ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ В БЕСПРОВОДНОЙ РЕТРАНСЛЯЦИОННОЙ СЕТИ Российский патент 2008 года по МПК H04B1/10 H04Q7/30 H04B7/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в совокупности, к сетям связи, и в частности к беспроводным сетям, таким как многоузловые самоорганизующиеся, одноранговые и кооперативные ретрансляционные сети, в которых множество пользователей совместно используют общую коммуникационную среду, и целью изобретения является улучшение рабочих характеристик таких сетей.

Уровень техники

Протоколы для эффективного совместного использования беспроводной среды множеством пользователей обычно называют протоколами множественного доступа, схемами доступа к каналам или схемами доступа к среде. Для эффективного (и часто справедливого) совместного использования беспроводной среды с течением времени были разработаны различные схемы доступа к каналам, специально предназначенные для распределенных сетей, таких как многоузловые самоорганизующиеся/одноранговые сети.

Классические протоколы множественного доступа можно разделить на две основные категории - бесконфликтные протоколы и протоколы с разрешением конфликтов.

Бесконфликтные протоколы множественного доступа

Бесконфликтные протоколы, иногда называемые протоколами планируемого доступа к каналам, гарантируют, что передача, когда бы она ни совершалась, будет успешной, т.е. не подвергнется влиянию помех от других передач. Бесконфликтную передачу можно обеспечить посредством статического или динамического выделения канала пользователям. Эти методы часто называют фиксированным или динамическим планированием соответственно. Преимущество, обеспечиваемое точной координацией между станциями, состоит в предположительно высокой производительности, однако оно достигается за счет сложности и обмена иногда большими объемами управляющего трафика.

В работе [1] авторы Kleinrock и Sylvester предложили планировать и многократно пространственно использовать временные интервалы TDMA. Идея заключается в том, чтобы собирать группы (также именуемые векторами без столкновений, или кликами) линий связи, которые можно использовать одновременно, не вызывая при этом взаимных недопустимых помех. Можно определить количество таких групп, а затем циклически повторять их подобно кадрам TDMA. Эту схему обычно обозначают как STDMA (сокращение от Spatial TDMA).

Протоколы множественного доступа с разрешением конфликтов

Протоколы с разрешением конфликтов принципиально отличаются от бесконфликтных протоколов тем, что успешность передачи не гарантируется. Поэтому в таком протоколе должна быть предписана процедура разрешения конфликтов в случае их возникновения, чтобы в конечном итоге все сообщения были успешно переданы.

Классической проблемой в сетях пакетной передачи, или одноранговых сетях, является наличие так называемых "скрытых терминалов". Как показано на фиг.1, проблема скрытого терминала означает, что узел А, ведущий передачу в сторону В, не знает о другом узле С, ведущем передачу в сторону узла D (или, возможно, В), который создает помехи для передачи от узла А к узлу В. В результате в узле В, вероятно, возникнет коллизия, которая ухудшит рабочие характеристики во всех отношениях (пропускную способность, задержку и т.д.). Еще в середине 1970-х были предложены средства для решения этой проблемы, которые сейчас кратко называют "классическими решениями". Однако прежде всего следует отметить, что CSMA [1] не решает эту проблему, так как узлы С и А по определению не слышат передачи друг друга. Поэтому считается, что контроль несущей не подходит для сетей с пакетной передачей [3]. В наихудшем случае рабочие характеристики CSMA ухудшаются до уровня характеристик ALOHA [1].

Далее будут описаны различные, ориентированные на разрешение конфликтов методы решения проблемы скрытого терминала.

Множественный доступ с исключением столкновений (МАСА)

Метод, известный как МАСА (множественный доступ с исключением столкновений), предложенный Karn [4], основан на отправке сообщений "Запрос на отправку" (RTS) и "Готовность приема" (CTS), чтобы гарантировать, что соседи узла В будут информированы о том, кто будет вести передачу. Допустим, что узел А выдает сообщение RTS, а узел В отвечает сообщением CTS, при условии, что он получил RTS. Узел А принимает сообщение CTS и инициирует передачу данных. С другой стороны, узел С воздерживается от какой-либо передачи, когда он слышит сообщение CTS от узла В. Аналогично, узлы, находящиеся близко к узлу А, которые слышат сообщение RTS, будут воздерживаться от передачи, так как узел А ожидает сообщение CTS. Для уменьшения воздействия повторных столкновений сообщений RTS используется схема отсрочки передачи.

MACAW

В работе [5] авторы Bhargawan et al. усовершенствовали протокол МАСА и переименовали его в MACAW. Они ввели связующий уровень Acks, а также CSMA для сообщений RTS. Они также повысили уровень справедливости за счет использования схемы отсрочки передачи на основании пары "источник-адресат" вместо узла. Были также добавлены средства для контроля заторов. В настоящее время в IEEE 802.11 в одном из его рабочих режимов применяется очень похожая на RTS-CTS схема, именуемая DFWMAC.

Множественный доступ с сигналом занятости (ВТМА)

Довольно похожа на метод МАСА схема множественного доступа с сигналом занятости ВТМА [6]. Вместо отправки сообщения CTS узел В указывает, что он занят, передачей тонального сигнала на нескольких параллельных каналах (т.е. на другой частоте). Это можно сделать при условии, что узел В получил содержание своего адреса. Однако предложен также и другой, хотя и гораздо менее полезный альтернативный метод, который состоит в том, что все узлы, обнаружившие пакетную передачу, отправляют тональный сигнал занятости. Последняя альтернатива может вызывать сильную блокировку большой области. Поэтому практическое применение любой из этих схем очень ограничено и в основном только описывается в академической литературе.

Прочие классические протоколы множественного доступа

Еще один метод доступа к среде основан на множественном доступе с разделением каналов с прямой последовательностью, DS-CDMA. В принципе, возможны два подхода.

Например, снова обращаясь к фиг.1, можно применить механизм, нацеленный на гарантию того, что узлы А и С используют ортогональные коды и поэтому не создают помех друг другу.

Другой подход заключается в применении кодов расширения, направленных к приемнику. Последнее подразумевает, что узел С посылает свои данные в сторону узла D. Следует отметить, что при использовании ортогональных кодов имеющиеся ресурсы ширины полосы частот делятся отправителем.

Протокол множественного доступа с ориентацией на множество пользователей

В работе [7] описан протокол множественного доступа, в котором объединены STDMA и многопользовательское детектирование. Согласно этому методу передачи планируются во времени, пространстве, а также по мощности приема. Уровни мощности передачи выбираются таким образом, чтобы можно было одновременно принимать и декодировать множество передач посредством использования многопользовательского детектора. Преимущество этого метода состоит в повышении пропускной способности сети по сравнению с классическими схемами каналов.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение позволяет решить перечисленные выше и другие недостатки известных устройств.

В основу настоящего изобретения положена задача улучшения рабочих характеристик беспроводных ретрансляционных сетей, таких как многоузловые самоорганизующиеся, одноранговые, кооперативные ретрансляционные сети и репитерные сети, в которых множество пользователей одновременно используют общую коммуникационную среду.

В частности, желательно улучшить такие рабочие характеристики сетей, как пропускная способность и задержка.

Еще одной задачей изобретения является создание усовершенствованного способа и устройства для детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети.

Эти и другие задачи решаются изобретением, которое охарактеризовано в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение основано на наблюдении, что большинство помех обусловлено пакетами, которые передаются многократно, по меньшей мере, по одной линии связи и обычно более чем по одной линии связи, особенно в беспроводных ретрансляционных сетях, таких как многоузловые самоорганизующиеся сети, кооперативные ретрансляционные сети и репитерные сети. Например, в многоузловых самоорганизующихся сетях информация может передаваться через множество скачков, или сегментов, между источником и адресатом. Хотя множество передач может быть обусловлено ретрансляцией, основной их причиной является то, что один и тот же пакет или информация передается от узла к узлу до тех пор, пока не будет достигнут адресат.

Согласно изобретению, которое нацелено на использование уже известной информации в процессе детектирования сигнала, сигнальную информацию, представляющую первый набор информации, включающий в себя по меньшей мере один блок данных, подлежащий передаче в совокупности более одного раза по меньшей мере по одной линии связи, сохраняют в качестве априори известной сигнальной информации. Это может быть ранее принятая и/или детектированная информация, собственная переданная информация (включая также отправленную) или другая релевантная сигнальная информация, имеющаяся в узле. Затем принимают сигнальную информацию, представляющую второй набор информации, причем передача одного или более блоков данных первого набора информации создает помехи для приема второго набора информации. Несмотря на эти помехи по меньшей мере часть второго набора информации можно все же успешно детектировать посредством использования принятой сигнальной информации и по меньшей мере части ранее сохраненной априори известной сигнальной информации. Информацию предпочтительно детектируют посредством подавления помех на основании принятой сигнальной информации и соответствующих частей априори известной сигнальной информации.

Например, сохраненная априори известная сигнальная информация может содержать собственную переданную информацию, ранее принятую и детектированную информацию, даже ранее услышанную информацию.

Во многих применениях первый набор информации включает в себя один или несколько блоков данных, подлежащих передаче, в совокупности более одного раза по более чем одной линии связи.

Целесообразно непрерывно обновлять набор априори известной сигнальной информации, предпочтительно посредством введения новой детектированной информации и удаления устаревшей информации.

Таким образом, изобретение добавляет новый параметр к проблеме доступа к каналам за счет нового механизма сохранения и использования априори известной сигнальной информации, что позволяет улучшить рабочие характеристики сети и эффективно решить классическую проблему скрытого терминала. Более конкретно, изобретение позволяет повысить пропускную способность и уменьшить задержку.

Детектирование можно осуществлять на каждом бите, или символе, или последовательности битов или символов для одного пользователя или для множества пользователей. Детектирование можно осуществлять на кодированной информации или на битах информации. Это означает, что детектированная информация может быть фактически демодулированной кодированной информацией и/или демодулированной и декодированной информацией.

Как отмечалось выше, изобретение, в совокупности, может применяться в беспроводных ретрансляционных сетях, таких как многоузловые самоорганизующиеся сети, кооперативные ретрансляционные сети и репитерные сети.

Понятно, что в изобретении можно использовать многие различные виды подавления помех, включая методы явного и неявного подавления помех. Например, процесс детектирования может включать в себя удаление априори известной сигнальной информации из принятой сигнальной информации для формирования остаточного сигнала и последующее декодирование остаточного сигнала. Альтернативно, информацию можно детектировать посредством совместной обработки априори известной сигнальной информации в виде ранее принятой основополосной сигнальной информации вместе с текущей принятой основополосной сигнальной информацией.

Процесс детектирования может быть также основан на информации планирования передачи, чтобы более точно коррелировать использование априори известной сигнальной информации с экземплярами передачи создающей помехи сигнальной информации.

Изобретение обеспечивает следующие преимущества:

- улучшает рабочие характеристики сети;

- повышает пропускную способность и уменьшает задержку;

- эффективно решает классическую проблему скрытого терминала;

- повышает вероятность успешного детектирования сигнала;

- позволяет использовать специально разработанные протоколы МАС (Управление доступом к среде), методы маршрутизации, схемы RRM (Управление радиоресурсом), которые могут дополнительно улучшить рабочие характеристики.

Другие преимущества, обеспечиваемые настоящим изобретением, станут очевидными после прочтения представленного ниже описания вариантов осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение, вместе с его задачами и преимуществами, станет более понятным из его описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 иллюстрирует классическую проблему скрытого терминала;

фиг.2 изображает алгоритм, иллюстрирующий основные принципы изобретения согласно предпочтительному варианту;

фиг.3 изображает алгоритм, иллюстрирующий основные принципы изобретения, основанные конкретно на многопользовательском детектировании согласно предпочтительному варианту изобретения;

фиг.4 изображает структурную схему сетевого узла, содержащего устройство для подавления помех на основании априори известной сигнальной информации согласно предпочтительному варианту изобретения;

фиг.5 изображает диаграмму последовательности, иллюстрирующую примерный случай подавления помех, вызванных собственными отправленными данными;

фиг.6 изображает пример характеристик пропускной способности системы по фиг.5 в зависимости от отношения сигнал-шум при использовании предложенного метода подавления помех и без него;

фиг.7А-D изображают диаграммы последовательности, иллюстрирующие примерные случаи подавления помех, вызванных услышанными данными;

фиг.8 изображает диаграммы последовательности, иллюстрирующие подавление помех априори известной сигнальной информации в 2-узловом ретрансляционном канале для пяти примерных схем, включающие две сравнительные схемы;

фиг.9 изображает характеристики пропускной способности в зависимости от отношения сигнал-шум для пяти примерных схем, показанных на фиг.8;

фиг.10А-В изображают схемы, иллюстрирующие пример концепции кооперативной ретрансляции;

фиг.11 изображает диаграмму последовательности, иллюстрирующую подавление помех согласно одному варианту изобретения в случае кооперативной ретрансляции;

фиг.12А-В иллюстрируют схематически концепцию кооперативной ретрансляции с одновременным восходящим и нисходящим трафиком;

фиг.13 изображает диаграмму последовательности, иллюстрирующую подавление помех согласно одному варианту изобретения в случае кооперативной ретрансляции с одновременным восходящим и нисходящим трафиком;

фиг.14 изображает алгоритм, иллюстрирующий основные принципы изобретения, основанные, в частности, на совместной обработке согласно предпочтительному варианту изобретения, и

фиг.15 изображает алгоритм, иллюстрирующий основные принципы гибрида явного подавления помех с остаточным декодированием и сохранением остаточных основополосных сигналов в качестве априори известной сигнальной информации согласно предпочтительному варианту изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

На всех чертежах использованы одинаковые ссылочные обозначения для соответствующих или подобных элементов.

Как отмечалось выше, известные методы не являются оптимальными в отношении пропускной способности и задержки. Изобретение основано на наблюдении, что большую часть помех вызывают пакеты, которые многократно передаются по одной или более линиям связи, особенно в беспроводных ретрансляционных сетях, таких как многоузловые самоорганизующиеся сети, кооперативные ретрансляционные сети и репитерные сети.

Изобретение нацелено на использование уже имеющейся информации в процессе детектирования сигнала и предпочтительно основано на следующем:

- сохранении сигнальной информации, представляющей первый набор информации, включающий в себя по меньшей мере один блок данных, подлежащий передаче в совокупности более одного раза по меньшей мере по одной (часто более одной) линии связи, в качестве априори известной сигнальной информации;

- приеме сигнальной информации, представляющей второй набор информации, причем передача одного или более блоков данных первого набора информации создает помехи для приема второго набора информации, и

- детектировании по меньшей мере части второго набора информации посредством подавления помех на основании принятой сигнальной информации и по меньшей мере части ранее сохраненной априори известной сигнальной информации.

Каждый из первого и второго наборов информации может включать в себя один или более блоков данных, и возможными альтернативами детектирования являются однопользовательское детектирование и многопользовательское детектирование, которые можно выбрать в зависимости от конкретного применения и конструкции. Понятно, что в изобретении можно использовать множество различных видов подавления помех, включая методы как явного, так и неявного подавления помех.

Таким образом, посредством сохранения и использования априори известной сигнальной информации можно эффективно решить проблему скрытого терминала, что позволяет улучшить общие рабочие характеристики сети.

Согласно изобретению предложен приемник и/или модуль детектирования сигнала (декодер), в котором используются преимущества наличия множества передач. Это также позволяет создать специальные протоколы МАС (Управления доступом к среде), методы маршрутизации, схемы RRM (Управления радиоресурсом) и так далее для дальнейшего улучшения рабочих характеристик.

Хотя обычный принцип многопользовательского детектора является хорошим методом достижения максимальной пропускной способности, в нем не используются преимущества имеющейся информации.

Также следует отметить, что гибридные схемы ARQ (автоматического запроса повторения) позволяют воспользоваться ранее переданной информацией. Однако в гибридной схеме ARQ ранее переданная информация и затем повторно переданная информация передаются в разных временных интервалах в один и тот же узел по одной и той же линии связи, и эта схема используется только для обеспечения эффективного ARQ, а не в целях подавления помех.

Следует отметить, что хотя в дальнейшем описание будет сфокусировано на многоузловых самоорганизующихся сетях и так называемых кооперативных ретрансляционных сетях, изобретение может, в совокупности, найти применение в беспроводных ретрансляционных сетях, в которых одна и та же информация может многократно передаваться по множеству линий связи, включая также репитерные сети.

В дальнейшем будут описаны две основные примерные концепции. Первая будет сфокусирована на несколько более практичном подходе, в котором используются детектированные пакеты. Она будет служить в качестве введения и мотивации основной темы. Вторая концепция имеет более общий характер, и при необходимости она работает лучше, так как в ней сохраняется и используется больше информации, но при этом она и более сложная. Третий, гибридный вариант сочетает в себе простоту первой концепции и высокие рабочие характеристики второй концепции.

Примерная концепция 1

Как отмечалось выше, некоторая часть помех в многоузловой самоорганизующейся сети обусловлена ранее принятыми и переданными пакетами или просто услышанными пакетами от других осуществляющих связь узлов, которые передаются повторно. Так как эта информация, в некотором смысле, является априори известной сигнальной информацией, ее можно удалить из принятого сигнала, оставив для декодирования остаточный сигнал. Следовательно, благодаря возможности улучшения отношения сигнал-шум и помехи (SINR), можно улучшить рабочие характеристики системы. Эти улучшения рабочих характеристик включают в себя повышение пропускной способности, уменьшение задержки и/или повышение робастности при приеме.

Основные принципы согласно предпочтительному варианту изобретения проиллюстрированы в алгоритме на фиг.2 для детектора, использующего априори известные данные. На этапе S1 принимают сигнал и определяют наличие и объем априори известных данных, связанных с этой информацией. На этапе S2A выполняют детектирование сигнала на основании априори известной информации. Это можно реализовать посредством подавления (вычитания) помех, вызванных априори известными данными, из принятого сигнала для формирования избыточного сигнала, как будет подробно поясняться ниже. Следует отметить, что хотя данные обычно представлены пакетом, т.е. словом из нулей и единиц, типично из принятого сигнала вычитаются одна или более копий модулированных априори известных последовательностей данных. Однако можно предусмотреть несколько методов детектирования (которые будут описаны ниже). Затем остаточный сигнал декодируют и проверяют его достоверность, например, посредством CRC (контроля циклическим избыточным кодом). Если проверка прошла успешно, то новые декодированные или детектированные данные сохраняются вместе с ранее детектированными или декодированными последовательностями данных на этапе S3, чтобы непрерывно обновлять априори известную сигнальную информацию. Эту информацию можно предпочтительно сохранять для поддержания активного состояния в виде модулированных последовательностей (если используется описанный ниже метод подавления помех), но в случае ограниченного объема памяти и если скорость не является важной, информация сохраняется в виде чистой последовательности данных из единиц и нулей. На этапе S4 декодированные данные также передаются в следующую соответствующую функцию, которая обычно может быть более высоким уровнем. После отправки данных на более высокие уровни они могут быть либо маршрутизированы в другой узел, либо использованы приложением, находящимся в данном узле. Альтернативно, если используется передача уровня 1, например, с регенеративной функцией репитера, то декодированные данные могут быть отправлены в буфер на уровень 1, а затем переданы. В другом примере с передачей на уровне 1, в котором применяется нерегенеративная функция репитера, остаточный сигнал (т.е. после подавления помех априори известных последовательностей) можно отправить в буфер на уровне 1, а затем передать. Следует отметить, что в данном случае явное использование декодированных данных не имеет значения. Порядок, в котором данные сохраняются и передаются на следующий уровень, произвольный. И наконец, так как некоторые данные все больше отдаляются и поэтому не вызывают недопустимых помех в рассматриваемом приемнике или, в конечном итоге, достигают узла назначения и поэтому больше не отправляются, подавление воздействия этих данных не имеет смысла. Поэтому на этапе S5 эти данные можно удалить из списка априори детектированных последовательностей. Это удаление может быть, например, инициировано таймером (очень старые сообщения, вероятно, будут устаревшими и поэтому не гарантированными) или запускаться посредством явной сигнализации.

Приведенную выше схему можно адаптировать/распространить на случай многопользовательского детектирования, проиллюстрированный на фиг.3. Обычной формой детектора является многопользовательский детектор (МПД), который принимает множество пакетов одновременно и пытается определить конкретное количество сообщений, или как можно больше сообщений, из принятого сигнала. Согласно предпочтительному варианту, многопользовательское детектирование выполняется также с учетом априори известных или декодированных пакетов, как показано на этапе S2В. Затем этот набор детектированных или декодированных пакетов обновляется, чтобы включить в него новые детектированные или декодированные пакеты.

На фиг.4 показана структурная схема, иллюстрирующая сетевой узел, содержащий устройство для подавления помех на основании априори известной сигнальной информации согласно предпочтительному варианту изобретения. Сетевой узел 100 логически разделен на приемную часть и передающую часть и содержит, в основном, антенну, подсоединенную к обычной приемной цепи 10, детекторному блоку 30, запоминающему устройству 30 для априори известной сигнальной информации, блоку 40 информации планирования передачи, другим функциям 50 (более высокого уровня), блоку 60 управления обновлением, очереди 70 передачи, блоку 80 инкапсуляции, блоку 90 кодирования и модуляции и передающей цепи 95, подсоединенной к антенне.

Изобретение касается, в основном, конструкции приемника сетевого узла 100, и его основная новизна состоит в сохранении априори известной сигнальной информации в запоминающем устройстве 30 и использовании этой информации в процессе детектирования бит и/или последовательностей (демодуляции и/или декодировании), выполняемом детекторным блоком 20. Детекторный блок 20 может быть однопользовательским или многопользовательским детектором и детектировать сигнальную информацию посредством подавления помех на основании сигнальной информации от приемной цепи 10 и априори известной сигнальной информации из запоминающего устройства 30. Например, процесс детектирования может включать в себя удаление априори известной сигнальной информации из принятой сигнальной информации для формирования остаточного сигнала и последующего декодирования остаточного сигнала. Альтернативно, сигнальную информацию можно детектировать путем совместной обработки априори известной сигнальной информации в виде ранее принятой основополосной сигнальной информации вместе с текущей принятой основополосной сигнальной информацией. Процесс детектирования может быть также основан на информации планирования передачи из блока 40, как будет более подробно описано ниже.

После детектирования детектированные или декодированные данные обычно передаются в следующую функцию 50, которая может типично находиться на более высоком уровне. После передачи на более высокие уровни данные могут либо маршрутизироваться в другой узел, либо использоваться приложением в этом же узле. Когда данные должны передаваться в другой узел, они помещается в очередь 70 на передачу. Отсюда данные передаются в узел 80 инкапсуляции для инкапсуляции и адресации. Инкапсулированные данные затем модулируются и кодируются блоком 90 и окончательно передаются через передающую цепь 95 и антенну.

В данном конкретном примере узел выполнен с возможностью использования в многоузловой самоорганизующейся сети с пакетной передачей. Поэтому понятно, что в кооперативной ретрансляции и некоторых многоузловых воплощениях не обязательно должны использоваться заголовки пакетов. Существуют также кооперативные ретрансляционные схемы, которые основаны на нерегенеративной ретрансляции, что означает, что некоторые из описанных выше операций, например модуляция, могут отсутствовать.

Для лучшего понимания изобретения будет полезно проиллюстрировать некоторые примерные сценарии, в которых можно использовать изобретение. Сначала будет описана общая схема подавления помех собственных отправленных данных со ссылками на фиг.5 и 6, а затем подавление помех ранее услышанных данных со ссылками на фиг.7А-С.

Собственные отправленные/переданные данные

В целях иллюстрации предположим схему доступа к среде с временными интервалами. Как показано на фиг.5, изображающей схематически последовательности сообщений, в момент Т₁ данные, закодированные в сигнале S₁, отправляются из узла А в узел В, где они, предположительно, правильно декодируются. В момент Т₂ сигнал S₁ отправляется из узла В в узел С, где он снова предположительно правильно декодируется. В момент Т₃ отправляются два пакета данных, закодированных соответственно в сигналах S₁ и S₂. В известных методах на прием узлом В из узла А будут действовать помехи передачи из узла С. Однако в настоящем изобретение благодаря удалению влияния сигнала S₁ прием и детектирование S₂, будь то детектирование символов или последовательностей, будет корректным.

Если не использовать изобретение, то помехи в момент Т₃ могут быть значительными. Можно привести простейший, но показательный пример, рассмотрев пропускную способность канала Шеннона для пакетной передачи в момент Т₃ из узла А в узел В. При использовании изобретения узел В будет иметь отношение сигнал-шум SNR=P·G/N, где Р - мощность передачи, G - усиление на трассе от узла А к узлу В и N - мощность шума. Однако, если не использовать изобретение и если узел С ведет передачу с мощностью Р и усиление на трассе к узлу В также равно G, то действительное отношение сигнал-шум будет SNR_eff = SNR/(SNR+1).

На фиг.6 показан в виде графика предел пропускной способности Шеннона, чтобы проиллюстрировать пример пропускной способности с использованием предложенного метода подавления помех и без него. В реальных многоузловых самоорганизующихся системах это представляет серьезную проблему, и поэтому требуется увеличивать расстояние для повторного использования, чтобы не возникал такой эффект недопустимых помех. Это, в свою очередь, означает уменьшение пропускной способности.

Услышанные данные

В дополнение к примеру, показанному на фиг.5, на фиг.7А-D представлены некоторые примеры другого сценария, в которых используются услышанные данные в последующих подавлениях помех.

Более конкретно, как показано на фиг.7А, две последовательности данных, закодированные в сигналах S₁ и S₂, отправляются по двум разным, но соседним трассам. В момент Т₁ узел F слышит (и правильно декодирует) сигнал S₁, переданный по линии связи от узла А к узлу В. Сигнал S₁ сохраняется в узле F в качестве априори известной сигнальной информации. В момент Т₂ узел В передает S₁ по другому каналу связи в узел С и вызывает помехи в отношении узла F. Узел F принимает и декодирует сигнал S₂, отправленный из узла Е, посредством подавления создающей помехи передачи S₁, отправленной из узла В в узел С.

Улучшение характеристик трудно определить аналитически, однако исходные модели показали, что априори известные сигналы можно успешно подавлять, чтобы повысить общую пропускную способность. Однако эти характеристики типично зависят от планирования того, кто ведет прием, кто ведет передачу и что и когда передается. Для тривиального случая можно теоретически гарантировать и показать количественно, что изобретение повышает точность связи. При этом ожидается, что усиление в случае многоузловой самоорганизующейся сети будет намного выше, поскольку обычно подавляется более одного сообщения, и что последний услышанный или отправленный трафик обычно создает локальные недопустимые помехи.

На фиг.7В показан сценарий так называемого мультивещательного узла А, который в момент Т₁ передает сигнал S₁ в какой-то другой узел, обозначенный в данном случае как В. Этот сигнал слышит (и правильно декодирует) соседний узел F, который сохраняет сигнал S₁ в качестве априори известной сигнальной информации. В момент Т₂ узел А передает S₁ в еще один узел, обозначенный как С, и тем самым вызывает помехи в отношении узла F, когда он принимает сигнал S₂, отправленный из узла Е. Узел F правильно декодирует сигнал S₂,_{отправленный из узла Е, посредством подавления создающей помехи передачи S1.}

На фиг.7С показан еще один сценарий, в котором узел А отправляет сигнал S₁ по двум параллельным трассам к узлу D. В момент Т₁ узел А посылает S₁ в узлы В и С, и в момент Т₂ узлы В и С ретранслируют S₁ в узел D. В момент Т₁ сигнал S₁ слышит соседний узел F, который сохраняет сигнал S₁ в качестве априори известной сигнальной информации. В момент Т₂ узел F принимает и декодирует сигнал S₂, отправленный из узла Е, посредством подавления создающей помехи передачи S₁, отправленной из узлов В и С в узел D.

На фиг.7D показан примерный сценарий, в котором сигнал S₁ отправляется по той же линии связи между узлом А и узлом В в два различных момента времени Т₁ и Т₂. В момент Т₁ сигнал слышит (и правильно декодирует) соседний узел F, который сохраняет сигнал S₁ в качестве априори известной сигнальной информации. В момент Т₂ узел А снова передает S₁ в узел В_{и тем самым создает помехи в отношении узла F, когда тот принимает сигнал S2, отправленный из узла Е. Узел F правильно декодирует сигнал S2, отправленный из узла Е, посредством подавления создающей помехи передачи S1.}

Трансляция: двунаправленный трафик

Трансляционный канал представляет собой классическую проблему в теории информатики [9]. В частности, в качестве объекта для анализа взят тривиальный сценарий с тремя узлами. Изобретение будет проиллюстрировано на примере ретрансляционного канала с тремя узлами, и более конкретно для двунаправленного трафика (обычно не рассматриваемого в связи с классическим ретрансляционным каналом) между двумя узлами, А и В, когда непосредственно между этими двумя узлами-источниками помещен узел С. На фиг.8 схематически показано подавление помех априори известной сигнальной информации в 2-узловом ретрансляционном канале для пяти примерных схем а-е, где в схемах а, b и е используется изобретение, а остальные случаи, с и d, представлены для сравнения. Следует отметить, что в схемах а, b и е с использованием изобретения узел С делит имеющуюся мощность передачи между информацией S₁ и S₂. Там, где необходимо, применяется многопользовательское детектирование. В случаях а и е обмен сигналами происходит в 2 фазах, в случаях b и с - в 3-х фазах и в случае d - в 4-х фазах. В данном примерном варианте изобретения узел А сохраняет собственный переданный сигнал S₁, а узел В сохраняет свой переданный сигнал S₂, или же они сохраняют подходящие представления этих сигналов. Это позволяет промежуточному ретрансляционному узлу С передавать одновременно (вместо раздельных передач) принятые сигналы S₁ и S₂ в узел А и узел В, так как узел А будет подавлять S₁, а узел В будет подавлять S₂ в одновременно передаваемых сигналах S₁ и S₂. Таким образом, узел А будет правильно декодировать S₂, а узел В будет правильно декодировать S₁. В случае а) вся процедура содержит всего две фазы с применением одновременной передаче в сторону промежуточного ретрансляционного узла и от него при многопользовательском детектировании в промежуточном ретрансляционном узле С и подавлении помех в узлах А и В.

При более тщательном рассмотрении можно увидеть, что использование подавления помех априори известной сигнальной информации представляет собой новое расширение ретрансляционного канала, никогда не использовавшееся ранее в теории информации.

В совокупности, таким образом, промежуточный ретрансляционный узел выполнен с возможностью одновременной передачи сигнальной информации, принятой из осуществляющих связь узлов, каждый из которых выполнен с возможностью детектирования сигнальной информации из другого узла посредством подавления помех с использованием собственной переданной сигнальной информации в качестве априори известной сигнальной информации.

Также следует отметить, что изобретение можно объединить с различными известными расширениями. Например, в схеме b узлы А и В могут сохранять и позже использовать принятую энергию из единичных передач из узла В и А соответственно. Однако выигрыш от этого обычно невелик и может не стоить усилий.

Если допустить, что узлы А и С и узлы В и С находятся на одинаковом расстоянии друг от друга и что каждый узел передает с общей мощностью передачи Р и использовать степенную модель потерь на трассе с экспонентой распространения α=4 и формулу Шеннона для пропускной способности, то общая пропускная способность системы будет соответствовать графику, показанному на фиг.9. См. Приложение А с подробным описанием выведения формул.

Хорошо видно, что схемы а) и е) работают лучше всех, хотя в различных интервалах SNR. Для производительности канала выше 16/Гц/с усиление в лучших схемах с использованием изобретения (а, b и е) превосходит на 2-8 дБ лучшую традиционную схему (схему с или d). При более низких константах потерь на распространение сигнала, например, когда α=2, усиление будет ниже и колеблется между 1,5 и 3 дБ для SNR и интересующего диапазона скорости передачи. Хотя это усиление не является совершенно однозначным, тем не менее оно ясно демонстрирует улучшение характеристик по сравнению с известным уровнем. При этом схемы а) и е) представляются наиболее перспективными в широком интервале SNR.

Для сравнения этих схем можно использовать и другие условия, кроме фиксированного уровня мощности передачи, например фиксированную среднюю мощность (или, эквивалентно, энергетические затраты на один цикл). При этом b) улучшит свои характеристики как 10 log₁₀=1,8дБ, а с) ухудшит свои характеристики как 10 log_{10 =-1,25 дБ по сравнению с двухфазными схемами на фиг.8.}

Кооперативная ретрансляция

Концепцию подавления помех на основании априорных знаний можно также применять в кооперативных ретрансляционных сетях.

Наиболее современную концепцию кооперативной ретрансляции можно рассматривать как своего рода вырожденный случай многоузловой самоорганизующейся связи с использованием всего двух скачков, но в то же время обобщенный и допускающий использование параллельных трасс, а также использование обработки сигнала. Кроме того, в кооперативной ретрансляции можно использовать различные формы ретранслируемой информации, в частности основную репитерную (нерегенеративную) функцию или "декодирование и передачу" (регенеративную), традиционно принятые в многоузловых самоорганизующихся сетях.

Дополнительную информацию о кооперативной ретрансляции можно найти, например, в работе [10].

На фиг.10А-В показаны схемы, иллюстрирующие пример концепции кооперативной ретрансляции, в данном случае на примере двунаправленного (одновременного) трафика. На фиг.10А базовая станция (БС) 100-1 и мобильный терминал (МТ) 100-2 ведут передачу одновременно во временном интервале n по параллельным трассам, каждая из которых имеет по меньшей мере один промежуточный узел. Затем принятые сигналы обрабатываются, прежде чем они будут ретранслированы ретрансляционными станциями во временном интервале n+1, как показано на фиг.10В. Эта обработка может включать в себя любую комбинацию из, без ограничения перечисленным, использования МПД, применения различных схем разнесения, таких как разнесение Alamouti, разнесение с задержкой, использование сопряжения, отрицания, переупорядочения данных, различных коэффициентов усиления и, факультативно, фаз.

Как МТ, так и БС принимают наложение информации, сформированной ими самими, а также другой станцией. Здесь важно отметить, что на основании априорного знания того, что отправила каждая станция, они могут подавлять свое собственное влияние. Этот основной принцип проиллюстрирован на фиг.11, на которой изображена диаграмма последовательности, иллюстрирующая подавление помех согласно одному варианту изобретения в случае кооперативной ретрансляции. На фиг.11 проиллюстрирован случай двух узлов А и В, которые осуществляют связь друг с другом через промежуточные узлы С, D и Е. Каждый промежуточный узел имеет "процессорный блок", выполняющий любые операции обработки, описанные выше. При приеме во временном интервале n+1 каждый из узлов А и В может подавлять помехи на основании априорного знания того, что данный узел отправил во временном интервале n.

Следует подчеркнуть, что описанный метод можно расширить на случай, в котором более двух станций осуществляет связь друг с другом через группу ретрансляторов. Его можно также распространить на цепочку нескольких двухузловых кооперативных ретрансляционных групп, образующую в результате гибрид многоузловой самоорганизующейся кооперативной ретрансляции, использующей подавление помех.

Кооперативная ретрансляция: "Одновременный" восходящий и нисходящий трафик

Другое использование подавления помех априори известной сигнальной информации в сетях на основе кооперативной ретрансляции проиллюстрировано на фиг.12А-В и фиг.13. В данном случае идея заключается в том, чтобы позволить "одновременную" передачу по восходящей и нисходящей линиям связи, так что два сообщения прибудут в свои станции назначения в двух временных интервалах, позволяя тем самым использовать один, т.е. два пакета в каждых двух временных интервалах. Это позволяет удвоить производительность по сравнению с ситуацией, когда трафик передается в двух скачках в одном направлении.

На фиг.12А, которая иллюстрирует передачи во временном интервале N, первый мобильный терминал (МТ) 200-1 ведет передачу в сторону нескольких ретрансляционных узлов по направлению к базовой станции (БС) 100. Базовая станция 100 ведет передачу в сторону нескольких промежуточных ретрансляционных узлов по направлению ко второму мобильному терминалу (МТ) 200-2.

На фиг.12В, которая иллюстрирует передачи во временном интервале N+1, промежуточные ретрансляционные узлы, которые приняли сигнальную информацию от первого мобильного терминала 200-1, ведут передачу в сторону базовой станции 100. Ретрансляционные узлы, которые приняли сигнальную информацию от базовой станции 100, ведут передачу в сторону второго мобильного терминала 200-2 и в то же время создают помехи для базовой станции 100. Помехи от МТ₁ 200-1 в направлении ретрансляционных узлов вблизи МТ₂ 200-2 обычно минимальные и, вероятнее всего, не вызовут каких-либо проблем. Если же они все-таки создадут серьезные помехи, то можно предусмотреть соответствующие операции RRM и планирования.

Как видно на фиг.13, помехи, которые подавляются узлом Е базовой станции, создаются сигналом S₁ при его передаче из промежуточных ретрансляционных узлов на его пути к узлу А. Обработка, показанная на фиг.13, используется для любой обсуждавшейся выше схемы. Следует отметить, что тот же метод, который проиллюстрирован на фиг.12А-В и фиг.13, можно также применять и в многоузловом самоорганизующемся контексте.

Подавление помех

В этом разделе будут приведены примеры нескольких практических методов подавления помех, которые можно применить при реализации настоящего изобретения. Однако следует подчеркнуть, что можно также использовать и другие известные или возможные будущие методы подавления помех.

Прежде всего, нам требуется примерная модель системы. Например, допустим для простоты, что эта система синхронизированная и что используется OFDM (ортогональное частотное уплотнение), чтобы избежать излишнего подробного описания вопросов точной синхронизации и межсимвольных помех (ISI). Эта идея достаточно обобщенная, чтобы ее можно было распространить на другие методы модуляции и полностью несинхронные системы, каждая из которых требует специального рассмотрения.

Допустим, что у нас в сети есть всего d_max пакетов данных, где каждый пакет D^d данных уникально идентифицирован индексом d={1, ..., d_max). Весь набор всех пакетов обозначен как D_Σ={D^d; d={1, ..., d_max}}.

Также допустим, что имеется уникальная функция f_mod, которая отображает пакеты данных в модулированных символах согласно S^d=f_mod(D^d). Когда конкретный узел ν_j передает пакет D^d, этот пакет и передающий узел взаимосвязаны посредством использования нотации D^d _j для (закодированного/необработанного) пакета данных и S^d _j для соответствующего (закодированного) модулированного сигнала. Кроме того, группа V={ν_j; j={1,...,j_max}} содержит все узлы, передающие во временном интервале n.

Теперь допустим, что в интересующем нас временном интервале узел ν_j принимает сигнал R_i, который можно вычислить как

где H_ij - комплексное усиление канала между узлом ν_j и ν_i и P_j - мощность передачи, используемая узлом ν_j.

В то же время буфер хранения содержит набор ранее демодулированных и/или декодированных (и оцененных) пакетов . Обозначим этот набор как

где δ используется в качестве индекса, а δ_{max -} количество сохраненных пакетов данных.

Альтернативно, можно сохранить соответствующие сигналы для декодированных пакетов, т.е. , или эквивалентно

При использовании детектирования (символа или последовательности) согласно изобретению используется априори известная сигнальная информация. В процессе детектирования, в основном, используется принятый сигнал R_i и априори известная сигнальная информация и формируется набор декодированных пакетов данных согласно

Следовательно, при объективной функции f существует оптимальное отображение из R_i и в , которое мы запишем в его наиболее общей форме:

Из следующего описания будет понятно, что для выполнения этого декодирования можно использовать различные методы, но для концепции 1 мы в основном сфокусируем внимание на случае, в котором процесс детектирования разделен на два этапа: сначала удаляются или подавляются помехи априори известной сигнальной информации, а затем выполняется обычное МПД/ОПД (многопользовательское или однопользовательское детектирование).

Сохраненные данные затем обновляются путем введения новых декодированных данных через , где явно указано время.

Примерный метод 1. Неизвестные передаваемые пакеты и неизвестные каналы

Допустим, что комплексные каналы неизвестны. Также неизвестно, какие из (ранее декодированных) пакетов передаются.

Формируется остаточный сигнал посредством функции f₁ и набора весовых параметров , полученных при условии оптимизации, представленном объективной функцией f_1opt, где влияние ранее декодированных пакетов минимизировано из остаточного сигнала. В наиболее общей форме это можно записать как

где

Конкретный случай функции f₁

для всех индексов.

Объективную функцию f_1opt можно определить как значение (минимизации) ожидания отклонения R'_i. В другом выражении

или

Это можно решить относительно просто, так как каждый элемент в можно записать как

Следует отметить, что это решение идентично оценке произведения канала и амплитуды передачи из узла ν_j, который передал сообщение данных D^δ. Если сообщение данных D^δ не было передано, то термин α^δ должен быть приблизительно равен нулю. Следует также отметить, что в описанном выше случае использовано допущение, что сообщения данных предположительно не коррелированны, каковыми они обычно являются, и это можно статистически гарантировать посредством скремблирования.

Примерный способ 2. Неизвестные переданные пакеты, но известные каналы

В том случае, если каналы известны, например, в результате оценки канала на основании пилот-сигналов, можно использовать другую стратегию для оценки остаточного сигнала. В наиболее общей форме ее можно сформулировать с помощью функции f₂ и объективной функции оптимизации f_2opt как

где

и PS_jmax() - показательное множество подмножеств кардинального числа j_max группы .

Конкретный случай функции f₂ представляет собой прямое вычитание определенных ранее декодированных последовательностей.

и f_2opt - (минимизация) квадратичной суммы остаточного сигнала (с выборками, обозначенными индексом k)

или более явно

Дополнительные аспекты

Можно также использовать дополнительную информацию, такую как график передачи, и информацию о том, где пакеты находятся в настоящий момент, чтобы усовершенствовать и потенциально упростить процедуру подавления помех. Это означает, что если известен точный график передач, как в коммутируемой многоузловой самоорганизующейся сети, и поэтому некоторые пакеты не передаются в определенных временных интервалах, то эти пакеты не следует учитывать, даже если бы они были приняты ранее. Кроме того, существует возможность наличия некоторого априорного знания (например, оценки) средних потерь на трассе. Использование графика передач также упоминается в описанных ранее алгоритмах, проиллюстрированных на фиг.2 и 3.

Для идентификации каналов можно использовать стандартные методы оценки каналов, например оценку на основании пилот-сигналов (известных также как "тренировочные символы"), однако можно использовать также "слепую" оценку каналов с применением структуры в модуляции или т.п.

Примерная концепция 2

Во второй концепции изобретения предполагается использование процедуры совместной обработки на основании априори известной сигнальной информации в виде ранее принятой сигнальной информации вместе с текущей принятой сигнальной информацией. Принятая сигнальная информация обычно имеет форму основополосных сигналов, каждый из которых обычно содержит наложение множества передач. Хотя принятая основополосная сигнальная информация будет, в основном, показана в примере как относящаяся к нескольким временным интервалам, тем не менее, следует понимать, что в более общем смысле принятая информация может относиться к экземплярам передачи, так как частота может колебаться от одного экземпляра к другому.

Далее будет описан пример возможной реализации со ссылкой на многоузловую самоорганизующуюся сеть. Однако может быть полезным начать с примерной модели приема множества передач в многоузловой самоорганизующейся сети.

Предполагается, что передачи происходят во временных интервалах и что рассматриваются простые каналы частот (например, узкополосные сигналы или сигналы на поднесущей в OFDM). Во-первых, предполагается, что все пакеты данных являются последовательностями, непрерывными во времени, и обозначены индексом d, который уникально идентифицирует пакет в данной сети. В дальнейшем индекс времени удален из нотации для краткости. Пакет D^d может передаваться или не передаваться во временном интервале n. Узел (узлы), из которого он передается, обозначен индексом j, а узел, принимающий данный пакет, обозначен индексом i. В этом случае, если пакет D^d передается, его соответствующий модулированный сигнал умножается на коэффициент χ_i ^(d)(n), который содержит, помимо прочего, комплексное (квазистационарное) усиление H_ij(n) между узлом i и узлом j, равное нулю при отсутствии передачи. Коэффициент χ_i ^(d)(n) также предположительно равен нулю, когда узел i не ведет прием, например, из-за пребывания в режиме ожидания или передачи. Пакет данных D^d модулируется в последовательность S^(d)(n,i,j,cnt_ret, cnt_tot), которая может изменяться при каждой передаче из-за набора таких факторов, как идентичность пакета D^d, какой узел (j) ведет передачу, в какой узел (i) передается данный пакет, в каком временном интервале (n) передается пакет, и возможно также в зависимости от счета повторных передач cnt_ret (на каждый пакет и узел) или в зависимости от общего количества повторений его передачи cnt_tot. В качестве примера можно также упомянуть использование ориентированных на приемник кодов расширения. Однако в дальнейшем описании допустимо, что форма сигнала для пакета D^d данных остается одинаковой все время, кроме комплексной мультипликативной последовательности, обозначенной как C(n,d,i,j,cnt_retr, cnt_tot), так что

Эту мультипликативную последовательность можно использовать, включив в нее скачки частоты, расширение DS-CDMA, комплексную константу, изменяющуюся с n, или просто фиксированное значение, равное единице. Например, можно использовать изменение комплексной константы для обеспечения своего рода простого линейного пространственно-временного кодирования, если пакеты повторно передаются из одной и той же станции. Следует отметить, что в наиболее общем случае один и тот же пакет может передаваться несколькими станциями в одном и том же временном интервале. Это не применяется непосредственно в традиционных многоузловых самоорганизующихся схемах маршрутизации для однонаправленной маршрутизации, хотя действительно возможно, как показано примером в работе [8], однако достаточно распространено для напряженного широковещательного или многопунктового трафика. В сети PRnet DAPRA (Агентство по исследовательским проектам в области обороны) в определенных случаях может иметь место маршрутизация множества экземпляров пакета. Принятый сигнал во временном интервале n для узла i суммируется для всех возможных пакетов вплоть до пакета d_max согласно

где

Это можно записать как систему уравнений в матричной форме для временных интервалов от n-m до n как

или эквивалентно

,

где верхняя черточка означает вектор, а ее отсутствие означает матрицу. Хотя это и не наблюдается для одного узла i, все передачи для всей многоузловой системы, т.е. векторы приема для всех узлов V, можно записать как

или в виде более простой матрицы

В данном случае следует снова повторить, что описанная выше система уравнений (для узла i и для всей системы) представлена формулами, ориентированными на пакеты данных, которые показывают, что данный пакет данных может многократно вызывать помехи на разных скачках. Следовательно, упорядочение и использование этой более полной картины информации позволяет усовершенствовать процесс детектирования по сравнению с традиционным детектированием/декодированием.

В примерной второй концепции изобретения модуль детектирования в узле i совместно обрабатывает (включая самый последний принятый сигнал) для декодирования представляющих интерес данных. В изобретении можно использовать любой общий алгоритм детектирования, такой как форсирование нуля (ZF), детектирование по принципу максимального правдоподобия - многопользовательское детектирование (MLD-МПД) и линейную минимальную среднеквадратическую ошибку (LMMSE), для нахождения модулированных последовательностей . С точки зрения чисто обработки сигнала это подобно обработке многосенсорной информации, как в системах связи с пространственно-временным кодированием (например, MIMO), и поэтому в некоторых случаях можно применять имеющиеся в этой области стратегии детектирования или декодирования. Следует отметить, что в алгоритме на фиг.14 информация детектируется посредством совместной обработки, как показано на этапе S2С. Также буфер хранения для априори известной информации типично хранит ранее принятую основополосную сигнальную информацию, как показано на этапе S3С. На фиг.14 также видно, что можно применять как однопользовательское, так и более распространенное многопользовательское детектирование.

Примерный гибрид концепции 1 и 2

В этом альтернативном варианте, который схематически проиллюстрирован на фиг.15, концепции 1 и 2 объединены в том смысле, что вся информация задерживается, как в концепции 2, но эта информация декодируется в максимальной мере и сохраняется ее подходящее представление, как в концепции 1. Выигрыш от этого заключается в том, что уменьшается сложность декодирования (по сравнению с концепцией 2), а информация удерживается в сохраняемых остаточных сигналах. На фиг.15 проиллюстрирован пример гибридной концепции с использованием априори известных данных и априори известных остаточных основополосных сигналов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Комментарий по поводу особенности априори известной сигнальной информации

В зависимости от используемой схемы маршрутизации небольшая часть, например, заголовка и/или CRC может быть зависимой или не зависимой от линии связи. Например, если схема маршрутизации требует, чтобы пакеты использовали узлы отправления, то ИД отправителя и получателя будут различными на каждом скачке. Однако маршрут, а поэтому и ИД, можно определить предварительно, или это вообще может не потребоваться (например, в случае использования табличного протокола необходим всего один поточный ИД). Таким образом, существует, возможно, до 5% общих данных (заключенных в заголовке или трейлере), которые не могут быть априори известны. Для этих 5% обработку небольшого количества ошибок можно обеспечить хорошим кодированием в совокупности с какой-нибудь конструкцией перемежителя. Но при этом следует подчеркнуть, что в коммутируемой многоузловой самоорганизующейся сети поля не должны изменяться для каждого скачка, и поэтому возможно 100% подавления помех. Во многих случаях, так как трассы известны заранее, можно определить, как должны выглядеть различные поля, такие как ИД и CRC, когда передается известная информация. Более того, хотя трассы не известны заранее, каждый узел может, тем не менее, вычислить количество экземпляров ранее правильно декодированного пакета при допущении, что он был передан между любой расположенной близко к нему парой, и впоследствии использовать наиболее оптимальный экземпляр в процессе подавления помех. В этом случае можно также обеспечить подавление 100% помех при условии, что используется корректный экземпляр.

Следует также отметить, что для данных с пакетной коммутацией (с изменяющимися полями) можно также использовать отдельный управляющий канал без столкновений для передачи информации, которая относится к пакету и может изменяться при маршрутизации пакета. Например, по такому управляющему каналу можно передавать адресные поля и CRC. Следует отметить, что в них обычно содержится небольшой объем информации относительно данных, и поэтому не обязательно расходуется много энергии в относительном смысле. Следовательно, применение протокола без столкновений здесь не так важно с точки зрения производительности, как для передачи данных.

Вкратце, первый аспект изобретения касается системы связи, содержащей по меньшей мере одну приемную станцию и по меньшей мере одну передающую станцию, причем приемная станция сохраняет свои ранее переданные данные, декодированные данные из собственного приема, и/или декодированные данные из любого услышанного сеанса связи. Сохраненные данные используются при последующих приемах для подавления помех, вызванных в том случае, если любые из сохраненных данных передаются по меньшей мере одной другой станцией. В этом заключается основная идея подавления ранее декодированных данных.

Предпочтительно сохраненные данные удаляются по мере их устаревания. Эта процедура может быть основана на времени или управляться посредством указания из узла назначения, или указания, что эти данные достаточно далеки, чтобы не вызывать существенных помех.

В частности, можно декодировать из принятого сигнала по меньшей мере один блок данных, состоящий из наложения множества передач, используя заданные априори известные и сохраненные данные.

Сохраненная априори известная сигнальная информация может, например, включать в себя собственную переданную (также отправленную) информацию, ранее принятую и детектированную информацию, даже ранее услышанную информацию.

Таким образом, настоящее изобретение добавляет новый параметр к проблеме доступа к каналу посредством введения нового механизма сохранения и использования априори известной сигнальной информации. Изобретение, несомненно, позволяет улучшить рабочие характеристики сети и эффективно решает классическую проблему скрытого терминала.

Как отмечалось выше, детектирование можно выполнять для каждого бита, или каждого символа, или каждой последовательности битов или символов, для одного пользователя или для множества пользователей. Детектирование может осуществляться на кодированной информации или битах информации.

Как уже отмечалось, изобретение, в совокупности, можно применять в беспроводных ретрансляционных сетях, таких как многоузловые самоорганизующиеся сети, кооперативные ретрансляционные сети и репитерные сети.

В одном примерном варианте изобретения беспроводная ретрансляционная система связи содержит по меньшей мере два узла или станции с двунаправленной связью и по меньшей мере один ретрансляционный узел или станцию, причем эти по меньшей мере две станции с двунаправленной связью ведут передачу одновременно в первой фазе или последовательно в двух фазах в сторону по меньшей мере одной ретрансляционной станции. В следующей фазе ретрансляционная станция или станции ретранслируют принятые сигналы одновременно в сторону по меньшей мере двух станций двунаправленной связи (в данный момент ведущих прием). Каждая станция двунаправленной связи выполнена с возможностью детектирования сигнальной информации из другого узла посредством подавления помех на основании одновременно переданной сигнальной информации из промежуточного ретрансляционного узла и ее собственной переданной сигнальной информации.

Предпочтительно, принятые сигналы обрабатываются перед ретрансляцией ретрансляционными узлами, и эта обработка предпочтительно гарантирует улучшение SNR и/или объединение разнесения в ведущих прием узлах.

Еще один примерный вариант изобретения касается системы связи, содержащей станцию, передающую и принимающую данные (последовательно), станцию, принимающую данные, и станцию, передающую данные, и множество станций, действующих как ретрансляционные узлы, причем станция, передающая и принимающая данные, подавляет влияние собственных переданных данных. Это относится к случаю кооперативной ретрансляции с одновременной восходящей и нисходящей связью, однако может также использоваться и для многоузловой самоорганизующейся связи.

Понятно, что с данным изобретением можно использовать многие различные виды подавления помех, включая методы явного и неявного подавления помех.

Во втором аспекте изобретения сигнальную информацию можно детектировать посредством совместной обработки априори известной сигнальной информации в виде ранее принятой основополосной сигнальной информации вместе с текущей принятой основополосной сигнальной информацией. Это означает, что приемная станция использует любую ранее принятую основополосную информацию в процессе декодирования самого последнего принятого основополосного сигнала.

Следует отметить, что первый и второй аспекты можно объединить в гибридную концепцию, включающую сохранение как основополосных, так и декодированных данных.

Вкратце, изобретение позволяет улучшить прием, например, благодаря "удалению" ранее известной информации, будь то детектированная (демодулированная и/или декодированная) или имеющая основополосную форму информация, независимо от вида сети, будь то многоузловая самоорганизующаяся, кооперативная ретрансляционная или репитерная сеть.

Изобретение обеспечивает следующие преимущества:

- По сути, улучшает пропускную способность, полную задержку на трассе, робастность связи (обеспечивая эти преимущества в любой комбинации), так как априори известная сигнальная информация не создает никаких помех.

- Интересно отметить, что предложенное изобретение в значительной, если не в полной мере решает классическую проблему "скрытого терминала". Это преимущество подпадает под предыдущий пункт, но оно достойно отдельного упоминания.

Несмотря на то, что изобретение было описано в неявном предположении использования всенаправленных антенн, можно также использовать, например, схемы доступа к каналам, ориентированные на группу антенн, такие как множественный доступ с пространственным разнесением (SDMA). Кроме того, изобретение можно использовать с различными современными схемами антенн, например с формированием диаграммы направленности или MIMO.

Описанные выше варианты были представлены всего лишь в качестве примера, и не следует полагать, что настоящее изобретение ограничено ими. Под объем притязаний изобретения также подпадают другие модификации, изменения и усовершенствования, в которых сохраняются основные принципы, раскрытые и заявленные в настоящей заявке.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Некоторые расчеты пропускной способности канала для концепции 1

При определении кривых на фиг.9 использовались следующие математические уравнения:

SNR для одноузловой связи определяли как

,

где Р - мощность передачи, G - усиление на одноузловой трассе и N - мощность шума в приемнике.

Если использовать степенную модель потерь на трассе с экспонентой распространения α и предположить, что потери на трассе уменьшаются и используются на двух равноудаленных скачках, то SNR в узле С будет

Прежде всего, представляют интерес три основных типа передач. Во-первых, одна передача имела скорость

R₁=lg₂(1+SNR')

Можно показать, что прием с МПД для случая с равной скоростью дает максимальную скорость R₂ из каждого передатчика

2R₂=lg₂(1+2·SNR')

Передача двух наложенных сигналов, в которой подавлены априори известные сигналы, дает скорость R₃ для каждого отдельного сообщения (с половиной мощности) согласно уравнению

R₃=lg₂(1+SNR'/2)

При этом условии и с учетом передач и количества временных интервалов, использованных для данного цикла, максимальная пропускная способность для схемы а) и d) на фиг.8 составит

При определении пропускной способности для схемы е) на фиг.9 принятые сигналы и шум нормируются по мощности Р передачи перед передачей. Результирующее SNR в узлах А и В после подавления помех можно представить как

Скорость для каждого информационного потока равна R_analog=lg₂(1+SNR_analog), и поэтому пропускная способность составляет .

ЛИТЕРАТУРА

[1]. R. Nelson and L.Kleinrock. "Spatial-TDMA: A collision free multi-hop channel access protocol", in IEEE Trans. Commun. vol.33, no.9, pp. 934-944, September 1985.

[2]. A.S. Tanenbaum, "Computer Networks", Prentice Hall, pp.246-254.

[3]. Bertsekas et al. "Data Networks", Prentice Hall, 1991, pp. 350-351.

[4]. P. Karn. "MACA - A new channel access method for packet radio", Proc. ARRL/CRRL Amateur Radio 9^th Computer Networking Conference, pp. 134-140, London, UK, September 1990.

[5]. V. Bhargawan et al. "MACAW: A media access protocol for wireless LAN's" in Proc. ACM SIGCOMM'94, pp.212-225, London, UK, August-September 1994.

[6]. F.A. Tobagi et al. "Packet switching in radio channels: part ii - hidden terminal problem in carrier sense multiple access modes and busy-tone solution" IEEE trans. Commun., vol.23, no.12, pp.1417-1433, December 1975.

[7]. S. Brooke and T. Giles. "Scheduling and performance of multi-hop radio networks with multi user detection", in Proc. Second Swedish Workshop on Wireless Ad-Hoc Networks, Stockholm, March 2002.

[8]. M. Steenstrup and G.S. Lauer. "Routing in communications networks", Prentice Hall, 1995, pp.357-396.

[9]. A. El Gamal. "Multiple user information theory", Proc. Of the IEEE, Vol.68, December 1980.

[10]. P. Larsson. "Large-Scale Cooperative Relaying Network with Optimal Coherent Combining under Aggregate Relay Power Constraints", December 2003.

Изобретение относится к сетям связи. Технический результат заключается в улучшении рабочих характеристик беспроводных ретрансляционных сетей. Согласно изобретению сигнальную информацию, представляющую первый набор информации, подлежащий передаче более одного раза по меньшей мере по одной линии связи, сохраняют в качестве априори известной сигнальной информации. Это может быть ранее принятая и/или детектированная информация, собственная переданная информация или другая релевантная сигнальная информация, имеющаяся в узле. Принимают сигнальную информацию, представляющую второй набор информации, причем передача первого набора информации создает помехи для приема второго набора информации. Несмотря на эти помехи, по меньшей мере часть второго набора информации можно, тем не менее, успешно детектировать посредством использования принятой сигнальной информации и по меньшей мере части ранее сохраненной априори известной сигнальной информации. Информацию детектируют посредством подавления помех на основании принятой сигнальной информации и соответствующих частей априори известной информации. Набор априори известной сигнальной информации предпочтительно обновляется посредством непрерывного сохранения новой детектированной информации. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Способ детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети, заключающийся в том, что первый сетевой узел сохраняет в качестве априори известной сигнальной информации ранее принятую сигнальную информацию, представляющую первый набор информации, включающий в себя по меньшей мере один блок данных, подлежащий передаче в совокупности более одного раза по меньшей мере по одной линии связи, затем первый сетевой узел принимает сигнальную информацию, представляющую второй набор информации, причем передача упомянутого по меньшей мере одного блока данных вторым сетевым узлом создает помехи для приема второго набора информации, и первый сетевой узел детектирует по меньшей мере часть второго набора информации посредством подавления помех на основании принятой сигнальной информации, представляющей второй набор информации, и по меньшей мере части ранее сохраненной априори известной сигнальной информации.2. Способ детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети по п.1, в котором упомянутое подавление помех включает в себя по меньшей мере одно из явного и неявного подавления помех.3. Способ детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети по п.1, в котором упомянутый по меньшей мере один блок данных подлежит передаче в совокупности более одного раза по более чем одной линии связи.4. Способ детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети по п.1, в котором упомянутая беспроводная ретрансляционная сеть включает в себя по меньшей мере одну из беспроводной многоузловой самоорганизующейся сети, кооперативной ретрансляционной сети и репитерной сети.5. Способ детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети по п.1, в котором упомянутая беспроводная ретрансляционная сеть является беспроводной многоузловой самоорганизующейся сетью.6. Способ детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети по п.1, в котором при упомянутом детектировании осуществляют одно из однопользовательского детектирования и многопользовательского детектирования.7. Способ детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети по п.1, в котором при выполнении упомянутым первым сетевым узлом упомянутого детектирования по меньшей мере части второго набора информации обрабатывают набор представляющий ранее детектированные пакеты данных, и принятую сигнальную информацию R_i согласно уравнению

где f - заранее определенная объективная функция, и - результирующий набор детектированных пакетов данных.

22. Устройство для детектирования сигнальной информации в беспроводной ретрансляционной сети по п.16, в котором упомянутое средство для детектирования по меньшей мере части второго набора информации содержит средство для обработки набора представляющего ранее детектированные пакеты данных, и принятой сигнальной информации R_i согласно уравнению

где f - заранее определенная объективная функция, и - результирующий набор детектированных пакетов данных.