CN105024797A - 一种认知中继网络的半双工/全双工混合传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知中继网络的半双工/全双工混合传输方法，所述方法包括：当全双工自我干扰的功率低于阈值时，采用全双工传输，否则采用半双工传输；半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙；全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙。本方法根据自我干扰的功率在半双工传输和全双工传输之间切换，从而利用全双工的吞吐量优势又弱化自我干扰对吞吐量性能的不利影响，适用于异构网络。

Description

一种认知中继网络的半双工/全双工混合传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种认知中继网络的半双工/全双工混合传输方法。

背景技术

认知中继网络在异构网络领域具有潜在的应用价值。在异构网络中，很多不同类型的无线节点工作在同一区域，拥有不同的优先级。高优先级的节点被分配授权的频带，低优先级的节点为了获得通信机会，作为中继协助高优先级的节点传输数据，同时共享频带传输自己的数据。

以往人们普遍认为中继通信时发送和接收不能同时进行，即只能采取半双工模式。随着干扰消除技术的发展，人们逐渐意识到全双工模式可以实现。它指的是中继通信时发送和接收同时进行，不占用两个频带也不占用两个时隙。理论上全双工相比半双工的吞吐量可以提高一倍，但是实际上自我干扰不能完全消除，吞吐量达不到理论最高值。

目前已经披露很多种认知中继网络的半双工传输方法，证明了它们能够提高吞吐量、降低中断概率。认知中继网络的全双工传输也有一些方法披露，揭示了自我干扰对吞吐量和中断概率的影响，但是未见有披露认知中继网络的半双工/全双工混合传输方法。

发明内容

针对现有的认知中继网络传输只单独考虑半双工或全双工传输方法的情形，本发明提供一种认知中继网络的半双工/全双工混合传输方法，根据自我干扰的功率在半双工传输和全双工传输之间切换，从而利用全双工的吞吐量优势又弱化自我干扰对吞吐量性能的不利影响。

一种认知中继网络的半双工/全双工混合传输方法，所述方法包括：当自我干扰的功率低于设定阈值时，采用全双工传输，否则采用半双工传输。

(1)半双工传输时：

一个中继传输帧分成两个相等的时隙；

在时隙1，授权用户发射机发送一个信号给授权用户接收机，同时非授权用户发射机和接收机接收到该信号；

在时隙2，非授权用户发射机将接收的信号和自己的发射信号组合，得到组合信号，然后将该组合信号放大转发给非授权用户接收机，同时授权用户接收机接收到该组合信号；

(2)全双工传输时：

每个中继传输帧不划分时隙；

非授权用户发射机接收到信号后叠加自己的发射信号，并且将该叠加信号立即放大转发出去，产生自我干扰，非授权用户接收机和授权用户接收机都接收到该叠加信号。

在中继节点的发射功率约束和授权用户接收机的自我干扰约束下最大化非授权用户接收机处的信息传输速率，建立优化问题如下：

$\begin{array}{ccc}\underset{\mathrm{\β}}{\max }R& s.t.& P_I\≤\mathrm{\Λ},{\tilde{P}}_I\≤\mathrm{\Λ}\end{array},\mathrm{\β}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}};$

对该优化问题求解，得到最优的β；其中P_I为授权用户接收机在半双工传输时忍受的干扰功率，为授权用户接收机在全双工传输时忍受的干扰功率，Λ是授权用户接收机能忍受的最大干扰功率，β是非授权用户发射机的放大增益，由非授权用户发射机的最大发射功率决定。

附图说明

图1简单描述了本发明的网络结构。

具体实施方式

如图1所示，认知中继网络包括一对授权用户发射机PT和接收机PR、一对非授权用户发射机ST和接收机SR。所有节点都是全双工的，ST装有一根发射天线和一根接收天线，其它站点都只装有一根天线。半双工传输时，一个中继传输帧分成两个相等的时隙。在时隙1，授权用户发射机PT以发射功率P_p发送一个信号x_p(t)给接收机PR，同时非授权用户发射机ST和接收机SR接收到信号。在时隙2，非授权用户发射机ST将接收信号和自己的发射信号x_s(t)组合，得到组合信号x_c(t)，然后将该组合信号放大转发给接收机SR，同时授权用户接收机PR接收到信号。非授权用户发射机ST处的放大增益记为β。授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为P_I(W)。非授权用户接收机SR根据时隙2接收的信号解码x_s(t)，信息传输速率为R_half(bit/s)。全双工传输时，每个中继传输帧不划分时隙。非授权用户发射机ST接收到信号后叠加自己的发射信号x_s(t)并且立即放大转发出去，产生自我干扰x_q(t)。非授权用户接收机SR和授权用户接收机PR都接收到信号。授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为(W)。非授权用户接收机SR根据时隙2接收的信号解码x_s(t)，信息传输速率为R_full(bit/s)。

当自我干扰x_q(t)的功率P_q(W)低于设定阈值Γ时，采用全双工传输；否则采用半双工传输。据此得到半双工/全双工混合传输的信息传输速率R。

在中继节点R的发射功率约束和授权用户接收机PR的干扰约束下最大化非授权用户接收机SR处的信息传输速率，建立优化问题如下：

$\begin{array}{ccc}\underset{\mathrm{\β}}{\max }R& s.t.& P_I\≤\mathrm{\Λ},{\tilde{P}}_I\≤\mathrm{\Λ}\end{array},\mathrm{\β}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}};---\left(1\right)$

其中Λ是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率，由非授权用户发射机ST的最大发射功率决定。

对该优化问题求解，得到最优的放大增益β。如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。得到最优的放大增益β后，非授权用户发射机ST对接收信号的处理完全确定。

下面结合附图及实施例做进一步的详细说明，方便更好地理解本发明。

如图1所示，如果采用半双工传输，一个中继传输帧分成两个相等的时隙。在时隙1，授权用户接收机PR、非授权用户发射机ST和接收机SR接收到的信号分别表示为：

$y_1\left(t\right)=\sqrt{P_p}{h}_1{x}_p\left(t\right)+n_1\left(t\right)$

$y_2\left(t\right)=\sqrt{P_p}{h}_2{x}_p\left(t\right)+n_2\left(t\right);---\left(2\right)$

$y_3\left(t\right)=\sqrt{P_p}{h}_3{x}_p\left(t\right)+n_3\left(t\right)$

其中P_p是授权用户发射机PT的发射功率，x_p(t)是授权用户发射机PT的发送信号，它的均值为0、方差归一化为1，h₁是授权用户发射机PT到授权用户接收机PR的信道系数，h₂是授权用户发射机PT到非授权用户发射机ST的信道系数，h₃是授权用户发射机PT到非授权用户接收机SR的信道系数，n₁(t)、n₂(t)、n₃(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声；设所有信道都是准静态的瑞利块衰落信道而且信道系数在一个传输帧内保持不变。

在时隙2，非授权用户发射机ST先将接收信号叠加自己的发送信号x_s(t)得到组合信号x_c(t)，然后将该组合信号放大转发。ST转发的信号表示为：

$x_c\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\β}}(\sqrt{P_p}{h}_2{x}_p\left(t\right)+n_2\left(t\right)+x_s\left(t\right));---\left(3\right)$

其中β是非授权用户发射机ST的放大增益，x_s(t)的均值为0、方差归一化为1、和x_p(t)互不相关。授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR的接收信号分别表示为：

${\tilde{y}}_1\left(t\right)=h_4{x}_c\left(t\right)+v_1\left(t\right)$

${\tilde{y}}_3\left(t\right)=h_5{x}_c\left(t\right)+v_3\left(t\right);---\left(4\right)$

其中h₄是非授权用户发射机ST到授权用户接收机PR的信道系数，h₅是非授权用户发射机ST到非授权用户接收机SR的信道系数，v₁(t)和v₃(t)是均值为零、方差为σ²的加性高斯白噪声。

授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为：

P_I＝β|h₄|²；         (5)

非授权用户接收机SR根据时隙2接收的信号解码x_s(t)，信息传输速率表示为：

$R_{half}=\frac{1}{2}{\log }_2\left(1+\frac{\mathrm{\β}|h_5{|}^2}{\mathrm{\β}|h_5{|}^2\left(P_p\right|h_2{|}^2+{\mathrm{\σ}}^2)+{\mathrm{\σ}}^2}\right);---\left(6\right)$

受非授权用户发射机ST的最大发射功率P_s,max约束，放大增益β必须满足：

$\mathrm{\β}\≤\frac{P_{s,max}}{P_p|h_2{|}^2+{\mathrm{\σ}}^2+1};---\left(7\right)$

如果采用全双工传输，每个中继传输帧不划分时隙。非授权用户发射机ST将接收信号叠加自己的发射信号x_s(t)并且立即转发出去，产生自我干扰x_q(t)。

非授权用户发射机ST的发送信号表示为：

${\tilde{x}}_c\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\β}}\left(\sqrt{P_p}{h}_2{x}_p\right(t)+n_2(t)+x_s(t)+\sqrt{P_q}{h}_q{x}_q(t\left)\right);---\left(8\right)$

其中P_q是干扰消除后的残留自我干扰功率，h_q是非授权用户发射机ST发射端到接收端的信道系数，自我干扰建模为 $x_q\left(t\right)=\sqrt{P_p}{h}_2{x}_p(t-1)+n_2(t-1)+x_s(t-1).$

授权用户接收机PR和非授权用户接收机SR的接收信号分别表示为：

${\tilde{z}}_1\left(t\right)=h_4{\tilde{x}}_c\left(t\right)+v_1\left(t\right)$

${\tilde{z}}_3\left(t\right)=h_5{\tilde{x}}_c\left(t\right)+v_3\left(t\right);---\left(9\right)$

授权用户接收机PR根据两个时隙接收的信号解码x_p(t)，忍受的干扰功率为：

${\tilde{P}}_I=\mathrm{\β}|h_4{|}^2(1+P_q|h_q{|}^2);---\left(10\right)$

非授权用户接收机SR根据时隙2接收的信号解码x_s(t)，信息传输速率表示为：

$R_{full}={\log }_2\left(1+\frac{\mathrm{\β}|h_5{|}^2(1+P_q|h_q{|}^2)}{\mathrm{\β}|h_5{|}^2\left(P_p\right|h_2{|}^2+{\mathrm{\σ}}^2)(1+P_q|h_q{|}^2)+{\mathrm{\σ}}^2}\right);---\left(11\right)$

当自我干扰x_q(t)的功率P_q低于阈值Γ时，采用全双工传输；否则采用半双工传输。因此半双工/全双工混合传输的信息传输速率为：

R＝p(P_q＞Γ)R_half+p(P_q≤Γ)R_full；      (12)

其中p(P_q＞Γ)是P_q高于Γ的概率。

优化问题建立为：

$\begin{array}{ccc}\underset{\mathrm{\β}}{max}R& s.t.& P_I\≤\mathrm{\Λ},{\tilde{P}}_I\≤\mathrm{\Λ},\mathrm{\β}\≤\frac{P_{s,max}}{P_p|h_2{|}^2+{\mathrm{\σ}}^2+1};---\left(13\right)\end{array}$

其中Λ是授权用户接收机PR能忍受的最大干扰功率；参数P_s,max、P_p、Γ、Λ是给定的；参数h₁、h₂、h₃、h₄、h₅、h_q、σ²可以通过测量获得；参数P_q取决于全双工使用的干扰消除方法。给定某种干扰消除方法，一个传输帧的P_q值是固定的，可以根据很多个传输帧的P_q值变化统计概率p(P_q＞Γ)和p(P_q≤Γ)，从而得到式(12)所示的R，代入式(13)对优化问题进行求解。该优化问题的约束函数都是凸的，但是目标函数不一定是凸的。如果它是凸的，采用拉格朗日乘数法求解；如果它是非凸的，先将它转化为凸优化问题，再用拉格朗日乘数法或者内点法求解。得到最优的放大增益β后，非授权用户发射机ST对接收信号的处理完全确定。实际应用时在每个传输帧只要P_q低于阈值Γ，就采用全双工传输；否则采用半双工传输，从多个传输帧来看就是半双工/全双工混合传输。

Claims (2)

1.一种认知中继网络的半双工/全双工混合传输方法，所述方法包括：当自我干扰的功率低于设定阈值时，采用全双工传输，否则采用半双工传输；

(1)全双工传输时：

每个中继传输帧不划分时隙；非授权用户发射机接收到信号后叠加自己的发射信号，并且将该叠加信号立即放大转发出去，产生自我干扰，非授权用户接收机和授权用户接收机都接收到该叠加信号；

(2)半双工传输时：

一个中继传输帧分成两个相等的时隙；在时隙1，授权用户发射机发送一个信号给授权用户接收机，同时非授权用户发射机和接收机接收到该信号；在时隙2，非授权用户发射机将接收的信号和自己的发射信号组合，得到组合信号，然后将该组合信号放大转发给非授权用户接收机，同时授权用户接收机接收到该组合信号。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在中继节点的发射功率约束和授权用户接收机的自我干扰约束下最大化非授权用户接收机处的信息传输速率，建立优化问题如下：

$\begin{array}{ccc}\underset{\mathrm{\β}}{max}R& s.t.& P_I\≤\mathrm{\Λ},{\tilde{P}}_I\≤\mathrm{\Λ},\mathrm{\β}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}\end{array};$

对该优化问题求解，得到最优的β；

其中P_I为授权用户接收机在半双工传输时忍受的干扰功率，为授权用户接收机在全双工传输时忍受的干扰功率，Λ是授权用户接收机能忍受的最大干扰功率，β是非授权用户发射机的放大增益，由非授权用户发射机的最大发射功率决定。