CN104967472A - 全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于信道统计特性的全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法，包括如下步骤：建立双向全双工中继通信系统；终端节点向中继节点发送状态信息，所述状态信息包括发射功率信息、自干扰信息；中继节点接收到终端节点的状态信息后，选择最优功率分配方案发送信号；根据最优功率优化方案选择中继节点的部署位置。本发明中根据中继节点的部署机制，中继节点的功率分配机制有效降低了系统的中断概率，解决了全双工系统当中，中断概率过高的问题，提升了系统的稳定度，从而提升了终端节点的服务质量。

Description

全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法

技术领域

本发明涉及中继通信，具体地，涉及基于信道统计特性的全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法。

背景技术

中继通信属于协作通信的范畴，是指在两个终端节点由于强衰落，强阴影作用或者远距离的情况下无法直接进行通信时，采用一个中继节点辅助通信的一种通信方式。具体为：用户A首先将信息发送给中继节点，中继节点采用某种转发协议完成信息的处理之后，再转发给用户B。中继通信可以带来一系列的好处，除了上面所说的扩大通信的覆盖范围，还可提供分集增益，提高系统稳定度，降低系统中断概率等等优点。中继节点采用的转发协议一般包括解码转发，放大转发，压缩转发，降噪转发等等转发协议。本专利中采用的是解码转发(DF)，即中继节点接收到了用户A发射的信号之后，译码获得准确信息，然后再将信息编码封装之后转发给B节点。传统的中继通信系统普遍都是工作在单向半双工状态，即收发必须分不同时段或频段，然而这种半双工状态却导致了频谱效率的低下，在频谱资源日益紧缺的情况下，这个问题日益凸显。几种解决方案被提了出来，包括双向中继和全双工中继节点通信。双向中继通信，即中继节点同时接收来自A，B节点的信号，处理之后再同时转发给A，B节点。这种方案在A，B节点需要进行信息交互时，显得极为有效。全双工中继节点，即中继节点在接收A的信息的同时转发上一个时隙接收到的信息给B节点，这种方案特别适合单向通信的系统。然而，在现在的通信系统当中信息的交互是必不可少的，双向中继虽然能够提高频谱效率，但是由于采用半双工频谱效率低下的本性，频谱利用率仍然有待提高。全双工模式虽然可以显著提高系统的频谱利用率，但是由于全双工是同时同频工作的，一个不可避免的问题就是自干扰的影响，即从本节点发射端到本节点接收端的强干扰问题。随着国内外的学者对全双工系统中的自干扰消除技术的研究，从数字域，模拟域，或从天线选择角度，信号处理角度等等，多种技术已经能够显著降低自干扰，从而使全双工能够被应用到蜂窝网络，中继网络，无线认知网络等等。

因此本专利将全双工模式应用到双向中继系统当中，中继节点和终端节点均工作与全双工状态，大幅度提高了频谱利用率，显著缓解了频谱资源压力。

双向全双工中继系统当中，中继节点和用户节点均工作在全双工状态，虽然增加自身功率能够提高接收端的信号强度，但是全双工模式下，虽然自干扰可以被有效消除，但是残留自干扰会大大降低接收端的信噪比，影响该设备同时接收到的对端信号的信噪比，降低系统速率，拉升系统的中断概率，严重影响系统的稳定度，如何能够降低系统的中断概率是当务之急。因此需要考虑合适的功率控制，即保证发送信号到达接收端时有足够的信号质量，又要避免过大的发射功率导致自身接收信号质量过大地被干扰。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法。

为了解决这些问题，可以通过功率控制和中继站的部署，本发明提出了基于信道统计特征的，最优化功率控制与最优化中继节点的部署机制，来最大程度的降低系统的中断概率，改善系统的稳定度，又不需要随时获得信道的瞬时信息，避免了获得信道损失信息所需要的额外过多的系统开销，也避免了信道瞬时信息变化太快导致的难以很好地跟踪信道变化的问题。

根据本发明提供的全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法，包括如下步骤：

步骤1：建立双向全双工中继通信系统；

步骤2：终端节点向中继节点发送状态信息，所述状态信息包括发射功率信息、自干扰信息；

步骤3：中继节点接收到终端节点的状态信息后，选择最优功率分配方案发送信号；

步骤4：根据最优功率优化方案选择中继节点的部署位置。

优选地，所述步骤1包括：工作在全双工模式的终端节点A和终端节点B，以及工作在全双工模式的双向中继节点R；所述双向中继节点R位于终端节点A和终端节点B之间，且使得双向中继节点R的发射总功率保持不变。

优选地，所述步骤2包括：双向中继节点R接收来自终端节点A和终端节点B的发射功率、自干扰信息。

优选地，所述步骤3包括：

步骤3.1：假设终端节点A、终端节点B与双向中继节点R之间的信道为瑞利信道，且高斯白噪声单边带功率谱密度为N的条件下，所述双向中继节点R收集所有信道内的统计参数；

步骤3.2：双向中继节点R根据收集的统计参数求解中间参数值X₁和X₂的大小，其中：

$X_1=\frac{P_1{R}_2{t}_1}{P_3{R}_1{t}_3},$

$X_2=1-\frac{P_2{R}_1{t}_2}{P_3{R}_2{t}_3},$

且 $R_1=2^{r_1}-1,$

$R_2=2^{r_2}-1,$

t₁＝k₁P₁+N₀，

t₂＝k₂P₂+N₀，

t₃＝k₃P₃+N₀；

式中：P₁表示终端节点A的发射功率，P₂表示终端节点B的发射功率，P₃表示双向中继节点R的发射总功率，r₁表示信道前向链路A->R->B的最小传输速率，r₂表示信道后向链路为B->R->A的最小传输速率，k₁表示节点A的自干扰消除能力大小，N₀表示噪声方差，其中k₂表示节点B的自干扰消除能力大小，k₃表示节点R的自干扰消除能力大小；

步骤3.3：双向中继节点R根据中间参数X₁和X₂的大小关系，选择选择最优功率分配方案；若X₁≥X₂，则基站最优功率分配参数ρ为分配区间(X₂，X₁)内的任意值；若X₁<X₂，则进入步骤3.4；否则进入步骤3.5；

步骤3.4：求解基站最优功率分配参数ρ的取值范围，计算方程如下：

P₃R₃t₃ρ²+(P₂R₁t₂-P₃R₃t₃-P₁R₂t₁)ρ+P₁R₂t₁＝0，

且 $R_3=2^{r_1+r_2}-1;$

当所述方程无解时，则：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2}}{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2}+\sqrt{R_1{t}_2{\mathrm{\&Omega;}}_1}},$

式中：Ω₁表示终端节点A与双向中继节点R之间的信道方差，Ω₂表示终端节点B与双向中继节点R之间的信道方差；

当所述方程有解时，且解为ρ₁和ρ₂，假设ρ₁<ρ₂；当ρ₁<X₁、ρ₂>X₂时，或者ρ₁>X₁、ρ₂<X₂时，则：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_1{\mathrm{\&Omega;}}_1}}}}{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_1{\mathrm{\&Omega;}}_1}}}+\sqrt{R_1{t}_2{\mathrm{\&Omega;}}_1{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_2{\mathrm{\&Omega;}}_2}}}};$

步骤3.5：双向中继节点R按照最优功率分配转发信号，即发送至终端节点A的信号功率为ρ*P₃，发送至终端节点B的信号功率为(1-ρ)*P₃。

优选地，所述步骤4包括：根据基站功率分配参数ρ的取值选择双向中继节点R的部署位置；假设已知：ρ∈(min{X₁,X₂},max{X₁,X₂})，

若X₁>X₂，则双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例为：

$d=\frac{\sqrt[3]{P_1{R}_2}}{\sqrt[3]{P_1{R}_2}+\sqrt[3]{P_2{R}_1}};$

若X₁<X₂，则要根据方程：P₃R₃t₃ρ²+(P₂R₁t₂-P₃R₃t₃-P₁R₂t₁)ρ+P₁R₂t₁＝0是否有解分成两种情况；

当方程无解时，双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例为：

$d=\frac{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}}{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}+\sqrt[3]{R_2{t}_1(1-\mathrm{\&rho;})}};$

当方程有解时，且解为ρ₁和ρ₂，假设ρ₁<ρ₂；当ρ₁<X₁、ρ₂>X₂时，或者ρ₁>X₁、ρ₂<X₂时，双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例为：

$d=\frac{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}}{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}+\sqrt[3]{R_2{t}_1(1-\mathrm{\&rho;})}}.$

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明建立了全双工中继系统中明确的中继节点部署机制和中继节点转发功率分配机制，提高通信效率。

2、本发明根据中继节点的部署机制和中继节点的功率分配机制有效降低了系统的中断概率，解决了全双工系统当中，中断概率过高的问题，提升了系统的稳定度，从而提升了终端节点的服务质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的双向全双工中继通信系统模型示意图；

图2为本发明提供的双向全双工中继通信系统通信链路与自干扰模型示意图；

图3为本发明提供的最优功率分配流程框图；

图4为本发明提供的最佳中继节点部署流程框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于信道统计特性的全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法，包括如下步骤：

步骤1：建立双向全双工中继通信系统；

步骤2：终端节点向中继节点发送状态信息，所述状态信息包括发射功率信息、自干扰信息；

步骤3：中继节点接收到终端节点的状态信息后，选择最优功率分配方案发送信号；

步骤4：根据最优功率优化方案选择中继节点的部署位置。

优选地，所述步骤1包括：工作在全双工模式的终端节点A和终端节点B，以及工作在全双工模式的双向中继节点R；所述双向中继节点R位于终端节点A和终端节点B之间，且使得双向中继节点R的发射总功率保持不变。

具体地，如图1所示：中继节点R和终端节点A、终端节点B均工作在全双工的模式，即同时同频收发。为了保证用户的服务质量QoS，必须对中继节点转发不同终端节点的信号的发射功率分配进行优化，以及对中继节点的部署位置进行优化，从而最小化中断概率，提升系统性能，保证用户的接入成功率和可靠性。

优选地，所述步骤2包括：双向中继节点R接收来自终端节点A和终端节点B的发射功率、自干扰信息。

具体地，如图3所示，图中给出了最优功率分配流程，具体步骤如下：

优选地，所述步骤3包括：

步骤3.1：假设终端节点A、终端节点B与双向中继节点R之间的信道为瑞利信道，且高斯白噪声单边带功率谱密度为N的条件下，所述双向中继节点R收集所有信道内的统计参数；

具体地，如图2所示，中继节点R可以获得全局状态信息，包括传输功率P，自干扰消除能力K，以及中继节点到两端用户的信道h的统计信息等，根据这些信息，中继节点就可以实现最优的功率分配，达到系统的最佳性能。

步骤3.2：双向中继节点R根据收集的统计参数求解中间参数值X₁和X₂的大小，其中：

$X_1=\frac{P_1{R}_2{t}_1}{P_3{R}_1{t}_3},$

$X_2=1-\frac{P_2{R}_1{t}_2}{P_3{R}_2{t}_3},$

且 $R_1=2^{r_1}-1,$

$R_2=2^{r_2}-1,$

t₁＝k₁P₁+N₀，

t₂＝k₂P₂+N₀，

t₃＝k₃P₃+N₀；

式中：P₁表示终端节点A的发射功率，P₂表示终端节点B的发射功率，P₃表示双向中继节点R的发射总功率，r₁表示信道前向链路A->R->B的最小传输速率，r₂表示信道后向链路为B->R->A的最小传输速率，k₁表示节点A的自干扰消除能力大小，N₀表示噪声方差，其中k₂表示节点B的自干扰消除能力大小，k₃表示节点R的自干扰消除能力大小；

步骤3.3：双向中继节点R根据中间参数X₁和X₂的大小关系，选择选择最优功率分配方案；若X₁≥X₂，则基站最优功率分配参数ρ为分配区间(X₂，X₁)内的任意值；若X₁<X₂，则进入步骤3.4；否则进入步骤3.5；

步骤3.4：求解基站最优功率分配参数ρ的取值范围，计算方程如下：

P₃R₃t₃ρ²+(P₂R₁t₂-P₃R₃t₃-P₁R₂t₁)ρ+P₁R₂t₁＝0，

且 $R_3=2^{r_1+r_2}-1;$

当所述方程无解时，则：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2}}{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2}+\sqrt{R_1{t}_2{\mathrm{\&Omega;}}_1}},$

式中：Ω₁表示终端节点A与双向中继节点R之间的信道方差，Ω₂表示终端节点B与双向中继节点R之间的信道方差；

当所述方程有解时，且解为ρ₁和ρ₂，假设ρ₁<ρ₂；当ρ₁<X₁、ρ₂>X₂时，或者ρ₁>X₁、ρ₂<X₂时，则：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_1{\mathrm{\&Omega;}}_1}}}}{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_1{\mathrm{\&Omega;}}_1}}}+\sqrt{R_1{t}_2{\mathrm{\&Omega;}}_1{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_2{\mathrm{\&Omega;}}_2}}}};$

步骤3.5：双向中继节点R按照最优功率分配转发信号，即发送至终端节点A的信号功率为ρ*P₃，发送至终端节点B的信号功率为(1-ρ)*P₃。

具体地，如图4所示，图中给出了最佳中继节点部署流程，具体步骤如下：

优选地，所述步骤4包括：根据基站功率分配参数ρ的取值选择双向中继节点R的部署位置；假设已知：ρ∈(min{X₁,X₂},max{X₁,X₂})，

若X₁>X₂，则双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例为：

$d=\frac{\sqrt[3]{P_1{R}_2}}{\sqrt[3]{P_1{R}_2}+\sqrt[3]{P_2{R}_1}};$

若X₁<X₂，则要根据方程：P₃R₃t₃ρ²+(P₂R₁t₂-P₃R₃t₃-P₁R₂t₁)ρ+P₁R₂t₁＝0是否有解分成两种情况；

当方程无解时，双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例为：

$d=\frac{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}}{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}+\sqrt[3]{R_2{t}_1(1-\mathrm{\&rho;})}};$

当方程有解时，且解为ρ₁和ρ₂，假设ρ₁<ρ₂；当ρ₁<X₁、ρ₂>X₂时，或者ρ₁>X₁、ρ₂<X₂时，双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例为：

$d=\frac{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}}{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}+\sqrt[3]{R_2{t}_1(1-\mathrm{\&rho;})}}.$

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立双向全双工中继通信系统；

步骤2：终端节点向中继节点发送状态信息，所述状态信息包括发射功率信息、自干扰信息；

步骤3：中继节点接收到终端节点的状态信息后，选择最优功率分配方案发送信号；

步骤4：根据最优功率优化方案选择中继节点的部署位置。

2.根据权利要求1所述的全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法，其特征在于，所述步骤1包括：建立工作在全双工模式的终端节点A和终端节点B，以及工作在全双工模式的双向中继节点R；所述双向中继节点R位于终端节点A和终端节点B之间，且使得双向中继节点R的发射总功率保持不变。

3.根据权利要求2所述的全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法，其特征在于，所述步骤2包括：双向中继节点R接收来自终端节点A和终端节点B的发射功率信息、自干扰信息。

4.根据权利要求3所述的全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1：假设终端节点A、终端节点B与双向中继节点R之间的信道为瑞利信道，且高斯白噪声单边带功率谱密度为N的条件下，所述双向中继节点R收集所有信道内的统计参数；

步骤3.2：双向中继节点R根据收集的统计参数求解中间参数值X₁和X₂的大小，其中：

$X_1=\frac{P_1{R}_2{t}_1}{P_3{R}_1{t}_3},$

$X_2=1-\frac{P_2{R}_1{t}_2}{P_3{R}_2{t}_3},$

且 $R_1=2^{r_1}-1,$

$R_2=2^{r_2}-1,$

t₁＝k₁P₁+N₀，

t₂＝k₂P₂+N₀，

t₃＝k₃P₃+N₀；

式中：P₁表示终端节点A的发射功率，P₂表示终端节点B的发射功率，P₃表示双向中继节点R的发射总功率，r₁表示信道前向链路A->R->B的最小传输速率，r₂表示信道后向链路为B->R->A的最小传输速率，k₁表示终端节点A的自干扰消除能力大小，N₀表示噪声方差，其中k₂表示终端节点B的自干扰消除能力大小，k₃表示双向中继节点R的自干扰消除能力大小；

步骤3.3：双向中继节点R根据中间参数X₁和X₂的大小关系，选择最优功率分配方案：若X₁≥X₂，则基站功率分配参数ρ为分配区间(X₂，X₁)内的任意值，进入步骤3.5；若X₁<X₂，则进入步骤3.4；

步骤3.4：求解基站功率分配参数ρ的取值范围，计算方程如下：

P₃R₃t₃ρ²+(P₂R₁t₂-P₃R₃t₃-P₁R₂t₁)ρ+P₁R₂t₁＝0，

且 $R_3=2^{r_1+r_2}-1;$

当所述方程无解时，则：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2}}{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2}+\sqrt{R_1{t}_2{\mathrm{\&Omega;}}_1}},$

式中：Ω₁表示终端节点A与双向中继节点R之间的信道方差，Ω₂表示终端节点B与双向中继节点R之间的信道方差；

当所述方程有解时，且解为ρ₁和ρ₂，假设ρ₁<ρ₂；当ρ₁<X₁、ρ₂>X₂时，或者ρ₁>X₁、ρ₂<X₂时，则：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_1{\mathrm{\&Omega;}}_1}}}}{\sqrt{R_2{t}_1{\mathrm{\&Omega;}}_2{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_1{\mathrm{\&Omega;}}_1}}}+\sqrt{R_1{t}_2{\mathrm{\&Omega;}}_1{e}^{-\frac{R_3{t}_3}{P_2{\mathrm{\&Omega;}}_2}}}};$

其中，e为自然底数；

步骤3.5：双向中继节点R按照最优功率分配转发信号，即发送至终端节点A的信号功率为ρ*P₃，发送至终端节点B的信号功率为(1-ρ)*P₃。

5.根据权利要求4所述的全双工双向译码转发中继的最优功率分配和中继部署方法，其特征在于，所述步骤4包括：根据基站功率分配参数ρ的取值选择双向中继节点R的部署位置；假设已知：ρ∈(min{X₁,X₂},max{X₁,X₂})，

若X₁>X₂，则双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例d为：

$d=\frac{\sqrt[3]{P_1{R}_2}}{\sqrt[3]{P_1{R}_2}+\sqrt[3]{P_2{R}_1}};$

若X₁<X₂，则要根据方程：P₃R₃t₃ρ²+(P₂R₁t₂-P₃R₃t₃-P₁R₂t₁)ρ+P₁R₂t₁＝0是否有解分成两种情况；

当方程无解时，双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例d为：

$d=\frac{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}}{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}+\sqrt[3]{R_2{t}_1(1-\mathrm{\&rho;})}};$

当方程有解时，且解为ρ₁和ρ₂，假设ρ₁<ρ₂；当ρ₁<X₁、ρ₂>X₂时，或者ρ₁>X₁、ρ₂<X₂时，双向中继节点最优化部署后，归一化A->R->B链路的总路程为1，此时A->R的距离占A->R->B链路距离的比例d为：

$d=\frac{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}}{\sqrt[3]{R_1{t}_2\mathrm{\&rho;}}+\sqrt[3]{R_2{t}_1(1-\mathrm{\&rho;})}}.$