CN101573924B

CN101573924B - 合作通信中的无线站群集

Info

Publication number: CN101573924B
Application number: CN2007800483452A
Authority: CN
Inventors: S·达斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: CN101573924A; JP5266249B2; EP2098023B1; JP2010515328A; EP2098023A1; US9173157B2; WO2008081381A1; US20100309842A1

Abstract

一种无线***包括无线站(STA)(102，103)的集群(100)，令一个或多个STA用作为集群领导(103)。还描述了无线通信的方法。

Description

合作通信中的无线站群集

无线通信技术已显著地进步，使得无线介质成为有线解决方案的可行的替换方案。这样，无线连接性在数据和话音通信中的使用不断地增加。这些设备包括移动电话、无线网(例如，无线局域网(WLAN))中的便携式计算机、无线网中的固定计算机、便携式手持机，等等。

除了在日常使用中变得更流行以外，无线设备越来越依赖于以较高的数据速率提供可靠的服务。增加无线设备的带宽容量、或改进设备的可靠性、或实现这两者的一种方式是通过多个天线的使用。然而，多个天线需要设备上的附加的‘房产(real estate)’，并且由于天线和支撑电路而增加了设备的成本。

所以，需要一种至少克服上述缺点的方法和***。

按照一个代表性实施例，一种无线***包括无线站(STA)的集群和至少一个集群领导(cluster lead)，其适合于接收来自STA的数据、并提供该数据到其它集群领导、或到接入点(AP)、或到这二者。

按照另一个代表性实施例，一种无线通信的方法包括：从无线网的STA中间形成STA的集群，以及把集群的至少一个STA指定为集群领导。该方法还包括：在STA与集群领导之间交换数据，并把该数据从集群领导转发(retransmit)到网络的接入点(AP)。

按照再一个代表性实施例，一种无线通信的方法包括：传送指令到无线网的无线站(STA)，以便形成集群和用作为集群领导。该方法还包括：通过把加入集群的邀请从集群领导传送到无线网的其它STA，从而形成STA的集群；以及传送各自的副载波组。

当结合附图阅读以下的详细说明时，将从该详细说明中最好地了解本发明。应当强调指出，各种特征不一定是按比例画出的。事实上，为了讨论的清晰起见，尺度可以任意地增加或减小。在所有可行之处，同样的参考标号是指图上的同样的单元。

图1是按照一个代表性实施例的无线通信***的简化的示意图。

图2是按照一个代表性实施例的无线通信的方法的流程图。

图3是按照一个代表性实施例的无线通信的方法的流程图。

正如这里使用的，术语‘一’和‘一个’是指一个或多个；以及术语‘多个’是指两个或更多个。

在以下的详细说明中，为了解释而不是限制，阐述了公开具体细节的代表性实施例，以便提供对于本教导的透彻的了解。然而，对于得到本公开内容的好处的本领域技术人员而言，脱离这里所公开的具体细节的其它实施例将是明显的。而且，熟知的设备、方法、***和协议的描述可以省略，以免遮蔽对于代表性实施例的描述。尽管如此，在本领域技术人员的视界内的这样的设备、方法、***和协议，可以按照代表性实施例被使用。最后，在所有可行之处，同样的参考标号是指同样的特征。

应当指出，在这里描述的说明性实施例中，网络可以是具有集中式体系结构或分散式体系结构的无线网。说明性地，所述网络可以是工作在IEEE 802.11b介质接入(MAC)控制层下的网络，通常称为WiFi。替换地，网络工作在DSA MAC层下，所述DSA MAC层诸如是在IEEE 802.22下被定义的，或是在ECMA 368标准、IEEE 802.16、IEEE 802.11、或IEEE 802.15下被定义的。

而且，所述网络可以是蜂窝网；无线局域网(WLAN)；无线个域网(WPAN)；无线主体域网或无线区域网(WRAN)。此外，MAC协议可以是时分多址(TDMA)协议；载波侦听多址(CSMA)协议；具有冲突避免的CSMA(CSMA/CA)协议；码分多址(CDMA)协议；或频分多址(FDMA)协议；或正交FDMA(OFDMA)。应当强调，所指出的网络和协议仅仅是说明性的，可以在不背离本教导的情况下使用那些明确地提到的网络和协议以外的其它网络和协议。

图1是按照说明性实施例的无线网的无线站(STA)(也称为节点或客户住宅设备(CPE))的集群100的简化示意图。集群100可以是集中式网络的一部分。该网络包括接入点(AP)101，它也被称为基站(BS)。在STA中间是集群领导(cluster lead)103(也称为仲裁员(moderator))、休戚相关的(solidary)STA 102、以及任选地还有孤立的(solitary)STA 104。为此，在代表性实施例中，加入网络的某些STA不是STA集群的一部分。孤立的STA是非合作的或独立的STA。例如，已加入由AP 101掌管的网络的STA 104，无需STA 102、103的帮助而能够达到需要的通信速率和QoS。因此，STA 104可被称为孤立的STA。相反，作为集群100的一部分的STA(例如，STA 102、103)可被称为休戚相关的。

值得注意的是，本教导可被推广到分布式无线网。正如本领域技术人员将容易理解，在分布式***中，不提供AP 101。而是，另一个(些)STA控制到介质的接入，并履行AP 101的功能性。虽然以下的描述主要涉及到具有AP 101的集中式网络，但本教导也打算应用到分布式网络。

说明性地，STA 102、103、104可以是计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)、无线传感器、或是典型地运行在这样的网络中的类似的设备。在特定实施例中，至少一个STA是固定的。打算使STA适合于在需要保护既有用户的频段的受限频道中或在无许可证频段的频道中工作。

在网络中的每个STA 102-104具有单个天线单元，而AP 101可以具有单个或多个接收天线。在代表性实施例中，总的带宽‘W’被分割成两个非重叠的分开部分‘W1’和‘W2’，它们被分别分配给休戚相关的和孤立的STA。‘W1’和‘W2’的大小取决于在每个群中STA的数目、可用的功率、以及速率和QoS要求。正如将意识到的，带宽的分配可以由AP 101在静默期(QP)或其它辅助工作(house-keeping)期期间用超帧实行。在以下的描述中，(经由信道或副载波的)带宽的分配涉及到把带宽W1分配给休戚相关的STA。由休戚相关的STA 102、103进行的向AP 101的信息交换和传输将不会在非合作的孤立的节点(例如，STA 104)中造成干扰，孤立的节点直接向AP101进行传送。

正如在这里更全面地描述的，正交频分复用(OFDM)传输被有用地实施。正如已知的，OFDM在对抗频率选择性衰落方面是特别鲁棒的。说明性地，STA 102、103实施正交频分多址(OFDMA)作为想要的传输技术。这样，在一个实施例中，每个STA 102、103具有固定的一组等间隔的和等数目的副载波。如果在该群中有‘M’个节点和数目为‘N’的副载波(假设N是M的整数倍)，则任何的第m{m＝1......M}个节点将接收该组(S_m{m，M+m，2M+m......N-M+m}∈S)。值得注意的是，在其它实施例中，副载波根据具体的要求被指派给每个STA。

图2是按照一个代表性实施例的无线通信的方法的流程图。当结合联系图1描述的网络回顾时，可最好地了解该方法。值得注意的是，联系图1描述的某些特征对于当前描述的方法是共同的。这些细节中许多细节不再重复，以免遮蔽对本实施例的描述。

在步骤201，发起一个集群。所述发起包括由一个或多个STA 102、103传送一个或多个加入集群的邀请信号。这个发起步骤在超帧的数据交换期期间发生。说明性地，传送邀请的STA 102、103可被称为‘发起器’。发起器在各自的指派的副载波组上传送邀请信号，以使得其它STA(非发起器STA)可以识别发起器。

有利地，发起信号包括加入集群100的预定义的准则。这些准则可包括，但不限于：最小数据速率要求；最小服务质量(QoS)；以及某个阈值SNR(γ_th)。例如，如果进行接收的STA具有大于阈值SNR的SNR，则该STA接受加入该集群；如果不具有，则该STA拒绝加入。一个STA可以接收多个邀请；然而，在信令期的全部持续时间内只能加入一个集群。值得注意的是，STA可以在一个信令期的结束处切换到不同的集群。

为了形成集群，发起器必须具有来自至少一个以上的STA 102、103的接受，否则它的邀请呼叫被丢弃，且该发起器本身可以加入另一个集群或保持为孤立的STA。在一个代表性实施例中，在集群中的参与的STA 102、103的数目是X_k，其中下标k{k＝1......K}表示集群索引。所以，X₁+X₂+......+X_k＝M和X_k≤X，X是在任何集群中最大量的可允许的节点。同样地，在集群中的集群领导103的最大数目不能超过在集群中的STA102，103的总数的一半。在某个实施例中，集群领导103的数目限于2和4之间。

在步骤202，对于所形成的集群，信息(数据)在集群100的每个STA102、103之间交换。这个数据交换包括对于AP 101的数据速率和最小QoS要求、集群信息和用于信道测量的导引码元。说明性地，用于集群信息的开销要求对于每个STA 102、103是log₂M比特，因为STA只需要提到它的发起器的副载波组索引(有‘M’个副载波组索引，且需要log₂M个比特来表示这些索引)。AP 101评估接收的信号和测量每个节点的信号强度。

在广播信号中(例如，在信标周期中)，AP 101在集群中的STA 102、103之间按需要重新指派副载波。每个STA 102、103保持各自的副载波组，以及具有较高速率要求的STA 102、103被给予来自其它组的附加副载波。例如，有带宽W1，重新指派可以是把来自STA 102、103的、具有带宽剩余的副载波选择性地指派给带宽不足的那些副载波。在一个代表性实施例中，集群领导103在第一信令期中不进行传送。AP 101因而可以把集群领导103的空闲副载波重新分发给需要附加带宽的STA 102。

在步骤203，且取决于所接收信号的强度，AP 101为每个集群100选择一个或多个集群领导103。集群100中的集群领导103的数目尤其取决于集群中的STA 102、103的数目、需要的空间分集(QoS)和信道相干时间。

在代表性实施例中，集群领导103是在集群中的、向AP 101进行传送的仅有的STA，以及适当的空间-时间块码按照集群领导103的数目和速率/QoS要求被选择。每个节点具有P瓦的最大传输功率；因此，总的***功率在信令期的任何时刻限于MP瓦。

有利地，在集群内传送非常高速率的数据(即，从STA 102到集群领导103和从集群领导103到集群领导103)抓住了在集群100内的良好信道条件的一切有利时机。例如，相比于在网络的STA没有按照本教导被群集时可获得的，集群领导103更有可能提供与某些STA 102和与AP 101的视线通信。而且，使用空间-时间块码来传送数据到AP 101可以提供空间分集，以便缓和在集群100和AP 101之间的信道逆境(adversity)。

在步骤204，开始在集群100内的和从集群100到AP 101的通信。在代表性实施例中，STA 102、103是半双工设备，因此不适合于同时进行传送和接收。当一个STA 102传送时，集群100中的其它STA 102、103只能接收，所以，纯时域复用(TDM)方法将需要至少X_k个非重叠信令期来在集群100内交换信息。

在一个代表性实施例中，集群领导103保持静默；而同时其余的STA102把它们自己的信号传送到集群领导103。有利地，以及正如先前提到的，在集群100内的STA 102、103之间的信道链路是比在集群100与AP 101之间的信道链路更鲁棒的。

以下的例子被提供来举例说明代表性实施例的集群间鲁棒性：位于农村地区的、设置成在WiMAX MAC层下工作的一群家庭，每个家庭具有室外天线并且远离AP 101；或者具有远处的接入点的大型办公楼中的一群WiFi用户；或者其中不同的士兵群尝试与中央司令部通信的战场；或者其中在人体的不同部位的无线传感器传送信息到监护设备的医院。应当强调的是，这些例子仅仅打算用来举例说明实施例的使用，并且预期有其它示例性情形。

在以上的例子中，在集群100中的STA 102、103之间的信道链路很可能具有强的视线、微小的路径损耗和遮蔽、以及减小的延迟扩展。STA 102103可以利用信道质量，并且可以以非常高的数据速率进行传送。

在一个代表性实施例中，为了进一步改进集群间鲁棒性，可以实施前向纠错(FEC)码，例如里德-所罗门(Reed-Solomon)或卷积码，以便保护从STA 102传送到集群领导103的信号。

说明性地，集群领导103译码接收的信号，并保持它们以便重新编码，直至所有的集群领导103也在它们之间共享它们自己的信息。在一个代表性实施例中，集群领导103组合来自STA 102节点的所有的信息，并联合地传送到AP 101。值得注意的是，在这个实施例中，集群领导103在它们之间实施时分复用(TDM)方案，以共享信息并从而在不同的非重叠信令期期间进行传送。因为每个集群领导103可以使用在一个OFDM码元中的所有的副载波，所以领导103可以以非常高的数据速率(每个OFDM码元持续时间的比特数)进行传送，或者在功率受限的***中，它们可以切换到带有强FEC的较低的星座。

正如指出的，在一个实施例中，在集群领导103之间实施TDM。替换地，在另一个代表性实施例中，MAC层提供：某些集群领导103进行传送，而一个或多个集群领导103保持静默。例如，考虑四个集群领导103。首先，任意三个集群领导将通过使用OFDMA把它们的信号传送到第四集群领导103。该接收集群领导103译码所接收的信号，重新编码该接收的信号，并把它的数据也注入到分组中。该分组被传送回其它的集群领导103。这个方法只需要两(2)个信令期来在所有的四个集群领导103之间交换信息，而TDM方法需要四(4)个信令期。在这个过程结束时，除了来自集群中STA 102的信息以外，每个集群领导103还具有来自其它集群领导103的信息。

在再一个实施例中，从一个集群领导到下一个集群领导的数据转移是顺序的。也就是，假设有三个集群领导103，令一个集群领导有利地具有相对于AP 101的最好的SNR。一个集群领导103可以向与其共享最好的信道链路(SNR)的集群领导进行传送。来自这个集群领导103的数据被加到进行接收的集群领导的数据。下一个集群领导103把头两个集群领导的数据传送到第三集群领导103，第三集群领导103然后传送到AP 101。在一个代表性实施例中，向AP 101进行传送的集群领导不必重新编码接收的数据或把任何的它的数据注入到被传送到AP 101的分组中。

图3是按照另一个代表性实施例的无线通信的方法的流程图。在结合联系图1描述的网络回顾时，可以最好地了解所述方法。而且，联系图1和2描述的某些特征对于当前描述的方法是共同的。这些细节中的许多细节不再重复，以免遮蔽对本实施例的描述。

在步骤301，AP 101从STA 102中间选择至少一个有限责任节点(LRN)。值得注意的是，所有的STA初始地都属于STA102的群，且还没有被指定为集群领导。在一个代表性实施例中，AP 101在信标期中传送信号到STA102。所选STA 102可以是在每个信令期内被随机地选择的，或者可以是基于某些准则。所述信号请求该STA 102通过采取主动来形成集群100并且也充当集群领导103而共享有限责任(SLR)。在步骤302，所选择的LRN(现在是集群领导103)把关于加入它的网络并形成集群100的邀请传送到其它的STA 102。

为了回答发起者，进行接收的STA 102根据阈值SNR和基于它们的指派的副载波组的速率/QoS要求，以诸如先前描述的方式传送它们的决定。LRN然后承担集群领导103的角色，并在一个OFDM码元中它的相应副载波组上发送特定的指令到每个参与的STA 102。STA 102或者被指令传送它们的信息，或者保持静默并作为附加的集群领导103工作。

本实施例与联系图2描述的实施例不同，因为AP 101委派某些责任给本地节点。例如，选择附加集群领导103可以由LRN来实现。这个处理过程例如在adhoc(自组)联网体系结构和紧急情形下是有利的，其中节点群可以或多或少独立地运行，以形成合作的集群。

在步骤303，以类似于先前描述的那些的方式实行在集群100内的和在集群领导103与AP 101之间的通信。

如先前指出的，一群合作的(休戚相关的)STA 103当它们的向AP 101传送的独立尝试不满足QoS要求时可以选择去形成集群100。集群100的成员通常是遭受到大规模的遮蔽、高的路径损耗指数、离AP 101较长的距离、或信道的较长的延迟扩展、或这些项的组合的STA 102、103。有利地，代表性实施例的方法和***适合于通过创建一批地理上分散的、共享它们的单个天线单元以形成MIMO环境的仲裁员，从而达到空间分集(除了存在频率或时间分集以外，如果有的话)。

集群领导103的数目取决于集群中节点的数目、信道逆境和QoS(在空间分集方面)要求。在前些节，我们已讨论了在集群内交换信息的策略。适当的空间-时间块码按照集群领导103的数目和速率-分集折衷要求被选择。已经知道了用于2、3和4个发射天线的空间-时间块码的几个例子。集群领导103把接收的高数据速率码元分割成多个低数据速率码元，例如，如果集群领导103从集群中的其它节点接收16QAM码元，则取决于STBC的结构，每个16QAM码元可被分割成两个QPSK码元或四个BPSK码元。总的空间分集还取决于在AP 101处的接收天线的数目。

STBC的实现要求信道在代码块的持续时间内保持静止。如果在有四个集群领导103时选择4×4STBC，这意味着，在集群领导103与AP 101之间的信道必须在四个OFDM码元持续时间上保持为固定的。在快速变化的信道条件下，这个假设可能不成立，以及STBC必须在一个OFDM码元中被散布在四个接连的副载波上，而不是散布在四个接连的OFDM码元上。我们仍将需要来自每个集群领导(仲裁员)的四个OFDM码元，以达到目标速率。这提供了在慢速和快速变化的信道上使用STBC的额外自由度。

为了举例说明，考虑具有64个副载波和8个节点的***，该8个节点为：4个集群领导{m₁，m₂，m₃，m₄}和四个STA 102{n₁，n₂，n₃，n₄}。所有的STA102具有相等的速率要求R，一个OFDM码元的持续时间是T，以及每个节点消耗的功率是P。为了简明起见和在功率、带宽使用、信令期方面有公平的比较，我们假设集群中的节点使用需要8T信令期和消耗功率8P的TDM方法来在它们之间交换信息。然后，四个集群领导103选择尺寸4×4的STBC来在8个(两个STBC块，每个STBC消耗4个码元周期)接连的码元周期中向AP 101进行传送，消耗功率32P(每个集群领导传送所有节点的码元，因此需要8P功率，并且有4个集群领导103)。所以，所需要的总的时间是16T(8T+8T)，且总的消耗功率是40P(32P+8P)。

在这里描述的代表性实施例中，描述了具有STA的合作的集群的无线网和在其间进行通信的方法。正如本领域技术人员将会意识到的，有可能存在按照本教导的许多变化，而它们都归属于所附权利要求的范围内。本领域技术人员在审视这里的申请书、附图和权利要求后，将清楚这些和其它变化。所以本发明仅仅由所附权利要求的精神和范围限制。

Claims

1.一种无线***，包括：

无线站STA(102，103)；

接入点AP，其适合于从所述STA中间选择至少一个有限责任节点LRN，并请求该选择的LRN通过采取主动来形成集群且也充当集群领导而共享有限责任，其中所选择的LRN被委派责任来选择附加的集群领导；以及

至少一个集群领导(103)，其适合于接收来自STA的数据，并提供该数据到其它集群领导、或到接入点AP(101)、或到这二者。

2.如在权利要求1中要求的无线***，其中所述集群(100)通过根据预定义的准则邀请网络的一个或多个STA加入该集群而被形成。

3.如在权利要求1中要求的无线***，其中所述AP(101)适合于指派副载波给集群的每个STA。

4.如在权利要求1中要求的无线***，还包括孤立的STA(104)，其适合于在***的无线网内运行而无需加入集群(100)。

5.如在权利要求1中要求的无线***，其中该至少一个集群领导(103)适合于通过使用空间-时间块码传送数据。

6.如在权利要求1中要求的无线***，还包括多个集群领导(103)，其中每个STA传送数据，以及集群领导交换数据。

7.如在权利要求6中要求的无线***，其中所述集群领导(103)传送数据到AP(101)。

8.如在权利要求1中要求的无线***，还包括多个集群领导(103)，其中除一个集群领导以外的全部集群领导传送数据到一个集群领导。

9.如在权利要求1中要求的无线***，其中集群的每个STA(102，103)包括单个天线。

10.一种无线通信的方法，该方法包括：

从无线网的STA(102，103)中间形成(201)STA的集群；

把集群的至少一个STA指定(203)为集群领导(103)；

在STA与集群领导之间交换数据(202)；以及

把该数据从集群领导转发到网络的接入点AP(101)，

其中所述的形成和指定包括：

接入点从所述STA中间选择至少一个有限责任节点LRN，并请求该选择的LRN通过采取主动来形成集群且也充当集群领导而共享有限责任；以及

所选择的LRN被委派责任来选择附加的集群领导。

11.如在权利要求10中要求的方法，其中所述的形成还包括传送加入集群的邀请信号到网络的STA(102，103)，其中该邀请信号包括加入集群的预定义的准则。

12.如在权利要求10中要求的方法，其中所述的指定还包括：

把来自集群的每个STA的数据传送到AP；

根据所述数据，选择所述至少一个集群领导。

13.如在权利要求12中要求的方法，其中所述数据包括：最小数据速率要求和最小服务质量QoS；以及该方法还包括：根据所述数据按需要重新指派副载波给节点。

14.如在权利要求10中要求的方法，其中所述至少一个集群领导还包括多个集群领导。

15.如在权利要求14中要求的方法，其中所述的交换还包括：

在每个集群领导处接收至少所述数据的一部分；以及

把所接收的数据的该部分转发到其它集群领导，直至所有的集群领导都具有该数据为止。

16.如在权利要求14中要求的方法，其中所述的交换还包括：

把所述数据的一个部分从一个集群领导传送到另一个集群领导；

把所述数据的另一部分添加到所述一个部分，并转发所述一个部分和所述另一部分；

继续添加和转发，直至多个集群领导中的最后一个集群领导接收到该数据为止。

17.一种无线通信的方法，该方法包括：

接入点从无线网的无线站STA中间选择至少一个有限责任节点LRN，

传送指令(301)到该选择的LRN以请求该选择的LRN通过采取主动以便形成集群和用作为集群领导而共享有限责任；

通过把加入集群的邀请从所选择的LRN传送到无线网的其它STA，从而形成STA的集群(302)；以及

由所选择的LRN来给集群的每个STA指派各自的副载波组并选择附加的集群领导。

18.如在权利要求17中要求的方法，还包括在所述的传送后：

在STA与集群领导之间交换数据；以及

把来自集群领导的数据转发到网络的接入点AP。