具有增加的信号频谱的空间重用的AD－HOC无线通信系统中的资源管理

具体实施方式

综述

在本文详细描述了一种通信系统，并且具体地，一种用于抑制干扰以在该系统中的UWB网络中实现空间重用的机制。在以下描述中，为了给出对于本发明的透彻理解，提供了大量具体细节。但是相关技术领域的技术人员将容易认识到，在没有这些具体细节或者使用可替换的元素或步骤的情况下，也可以实施本发明。在其它实例中，公知的结构和方法没有详细地示出，以避免模糊本发明。

图1是ad-hoc无线网络环境100的示图，在该ad-hoc无线网络环境100中，多个无线通信设备(WCD)111、112、113、114、115、116能够建立通信链路。对于给定的WCD，例如WCD 114，建立直接通信链路的能力取决于信号特性和与WCD 111-113、115-116中的其它WCD间的距离。无线通信链路还可以是间接的，例如在WCD 112的情况下，通过WCD 113与WCD 114通信，并且最终通过WCD 113-114与WCD 115-116通信。

此后，无线通信设备(WCD)包括但是不限于用户装备、移动站、固定或移动用户单元、寻呼机或能够在无线环境中操作的任意其它类型的设备。当在后文中涉及时，基站(BS)包括但是不限于节点B、基站控制器(BSC)、站点控制器、接入点或无线环境中的任意其它类型的接口设备。“接入点”(AP)是用于提供无线接入以供设备建立与LAN间的无线连接并且建立无线LAN(WLAN)的一部分的站或设备。如果所述AP是WLAN上的固定设备，那么该AP是用于发送和接收数据的站。AP允许将WTRU连接到网络，假设该WLAN本身具有到该网络的连接。

在ad-hoc网络中，一般基于先到先服务的原则来接收通信请求，从而，对于任意通信设备，如果来自第一外部设备的通信请求使用可用于外部通信的通信带宽的全部容量，那么与其它设备间的通信将被排除或者至少受到限制。在许多情况中，通信带宽是受限的，但是该网络被公知为“贪婪的”系统。理所当然，这限制了ad-hoc网络接受多个通信设备的能力。在仅要求一个受限波特率的通信链路的情况下，“贪婪”通信链路的建立也是低效率的，因为它限制了可用于给定通信设备的总通信吞吐量。

操作

如果给定应用意图实现所要求的误比特率(BER)，那么该给定的应用可以要求在假定的调制方案下，每个符号载波/干扰(C/N)的目标SNR(信噪比)。当信号(波形)的谱密度与合适的因子相乘时，该谱密度将给出每个单位频率上波形所携带的功率。这是管理机构，例如联邦通信协会(FCC)和国际电信联盟(ITU)在可以向相邻卫星辐射的最大功率谱密度(PSD)上强加的严格的规范要求。因为超宽带(UWB)是PSD受限的系统，所以可以通过根据(有限范围中的)距离改变处理增益来实现固定的目标C/N。因此，较大的距离意味着较大的路径损失，并且因此需要较大的处理增益来获得所要求的C/N。接着，这将意味着支持较低的数据速率。

通信链路包括基本物理层。物理层和MAC层通过诸如环境干扰(AM)、干扰噪声(IN)和最小发送速率(Rmin)的参数，强烈地相互作用。对于链路低效率，大部分当前RF技术依赖于MAC层来提供对介质的共享接入。当前MAC层被设计为处理单个点到点链路；即，一个移动用户/终端设备与一个基本发射站(BST)RF链路通信。因此，希望提供具有动态改变的拓扑的无线网络，该拓扑能够处理带宽的增加使用，从而MAC层可以在传输之前可以感测到介质，这意味着利用最佳链路。

MAC层的设计包括用于解决UWB物理层、移动ad-hoc网络(MANETS)、路由协议和网络动态特性的设计考虑。

UWB物理层本质上是扩频系统，并且因此具有可以比窄/宽带系统更好地处理干扰的优势。对UWB ad-hoc网络的MAC设计的理论研究显示，具有多个同时操作的链路的类似码分多址(CDMA)的MAC是最佳MAC。在这些工作中假设的模型是简单的，但是提供了一种直觉(intuition)，即，UWB系统将允许多个并行链路并且处理干扰而不是向他们分配独立的资源。因此，UWB ad-hoc网络要求进行调度而不是基于纯图形的排除方案。该研究还表明要求排除最靠近的干扰物。这是因为，利用大但有限的带宽，扩频特性不足以处理非常靠近的干扰物，例如，与发射机和接收机距离相等的干扰物。UWB系统是PSD受限的系统，并且基于理论的仿真表明功率控制毫无价值，因为功率是有限的资源而干扰处理是优选的。因此，链路通常被配置为以最大可用功率进行操作，并且利用一些干扰处理能力。在配置所述系统时，还假设将要被调度的资源是时隙而不是带宽。这既是为了简化也是因为现有标准中的有限的带宽灵活性(最小500MHz)。MAC设计适用于实现基于802.15.3a标准的实际UWB系统的各种细节。

移动ad-hoc网络(MANETS)存在QoS问题，该QoS问题通过MAC来解决。ad-hoc网络的MAC层设计是被充分研究的问题。在MANETS中，QoS的缺失可以是由于无线链路上的高误比特率(BER)或由于低的信号与噪声及干扰比(SINR)、业务流不平均分发的拥塞以及其它因素所引起的。关键特性是ad-hoc网络要求一种可以转换成分布式协议的分布式资源分配方案。并且，中央协调器(即，分布式需求)的缺失意味着就协议开销而言，任意资源分配都非常昂贵。还可以避免关于现有协议的一些充分记录的问题，例如，载波侦听多址/冲突避免(CSMA/CA)中的隐藏终端或暴露节点问题。

网络层处的路由协议与MAC紧密地相互作用。实现希望的QoS是将要在两个层上处理的问题，并且MAC协议的设计可以考虑它与路由协议间的相互作用。可以在接纳控制阶段处理该问题。

ad-hoc网络在本质上还是动态的，并且在其它链路掉出网络时(由于新的会话而)形成新的链路。链路的动态性质还可以是由于节点的移动或者诸如衰落的信道特性引起的。该动态特性导致对资源分配的选择。在全局资源分配(GRA)方案中，每次形成或终止新的链路时，重新协商所有(包括正在进行的)链路的资源。在增量资源分配(IRA)方案中，仅在会话开始时一次性地分配资源。因此，在IRA方案中，网络向新链路分配资源，同时保留分配给现有链路的资源。显然，与增量方案相比，全局方案可以实现更高的容量(更多的被接纳的用户)。活动链路的健壮性的主要考虑以及资源分配中涉及的协议开销导致选择增量资源分配方案。将使用物理层链路预算，将衰落和移动处理在有限的程度内。例如，可以将链路预算实现为借助于链路容限(LM)。这仍将影响MAC的性能。

MAC能够确保满足语音业务的数据速率和延迟要求，以便提供良好的QoS。其次，基于UWB物理层，其可以是基于CDMA的MAC，有限的特例除外。最后，该网络的动态自组织特性为MAC提供了作为增量和分布式方案的优势，该增量和分布式方案向新的链路分配资源同时保护现有链路。

为了在无线信道中实现最大数量的同时操作的链路，每个源和转发设备以最大的功率发送远程控制/准备运行(RC/RTR)消息，并且基于所接收的功率来调整该功率，以便实现更多的空间重用。所接收的功率可以被表示为P_RX(＝P_TX*d^-n)，其中n是路径损失常数。如果所接收的功率是P_RX(＝P_TX*d^-n)，那么使用信号与噪声加干扰比(SINR)曲线，使用以上方程来计算最佳SINR，以得到特定调制方案的最佳可能功率。

根据协议来实现对CDMA系统使用干扰容限和功率调度的方法。因为物理层是UWB，所以使用CDMA来处理干扰是有优势的。物理层可以是基于脉冲的直接序列扩频(DSSS)系统，并且这适合于CDMA实现。随机长PN码的使用的实现简单，并且期望提供足够低的互相关，该足够低的互相关导致来自远距离的干扰物的干扰功率降低。

在链路预算中增加额外的容限，环境干扰(AIM)。提供了形式为AIM的额外容限，以便在CDMA效应之后调节剩余的干扰功率。与AIM结合的该CDMA方案将处理来自干扰范围IR之外的干扰。将在协议部分中记载用于实现CDMA的选项。AIM当前被固定到一个值，并且可以根据基于详细的基于代码特性的计算来修改该值。

码分配的示例性选项包括：

使用随机长伪随机噪声(PN)码：在该情况中，无需任何码分配协议，每一跳的发射机或接收机将随机地选取代码并且将该代码用于该会话。对于同一会话的不同跳，代码是不同的，并且对于不同会话的同一跳，代码也是不同的。

使用被专门设计来在异步环境中具有低的互相关特性的代码，例如Gold或Bent码。ad-hoc网络的用于最小化干扰的码分配带来调度问题。而且，其不利用物理层的UWB特性。该UWB特性使得该扩频系统能够容忍干扰，并且因此将MAC设计为具有本地排除并且允许扩频特性来处理远距离干扰。

该协议使用随机长PN码。该随机长PN码易于在直接序列超宽带(DS-UWB)物理层上实现。

为了实现期望的链路健壮性，建立干扰容限(M)。该干扰容限(M)提供了每个操作链路的期望健壮性。注意到，需要在尝试接纳新的链路时满足现有链路的健壮性的需求。因此当新的链路进入系统时，感兴趣的是不对活动链路的资源(功率、持续时间)进行重新调度。在一个极端情况下，可以采用一种策略，只有新的链路对现有链路造成非常低的干扰(低于一些最小值，即，是充分独立的)时或者新的链路可以在独立的时隙中进行调度时，该策略才允许新的链路。这将导致显著的损失，因为其不允许任何灵活性。例如，如果链路(i，j)是活动的并且以其所可以的最高速率进行操作，那么靠近的链路(n，m)将不被接纳，因为链路(i，j)不能容忍任何多址干扰(MAI)(与QoS相冲突)。尤其对于UWB物理层，在该UWB物理层中，扩频特性将通过链路的同时操作导致大的资源增益。

如前所示，附近区域是由RC的范围确定的。对于到达其它链路的附近区域之内的新的链路，需要明确的调度或一些过配置(over-provisioning)。提供了可由接纳控制策略使用的调度和过配置的组合。时隙划分(timeslotting)提供了调度机制。还提供了过配置，从而使得当新的链路进入不能在独立的时隙中调度的系统时，新的链路将继续操作而不会与它的QoS相冲突。实现该过配置的一个直接的方法是采用相对于加性高斯白噪声(AWGN)以分贝(dB)为单位的干扰容限M来对每个链路进行调度。M的值确定由于附近区域中的新的链路和时隙而导致的可维持的MAI。将通过RC分组向节点的附近区域通知该值M。因此，在预留请求过程期间，接纳控制检查将基于速率R_base确定链路的传输持续时间。在这里，R_base是在出现值为M dB的干扰功率时可以实现的速率。该过配置导致为链路所预留的持续时间比要求的持续时间更长。假设R_max是对应于不存在M dB的干扰的速率。假设是整数值的比值。可以将其考虑为过配置的比(链路预留的时隙k比要求的大K倍)。可以通过物理层设计来确定R_max。在此之后，对于特定k，可以确定R_base，并因此确定M。出于以下所详述的资源恢复方案的考虑，参数k被用作为选择参数。注意到，提供该干扰容限M还提供了相对于环境干扰和干扰RC分组(在没有附近干扰物的情况下)的额外保护。基于参数k来选择容限M，并且因此允许具有更高的速率R_max(在更高的SNR_T、更短的距离上操作)的链路具有(基于物理层模型的)更低的容限M。直观上，这意味着采用高SNR_T来进行工作的链路可以容忍非常少的干扰(其附近地区中非常少的干扰物)，并且因此可以在它自己的时隙中进行调度——与理论期望相匹配的结果。每个操作链路的拓扑的动态适配清楚地将物理层并入MAC设计中。在当前的速率范围中，干扰容限恒定在小的误差之内，并且因此可以将其固定为一个参数。将在协议部分记录M的特定典型值，以及它们所提供的干扰处理能力。该干扰容限将确定速率R_RC，需要以该速率来发送控制分组，以便潜在的干扰物将知道所调度的传输。在协议部分中计算该速率。

使用混合自动重传请求(HARQ)协议来预留时隙。利用干扰容限是一种用于相对新的链路的到达提供一定的灵活性的机制。这是在对在没有干扰的情况下未利用的时间的过配置时的结果，并且该时间是浪费的资源。对适用于存在干扰的物理层机制进行编码。在本文中，利用最简单的编码版本，即，其协议形式中的重复编码——混合ARQ。链路预留与R_base对应的持续时间的时隙。但是在没有干扰的情况下，要求与R_max对应的持续时间，R_max比R_base小k倍。为了适应存在功率高达M dB的干扰，发射机将尝试以R_max(即，与R_max对应的处理增益)进行发送。在没有干扰的情况下，所述发送是成功的，并且接收机通过发送小的确认(ACK)分组来表示所述发送成功。在存在一些干扰的情况下，将不能对分组进行成功地解码，并且这可以由简单校验和或者循环冗余校验(CRC)码来确定。然后，接收机发送否定ACK，并且发射机再次重传相同的消息(ARQ)。重复该过程，直到k次。在没有其它信道损害的情况下，该方法将确保在与R_base相对应的所调度的时隙中成功地接收到分组。因为所述发送将使用采用在成功接收所要求的速率R_max的最小数量的传输，所以还提供了在没有干扰的情况下的时隙恢复。混合ARQ方案提供了对于干扰水平的粗略形式的速率适配，以及利用所恢复的时间的方法。如协议部分所示，所恢复的时间可用于其它业务或控制信息。混合ARQ方案因此提供了对本地干扰以及对超过AIM范围的环境干扰的一些适配。由于干扰的随机变化，难以解析地判断该方案所导致的性能增益，并且因此在仿真中表示该性能增益。此外，该方案是简单的方案，并且可以将该方案修改成更复杂的增量前向纠错(FEC)方案，该FEC方案还提供了相对于噪声的更精细的调谐速率适配。

执行功率调度，以便便于接纳控制。在诸如UWB的功率谱密度(PSD)受限的情况下，人们相信最佳调度包括这样的链路，该链路在它们的PSD限制上操作并且改变一些其它资源(例如，时间或带宽或编码)来处理干扰。直观上，这是因为在UWB系统中，功率是稀缺资源同时扩频特性可以处理干扰。根据该直觉，不执行功率分配。但是，仍然保持发送功率的广播，以允许进一步的修改，以及允许接纳控制算法将该修改用作选项。

图2示出了与设备200所执行的操作相对应的示例性方法200的流程图。方法200包括从无线通信设备(WCD)接收(步骤210)发送请求，确定(步骤220)信号质量，提供(步骤230)发送预留确认消息作为响应，确定(步骤240)处于该数据速率下的信号值的阈值容限并且发送(步骤250)功率值的降低。

该方法还包括从其它WCD接收其它通信请求。如果接受来自其它WCD的通信请求导致第一WCD的信号质量值下降到阈值之下，那么拒绝来自其它WCD的通信请求。如果接受来自其它WCD的通信请求导致第一WCD的信号质量值仍然在阈值之内，那么接受来自其它WCD的通信请求。

接受来自WCD的通信请求包括用于被使用来获得最佳功率值的调制方案的下述中的一种：1)使用信号与不希望的信号的比值，其中不希望的信号是干扰或噪声；或者2)使用信号与噪声及干扰比(SINR)；或3)使用信干比(SIR)；或4)使用信噪比(SNR)。

WCD以预定的功率进行发送，该预定的功率可以根据信号质量比，基于所接收的功率来进行调整。该调整增加了空间重用。

当使用信号与不希望的信号的比作为信号质量值，并且信号质量值下降到阈值之下时，那么如果该数据速率可用，就降低数据速率。如果数据速率不可用，那么丢弃该信号。如果信号质量值超过预定的较高阈值，那么建立预定的较高的数据速率。还如由所接收的功率所确定的，调整WCD的功率。根据信号质量值来进行该调整，这增加了空间重用。

该方法还包括调整WCD的功率，以便获得目标数据速率和所接收的功率。

功能性操作

图3是用于实现资源管理技术的WCD 300的示意性方框图，其中WCD300为ad-hoc无线通信系统中的增加的空间重用提供资源管理。WCD 300包括接收机303、信号处理器305和控制处理器307。接收机能够接收发送分配请求消息，该消息包括来自外部WCD的预留请求消息。信号处理器305包括信号质量确定电路，用于基于所接收的发送分配请求消息确定信号质量值。控制处理器307和信号处理器305基于处理器305、307所确定的阈值容限，提供对于处于一个数据速率下的信号值的发送分配响应，该发送分配响应包括该数据速率。发射机311用作与所述信号处理器通信的输出电路，并且响应于所述信号质量确定电路，发送功率值的降低，以调整外部WCD的功率。所述功率值的降低是根据信号质量值和阈值容限，基于所接收的功率的。发射机317提供供WCD进行传送的信号输出，WCD的传送包括功率值和速率的传送。

WCD 300还包括根据处理器305、307所实现的发送预留确认/预留请求电路。预留确认/预留请求通过接收发送分配请求消息并且提供发送分配响应来起作用。当WCD 300从外部WCD接收预留请求消息时，处理器305、307提供发送分配响应作为预留确认信号。

图4示出了本发明的功能性操作的示图。该技术的实现是通过接收机400来完成的，该接收机400包括预留请求接收模块410，用于从第一外部无线通信设备接收预留请求消息。可以由接收机303(图3)以及处理器305、307(图3)提供预留请求模块。信号质量确定模块413用于基于预留请求消息提供信号质量值。模块415用于提供发送预留确认消息，并且模块417用于提供所分配的数据速率并且生成响应，该响应是预留确认消息的一部分。处理器305、307(图3)提供信号质量确定模块并且确定信号质量值，并且还提供响应模块以提供发送预留确认消息。阈值确定模块421确定处于该数据速率下的信号值的阈值容限，并且提供功率值的降低，以用于根据信号质量值和阈值容限，基于所接收的功率来调整外部WCD的功率。处理器305、307(图3)提供用于进行确定的阈值确定模块。

数字实现

可以提供一种具有指令的机器可读介质，该指令用于与外部WCD建立通信链路并且分配通信参数。机器可读介质包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式来提供(即，存储和/或传输)信息的任意机制。例如，机器可读介质包括但是不限于只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪速存储器件、电的、光的、声的或其它形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)、存储介质、无线电信道和无线信道以及能够存储、包含和携带指令和/或数据的各种其它介质。

结论

本文所提供的本发明的教导可以应用于不必是上述示例性通信系统的其它通信系统。例如，虽然本发明通常被如上描述为应用于CDMA通信系统，但是本发明等效地应用于其它数字的或模拟的蜂窝通信系统。

鉴于以上描述，可以对本发明进行这些以及其它修改。通常，在权利要求中，所使用的术语不应被解释为是将本发明限制在说明书和权利要求书中所公开的具体的实施例的范围内。因此，本发明不受限于本公开，而是本发明的范围完全是由权利要求所确定的。可以用各种手段来实现本文所述的技术和模块。例如，这些技术可采用硬件、固件、软件或其组合实现。对于硬件实现而言，用于实现这些技术的处理单元可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计来实现本文所述功能的其它电子单元或其组合中实现。

对于软件实现而言，可以利用执行本文所述功能的模块(比如，程序、函数等)来实现本文所描述的技术。软件代码可以存储在存储器单元中，并可通过处理器或解调器来执行。存储器单元可以在处理器内部或在处理器外部实现，在存储器单元在处理器外部实现的情况下，存储器单元可以经由各种模块可通信地与处理器耦合。

提供了所公开的实施例的前述描述，以使得本领域的技术人员可以做出或使用本文所公开的特征、功能、操作和实施例。对于本领域的技术人员而言，显而易见的是，可以对这些实施例进行各种修改，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本文所定义的一般性原理可以适用于其它实施例。因此，本公开的并非旨在被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。