CN101138206A - 用于多跳网络中的高级路由选择度量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明人已经设想一种多跳网络情况，其中节点配备了高级多天线装置，以及认识到把多跳网络节点中的这类高级天线装置的存在用于确定网络中的路由选择的链路成本的具体目的的优点。因此，本发明的基本概念是根据节点之间的多信道特性来确定网络中一对节点之间的无线链路的链路成本(S3)，在其中，节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作，以便提供多个信道。这些多信道特性例如可根据明确信道矩阵估算(S1)和/或发射和接收天线的数量(S2)或者关于所涉及节点的天线能力的其它信息来确定。所确定链路成本信息随后可与附加路由选择成本信息一起用于路由确定(S4)和分组转发(S5)。

Description

用于多跳网络中的高级路由选择度量的方法及装置

技术领域

一般来说，本发明涉及通信网络、如多跳网络中的路由选择，更具体来说，涉及确定用于路由确定和路由选择的适当链路成本度量的问题。

背景技术

一般来说，路由选择可定义为经由通信网络中的一个或多个中间节点从源向目的地移动信息的行为。

当路由选择应用于无线网络时，这种网络往往称作多跳网络。在多跳网络中，相互不可达的节点可获益于中间设置的节点，它们可将其消息从源转发到目的地。按照传统方式，多跳网络通常与所谓的自组网关联，在其中，节点大多数是移动的，并且不存在中央协调基础设施。但是，当节点为固定时，也可应用多跳组网的概念。另外，还可设想中央协调，特别是当节点为固定并且信道健壮时。还可设想除了多跳网络中的无线链路之外还包括有线链路的混合网络。常见类型的多跳网络基于所谓的存储和转发，在其中，整个分组在转发之前被接收。

路由选择一般包括两个基本任务：确定适当的路由选择路径以及通过网络传输信息。在路由选择过程的上下文中，这些任务的第一个通常称作路由确定，而这些任务的后一个则往往称作分组转发。

对于路由确定，常见的方式是生成所谓的路由选择树。图1A说明在这里以给定目标节点为根的这种路由选择树的一个实例。路由选择树通常根据最短路径算法来计算，意味着，从树中的各个节点到目标节点的所确定最短路径称作“最小成本路径”。实际上，树被连续构建和更新，以便管理移动性以及变化的链路条件。

当树中的特定节点要在后续分组转发过程中发送分组时，该节点被认为是源节点，以及分组按照从源到目的地的所确定路由选择路径，如图1B所示。不同的节点可随时间向相同目的地发送分组，因此，不同的节点将用作源节点，并沿它们各自的最短路径发送。另外，由于可能存在多个目的地，所以可生成多个树，各以对应的目的地为根。

分组转发通常比较简单，而路径或路由确定则可能非常复杂。

路由选择协议一般采用所谓的路由选择度量作为评估哪一个路径或路由对于给定分组是最佳的、由此确定到目的地的最佳路径的基础。在先有技术中，许多不同的度量由路由选择算法用来确定最佳的或者至少适当的路由。

传统的有线跳度量不适合于无线环境，主要因为它没有反映相对于距离的链路质量相关性。另外，发射功率是影响链路质量的一个重要因素。

无线情况中较少使用、但仍然经常遇到的有线度量的一个实例是简单跳计数度量，在其中，从节点v_i到v_j的链路成本ΔC_ij被定义为ΔC_ij＝1。

已经在研究文献中提出的另一个度量基于两个节点之间的物理距离，例如ΔC_ij＝距离_ij。

适合于无线电环境的一个更好的实例是采用平均链路增益G_ij，并且把链路成本定义为平均链路增益的倒数，即ΔC_ij＝G_ij ^-1。这个度量提供大的接收器SNR(信噪比)值(具有固定功率)以及最小功率路由(具有功率控制)。这不是一个不好的度量，但是它可能引起分组将遇到长延迟的情况(主要因为它没有适当地反映链路的容量)。

因此，一个更好的链路度量的实例是采用估算平均链路速率，并且把链路成本定义为平均链路速率的倒数，即 $\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{ij}}=1/{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}},$ 假定速率适配能力。可通过两种方式来了解这个度量。首先，对于固定大小的分组，它设法提供最小延迟路径(假定网络中的排队延迟是可忽略的)。但是，在具有固定大小的数据相位的多跳方案的上下文中(具有取决于速率适配的数据相位中的可变数量的分组)，它提供沿路径的最小时间资源利用。基于平均速率的链路度量可通过传统的香农容量来估算：

${\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}=B\·E\left({\log }_2(1+\frac{G_{\mathrm{ij}}{P}_i}{{\mathrm{\σ}}_N^2})\right)$

式中，B是带宽(如果只有一个公共带宽用于整个系统，则可忽略)，E{...}是期望值，P_i是节点v_i的发射功率(它可能是固定的或者由另外某种机制来确定)，σ_N ²是噪声等级(在节点v_j)。项σ_N ²可能还包含平均干扰，则建模为除接收器噪声之外的复合高斯噪声。

把香农容量用于以上所述的增益度量倒数的情况，大家看到，它对应于具有给定目标链路速率

的最小功率路由选择。最小功率则被确定为：

$P_i=(2^{\frac{{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\left(T\arg \mathrm{el}\right)}}{B}}-1)\frac{{\mathrm{\σ}}_N^2}{G_{\mathrm{ij}}}$

参考文献[1]描述了链路发射功率作为适当的成本度量用于使整个路径上所使用的累积发射功率为最小。这对于电池消耗是好的，并且还减小系统中的干扰等级，从而为新的连接留下空间，因而允许更高网络负荷的操作。

如图所示，能够把干扰包含在度量中。基于干扰的类型的度量包括：最小干扰路由选择(LIR)，在其中，思路是采用产生最小破坏性干扰的路由；以及最小阻力路由选择(LRR)，在其中，思路是采用遇到最小干扰的路由。

还能够把业务负荷包含在度量中。但是，在度量中包括这类业务方面(例如加入业务负荷和媒体访问规则的方面)不是简单的，因为还需要考虑稳定性问题。

很明显，路由选择度量对于路由确定具有重大影响，因此，极为重要的是提供用于确定适当路由的增强度量。改进的路由选择则实际上产生具有网络中更高的吞吐量和减小的延迟的改进的路由选择。

发明内容

本发明克服了先有技术装置的这些及其它缺点。

本发明的一般目的是提供完全无线或者至少部分无线的多跳网络中改进的路由选择。具体来说，希望提供这类网络中更高的吞吐量和减小的延迟，或者允许以更高的网络负荷进行操作。

本发明的一个目的是通过使用增强的路由选择度量来提供改进的路由选择或路由确定。

一个具体目的是提供一种用于为至少部分无线的多跳网络中的路由选择确定链路成本的改进方法及装置。

又一个具体目的是提供一种用于基于这种网络中的增强链路成本确定的路由确定的方法及装置。

另一个具体目的是提供一种用于基于增强链路成本确定的路由选择的方法及装置。

如所附专利权利要求所定义的本发明满足这些及其它目的。

本发明人已经设想了一种多跳网络情况，在其中，节点配备了高级多天线装置，以及具体设想了一种情况，其中具有配备了不同天线装置的各种中继节点以及最终用户终端群。

本发明人已经认识到把多跳网络节点中的这类高级天线装置的存在不仅用于在衰落信道上提供高容量、而且用于为网络中的路由确定或路由选择确定链路成本的优点。因此，本发明的基本概念是根据节点之间的多信道特性来确定网络中一对节点之间的无线链路的链路成本，在其中，节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作，以便提供多个信道。

链路成本优选地根据发射天线的数量和接收天线的数量来确定，因而有效地提供多天线启用路由选择度量。这样，本发明将能够平滑地综合使用不同维数的多天线信道，处理各种多天线信道属性，以及支持各种多天线通信方案。其有益效果可能在每种情况有所不同，但是主要可归因于分集、空间复用或波束成形增益(后者又称作相干或方向性增益)。更具体来说，本发明允许并利用基于MIMO、MISO和/或SIMO信道的方案、可能与确定同一个多跳网络中的链路成本的传统SISO方案相结合所提供的增加的信道维数。

例如，链路成本可作为N×M维信道矩阵的函数来确定，其中，N和M分别是发射节点和接收节点上的天线的数量。与天线的数量对应的数量N和M有效地生成信道矩阵或向量。或者，可更直接地根据N和M的值来使用启发式量度。

优选地，链路成本也根据节点之间所使用的多天线通信方案的知识来确定。这例如可通过根据取决于诸如传统自适应波束成形(BF)或基于空间复用的MIMO之类的具体多天线通信方案的函数确定链路成本来实现。这样，链路度量不仅反映天线的数量，而且反映使用哪一种天线配置或方案，因而适应发射器侧和接收器侧的任意数量的天线以及适合不同的高级天线方案。如果在两个节点之间支持若干多天线通信方案，则可进行方案的选择，以便优化用于路由确定的性能度量。此外，对于不同的链路可采纳不同的方案，取决于信道特性和节点能力。

路由选择度量例如可能属于形式延迟(即速率相关的)、能量或功率维。例如，链路成本可作为平均链路速率的倒数来确定，其中，平均链路速率可根据对于给定发射功率的信道矩阵的期望值或者至少部分根据所使用发射天线和接收天线的数量以及发射功率来计算。在另一个实例中，链路成本作为对于每跳的固定链路速率的最小发射功率来确定，其中，最小发射功率根据信道矩阵或者至少部分根据所使用发射天线和接收天线的数量以及固定链路速率来确定。

根据这种新型的多天线启用链路成本，执行路由确定，以便选择良好或最佳路径，然后根据路由确定，把分组数据从给定节点转发到至给定目标节点的路径上的至少一个相邻节点。

实际上，路由确定根据至少部分无线的多跳网络中的多个无线链路和/或有线链路的链路成本信息来执行。基于本发明的多信道特性的新颖链路成本确定用于确定网络中的无线链路的至少一部分的链路成本。在具有无线和有线两种链路的混合多跳网络中，端到端的观点的路由选择成本通常考虑无线和有线两个部分的特性来确定。这意味着，有线链路的链路成本必须按照某种度量来确定，或者只是设置为某些恒定值或者零值，取决于应用。还应当理解，无线链路的一部分的链路成本可采用其它方法来确定，只要至少一个无线链路的链路成本根据本发明来确定。

本发明提供以下优点：

具有对发射器侧和接收器侧的任意数量的天线以及对不同高级天线方案的固有支持的链路成本度量。

多个天线方案与用于确定链路成本的传统SISO方案的平滑结合。

最佳路由选择。

网络中更高的吞吐量和减小的延迟、功率和/或能量消耗。

支持相关/不相关信道。

支持满秩/退化秩信道。

一般适用于任何路由选择协议。

通过阅读以下对本发明的实施例的描述，将会理解本发明提供的其它优点。

附图说明

通过参照以下结合附图进行的描述，将会最佳地理解本发明以及其它目的和优点，附图中：

图1A是示意图，说明路由确定期间生成的传统路由选择树的一个实例；

图1B是示意图，说明源节点与目标节点之间的分组转发；

图2是示意图，说明具有各种天线装置的节点的混合的完全无线的多跳网络的一个实例；

图3是示意图，说明具有各种天线装置的节点的混合的部分无线的多跳网络的一个实例；

图4是根据本发明的一个优选实施例、包括链路成本确定和路由确定的路由数据的方法的示意流程图；

图5是示意图，说明包括基站情况中的切换的路径选择的一个实例；

图6是根据本发明的一个优选实施例的网络节点的示意框图；以及

图7是示意图，说明具有分布于归一化圆形区域的节点的成本树的一个计算实例。

具体实施方式

在所有附图中，相同的参考标号将用于相应或相似的元件。

介绍

本发明一般适用于任何路由选择协议而与实现无关，其中包括分布式和集中式路由选择算法、逐跳路由选择以及源路由选择、链路状态路由选择以及距离向量路由选择(有时又称作基于贝尔曼-福特算法)、主动或反应路由选择、平坦或分级路由选择、单路径或多路径路由选择以及它们的变更和组合。

要获得关于特别是无线自组网络中的路由选择技术的更多信息，可参照[2]。

在源路由选择中，通常假定源端节点确定整个路由。中间节点则只是用作存储和转发单元，无意识地把分组转发到至目标节点的路径上的下一个节点。

在逐跳路由选择中，各节点基本上对于多个目的地的每个确定和维护具有优选的下一跳节点的信息的路由选择表。当节点接收到分组时，它根据关于分组的目的地的信息把分组转发到下一跳节点。转发过程从节点到节点继续进行，直至分组到达目的地。

网络节点通过传送各种路由选择信息消息来传递路由选择信息并维护其路由选择表。路由选择信息无疑根据所使用的具体路由选择方案而改变。

逐跳路由选择方案通常分为两个主要的类，即，链路状态和距离向量算法。链路状态算法一般使路由选择信息涌向所有节点(但是也存在仅涌入网络的一部分的解决方案)，但是，各节点则仅发送描述其自己链路的状态的信息。另一方面，距离向量算法基于仅在相邻节点之间交换路由选择成本信息。

确定和更新路由选择表的方式可能对于每个路由选择方案有所不同。但是，共同的目标通常是寻找在某种意义上是最佳的路径，如背景部分所述。

为了更好地理解本发明，提供一种常用类型的路由选择算法的一个实例的概述可能是有用的。但应该理解，本发明不限于此。

一种传统方式是生成源节点与目标节点之间所谓的最短路径多跳树，其中，各链路由增量成本表征，以及各节点被分配沿所确定最短路径到达目的地的累积成本。应当清楚，表达“最短路径”通常对应于最小成本路径，它强调该路径或路由是就某种具体成本度量而言提供最小成本的路径。

贝尔曼-福特最短路径算法将在下文中用作最短路径算法的一个实例，但是也可采用Dijkstra算法或者那个方面的其它任何路由选择算法。贝尔曼-福特算法在有线网络、如因特网中起中心作用，但是在无线多跳网络中也具有重要作用。在一般优选的实现中，贝尔曼-福特算法以分布式和“不协调”方式提供最短路径确定，并且基于相邻节点之间的路由选择成本信息的交换来保证有限时间周期内的收敛。

因此，对于贝尔曼-福特算法，对于给定目的地集合的各目的地d，节点v_i的成本C_i可通过分布式贝尔曼-福特等式来确定：

$C_i^{\left(d\right)}=\underset{\∀j\∈N_i}{\min }\{{\mathrm{\ΔC}}_{\mathrm{ij}}+C_j^{\left(d\right)}\}$

式中，v_j∈N_i是属于节点v_i的相邻节点的邻者索引，C_j是相邻节点v_j到达目的地d的成本，以及ΔC_ij是从节点v_i到v_j的成本(即，一跳的成本或者链路成本)。

迭代的次数可限于整数，由此设置跳数的上限、如两跳的最大值。

如上所述，贝尔曼-福特算法易于以分布方式实现。多跳网络中的源与目的地之间的多跳树根据网络中分布的路由选择成本信息来构建和定义。实际上，相邻节点交换路由选择列表。各路由选择列表包含多个条目，其中，各条目指定目标节点、从所述的节点到目的地的路由选择成本以及下一跳节点的指示。路由选择列表通常在分组中发送，有时表示为“Hello”分组。

接收路由选择列表的节点检查任何条目是否提供比节点自己的列表所表明的更优化的路由。时标或序列号通常一起包含在条目中，以便确保新的成本信息不是过时的状态信息。

为了减小分布方法的开销，通常的做法还限制路由选择成本信息在整个网络上传播。例如，可能允许最大数量的跳、只有某个区域内的节点、或者只有在一个基站(BS)控制下的节点。

基本概念

本发明人已经设想了一种多跳网络情况，在其中，节点配备了高级多天线装置，以及具体设想了一种情况，其中具有配备了不同天线装置的各种中继节点以及最终用户终端群。图2说明具有各种天线装置的节点的混合的完全无线的多跳网络的一个实例。节点可具有不同数量的天线以及天线之间不同的间距，并且可采用不同的多天线通信方案，例如传统的自适应波束成形和空间复用MIMO(多输入多输出)、MISO(多输入单输出)、SIMO(单输入多输出)以及无疑还有传统的SISO(单输入单输出)通信。图3说明一个对应的实例，但其中具有节点的一部分之间的有线链路，因而形成具有有线链路以及用于无线通信的各种高级天线装置的部分无线的多跳网络。毫无疑问，本发明还适用于多天线装置的更均质情况，例如自适应波束成形网络或MIMO网络。

在这个上下文中，本发明人已经认识到把多跳网络中的高级天线装置的存在不仅用于在衰落信道上提供高容量、而且用于为网络中的路由确定或路由选择确定链路成本的优点。因此，本发明的基本概念是根据节点之间的多信道特性来确定一对节点之间的无线链路的链路成本，在其中，节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作，以便提供多个信道。

高级天线解决方案、如自适应天线系统和MIMO(多输入多输出)系统可用于通过采用多个发射和/或接收天线来增强系统容量性能。例如，传统的MIMO系统通常基于具有多个(N)发射天线的传送节点和具有多个(M)接收天线的接收节点。在矩阵形式中，对应的多信道模型可表示为：

y＝Hx+w    (4)式中，y是接收信号向量，H是M乘以N复合信道矩阵，x是发射信号向量，w是M乘以1复合白噪声向量。模型对于链路是有效的，但是可扩展为包括可能的干扰源。然而，在第一近似中，在可能的干扰源的情况中，除了噪声之外，它们也可包含在向量w中。复合信道增益矩阵H可写作：

式中，h_ij是传送节点中的发射天线j与接收节点中的接收天线i之间的信道的复合表示。

因此，传送节点与接收节点之间的多信道特性例如可由共同定义信道矩阵的维(N，M)的发射天线的数量N和接收天线的数量M来表示。另一个选择是在用于路由确定的链路成本的确定中考虑实际复合信道增益矩阵H。对于这些实例，多信道特性基本上对应于信道矩阵特性，包括关于矩阵的维的信息和/或关于信道矩阵的内容的更详细信息，其中还包含信道矩阵的本征值表示。

为了提供多信道特性，N和M中的至少一个必须大于1，因而支持MIMO(多输入多输出)、MISO(多输入单输出)、SIMO(单输入多输出)。

术语“MIMO”通常以两种不同方式用来表示信道的矩阵属性和通信方法。但是，在这里，MIMO、MISO、SIMO和SISO通常表示信道本身，而不表示利用它的方式。给定MIMO、MISO或SIMO信道中的信道元件，则可考虑它的基本属性，例如元件是静态还是可变的。一般来说，我们因通信节点的移动性而往往关心可变信道。给定可变性，通常适合将它建模为随机变量。一个受关注方面是MIMO、MISO或SIMO信道的特性，即，信道元件是相关的、不相关的还是处于它们之间。对单链路进行操作的大量多天线方案是本领域众所周知的。对于接收器上的信道元件(以及可能的干扰)的完全或部分知识是否为已知或者它是否在发射器以及接收器上为已知或者只在接收器上为已知，它们往往有所不同。已经开发的多天线通信方法结合关于信道是否属于MIMO、MISO或SIMO类型的知识来考虑这种知识。

以下列表应当看作众所周知的高级天线通信方案的实例，因而不是详尽的。要获得关于各方案的详细资料，应当考虑相干和当前的高级天线研究文献，例如参见[11]。

信道类型	方案	优选信道元件特性	反馈的类型	适应的特性	注释
						MISO	Alamouti分集	衰落不相关	无	无	TX上的STC编码RX上的STC解码
延迟分集	衰落不相关	无	无	TX上的延迟分集编码
					具有反馈的自适应BF		衰落不相关	CSI	TX天线复合权重

	具有反馈的(半)传统自适应BF	衰落相关	信道相位向量	TX天线相位权重	信道相位向量为已知。相干波前的形成。
						传统自适应BF	无衰落相关	“方向”	TX天线相位权重	利用阵列签名知识。相干波前的形成。
	SIMO	最大比组合	衰落不相关	无	RX天线复合权重
抗干扰组合						衰落不相关	无	RX天线复合权重	使SINR为最大，即抑制干扰。
		MIMO	基于SVD的MIMO	衰落不相关	CSI					TX和RX天线复合权重	空间复用增益
基于迫零脏纸QR分解的MIMO	衰落不相关					CSI	TX和RX天线复合权重	空间复用增益。在TX上利用非线性编码。
			BLAST	衰落不相关	速率				RX天线复合权重	空间复用增益。在RX中采用连续干扰消除。
基于空间时间编码的MIMO	衰落不相关					无	无	分集增益(Alamouti分集是这种情况的特例)

注意，在某种程度上，可以说，在许多空间复用技术中，还具有一种形式的波束成形，但是具有多个波束并且通常根据H的瞬时实现迅速变化。这种类型的波束成形与传统类型的自适应波束成形的不同之处在于，阵列签名一般不是明确已知的，而是通常已知信道H。另外，在传统的自适应波束成形中，天线单元一般设置成彼此接近(小于相干距离)，使得信道元件完全相关。但是，还存在一种进化类型的传统自适应波束成形，其中，信道被假定完全相关(由于天线元件设置在相干距离之内)，并且使发射器与接收器之间的信道是发射器已知的。这种信道知识则用于使波束指向预期方向。如前面所述，根据方案和信道属性，可得到几种不同的增益。

流程示意图

图4说明根据本发明的一个优选实施例、包括路由选择成本信息的传播、路由确定、分组转发以及链路成本确定的路由数据的方法的示意流程图。如上所述，本发明依靠对于所考虑的多跳网络中的链路数量的每个、根据相应链路的多信道特性来确定链路成本。

例如根据明确信道矩阵估算(如可选步骤S1中所示)和/或(如可选步骤S2中所示)发射和接收天线的数量或者关于所涉及节点的天线系统处理能力的其它信息、如采用哪一种多天线通信方案，可确定这种多信道特性。步骤S1的信道矩阵估算可能是盲目的或者基于导频传输。

一旦确定了某种形式的多信道特性，则根据多信道特性按照预定链路成本函数来计算链路成本(步骤S3)。链路成本函数还可取决于将用于节点之间的多天线通信方案(传统的自适应BF、基于空间复用的MIMO、基于空间时间编码的MIMO等等)。如果支持若干多天线通信方案，则可进行方案的选择，以便优化用于路由确定的性能度量。

如果在所考虑的多跳网络中存在有线链路，则对应的链路成本可按照某种预定度量来确定或作为恒定值提供、或者甚至设置为零。

还能够采用其它方法来确定无线链路的一部分的链路成本，只要至少一个无线链路的链路成本根据本发明来确定。

所确定链路成本信息随后与附加路由选择成本信息(它可根据所使用的路由确定协议而改变)共同用于路由确定(步骤S4)，由此确定用于在网络中的不同网络节点之间路由信息的最佳的或者至少适当的路径。

在转发过程(步骤S5)中，分组经由沿路由确定期间所确定的路径的一组适当的中间节点从源转发到目的地。在这个转发过程中，可取的是采用具有发射参数、如天线权重的最新信道知识的所选多天线通信方案。

因此，本发明引入在执行多跳网络中的路由确定时考虑高级天线方案的方式。更具体来说，本发明因而允许增强利用并获益于多跳网络中的高级天线方案。这通过引入新的高级天线启用路由选择度量以及信令和操作机制来进行。

本发明提出一种链路度量，它反映天线的数量和/或采用哪一种天线阵列配置信道(MIMO、MISO、SIMO、SISO)。此外，根据信道特性，那些天线阵列配置信道可利用不同的效果来增强通信性能。那些效果可提供波束成形增益、分集增益和空间复用增益或者它们的组合。根据天线阵列配置信道和不同的信道特性，存在不同的方法。

链路成本确定的说明性实例

下面参照如何确定链路成本的说明性实例来描述本发明。

链路成本可能是发射和接收天线的数量N、M的函数：

ΔC_ij＝f(N，M)    (6)

链路成本或者可能至少是两个节点之间的M乘以N信道矩阵H(或者它们的表示)的函数，其中N和M是TX和RX天线的数量。链路成本则可简单地写作：

ΔC_ij＝f(H)    (7)

链路成本优选地还可采用附加参数；例如预计(SISO)信噪比(或者信号与噪声加干扰之比)ρ、预期固定链路速率。该度量可能属于形式延迟(即速率相关的)、能量或功率维。

度量实例

下面提供本发明的一些示范实施例。首先，为了路由选择度量将利用MIMO单链路容量关系(参见参考文献[3])，然后再考虑具有考虑信道矩阵H的形式和特性的公分母的其它形式的度量。这个示范实施例中的一个假设是，在所有节点中均支持空间复用MIMO。空间复用MIMO例如可基于所谓的奇异值分解(SVD)MIMO方法，即执行信道矩阵H的SVD。来自SVD操作的结果是，信道矩阵H可按照H＝U·S·V^H分解为三个矩阵，其中，U和V是酉矩阵，以及S是在其对角线上具有奇异值的对角矩阵。在基于SVD的MIMO中，发送方首先把向量x与V相乘，以及接收方把所接收信号y与U^H相乘。传送将通过具有由S中的奇异值所提供的增益的正交信道有效地进行。这种方法的有益效果在于，它处理任意的信道维和信道特性。

信道矩阵可按照诸如基于最小均方误差(MMSE)或最大似然计算之类的公认计算方法通过明确信道估算来确定。信道矩阵估算通常基于导频传输，但是，所谓的盲信道估算也是可行的。

采用给定(固定)功率P_i的速率：平均起来，从节点v_i到v_j的链路的速率主要根据在节点v_i与节点v_i之间定义的维(N，M)的信道矩阵H_ij的期望值、按照下式来确定：

${\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}=B\·E\left({\log }_2\left(\mathrm{Det}(I_i+\frac{P_i}{N\·{\mathrm{\σ}}_N^2}\·H_{\mathrm{ij}}\·H_{\mathrm{ij}}^H)\right)\right)$

式中，B是带宽(如果只有一个公共带宽(BW)用于整个系统，则可忽略)，E{...}是期望值，Det{...}是行列式，I_i是M×M维的单位矩阵，P_i是节点v_i的发射功率(它可能是固定的或者由另外某种机制来确定)，σ_N ²是噪声等级(在节点v_i)，以及H是埃尔米特算子。如前面所述，项σ_N ²可能还包含除接收器噪声之外的平均干扰。

链路成本则根据平均速率的倒数来定义，例如：

$\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{ij}}=1/{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}$

大体上，还可通过假定执行本征信道的功率限制注水，以便使信道容量为最大，来计算上述度量。但是，在高SNR，本征信道上相等的功率分布的差异是可忽略的。

往往还发现，瞬时信道容量是适当好的度量，即，当H_ij的维相当大时，不需要确定期望值。

通过采用这种(新的)量度，可管理具有不同天线配置、即任意数量的天线和具有来自天线的相关/不相关信道的任意情况的节点(例如，固有地支持基于空间复用的MIMO、具有不相关信道和BF的MISO/SIMO以及传统的自适应BF)。

如果信道统计数据为已知，则可采用确定度量的简化。例如，如果MIMO信道(已知是)不相关，则启发式量度可能是： ${\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}\left(\mathrm{MIMO}\right)=B\·\min (N,M)\·{\log }_2(1+\frac{P_i}{{\mathrm{\σ}}_N^2}\·\frac{\max (N,M)}{N})---\left(10\right)$

式中，N和M分别是所使用的发送和接收天线的数量。还可设想更准确的启发式度量，例如包括实际信道秩(而不是在这里采用max(N，M)自变量所假定的上限)的确定。

对于传统的自适应波束成形(在非EIRP(有效各向同性辐射功率)有限范围中进行操作)，对应的量度可定义为：

${\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}\left(\mathrm{BF}\right)B\·{\log }_2(1+\frac{P_i}{{\mathrm{\σ}}_N^2}\·N\·M)$

天线单元的数量可在常规“Hello”消息中(与路由选择成本消息一起)通告。

采取给定(固定)速率R_i的功率：另一种成本度量可能是每跳的固定(或预期)速率的最小功率路由。在(8)中看到，如何求出功率并不简单。但是，这可通过按照下式求出作为链路成本的功率来表示：

$P_{\mathrm{ij}}^{\left(\min \right)}=\underset{{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}={\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\left(T\arg \mathrm{et}\right)}}{\min }\left\{P_i\right\}---\left(12\right)$

式中，(8)中的速率等于给定速率目标

以及对(8)求解功率P_i。(12)中的所选度量则与最短路径路由选择算法一起使用。链路成本则定义为每跳的功率：

$\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{ij}}=P_{\mathrm{ij}}^{\left(\min \right)}$

在(10)中所使用的简化假设下，功率可被明确求解并通过下式确定：

$P_i=(2^{\frac{{\stackrel{\‾}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\left(T\arg \mathrm{et}\right)}\left(\mathrm{MIMO}\right)}{B\·\min (N,M)}}-1)\·\frac{{\mathrm{\σ}}_N^{2}N}{\max (N,M)}$

此外，本发明提供处理不同秩的信道的解决方案。根据发生的反射的类型，信道矩阵或信道向量的特性可能不同。例如，矩阵信道H可能采用奇异值分解(SVD)正交化。如果SVD仅产生一个有效奇异值(以及其它的基本上为零)，则信道被认为是退化的，因为H中的行基本上相同。信道矩阵则具有等于一的秩。这种信道适合用于传统的自适应波束成形，因为只有一个波束可被发送和接收。阵列中的天线通常相当接近地设置，并且基本上存在一个信号路径。但是，如果产生多个有效奇异值，则信道不会退化，并且可用来发送多个并行的实质上无干扰的数据流(信道往往由MIMO子信道或本征信道表示)。当这种情况发生时，通常遇到所谓的散射环境，或者多个信号路径将存在于发送方与接收方阵列之间。特别是当与本征信道的注水一起使用行列式关系时，本发明能够处理退化和非退化信道，即在它是最佳时采取单波束，以及在它是最佳时采取具有多个波束的空间复用MIMO。此外，根据反射条件，信道矩阵的统计数据可能不同。如果对于H确定协方差矩阵，即R_HH＝E{H·H^H}，并且协方差矩阵是对角或者只是单位矩阵，则信道是不相关的。但是，如果协方差矩阵不是单位矩阵，则可讨论相关信道。特别是当采用行列式关系时，本发明能够处理相关以及不相关信道。更准确地说，如果信道是完全相关的，则信道的秩为一，并且仅可利用一个波束。

虽然以上实施例能够在完全信道状态信息(CSI)是可得到的、即H在发送方以及接收方为已知的假设下选择最佳通信方案，但是，实际上，可能在发射器上仅具有有限信息，例如协方差矩阵R_HH、平均路径增益或者根本没有信息。在这种情况中，可能必须改用其它次优化通信方案。例如，如果采用实现空时码的分集，则度量的详细情况改变、例如平均(倒数)速率/吞吐量或者平均功率，以便取得某种通信质量(例如正确接收的预定平均概率等级)。

其它成本相关方面

与以上的最小功率路由选择相似，也可执行最小能量路由选择。则考虑每跳的能量度量，它在说明信道的矩阵或向量特性时最小化。

除了链路相关成本之外，不排除开发更多高级成本度量，在其中，各节点可根据例如排队延迟(对于倒数速率度量特别有效)和具有某种重要性的其它参数来添加成本因素。参数还可能是节点(或区域)相关的，以便处理不对称性。

蜂窝系统中的操作

虽然本发明特别适合于自组网络，但是本发明也适用于例如蜂窝系统中的多跳。操作蜂窝系统中的多跳网络具有与自组网络中的传统路由选择不同的特性。首先要注意，业务通常流入和流出接入点。其次要注意，接入点可能具有更大功率用于传送。这种不对称性本身反映成本应当考虑那些方面。采用如(8)中的链路成本度量中的节点相关功率设定确保某种程度上的不对称性的处理。

图5说明包括蜂窝通信系统的基站情况中的切换的路径选择的一个实例。图5所示的简化示范系统包括能够与两个基站(BS)进行通信的移动台(MS)。基站连接到移动性锚点、如无线电网络控制器(RNC)或类似的网络节点。假定所涉及节点中的至少一个具有用于无线多信道通信的多天线装置。各MS-BS链路的成本根据移动台与相应基站之间的多信道特性来确定。优选地，基站与移动性锚节点之间的通常的有线链路的链路成本根据链路速率或者通过指定固定的恒定链路成本C来确定。在图5的实例中，从移动台到移动性锚点的路径选择转换为两个多跳路径MS-BS1-RNC与MS-BS2-RNC之间的选择。通常，选择具有最小累积成本的路径。在某种意义上，这种蜂窝网络中的路径选择因而可涉及基站之间的切换程序。换言之，切换基于移动台与相应基站之间的多信道特性，从而如上所述指定各MS-BS链路的相应成本，并且根据沿相应路径所确定的累积链路成本来选择适当的基站用于移动通信。另外，还可考虑其它传统的切换标准，例如基站上的负荷/残余空闲资源、功率资源等。此外，还可包括避免所谓的乒乓效应、即迅速且过于敏感的来回交换的滞后机制。滞后机制和其它标准无疑也可用于更一般的多跳情况中。

因此，表达“路由选择”应当在包括其中至少一个是无线跳的至少两跳的一般“多跳网络”的上下文中以一般意义来理解。

实现方面

下面描述用于确定支持不同的高级天线方案的多跳网络中的路由选择成本的可能的信令和操作机制的一个说明性实例。以下实例针对分布式操作和主动路由选择1。

网络中的各节点通常以固定间隔通告节点的能力。这对于自组网是典型的，并且可包括在通常所说的“信标”或“Hello”消息中。根据本发明可传送的信息包括：

-高级天线信号处理能力。例如，关于节点是否是空间复用MIMO、空时码、或接收分集启用的信息。

-公告路由选择成本信息。

-如果链路成本确定基于信道矩阵估算，则可有利地发送允许矩阵或向量信道的表征的多个导频。这不必与发送“信标”消息同时发生。

-作为替代或补充，可传送关于天线的数量的信息。

-可能还可传送阵列的其它特性。例如，关于天线单元是紧密间隔还是宽松间隔(实质上比如它们是要用于基于空间复用的MIMO还是用于传统的自适应波束成形)的指示，或者甚至关于多个极化与圆或线极化是否同样使用的指示。

可选地，在“信标”/“Hello”消息发送站上表征的干扰也可发送给其它节点。

节点接收来自“信标”/“Hello”消息的信息：

-如果信道矩阵估算被启用，则节点在它的一个或多个天线支路上接收一个或多个导频。节点则执行信道估算，以便确定矩阵或向量信道(甚至在SISO信道出现时确定SISO信道)。

-节点计算链路度量，并根据信道矩阵估算和/或关于天线的数量的信息以及可能还根据天线阵列的其它特性、如支持的天线阵列通信方案来确定路由选择成本。

-在“信标”/“Hello”消息发送站上表征的干扰可能也可在链路成本确定时利用。

-节点执行路由确定。

-节点在分组可得到时按照所确定路由执行分组转发，以及采用从路由确定过程、从一个或多个最近的链路表征或者它们的组合中所确定的传送参数、如功率和发射天线权重。

图6是根据本发明的一个优选实施例的网络节点的示意框图。网络节点100主要包括传送/接收(TX/RX)模块10、路由选择信息模块20、链路成本确定模块30、信道估算模块40、路由确定模块50以及分组转发模块60。传送/接收模块10可配置用于多天线操作，其中的天线矩阵指定MIMO/MISO/SIMO、空间时间编码方案或者其它高级天线方案的预期天线权重。传送/接收模块10通常还具有调制/解调和编码/解码的能力以及必要时具有频率转换能力。从其它节点接收的关于路由选择成本和天线功能的信息从TX/RX模块10传递给路由选择信息模块20，路由选择信息模块20保存多跳成本信息和天线能力信息，例如天线的数量以及可选的还有采用哪一种天线通信方案。链路成本确定模块30优选地配置成确定作为两个节点之间的链路的多信道特性的函数的链路成本。这些多信道特性可由所考虑的网络节点100的天线的数量以及对等节点的天线的数量来表示，或者由信道矩阵的估算来表示。信道估算模块40可用于根据导频信号或者在所谓的“盲”信道估算中根据“普通数据”的信道估算，并且能够处理矩阵、向量和标量信道估算，从而适应MIMO、MISO、SIMO、甚至SISO信道。关于所估算信道矩阵的信息被传递给链路成本确定模块，用于确定链路成本。路由确定模块50接收关于所确定链路成本的信息以及补充多跳成本信息(取决于所使用的路由选择算法)，并执行所需路由确定程序。分组转发模块60负责在网络中进一步转发分组，因而把暂时存储在接收缓冲器中的所接收分组数据传递到传送缓冲器，用于调度和封装成新的分组，以便传送给其它网络节点。分组转发模块60还可指示TX/RX模块10关于将使用哪些传送参数。那些参数可能从路由确定模块50或者从信道估算模块40接收(信道估算值用来寻找适当的传送参数)，以便获得更多最新的信道特性信息。待发送的分组(已经具有目标地址)采用至少(下一跳)地址信息按照路由选择表中存储的路由选择信息来预备。分组转发模块60无疑还可把接收缓冲器中的分组数据进一步传送到网络节点，例如用于各种节点内部的应用。

在通常仅存在一个下一跳选择的意义上，基于例如贝尔曼-福特算法的传统分组转发是不重要的。但是，诸如Cisco的IGRP[4]、随机转发路由选择[5]、机会路由选择[6，7]、选择分集转发[8]和任意播[9]以及最近的多用户分集转发[10]之类的其它转发协议使节点能够把所接收分组发送给若干可选节点中的一个节点。因此，转发过程包括要在一组有利节点之间进行重要选择。这些方案有时称为基于转发-判定的路由选择FDBR，并且以它最适应的形式进行路由选择，即，在各转发情况中采取自适应判定。这些更高级的转发协议可根据来自基础路由/成本确定协议的成本信息、如类似贝尔曼-福特的最短路径协议等进行操作。如[6]-[10]中所述，当链路通信质量因衰落信道或者不可预见变化的干扰等级而不可预见地改变时，这种转发操作是有利的，而[4]和[5]则提供在多个节点和路径上分布负荷的一些优点。

具体来说，分集转发协议甚至可基于更加针对分集转发定制的路由确定协议来工作。根据本发明的链路成本确定还能够以极大的优点用于这类定制路由确定协议中。

计算实例

图7是示意图，说明具有分布于归一化圆形区域的节点的成本树的一个计算实例。在这个具体实例中，给定目的地在圆圈的中部表示，以及成本树从目标节点构建。这对应于主动路由选择的情况。但应当理解，对于所谓的反应路由选择，以相反方向来构建成本树是可行的，即从源出发-搜索预期目的地。在成本树的计算中，链路成本已经根据平均速率的倒数来确定，其中考虑了多信道特性。成本树根据最短路径算法来确定。节点具有范围在1与10(随机)之间的不同数量的天线，为了简洁起见，所有节点采用给定发射功率(对于顶节点表明发射范围)进行操作。图7的简图表明，本发明提出的模型有效地工作，并且能够处理不同数量的天线以及可变类型的天线的复合混合，具体来说，图7中假定的信道元件、SIMO、MISO或MIMO信道的部分在相关与不相关实现中随机选择。

结论

简言之，优于先有技术的优点在于，本发明提供无线多跳网络中的路由确定，其中固有地支持各中继站(SISO、SIMO、MISO或MIMO)上的任意数量的天线、在相关/不相关方面的信道的不同属性、不同的多天线方案、不同操作模式之间的自动适配以及与SISO的完全后向兼容性。

上述实施例只作为实例给出，并且应该理解，本发明不限于此。保留了本文所公开并要求其权益的根本的基本原理的其它修改、变更和改进均处于本发明的范围之内。

             参考文献

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[2]X.Zou、B.Ramamurthy、S.Magliveras的“用于无线自组网分类和比较的路由选择技术”，Proc.ofthe Sixth World Multiconference onSystemics，Cybernetics，and Informatics-SCI，2002年7月。

[3]P.F.Driessen、G.J.Foschini的“关于多输入多输出无线信道的容量公式：几何解释”，IEEE Trans.Commun.，vol.47，第173-176页，1999年2月。

[4]  C.L.Hedrick Rutgers的“Cisco-IGPR的介绍”，1991年8月22日，http://www. cisco.com/warp/public/103/5.html。

[5]R.Nelson、LKleinrock的“具有捕捉的分槽ALOHA多跳分组无线电网络的空间容量”，IEEE Transactions on Communications，32，6，第684-694页，1984年。

[6]WO 96/19887。

[7]WO 98/56140。

[8]US 2002/0051425 A1。

[9]S.Jain、Y Lv、S.R.Das的“利用无线自组网的链路层中的路径分集”，Technical Report，WINGS Lab，2003年7月。

[10]US 2004/0233918 A1。

[11]I.Berenguer和X.Wang的“用于MIMO通信的空间时间编码和信号处理-入门”，Journal of Computer Science and Technology，18(6)，第689-702页，2003年11月。

Claims (36)

1.一种为至少部分无线多跳网络中的路由选择确定链路成本的方法，所述方法包括根据一对网络节点之间的多信道特性为所述节点之间的无线链路确定链路成本的步骤，所述节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作以提供多个信道。

2.一种用于至少部分无线多跳网络中的基于链路成本的路由确定的方法，所述方法包括以下步骤：

-根据一对网络节点之间的多信道特性为所述节点之间的无线链路确定链路成本，所述节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作以提供多个信道；以及

-至少部分根据所述所确定链路成本来执行路由确定。

3.一种用于至少部分无线多跳网络中数据的基于链路成本的路由选择的方法，所述方法包括以下步骤：

-根据一对网络节点之间的多信道特性为所述节点之间的无线链路确定链路成本，所述节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作以提供多个信道；

-至少部分根据所述所确定链路成本来执行路由确定；以及

-按照所述路由确定，在到给定目标节点的路径上把数据从给定节点转发到至少一个相邻节点。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，链路成本分别根据发射天线和接收天线的数量N和M来确定，其中，N和M中的至少一个大于1。

5.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，链路成本作为N×M维信道矩阵的函数来确定，其中，N和M中的至少一个大于1。

6.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，链路成本还根据所述节点之间使用的多天线通信方案的知识来确定。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，链路成本按照取决于所述多天线通信方案的函数来确定。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括从两个网络节点都支持的那些方案中选择多天线通信方案、以便优化链路成本的步骤。

9.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，链路成本作为平均链路速率的倒数来确定。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，平均链路速率根据对于给定发射功率的信道矩阵的期望值来确定。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，平均链路速率至少部分根据所使用的发射天线和接收天线的数量以及发射功率来确定。

12.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，链路成本作为对于每跳的固定链路速率的最小发射功率来确定。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，最小发射功率根据信道矩阵来确定。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，最小发射功率至少部分根据所使用的发射天线和接收天线的数量以及所述固定链路速率来确定。

15.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述网络是完全无线的多跳网络。

16.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述网络是自组多跳网络。

17.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述一对网络节点包括移动台和基站，以及蜂窝网络中的基站之间的切换是路由选择过程的组成部分。

18.一种用于为至少部分无线多跳网络中的路由选择确定链路成本的装置，所述装置包括用于根据一对网络节点之间的多信道特性为所述节点之间的无线链路确定链路成本的部件，所述节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作以提供多个信道。

19.一种用于至少部分无线多跳网络中的基于链路成本的路由确定的装置，所述装置包括：

-用于根据一对网络节点之间的多信道特性为所述节点之间的无线链路确定链路成本的部件，所述节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作以提供多个信道；以及

-用于至少部分根据所述所确定链路成本来执行路由确定的部件。

20.一种用于至少部分无线多跳网络中数据的基于链路成本的路由选择的装置，所述装置包括：

-用于根据一对网络节点之间的多信道特性为所述节点之间的无线链路确定链路成本的部件，所述节点中的至少一个配置用于与多个天线配合工作以提供多个信道；

-用于至少部分根据所述所确定链路成本来执行路由确定的部件；以及

-用于按照所述路由确定、在到给定目标节点的路径上把数据从给定节点转发到至少一个相邻节点的部件。

21.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述确定部件可用于根据发射天线的数量N和接收天线的数量M来确定链路成本，其中，N和M中的至少一个大于1。

22.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述确定部件可用于作为N×M维信道矩阵的函数来确定链路成本，其中，N和M中的至少一个大于1。

23.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述确定部件可用于还根据所述节点之间所使用的多天线通信方案的知识来确定链路成本。

24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述确定部件可用于按照取决于所述多天线通信方案的函数来确定链路成本。

25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，还包括用于从两个网络节点都支持的那些方案中选择多天线通信方案、以便优化链路成本的部件。

26.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述确定部件可用于作为平均链路速率的倒数来确定链路成本。

27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述确定部件包括用于根据对于给定发射功率的信道矩阵的期望值来确定平均链路速率的部件。

28.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述确定部件包括用于至少部分根据所使用的发射天线和接收天线的数量以及发射功率来确定平均链路速率的部件。

29.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述确定部件可用于作为对于每跳的固定链路速率的最小发射功率来确定链路成本。

30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述确定部件可用于根据信道矩阵来确定最小发射功率。

31.如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述确定部件可用于至少部分根据所使用的发射天线和接收天线的数量以及固定链路速率来确定最小发射功率。

32.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述网络是完全无线的多跳网络。

33.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述网络是自组多跳网络。

34.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述一对网络节点包括移动台和基站，以及蜂窝网络中的基站之间的切换是路由选择过程的组成部分。

35.如权利要求18、19或20所述的装置，其特征在于，所述装置在所述多跳网络中的至少一个网络节点中实现。

36.如权利要求19或20所述的装置，其特征在于，用于执行路由确定的所述部件可用于还根据多跳网络中的至少一个另外的无线或有线链路的链路成本来执行路由确定。

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