服了传统MIMO技术的限制，为MIMO技术走向实用化提供新的思路。协同MIMO允许协同分集的主要特点是无线介质的广播特性，从原理上讲，被发送的信号可以被任何其他用户收到并进行信息处理。这样，除了将信号独立传输到各自的目的地外，两个用户还可以互相监听各自的传输，从而联合传输它们的信息，这样就可实现协同通信。

协同MIMO技术里的中继操作有三种不同的方案：编码协同(CC，Coded Cooperation)、前向放大方案(AF，Amplify and Forward)和前向解码方案(DF，Decoded and Forward)。CC方案是将协同信号与信道编码相结合，通过正确解码伙伴的信息后，重新编码并发送出去，从而可以同时获得分集和编码增益。编码协同不需知道用户间的信道信息，可以利用目前空时编码的研究成果，具有良好的性能。对于AF方案来说，中继节点直接放大并转发从基站收到的信号，也就是说，中继节点只是一个简单的转发器，它对输入的信号只进行线性组合。而对于DF方案来说，中继节点对接收到的信号进行译码，并转发译码后的再生符号信息给目的节点。

无线传感器网络中的MIMO技术能显著增加信道容量或者降低发送功率，但传感节点一般只具有单天线，为了提高复用增益，采用协同MIMO技术以提高通信性能。在无线传感器网络中通过协同MIMO技术，引入空间分集来增大系统容量，通过多跳传输增大小区范围，降低对信道变化的敏感度，延长电池寿命等。

异构无线核心网络协同基于全IP核心网络进行，由于目前各种无线通信网络还没有实现互联互通起来，所以基于核心网的网络协同还停留在概念上。

综上所述，协同技术目前主要应用于单无线接入网(包括具有集中管理功能的蜂窝移动通信系统和具有多跳自组织特性的宽带短距离无线通信系统)内部，把协同技术应用于异构无线接入网还是一个空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于协同机理的新型无线通信组网方法，包括定义协同的异构无线接入网络体系结构，协同中继节点使用的协同协议，及协同中继节点的算法，以实现未来无线通信系统之间的互联互通。

本发明中的方法具体包括，建立具有广域覆盖的基础架构型无线接入网；在与其连接的各短距离无线接入网内设置协同中继节点；协同中继节点在各短距离无线接入网内自适应组织成一个协同中继子网；协同中继节点作为协同中继子网内的增强的通信节点与基础架构型无线接入网互联互通。

“协同中继子网”一般由多个“协同中继节点”自适应协同组成，这里所说的“协同中继节点”不是传统意义上的“异构中继节点”，即不只是具有转发功能，而是可以根据中继的两个异构网络传输容量和质量要求以及采用的协同处理机制等，通过协同其他“协同中继节点”进行高速数据转发，从而有效解决异构网络接口的传输瓶颈，降低对单中继节点的功能要求，同时简化网络互联互通的协议结构设计和网络布置。

对于“异构中继节点”来说，其具有异构协议转换功能，并且具有自组织协同处理功能，能够自适应的和其他“异构中继节点”进行同步，实现协同功能，例如包括协同多天线发射或者分集接收、协同编码、协同路由等。为了实现多“异构中继节点”的同步，本发明提出了上下行链路的协同同步算法。

如何配置多个“协同中继节点”，也就是如何组建一个具有“涌现”增益的“协同中继子网”，需要设计相应的协议，同时要有一些技术作为支撑，这是本发明的核心所在。在设计“协同中继子网”时，为了获得协同“涌现”增益，需要充分考虑所中继的两个无线接入网内部通信特性和它们各自采用的协同处理机制。

为了实现异构无线接入网间的协同处理功能，保证两种类型的无线接入网能互联互通，而且获得协同的“涌现”增益，必须设计“协同中继子网”的通信协议，实现协同信息的控制和管理，保证异构数据的转换和协同处理等。

通过“协同中继节点”转发的数据需要转换为另外一种接口所支持的格式来进行发送。传统的思路为“协同中继节点”包含两个独立的完整的协议模块，数据在网络层进行转换，但是这样的缺点是数据经过多层协议的处理，增加了额外的信令开销，同时也使数据的处理时延增加，不能非常好的支持实时性强的业务。一种新的研究思路是在媒体接入控制层之上增加一个额外的层，在不同情况下与原有的MAC子层进行不同程度耦合，所有经过“协同中继节点”的数据包在此经过格式转换、参数映射、分割和重组之后，采用另一种接入技术进行转发。这样将能减少数据处理的开销及时延，同时通过该层的自配置技术，可以支持业务的无损转移，并且实现不同链路的协同处理。在本发明中，把该层定义为协同处理层。

对于协同网络来说，如何选择“协同中继节点”至关重要。下面分别介绍本发明中使用的协同中继节点选择算法。

从下行链路来看，一种较为普遍的算法是：由于节点间的信道质量是时变的，所以按照实时的信道变化来进行全局范围内最优的选择。这种算法对基站的信息处理能力和信号时延限制都提出了挑战。一种次优的解决思路就是通过迭代的方法，从定义好的邻居集合内每加入一个“协同中继节点”，对协同的链路性能进行一次评估，直到链路性能达到目标要求即可。但这种算法在降低算法复杂度的同时，也牺牲了实际系统潜在可提供的一些性能增益。

本技术方案可以采用一种新的方法，即通过增加一个协同变量(CooperativeParameter，CP)来衡量某个位置上“协同中继节点”可提供的协同增益，对每个节点都定义一个协同区域，协同区域是指以该节点为中心，由CP划定等高线的区域。这一定义可以拓展为以已确定的两个及两个以上的协同节点为中心的多元协同区域。通过协同区域的界定，候选协同节点的集合可以大大缩减，同时通过对CP简单的处理来衡量对比候选集合内的节点。这种算法可以大大降低协同节点选取复杂度的算法，也同样可以应用于异构无线接入网“协同中继子网”中“协同中继节点”选择。

从上行链路来看，它与下行链路的研究方法差异较大。例如，以蜂窝移动通信系统的协同MIMO技术来看，基站端拥有多根接收天线，每个节点拥有1根或者多根发射天线，那么由基站选择多个协同节点进行组合，构成一个虚拟的多天线发射机，与配置了多天线的基站就构成了一个协同MIMO系统，这样可以提高上行的传输效率。

本发明提出的协同机理，已经拓展了协同MIMO的概念，可以采用多种协同技术，例如协同编码、协同分集等，并且协同技术应用于异构无线接入网间，这就使得节点配对问题更加复杂。

异构无线接入网上行链路的协同节点选择首先考虑基础架构型无线接入网协同节点选取的建议，然后考虑短距离无线接入网对协同节点选取的建议。通过综合两个无线接入网的协同节点选取建议，根据网络整体性能最佳原则给出同时支持两个异构无线接入网的协同节点选择最终方案，同时确定“协同中继子网”的网络拓扑情况，给出合适的协同路由算法。

此外，在本发明的技术方案可以在以下两方面中有所变化：

1.“协同中继子网”不仅可以由同构的“协同中继节点”构成，也可以由单一“协同中继节点”构成，或者由多个异构的“协同中继子节点”构成，此时异构的“协同中继节点”间进行协同需要进行协议转换等额外操作，但是组网更加灵活，能获得更好的协同增益。2.基于协同的无线资源管理机制，在协同无线资源管理机制中，其面对的是具有集中管理特性的基础架构型无线接入网和具有多跳特性的短距离无线接入网，所以协同无线资源管理需要把集中和分布式网络管理的优点有机结合在一起，解决分布式网络无线资源管理易碰撞和频谱利用率低等缺点。联合分布式和集中式调度的协同无线资源管理，要求能够及时获得无线信道状态信息，及时进行协同路由更新和协同节点选取，重新构建最佳的“协同中继子网”。具体的算法包括：协同接入控制、协同功率控制。协同调度、协同路由、协同跨层设计等算法。

本发明的有益效果在于，使用本方法可以把两个内部采用了协同技术的无线接入网能无缝整合在一起，提供高速的数据传输；解决了异构无线接入网间整合的瓶颈，在异构无线接入系统间通过“协同中继子网”进行数据的“有增益”无缝中继。

附图说明

图1：基于协同机理的异构无线接入系统的网络结构示意图

图2：“2跳”异构系统协同分集

图3：“3跳”异构系统协同分集示例图

图4：基于协同机理的逻辑参考模型设计图

图5：“协同中继节点”的一种协同协议结构示例图

图6：基于异构“协同中继节点”的扩展无线网络结构图

具体实施方式

图1给出了基于“协同中继子网”和“协同中继节点”的异构无线接入网的网络结构示意图。其中中间的椭圆区域表示具有广域覆盖的基础架构型无线接入网，例如具有海量通信能力的下一代蜂窝移动通信宽带接入网或者无线广域/城域网，其主要特征是采用了协同处理技术，例如协同编码、协同分集或者协同MIMO等。图中云状区域是各种具有特定用途的短距离无线接入网，例如无线局域网、无线传感器网络、无线数字家庭网络、无线Mesh网络、无线个域网等各种自组织多跳无线网络等。

在图1中，基础架构型无线接入网和短距离无线接入网通过“协同中继节点”实现互联互通，他们之间的接口由多个“协同中继节点”构成，而多个“协同中继节点”在异构无线接入网间自适应组织一个“协同中继子网”。“协同中继节点”是一种增强的通信节点，能作为基础架构型无线接入网的终端存在，同时也作为短距离无线接入网的接入点(集中控制模式)或者对等节点(分布控制模式)而存在，支持协同技术。它可以是预先布置的固定节点，也可以是可移动的节点。

图2是一种简单的异构无线接入网的协同处理方案，这里的协同处理只是考虑了简单的协同分集增益，并且网络的最大跳数为2。例如短距离无线接入网的目标用户采用的是UWB物理层传输机制，如果它希望接入外部的网络，如具有城域或者广域覆盖特性的蜂窝移动通信网络或者移动WiMAX通信系统等，则可以通过“协同中继节点”进行中继。由于存在“协同中继节点”，使得2跳传输都具有协同分集增益。

对于图2所示的协同方案来说，需要进行不同模式协议包的转换，即在无线空中接口需要相应的协议转换机制。另外，由于两种无线接入网的分组数据单元(PDU)格式和大小不一样，在拆分和整合时容易造成分组数据包的丢失，所以需要进行数据包的协议转换以及相应的信令设计等。

图3是一“3跳”异构系统协同分集网络结构图，短距离无线接入网的目标用户通过第三跳的协同分集接收来自协同中继节点4和协同中继节点5的信息。而协同中继节点4和协同中继节点5可以直接接收来自基础架构型无线接入网基站发来的信息，同时也能接收来自协同中继节点1、2和3的信息，实现第二跳的协同分集是本专利方案设计的异构无线网络结构的关键。

在图3的示例中，“协同中继子网”的拓扑结构由协同中继节点1～5构成，但之所以需要额外增加第2跳协同分集接收，主要在于协同中继节点4和节点5离基站距离太远，所以通过中继协同节点1、节点2和节点3的协同，可以增强节点4和节点5的通信能力，同时也缩短和短距离无线接入网目标用户的通信距离。如果只采用“2跳”异构协同网络结构，此时基站为了服务节点4和节点5，会大幅增加基站的发射功率，反而增加了系统的干扰。“协同中继子网”设计的目的在于使网络整体性能最优化。

图2只是采用了“协同分集”处理技术，而图3中则采用了“协同MIMO”技术，它们的“协同中继子网”的协同拓扑配置有很大不同。

图4是基于协同机理的逻辑参考模型设计图，该逻辑参考模型可以分为数据传输平面和控制平面两部分。数据传输平面用于传输通过协同接入网的用户数据，而控制平面对无线接入承载及传输链路进行控制(包括协同请求、协同应答、协同决策和协同网络拓扑更新、协同资源控制和调度、协同测量等)。

基于协同的逻辑参考模型设计和传统的无线接入网的参考模型设计的差别在于必须考虑协同的处理、协同的控制、协同的管理等。为了统一实现协同功能，专门增加了一个协同数据传输平面，该传输平面要求能在协同传输网络层提供协同控制和管理功能、指导数据的协同，完成多“协同中继节点”自组织成一个“协同中继子网”的任务，其中协同数据传输平面的逻辑功能和信令传输需要专门进行定义和设计。

图5是“协同中继节点”的一种协同协议结构设计示例。图中无线终端1和无线终端2可以分别是基础架构无线接入网和短距离无线接入网中的用户终端。在数据链路层的上面专门定义协同处理层，它的主要作用包括：(1)作为多种接入技术汇聚子层，对上层提供统一的接口，屏蔽下层多种接入模式；(2)控制和补充各种接入技术的MAC层功能，尽可能的有效利用异构网络的协同无线资源管理，分配无线资源；(3)和其他“协同中继节点”进行协同，保证不同“协同中继节点”中继的数据具有协同关系。

图6是基于异构“协同中继节点”的扩展无线网络结构图，其中场景1下的单一“协同中继节点”实际上只是一个“异构中继节点”，一般只实现数据转发功能，不额外增加多天线等设备则无法获得分集或者复用等增益，从异构无线接入网间的传输来看它也不具有协同“涌现”增益。场景3中“协同中继节点”上有不同的颜色或者格式表征实现中继功能的节点实际上是不同类型短距离无线接入网的终端。

需要说明的是，本发明提出的协同机理不仅可应用于异构无线接入网间，也可应用于同构无线接入网间，即可应用于具有至少2跳特性的同构无线接入网内，通过采用协同技术提高无线数据传输。

尽管本发明已参照具体实施方式进行描述和举例说明，但是并不意味着本发明限于这些描述的实施方式。同时要说明的是本发明中的技术方案并不专门针对哪一种特定的无线通信系统。

Claims (9)

1.一种基于协同机理的新型无线通信组网方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步，为了提供无缝且高速的移动业务，整个无线通信网络由具有广域覆盖的基础架构型无线接入网和为特定功能而设计的短距离无线接入网组成；

第二步，在两种无线接入网间设置异构协同中继节点，它们能同时和两种异构无线网络进行通信；

第三步，为了提高两种异构无线接入网间的性能，多个协同中继节点能自适应组织成一个协同中继子网；

第四步，通过由协同中继节点组成的协同中继子网，可以使用多种先进信号处理技术，从而增强短距离无线接入网与基础架构型无线接入网的互联互通能力，解决异构无线接入网间传输瓶颈问题。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

具有广域覆盖的基础架构型无线接入网可以是具有海量通信能力的下一代蜂窝移动通信宽带接入网或者是无线广域/城域网，一般为了实现广域覆盖。为了提高单条链路的传输速率，采用协同MIMO、协同编码等先进的协同技术。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

短距离无线接入网可以是无线局域网、无线传感器网络、无线数字家庭网络、无线网状网、无线个域网等各种无线多跳自组织网络，一般为了实现热点覆盖，或者满足特别通信的需求。为了提高单条链路的传输速率，一般采用协同多用户分集、协同路由等先进的协同技术。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

协同中继节点可以是预先布置的固定节点，也可以是可移动的节点；它可以是专门设计的通信节点，也可以是改进的多模无线终端。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的方法，其特征在于，

每一个协同中继子网中由至少一个协同中继节点自适应协同组成，协同节点间采用协同传输技术。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

组成协同中继子网的协同中继节点可以是同构协同中继节点，也可以是单一协同中继节点，或者是多个异构的协同中继子节点来提高节点的传输性能。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

在为协同中继节点设计的协同协议中在数据链路层的上面专门定义协同处理层，作为多种接入技术汇聚子层，对上层提供统一的接口，屏蔽下层多种接入模式；控制和补充各种接入技术的MAC层功能，有效利用异构网络的协同无线资源管理，分配无线资源；与其他协同中继节点进行协同，保证不同协同中继节点中继的数据具有协同关系。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

在为协同中继节点设计的协同协议中，在无线网络层和协同传输网络层中设置数据传输平面和控制平面，数据传输平面用于传输通过协同接入网的用户数据，而控制平面对无线接入承载及传输链路进行控制。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

在数据传输平面和控制平面之间增加一个协同数据传输平面，以便在协同传输网络层提供协同控制和管理功能、指导数据的协同，完成多协同中继节点自组织成一个协同中继子网实现统一协同功能。

Images