CN105246140B - 一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法及装置 - Google Patents

一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法及装置，其应用于位于第一源节点和第二源节点之间的中继节点，该方法根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，包括：第一源节点为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点的传输速率；第一源节点的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率；需要最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和。应用本发明实施例，能够提高双向全双工系统端到端的性能，降低中继的功率消耗。

Description

一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法及装置。
背景技术
近年来，由于全双工(full-duplex,FD)允许通信节点在同一频率上同时收发信息，具备将频谱效率提高一倍的巨大潜力，同时由于器件技术和信号处理技术的发展,同频同时的全双工技术逐渐成为研究热点。
目前，全双工的研究主要是针对于单向双全工，以中继发射功率能够满足其最大功率约束为设计准则。研究指出，增加中继增益时，剩余自干扰信道信息的增加速度比目标信号增加的更快。根据此研究，提出了在单向全双工中继网络中的一种中继增益控制方案，用来提高端到端的性能。
但现有技术中，并为对双向全双工中继的中继增益控制的讨论，且以中继发射功率能够满足其最大功率约束为设计准则，并不总能使网络性能获得最优，提高端到端的性能。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法及装置，以提高双向全双工系统端到端的性能，降低中继的功率消耗。
为达到上述目的，本发明实施例公开了一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法，其应用于位于第一源节点和第二源节点之间的中继节点，所述方法根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，包括如下步骤：
确定最大化节点传输速率的需求；
当第一源节点为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点的传输速率时，按如下步骤控制所述中继节点的中继增益：
A、根据所述第一源节点与所述中继节点之间的信道信息、所述第二源节点与所述中继节点之间的信道信息以及三个节点处的剩余自干扰信道信息，获得使得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益
B、根据所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益
其中，所述使得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益的取值范围为(0，)；所述为中继节点处的剩余自干扰信道信息的平方的倒数；
当第一源节点的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率时，按如下步骤控制所述中继节点的中继增益：
C、获得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比和所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比中最小的信干噪比；
D、调整中继增益β2，使得所述最小的信干噪比最大；
E、根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益
其中，所述使得所述最小的信干噪比最大的中继增益β2为所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益所述中继增益β2的取值范围为(0，)；
当需要最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时，按如下步骤控制所述中继节点的中继增益：
F、调整中继增益β2，使得两源节点传输速率之和Rsum最大；
G、根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
其中，所述使得两源节点传输速率之和Rsum最大的中继增益β2为最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益所述中继增益β2的取值范围为(0，)。
较佳的，所述步骤B，包括：
B01、根据所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益获得对应的第一中继传输功率；
B02、比较所述第一中继传输功率与所述中继节点的最大发射功率；
B03、当所述第一中继传输功率不高于所述中继节点的最大发射功率时，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当所述第一中继传输功率大于所述中继节点的最大发射功率时，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于最大发射功率时的中继增益
较佳的，所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比为：其中， hm和分别为所述第一源节点Sm与所述中继节点R之间的信道信息和第二源节点与所述中继节点R之间的信道信息，Pm和分别为所述第一源节点Sm的发射功率和所述第二源节点的发射功率，为所述中继节点R处的剩余自干扰信道信息，为所述第一源节点Sm和所述中继节点R处的高斯噪声的方差；
对所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比的分母求导，获得所述使得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益其中
所述最大发射功率时的中继增益为：其中，PR为中继节点的最大发射功率。
较佳的，所述步骤B，包括：
B11、比较所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益和最大发射功率时的中继增益
B12、当不高于时，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当大于时，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于
较佳的，所述步骤B，包括：
B21、根据所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定剩余自干扰信道信息的阈值，所述阈值为
B22、比较中继节点处的剩余自干扰信道信息与阈值；
B22、当不低于预设阈值，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当小于预设阈值，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于
较佳的，所述步骤D，包括：
D1、获得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比与中继增益β2的第一关系曲线和所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比与中继增益β2的第二关系曲线；
D2、当所述第一关系曲线与所述第二关系曲线完全重叠或没有交点或交点在两个最大值的左侧或交点在两个最大值的右侧时，最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益为：所述第一源节点处接收到的信号的最大信干噪比与所述第二源节点处接收到的信号的最大信干噪比中，较小的最大信干噪比对应的中继增益；其中，所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益的取值范围为(0，)；
D3、当所述第一关系曲线与所述第二关系曲线的交点在两个最大值之间时，所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益为：所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比与所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程的解的正根对应的中继增益
所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比与所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程的解的正根对应的中继增益的求解过程，包括：
将所述两源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程简化为关于信号t的二次元方程at2+bt+c＝0；所述二次元方程需满足条件为：b2-4ac<0，且ac>0，正根对应的中继增益大于两源节点传输速率分别最大时最小的中继增益且小于两源节点传输速率分别最大时最大的中继增益
根据获得的方程的解的正根t+，获得对应的中继增益其中，所述中继增益为最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益
较佳的，所述步骤E，包括：
E01、根据获得的所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益获得对应的第二中继传输功率；
E02、比较所述第二中继传输功率与中继节点的最大发射功率；
E03、当所述第二中继传输功率不高于所述中继节点的最大发射功率时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于当所述第二中继传输功率大于所述中继节点的最大发射功率时，所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于
较佳的，所述步骤E，包括：
E11、比较所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益和
E12、当不高于时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于当大于时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于
较佳的，所述源节点传输速率为：log2(1+Γ)；其中，Γ为该源节点处接收到的信号的信干噪比；
所述两源节点传输速率之和Rsum为：Rsum＝log2(1+Γ1)(1+Γ2)；其中，Γ1和Γ2分别为：第一源节点处接收到的信号的信干噪比和第二源节点处接收到的信号的信干噪比；
所述步骤F，包括：
取1与第一源节点处接收到的信号的信干噪比的和乘以1与第二源节点处接收到的信号的信干噪比的和，定义函数F(β2)＝(1+Γ1)(1+Γ2)；
获得函数F(β2)的最大值点β2为最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
为达到上述目的，本发明实施例还公开了一种双向全双工放大转发的中继增益的控制装置，其应用于位于第一源节点和第二源节点之间的中继节点，所述装置根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，包括：需求确定单元、第一中继增益控制单元、第二中继增益控制单元和第三中继增益控制单元；
所述需求确定单元，用于确定最大化节点传输速率的需求；
当第一源节点为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点的传输速率时，触发所述第一中继增益控制单元；当第一源节点的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率时，触发第二中继增益控制单元；当需要最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时，触发第三中继增益控制单元；
所述第一中继增益控制单元，包括：第一中继增益获得单元和第一确定单元；
所述第一中继增益获得单元，用于根据所述第一源节点与所述中继节点之间的信道信息、所述第二源节点与所述中继节点之间的信道信息以及三个节点处的剩余自干扰信道信息，获得使得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益
所述第一确定单元，用于根据所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益
其中，所述使得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益的取值范围为(0，)；所述为中继节点处的剩余自干扰信道信息的平方的倒数；
所述第二中继增益控制单元，包括：最小信干噪比获得单元、第一调整子单元和第二确定单元；
所述最小信干噪比获得单元，用于获得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比和所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比中最小的信干噪比；
所述第一调整单元，用于调整中继增益β2，使得所述最小的信干噪比最大；
所述第二确定单元，用于根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益
其中，所述使得所述最小的信干噪比最大的中继增益β2为所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益所述中继增益β2的取值范围为(0，)；
所述第三中继增益控制单元，包括：第二调整单元和第三确定单元；
所述第二调整单元，用于调整中继增益β2，使得两源节点传输速率之和Rsum最大；
所述第三确定单元，用于根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
其中，所述使得两源节点传输速率之和Rsum最大的中继增益β2为最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益所述中继增益β2的取值范围为(0，)。
由上述的技术方案可见，本发明实施例提供一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法及装置，其应用于位于第一源节点和第二源节点之间的中继节点，该方法根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，包括：第一源节点为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点的传输速率；第一源节点的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率；需要最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和。
可见，本发明实施例中，根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，能够有效地提高双向全双工系统端到端的性能，并同时降低了中继的功率消耗。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为双向全双工放大转发系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种双向全双工放大转发的中继增益的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法及装置，其应用于位于第一源节点和第二源节点之间的中继节点，该方法根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，包括：第一源节点为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点的传输速率；第一源节点的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率；需要最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和。
下面通过具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1，图1为双向全双工放大转发系统的结构示意图，包括两个信源(S1和S2)和一个中继节点(R)。
实际应用中，每一个节点都配置有一个全双工天线，因此能够工作在全双工模式。由于阴影效应，S1和S2之间不存在直接传输链路。假定Sm，m∈(1,2)，和R之间的信道在收发方向上是一样的，并用hm表示。由于实际限制，全双工模式所带来的剩余自干扰信道信息并不能完全消除，分别用和表示Sm和R处信道的剩余自干扰信道信息。假设R已知信道状态信息h1、h2和并假定信道随时间缓慢变化，因此R可以通过S1和S2的低频反馈，获得和的状态信息。nm和nR分别表示在Sm和R处的加性高斯噪声，并假设它们是独立同分布的随机变量，服从为Sm和R处的高斯噪声的方差。
另外，假定中继传输分为若干个时隙，每个时隙都远远小于信道相干时间。xm[i]表示Sm在第i时隙发送的信号，Sm的传输功率限制为Pm＝ε{|xm[i]|2}。在第i时隙，中继节点R接收到的信号可以表示为
其中，tR[i]是R在第i时隙发送的信号，假设中继R对所接收的信号进行处理需要一个时隙的时延。因此，有
tR[i]＝βrR[i-1]， (2)
其中，rR为i-1时隙R接收到的信号，β>0为放大系数。通过将等式(1)递归代入到等式(2)中，可以得到
Sm接收到的信号包含来自R的信号、Sm同时发送带来的剩余自干扰信道信息以及本地噪声，可以表示为
其中，或{2,1}。
等式(4)右侧的第一项是Sm自身在i-1时隙发送的已知数据，可以完全去除；第二项是来自的目标信号；第三和第六项分别是源自R和Sm的噪声；第四项是R处迭代产生的剩余自干扰信道信息；第五项是Sm处的剩余自干扰信道信息。因此，系统中Sm端与端之间的Sm处接收到的信号的信干噪比(SINR)可以表示为
其中，β2为中继增益， Pm和分别为Sm的发射功率和的发射功率。
本发明中，中继增益控制的目标是使系统端到端的性能最优化。但同时，考虑到网络的特点和节点的实际能力，在进行中继增益控制时还需要考虑以下三个约束条件：
约束条件1(收敛条件)：根据等式(3)，中继传输功率可以表示为
其中，P1和P2分别表示S1的发射功率和S2发射功率。同时，中继增益β2必须满足条件：
等式(6)的右侧才会收敛，公式(7)是防止中继发射功率波动，并保证其有限的必要条件。这样，等式(6)式可以重新表示为
约束条件2(最大功率约束)：由于受硬件能力的限制，中继节点的最大发射功率是某恒定值(假定为PR)，因此，要求中继转发的功率不超过其最大发射功率。最大功率约束可以表示为：
ε{|tR[i]|2}≤PR。 (9)
约束条件3(正实数约束)：由于β是中继节点的功率放大因子，根据其物理意义，β2应为正实数，因此有
β2＞0。 (10)
综上，对于传统的最大功率中继增益控制(MRP)方案，始终使用中继的最大功率转发，可以得到中继增益为
其中，将等式(11)带入等式(5)中可以得到系统中Sm端与端之间Sm处接收到的信号的SINR为
其中，
另外，当中继节点的剩余自干扰信道信息可以忽略不计时，MRP方案可以最大限度的提高端到端的SINR，因此，经常被采用。然而，在剩余自干扰信道信息不能被忽略的情况下，传统的MRP方案并不总是最佳的。从等式(4)中可以看到，去除已知数据xm[i-1]后，Sm接收到的信号对应的发射功率可以重新表示为
从等式(13)中可以看到目标信号随β2线性增加，但迭代剩余自干扰信道信息增加的速度更快，尤其是当β2趋近于0的时候。因此利用等式(11)中给出的β2并不总能得到最优的SINR值。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法的流程示意图，其应用于位于第一源节点和第二源节点之间的中继节点，该方法根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，包括如下步骤：
S201：确定最大化节点传输速率的需求；
根据最大化节点传输速率的需求的不同，可分为三种情况：
当第一源节点为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点的传输速率时，先后执行步骤S202和S203；当第一源节点的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率时，先后执行步骤S212、S213和S214；当需要最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时，先后执行步骤S222和S223。
具体的，S202：根据所述第一源节点与所述中继节点之间的信道信息、所述第二源节点与所述中继节点之间的信道信息以及三个节点处的剩余自干扰信道信息，获得使得第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益
当两个源节点中，一个源节点发送主要信息，该源节点为主节点，另一个源节点发送辅助信息，该节点为从节点：例如，一个主节点发送具有高速率要求的业务数据，而从节点只发送低速率的控制或反馈信息时，一个合理的网络配置是应该是保证主节点的数据速率最大。
上述等式(5)右侧的分母在区间(0，)上是关于β2的严格凸函数，通过对第一源节点处接收到的信号的信干噪比，即等式(5)的分母求导，计算等式(5)右侧分母的导数，可以得到最大化等式(5)的中继功率增益为
将等式(14)带入等式(5)，可以得到SINR的表达式为
其所对应的中继传输功率可以重新表示为
等式(16)表明，中继节点的中继传输功率与成反比，因此当较大，即中继节点处的剩余自干扰信息较大时，中继将降低其发射功率，以避免过度的剩余自干扰信道信息。
S203：根据所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益
其中，根据第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益可采用三种方法，具体如下：
第一种，包括如下步骤：
B01、根据第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益获得对应的第一中继传输功率；
B02、比较第一中继传输功率与中继节点的最大发射功率；
B03、当第一中继传输功率不高于中继节点的最大发射功率时，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当第一中继传输功率大于中继节点的最大发射功率时，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于最大发射功率时的中继增益
第二种，包括如下步骤：
B11、比较第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益和最大发射功率时的中继增益
B12、当不高于时，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当大于时，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于即
其中，使得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益的取值范围为(0，)；为中继节点处的剩余自干扰信道信息的平方的倒数。
第三种，包括如下步骤：
B21、根据第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定剩余自干扰信道信息的阈值，该阈值为
B22、比较中继节点处的剩余自干扰信道信息与阈值；
B22、当不低于预设阈值，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当小于预设阈值，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于
由于要满足约束条件2中的的最大传输功率限制，即ε{|tR[i]|2}≤PR，结合等式(16)，因此只有当
时，式(14)才成立。否则，中继将使用其全部功率转发，即根据等式(6)确定中继增益。
S212：获得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比和所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比中最小的信干噪比；
实际应用中，在两个源节点具有相同优先级的情况下，需要在它们之间提供公平的数据传输。这时最优的中继增益控制应该使传输速率较小的源节点的速率最大化，即，
其中，Γ1和Γ2分别为：第一源节点处接收到的信号的信干噪比和第二源节点处接收到的信号的信干噪比；获得两个信干噪比中最小的信干噪比，再调整中继增益β2，使得所述最小的信干噪比最大，最终使得该最小的信干噪比最大的中继增益为最终所需，中继增益β2的取值范围为(0，)。
S213：调整中继增益β2，使得所述最小的信干噪比最大；
实际应用中，Γ1和Γ2的曲线共有五种情形：a)完全重叠；b)没有交点；c)交点在两个最大值的左侧；d)交点在两个最大值的右侧；e)交点在两个最大值之间。
因此，调整中继增益β2，使得所述最小的信干噪比最大，具体包括如下步骤：
01、获得第一源节点处接收到的信号的信干噪比与中继增益β2的第一关系曲线和第二源节点处接收到的信号的信干噪比与中继增益β2的第二关系曲线；
02、当第一关系曲线与第二关系曲线完全重叠或没有交点或交点在两个最大值的左侧或交点在两个最大值的右侧时，最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益为：所述第一源节点处接收到的信号的最大信干噪比与所述第二源节点处接收到的信号的最大信干噪比中，较小的最大信干噪比对应的中继增益；
03、当第一关系曲线与第二关系曲线的交点在两个最大值之间时，最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益为：所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比与第二源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程的解的正根对应的中继增益
这种情况下，使得两源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程的解的正根对应的中继增益的求解步骤包括：
31、将所述两源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程简化为关于信号t的二次元方程at2+bt+c＝0；
此时，二次元方程需满足条件为：b2-4ac<0，且ac>0,正根对应的中继增益大于两源节点传输速率分别最大时最小的中继增益且小于两源节点传输速率分别最大时最大的中继增益即
32、根据获得的方程的解的正根t+，获得对应的中继增益其中，中继增益为最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益
S214：根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益
其中，根据调整后的中继增益β2，确定最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益可采用两种方法确定，具体如下：
第一种，包括如下步骤：
E01、根据获得的最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益获得对应的第二中继传输功率；
E02、比较第二中继传输功率与中继节点的最大发射功率；
E03、当第二中继传输功率不高于中继节点的最大发射功率时，确定最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于当第二中继传输功率大于所述中继节点的最大发射功率时，最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于
其中，最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益的取值范围为(0，)。
第二种，包括如下步骤：
E11、比较所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益和
E12、当不高于时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于当大于时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于
S222：调整中继增益β2，使得两源节点传输速率之和Rsum最大；
S223：根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
在双向通信中，两个源节点的和速率的最大化可能是另一种实用的设计目标，即：
另外，源节点传输速率为：log2(1+Γ)，其中，Γ为该源节点处接收到的信号的信干噪比。
进一步，两源节点传输速率之和Rsum为：Rsum＝log2(1+Γ1)(1+Γ2)；其中，Γ1和Γ2分别为：第一源节点处接收到的信号的信干噪比和第二源节点处接收到的信号的信干噪比。
这种情况下，使得两源节点传输速率之和Rsum最大的中继增益β2为最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益中继增益β2的取值范围为(0，)。
此时，为获得最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益可以按照如下步骤执行：
取1与一个源节点处接收到的信号的信干噪比的和乘以1与另一个源节点处接收到的信号的信干噪比的和，定义函数F(β2)＝(1+Γ1)(1+Γ2)；
确定函数F(β2)的最大值点β2为最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
实际应用中，在区间(0，)上，F(β2)是一个单峰函数，属于无约束的最优化问题，因此可以借助于一些有效的一维搜索算法(比如，黄金分割搜索算法)来得到F(β2)的最大值点。
应用图2所示实施例，根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，能够有效地提高双向全双工系统端到端的性能，并同时降低了中继的功率消耗。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种双向全双工放大转发的中继增益的控制装置结构示意图，其应用于位于第一源节点和第二源节点之间的中继节点，该装置根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，可以包括：需求确定单元300、第一中继增益控制单元301、第二中继增益控制单元311和第三中继增益控制单元321。
其中，需求确定单元300，用于确定最大化节点传输速率的需求。
根据最大化节点传输速率的需求的不同，可分为三种情况：
当第一源节点为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点的传输速率时，触发第一中继增益控制单元301；当第一源节点的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率时，触发第二中继增益控制单元311；当需要最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时，触发第三中继增益控制单元321。
其中，第一中继增益控制单元301，可以包括：第一中继增益获得单元302和第一确定单元303。
这种情况下，第一中继增益获得单元302，用于根据第一源节点与中继节点之间的信道信息、第二源节点与中继节点之间的信道信息以及三个节点处的剩余自干扰信道信息，获得使得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益
实际应用中，第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比为
其中， hm和分别为第一源节点Sm与中继节点R之间的信道信息和第二源节点与中继节点R之间的信道信息，Pm和分别为第一源节点Sm的发射功率和第二源节点的发射功率，为中继节点R处的剩余自干扰信道信息，为第一源节点Sm和中继节点R处的高斯噪声的方差。
第一中继增益获得单元302，具体用于对第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比的分母求导，获得使得第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益其中
另外，最大发射功率时的中继增益为：其中，PR为中继节点的最大发射功率。
第一确定单元303，用于根据第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益
其中，使得第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益的取值范围为(0，)；为中继节点处的剩余自干扰信道信息的平方的倒数。
实际应用中，第一确定单元303可以包括：第一中继传输功率获得子单元、第一比较子单元和第一确定子单元。(图3中未示出)
其中，第一中继传输功率获得子单元，用于根据第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益获得对应的第一中继传输功率。
第一比较子单元，用于比较第一中继传输功率与所述中继节点的最大发射功率。
第一确定子单元，用于当第一中继传输功率不高于中继节点的最大发射功率时，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当第一中继传输功率大于中继节点的最大发射功率时，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于最大发射功率时的中继增益
另外，第一确定单元303还可以包括：第二比较子单元和第二确定子单元。(图3中未示出)
其中，第二比较子单元，用于比较第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益和最大发射功率时的中继增益
第二确定子单元，用于当不高于时，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当大于时，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于
另外，第一确定单元303还可以包括：阈值获得子单元、第三比较子单元和第三确定子单元。(图3中未示出)
阈值获得子单元，用于根据第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定剩余自干扰信道信息的阈值。
其中，阈值为
第三比较子单元，用于比较中继节点处的剩余自干扰信道信息与阈值。
第三确定子单元，用于当不低于预设阈值，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当小于预设阈值，确定最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于
第二中继增益控制单元311，包括：最小信干噪比获得单元312、第一调整单元313和第二确定单元314。
这种情况下，最小信干噪比获得单元312，用于获得第一源节点处接收到的信号的信干噪比和第二源节点处接收到的信号的信干噪比中最小的信干噪比。
第一调整单元313，用于调整中继增益β2，使得最小的信干噪比最大。
第二确定单元314，用于根据调整后的中继增益β2，确定最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益
其中，使得最小的信干噪比最大的中继增益β2为最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益中继增益β2的取值范围为(0,)。
实际应用中，第一调整单元313，可以包括：关系曲线获得子单元、第二中继增益获得子单元、第三中继增益获得子单元和第二比较子单元。(图3中未示出)
其中，关系曲线获得子单元，用于获得第一源节点处接收到的信号的信干噪比与中继增益β2的第一关系曲线和第二源节点处接收到的信号的信干噪比与中继增益β2的第二关系曲线。
当第一关系曲线与第二关系曲线完全重叠或没有交点或交点在两个最大值的左侧或交点在两个最大值的右侧时，触发第二中继增益获得子单元；当第一关系曲线与第二关系曲线的交点在两个最大值之间时，触发第三中继增益获得子单元。
第二中继增益获得子单元，用于获得第一源节点处接收到的信号的最大信干噪比与第二源节点处接收到的信号的最大信干噪比中，较小的最大信干噪比对应的中继增益。
第三中继增益获得子单元，用于获得第一源节点处接收到的信号的信干噪比与第二源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程的解的正根对应的中继增益
实际应用中，第三中继增益获得子单元，可以包括：方程简化子单元和第一中继增益确定子单元。(图3中未示出)
其中，方程简化子单元，用于将两源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程简化为关于信号t的二次元方程at2+bt+c＝0。
该二次元方程需满足条件为：b2-4ac<0，且ac>0,正根对应的中继增益大于两源节点传输速率分别最大时最小的中继增益且小于两源节点传输速率分别最大时最大的中继增益
第一中继增益确定子单元，用于根据获得的方程的解的正根t+，获得对应的中继增益其中，中继增益为最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益
实际应用中，第二确定单元314可以包括：第二中继传输功率获得子单元、第四比较子单元和第四确定子单元。(图3中未示出)
其中，第二中继传输功率获得子单元，用于根据获得的最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益获得对应的第二中继传输功率。
第四比较子单元，用于比较所述第二中继传输功率与中继节点的最大发射功率。
第四确定子单元，用于当所述第二中继传输功率不高于所述中继节点的最大发射功率时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于当所述第二中继传输功率大于所述中继节点的最大发射功率时，所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于
其中，最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益的取值范围为(0，)。
另外，第二确定单元314还可以包括：第五比较子单元和第五确定子单元。(图3中未示出)
第五比较子单元，用于比较所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益和
第五确定子单元，用于当不高于时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于当大于时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于
第三中继增益控制单元321，包括：第二调整单元322和第三确定单元323。
这种情况下，第二调整单元322，用于调整中继增益β2，使得两源节点传输速率之和Rsum最大。
第三确定单元323，用于根据调整后的中继增益β2，确定最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
其中，使得两源节点传输速率之和Rsum最大的中继增益β2为最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益中继增益β2的取值范围为(0，)。
实际应用中，第三确定单元323，可以包括：函数定义子单元和第二中继增益确定子单元。(图3中未示出)
源节点传输速率可以表示为：log2(1+Γ)；其中，Γ为该源节点接收到的信号的信干噪比。
进一步，两源节点传输速率之和Rsum为：Rsum＝log2(1+Γ1)(1+Γ2)；其中，Γ1和Γ2分别为：第一源节点处接收到的信号的信干噪比和在第二源节点处接收到的信号的信干噪比。
函数定义子单元，用于取1与第一源节点处接收到的信号的信干噪比的和乘以1与第二源节点处接收到的信号的信干噪比的和，定义函数F(β2)＝(1+Γ1)(1+Γ2)。
第二中继增益确定子单元，用于确定函数F(β2)的最大值点β2为最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
另外，第二中继增益确定子单元，具体用于采用一维搜索算法确定函数F(β2)的最大值点。
应用图3所示实施例，根据不同设计目标控制中继节点的中继增益，能够有效地提高双向全双工系统端到端的性能，并同时降低了中继的功率消耗。
对于系统/装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双向全双工放大转发的中继增益的控制方法，其特征在于，应用于位于第一源节点Sm和第二源节点之间的中继节点R，所述方法根据不同设计目标控制所述中继节点R的中继增益，包括：
确定最大化节点传输速率的需求；
当第一源节点Sm为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点Sm的传输速率时，按如下步骤控制所述中继节点R的中继增益：
A、根据所述第一源节点Sm与所述中继节点R之间的信道信息、所述第二源节点与所述中继节点R之间的信道信息以及三个节点处的剩余自干扰信道信息，获得使得所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益
B、根据所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定所述最大化第一源节点Sm的传输速率时的中继增益
其中，所述使得所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益的取值范围为所述为所述中继节点R处的剩余自干扰信道信息的平方的倒数；
当第一源节点Sm的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率时，按如下步骤控制所述中继节点R的中继增益：
C、获得所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比和所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比中最小的信干噪比；
D、调整中继增益β2，使得所述最小的信干噪比最大；
E、根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益
其中，所述使得所述最小的信干噪比最大的中继增益β2为所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益所述中继增益β2的取值范围为所述为最大发射功率时的中继增益；
当需要最大化第一源节点Sm和第二源节点的传输速率之和时，按如下步骤控制所述中继节点R的中继增益：
F、调整中继增益β2，使得两源节点传输速率之和Rsum最大；
G、根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化第一源节点Sm和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
其中，所述使得两源节点传输速率之和Rsum最大的中继增益β2为最大化第一源节点Sm和第二源节点的传输速率之和时的中继增益所述中继增益β2的取值范围为
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B，包括：
B01、根据所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益获得对应的第一中继传输功率；
B02、比较所述第一中继传输功率与所述中继节点的最大发射功率；
B03、当所述第一中继传输功率不高于所述中继节点的最大发射功率时，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当所述第一中继传输功率大于所述中继节点的最大发射功率时，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于最大发射功率时的中继增益
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比为：其中， hm和分别为所述第一源节点Sm与所述中继节点R之间的信道信息和第二源节点与所述中继节点R之间的信道信息，Pm和分别为所述第一源节点Sm的发射功率和所述第二源节点的发射功率，为所述中继节点R处的剩余自干扰信道信息，为所述第一源节点Sm和所述中继节点R处的高斯噪声的方差，所述为所述第一源节点Sm处信道的剩余自干扰信道信息；
对所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比的分母求导，获得所述使得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益其中
所述最大发射功率时的中继增益为：其中，PR为中继节点的最大发射功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B，包括：
B11、比较所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益和最大发射功率时的中继增益
B12、当不高于时，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当大于时，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B，包括：
B21、根据所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益 R确定剩余自干扰信道信息的阈值，所述阈值为所述PR为中继节点的最大发射功率， hm和分别为所述第一源节点Sm与所述中继节点R之间的信道信息和第二源节点与所述中继节点R之间的信道信息，Pm和分别为所述第一源节点Sm的发射功率和所述第二源节点的发射功率，为所述第一源节点Sm和所述中继节点R处的高斯噪声的方差，所述为所述第一源节点Sm处信道的剩余自干扰信道信息；
B22、比较中继节点处的剩余自干扰信道信息与阈值；
B22、当|不低于预设阈值，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于当小于预设阈值，确定所述最大化第一源节点的传输速率时的中继增益等于
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D，包括：
D1、获得所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比与中继增益β2的第一关系曲线和所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比与中继增益β2的第二关系曲线；
D2、当所述第一关系曲线与所述第二关系曲线完全重叠或没有交点或交点在两个最大值的左侧或交点在两个最大值的右侧时，最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益为：所述第一源节点处接收到的信号的最大信干噪比与所述第二源节点处接收到的信号的最大信干噪比中，较小的最大信干噪比对应的中继增益；其中，所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益的取值范围为所述为中继节点处的剩余自干扰信道信息的平方的倒数；
D3、当所述第一关系曲线与所述第二关系曲线的交点在两个最大值之间时，所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益为：所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比与所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程的解的正根对应的中继增益
所述第一源节点处接收到的信号的信干噪比与所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程的解的正根对应的中继增益的求解过程，包括：
将所述两源节点处接收到的信号的信干噪比相等的方程简化为关于信号t的二次元方程at2+bt+c＝0；所述二次元方程需满足条件为：b2-4ac<0，且ac>0，正根对应的中继增益大于两源节点传输速率分别最大时最小的中继增益且小于两源节点传输速率分别最大时最大的中继增益
根据获得的方程的解的正根t+，获得对应的中继增益其中，所述中继增益为最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益 为所述中继节点R处的剩余自干扰信道信息，为所述第一源节点Sm和所述中继节点R处的高斯噪声的方差。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤E，包括：
E01、根据获得的所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益获得对应的第二中继传输功率；
E02、比较所述第二中继传输功率与中继节点的最大发射功率；
E03、当所述第二中继传输功率不高于所述中继节点的最大发射功率时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于当所述第二中继传输功率大于所述中继节点的最大发射功率时，所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤E，包括：
E11、比较所述最大化两源节点中信干噪比较小源节点的传输速率的中继增益和
E12、当不高于时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于当大于时，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益等于
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源节点传输速率为：log2(1+Γ)；其中，Γ为该源节点处接收到的信号的信干噪比；
所述两源节点传输速率之和Rsum为：Rsum＝log2(1+Γ1)(1+Γ2)；其中，Γ1和Γ2分别为：第一源节点处接收到的信号的信干噪比和第二源节点处接收到的信号的信干噪比；
所述步骤F，包括：
取1与第一源节点处接收到的信号的信干噪比的和乘以1与第二源节点处接收到的信号的信干噪比的和，定义函数F(β2)＝(1+Γ1)(1+Γ2)；
获得函数F(β2)的最大值点β2为最大化第一源节点和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
10.一种双向全双工放大转发的中继增益的控制装置，其特征在于，应用于位于第一源节点Sm和第二源节点之间的中继节点R，所述装置根据不同设计目标控制所述中继节点R的中继增益，包括：需求确定单元、第一中继增益控制单元、第二中继增益控制单元和第三中继增益控制单元；
所述需求确定单元，用于确定最大化节点传输速率的需求；
当第一源节点Sm为主节点，第二源节点为从节点，需要最大化第一源节点Sm的传输速率时，触发所述第一中继增益控制单元；当第一源节点Sm的传输速率与第二源节点的传输速率不等，需要最大化传输速率低的源节点的传输速率时，触发第二中继增益控制单元；当需要最大化第一源节点Sm和第二源节点的传输速率之和时，触发第三中继增益控制单元；
所述第一中继增益控制单元，包括：第一中继增益获得单元和第一确定单元；
所述第一中继增益获得单元，用于根据所述第一源节点Sm与所述中继节点R之间的信道信息、所述第二源节点与所述中继节点R之间的信道信息以及三个节点处的剩余自干扰信道信息，获得使得所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益
所述第一确定单元，用于根据所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益确定所述最大化第一源节点Sm的传输速率时的中继增益
其中，所述使得所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比最大化的中继增益的取值范围为所述为所述中继节点R处的剩余自干扰信道信息的平方的倒数；
所述第二中继增益控制单元，包括：最小信干噪比获得单元、第一调整单元和第二确定单元；
所述最小信干噪比获得单元，用于获得所述第一源节点Sm处接收到的信号的信干噪比和所述第二源节点处接收到的信号的信干噪比中最小的信干噪比；
所述第一调整单元，用于调整中继增益β2，使得所述最小的信干噪比最大；
所述第二确定单元，用于根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益
其中，所述使得所述最小的信干噪比最大的中继增益β2为所述最大化传输速率低的源节点的传输速率时的中继增益所述中继增益β2的取值范围为所述为最大发射功率时的中继增益；
所述第三中继增益控制单元，包括：第二调整单元和第三确定单元；
所述第二调整单元，用于调整中继增益β2，使得两源节点传输速率之和Rsum最大；
所述第三确定单元，用于根据调整后的中继增益β2，确定所述最大化第一源节点Sm和第二源节点的传输速率之和时的中继增益
其中，所述使得两源节点传输速率之和Rsum最大的中继增益β2为最大化第一源节点Sm和第二源节点的传输速率之和时的中继增益所述中继增益β2的取值范围为
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