[发明专利]一种全双工无线网络中的节点配对与资源竞争方法

说明书

技术领域

本发明涉及信息技术领域中的无线通信网络同时同频全双工双向传输技术，特别是涉及一种全双工无线网络中的节点配对与资源竞争方法。

背景技术

长期以来，无线通信网络中的信息双向传输一直是通过“半双工方式”实现的，即通信节点的信号发射和接收必须占用两个不同的无线信道。根据收发信道的不同配置方法，无线通信网络可相应地分为时分双工(TDD)和频分双工(FDD)两类。TDD系统的收发信道分别位于同一载波的不同时隙，而FDD系统的收发信道则被分离在两段不连续的对称频谱上。尽管传统的半双工双向通信方式，可以有效隔离收发信号间的自干扰，易于工程实现；但是从信息论的角度而言，上述方法并不是最优的，很可能没有充分逼近双向信道(Two-Way Channel)的理论容量上限(Shannon,1961)。此外，由于受到半双工的限制，当前移动通信网络中始终存在着一些难以克服的缺陷。例如：在TDD系统中，上行定时提前与收发状态转换降低了资源利用率，固定的上下行时隙配置必然引入较长的传输时延；对于FDD系统，隔离上下行传输的对称频段需求，随着频谱资源的日益稀缺与宽带无线应用的发展，将愈发难以满足。

全双工无线通信(即同时同频全双工)，是一项综合运用多重干扰抑制方法而实现节点间同时同频双向信息传输的新兴物理层技术。由于该技术有望成倍地提升现有的半双工双向传输效率，近年来备受关注，逐渐成为当前信息领域的研究热点和重要发展方向。为了使无线信号能在相同的时频资源上进行收发，全双工无线通信面临的主要技术难点是“自干扰问题”，即：本地发射信号对本地接收信号所形成的大功率干扰。解决自干扰问题的两种关键技术手段分别为“主动干扰消除”和“被动干扰抑制”。前者通过在接收端重建发射信号副本，对自干扰信号(即接收到的本地发射信号)进行主动消除，方法包括：空域信号处理，射频回波抵消、基带干扰消除等。后者主要采用交叉极化、波束调整、吸收屏蔽等措施对收发天线进行隔离，实现自干扰信号的被动衰减。典型的点对点全双工无线通信系统如图1所示，经过在空间域、射频域和基带域的分阶段多步骤干扰消除和抑制，现有主流全双工试验系统通常可将自干扰信号强度有效衰减70-120dB，从而实现在特定功率范围与通信距离内可靠的点对点同信道双向传输。

全双工无线通信技术，解决了无线信号无法同时同频收发的难题，突破了长期制约通信系统容量提升的瓶颈，预计将实现无线网络吞吐量和频谱效率的成倍提升；同时成本可控、后向兼容性强。目前物理层传输技术经历了半个多世纪的快速发展，已进入了一个平台期或瓶颈期，较难取得新的重大突破；全双工无线通信技术另辟蹊径，转变了通信系统容量的增长方式，很可能会给未来的无线通信网络带来革命性的变化。例如：当蜂窝网节点具备了同时同频全双工能力后，FDD和TDD模式将逐步合二为一；双向中继传输可以得到更高效的应用，有限信道反馈不再是技术瓶颈。鉴于上述诸多优点，全双工无线通信已成为第五代移动通信(5G)的重要候选技术之一。

现阶段，全双工无线通信网络的主要技术缺陷和不足可以归纳为：1)资源竞争与流量匹配问题；2)同信道干扰与节点配对问题；3)上行多终端竞争接入问题。具体如下所述：

首先，资源竞争与流量匹配问题。当前的全双工无线通信，由于受到节点自干扰消除能力的制约，通常只能在“短距离和低功率”的场景下表现出明显的性能增益。因此，各种小规模的无线自组网、无线网状网与无线局域网预计将会成为同时同频全双工技术的主要应用场合。值得注意的是，上述网络环境中的主流媒介访问控制机制是以CSMA、MACA、IEEE 802.11DCF为代表的资源竞争型MAC；虽然此类协议可以通过“节点自主竞争”实现多路并发通信对系统资源的共享，但绝大多数是针对TDD半双工通信而设计的，本质上无法有效地支持全双工通信。