CN106357377B - 基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，包括步骤1：估计信道状态信息；步骤2：选定天线的收发模式；步骤3：根据得到的参数计算不同链路的信干噪比；步骤4：计算在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的信干噪比；步骤5：计算在全双工模式下的系统容量；步骤6：根据估计得到的信道状态信息，计算半双工模式下的链路信干燥比；步骤7：计算在半双工模式下放大转发协议和译码转发协议下的系统信干噪比；步骤8：计算在半双工模式下的可达容量；步骤9：基于瞬时频谱效率选择最佳的工作模式。本发明能够利用所有的硬件资源，实现性能的提升，即实现从源节点到目的节点的传输速率的最大化。

Description

基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法。

背景技术

全双工(Full Duplex)技术是一种可以使移动终端，基站，无线接入点等通信设备的上行与下行链路工作在同一个频段和同一个时段的技术。目前我们已知的通信系统均工作在半双工(Half Duplex)状态，即上行链路和下行链路工作在不同的频段或者不同的时段，例如时分双工系统(Time Division Duplex,TDD)和频分双工系统(FrequencyDivision Duplex,FDD)。与半双工相比，全双工技术拥有两倍于对应半双工系统的频谱效率，因此，其收到了广泛的关注与研究。另外一方面，伴随全双工技术而来的自干扰(SelfInterference)，由于上下行工作在同一频段和同一时段，发射端对接收端产生的干扰，会严重限制系统的性能。随着集成电子线路的高速发展，通过对自干扰信道的估计和已知信号的抵消，全双工引入的自干扰能够被有效的抑制到仅仅比噪声高几个dB的水平。这给全双工的实际应用增添了新的动力。

然而，不可忽视的是虽然全双工干扰能够被有效消除，但是消除之后仍然存在比噪声高几个dB的残留自干扰(residual，self interference,RSI)，而且一旦通信设备的自干扰消除能力不足，将会存在强烈的残留自干扰。当残留自干扰的强度达到一定的时候，会严重侵蚀全双工模式带来的系统增益，甚至出现效率不如半双工模式的情况。出现这种情况的时候，直接工作在半双工状态反而能够提供更优越的系统性能。因此，在实际系统中，混合双工模式，即全双工/半双工自适应技术，相比于全双工和半双工在能够提供更高的频谱效率的同时能够有效的克服全双工引入的自干扰对系统性能的影响。当实际工作在全双工模式的系统在经过自干扰消除之后仍然受到较大的残留自干扰的影响的时候，系统可以切换到半双工模式，这样可以完全消除自干扰的影响，从而不致使频谱效率受到残留自干扰过大的影响。

全双工技术一般是通过两根天线实现的，一根天线接收信号，另外一根天线发射信号。当系统工作在全双工状态的时候，系统接受与发送信号均只能利用一根天线。传统的全双工技术当中，接收天线与发送天线都是预先设定好的。此外，在传统的混合双工技术中，当系统切换到半双工模式之后，仍然只采用了一根天线来接收或者发送信号。这两种工作模式造成了一部分天线分集增益的缺失。针对这个问题，我们提出了一种全双工天线自适应技术，以及一种全双工，半双工混合双工技术。利用该技术能够有效利用天线分集增益，实现系统性能的提升。

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基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法。

根据本发明提供的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，包括如下步骤：

步骤1：估计信道状态信息；

步骤2：根据天线选择机制，选定天线的收发模式；

步骤3：根据得到的参数计算不同链路的信干噪比；

步骤4：计算在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统信干噪比；

步骤5：计算在全双工模式下的系统容量C_fd；

步骤6：根据估计得到的信道状态信息，计算采用最大比合并MRC和最大比传输MRT技术工作时，半双工模式下的链路信干燥比；

步骤7：计算在半双工模式下放大转发协议和译码转发协议下的系统信干噪比γ_HD；

步骤8：计算在半双工模式下的可达容量C_HD；

步骤9：基于瞬时频谱效率选择最佳的工作模式。

优选地，所述步骤1包括：估计h_1,1，h_1,2，h_2,1，h_2,2，h_si以及噪声的强度σ²，其中：h_1,1，h_1,2，h_2,1，h_2,2分别表示源节点S到中继节点R的天线Ant-1的信道系数、源节点S到中继节点R的天线Ant-2的信道系数、中继节点R的天线Ant-1到目的节点的信道系数、中继节点R的天线Ant-2到目的节点的信道系数；同时源节点S利用控制信道发送自己的系统参数P_S给中继节点，中继节点R发送自己的系统参数P_R给目的节点。

优选地，所述步骤2包括：中继节点根据已知的信息得到h_min,1＝min{h_1,1,h_2,2}，h_min,2＝min{h_1,2,h_2,1}，并比较|h_min,1|和|h_min,2|的大小；

当|h_min,1|≤|h_min,2|，全双工模式下采用Ant-1发送信号，Ant-2接收信号；当|h_min,1|≥|h_min,2|的时候采用天线Ant-1接收信号，Ant-2发送信号；即|h_min,1|＝|h_min,2|时，能够任意选择天线的收发模式。

优选地，所述步骤3中不同链路的信干噪比的计算公式如下：

γ_s,d＝P_S|h_sd|²/σ²

式中：γ_f,r表示全双工模式下中继节点与源节点之间的信道的信干噪比，k_R表示全双工中继节点的自干扰消除能力，σ表示系统受到的高斯噪声的标准差，γ_f,d表示全双工模式下中继节点与目的节点之间的信道的信干噪比，γ_s,d表示源节点与目的节点之间的信道的信干噪比，h_sd表示系统源节点与目的节点之间的信道系数；h₁表示全双工收发天线选定之后源节点S与中继节点之间的信道系数，h₂表示全双工收发天线选定之后中继节点R与目的节点D之间的信道系数。

优选地，所述步骤4中在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统信干噪比的计算公式如下：

式中：γ_FD表示在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统的信噪比，AF表示放大转发协议，DF表示解码转发协议。

优选地，所述步骤5中系统容量C_fd的计算公式如下：

C_fd＝log₂(1+γ_FD)。

优选地，所述步骤6中半双工模式下的链路信干燥比的计算公式如下：

γ_s,d＝P_S|h_sd|²/σ²

式中：γ_h,r表示半双工模式下源节点与中继节点之间的信道的信干噪比，γ_h,d表示半双工模式下中继节点与目的节点之间的信道的信干噪比，h_sd表示源节点S与目的节点之间的信道系数。

优选地，所述步骤7中系统信干噪比γ_HD的计算公式如下：

优选地，所述步骤8中在半双工模式下的可达容量C_HD的计算公式如下：

优选地，所述步骤9包括：基于瞬时频谱效率选择最佳的工作模式，

具体地：当C_FD＞C_HD时，中继节点选择工作在全双工模式；当C_FD＜C_HD时，中继节点选择工作在半双工模式；当C_FD＝C_HD时，中继节点选择工作在全双工模式或者半双工模式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明基于实际的通信系统提出了一种新型的混合双工机制，在该机制当中，能够充分利用系统硬件资源，提供分集增益。

2、由于在全双工系统中，由于全双工带来的性能增益会受到残留自干扰的限制，因此，当残留自干扰过强的时候，系统会转到半双工模式。所以可以说混合双工系统的性能下界是半双工模式下的系统性能。在本发明提出的混合双工机制当中，由于中继可以利用多天线特性，从而提升在半双工模式下的系统性能。因此，本发明提出的混合双工系统性能相对于传统双工技术会有显著提升。

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为现有信道估计原理示意图；

图2为工作在全双工模式的系统模型；

图3为在子时隙1内，工作在半双工模式的系统模型；

图4为在子时隙2内，工作在半双工模式的系统模型；

图5为全双工单向中继系统示意图.

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

现有的基于全双工，半双工的混合双工中继机制，首先根据估计到的信道链路系数，自干扰强度，噪声水平和发射功率等系统参数计算全双工模式下和半双工模式下的系统瞬时信道容量。比较两种模式下的瞬时信道容量，然后选取容量较大的模式工作。从而获得充分利用全双工和半双工模式，提升系统容量。

根据现有的全双工半双工混合中继实现方法，包括如下步骤：

步骤A1：获取信道状态信息，以及残留自干扰的强度方差和残留自干扰的噪声方差；

步骤A2：根据天线选择机制，选定天线的收发模式；

步骤A3：根据步骤1中得到的信道状态信息计算信道的信噪比；

步骤A4：计算出源节点到中继节点链路的信干噪比；

步骤A5：计算得到全双工模式下放大转发协议和译码转发协议从源节点到目的节点的信干噪比；

步骤A6：计算出半双工模式下利用所有天线传输和考虑直传链路的信干噪比；

步骤A7：计算出所有模式下的频谱效率；

步骤A8：基于瞬时频谱效率选择全双工模式或者半双工模式。

具体步骤如下：

1)根据现有的信道估计技术获取信道状态信息，h_SR，h_SD，h_RD，h_LI以及残留自干扰的强度和噪声的方差σ_R、σ_D，用户节点S采用控制信道向中继节点发送自己的系统参数发射功率P_S；

2)根据获取到的参数计算信道的信噪比

其中γ_LI表示经过干扰消除以后的残留自干扰信道信噪比。

式中：γ_SR表示源节点S到中继节点R的信道系数的模的平方比上噪声的方差，h_SR表示源节点S到中继节点的信道系数，γ_RD表示中继节点R到目的节点D的信道系数的模的平方比上噪声的方差，h_RD表示中继节点R到目的节点D的信道系数，γ_SD表示源节点S到目的节点D的信道系数模的平方比上噪声的方差，h_SD表示源节点S到目的节点D的信道系数，h_LI表示全双工节点发射天线到接收天线之间的信道系数，γ_LI表示经过干扰消除以后的残留自干扰信道信噪比，

表示中继节点R收到的干扰噪声的强度方差，

表示目的节点D受到噪声方差。

3)计算源节点到中继节点链路的信干噪比；

式中：γ_R表示中继节点处的信干噪比，γ_D表示目的节点接收信号的信干噪比，P_R表示中继节点的转发信号发射功率，P_S表示用户节点S发射信号的发射功率。

4)全双工模式下放大转发协议和译码转发协议从源节点到目的节点的信干噪比计算公式如下：

式中：γ_FD表示全双工模式下的源节点S与目的节点之间的有效信干噪比，AF表示放大转发协议，DF表示解码转发协议。

5)半双工模式下利用直传链路的信干噪比的计算公式如下：

式中：γ_HD+MRC表示考虑了从源节点到目的节点之间存在直传链路的有效信干噪比。

6)频谱效率的计算公式如下：

C_FD＝log(1+γ_FD)

式中：C_FD表示全双工模式下每一赫兹的信道带宽可以达到的最大传输速率，C_HD+MRC表示半双工模式下并且考虑源节点到目的节点之间的直传链路情况下每一赫兹的信道带宽可以达到的最大传输速率。

7)当C_FD＞C_HD+MRC的时候，系统工作在全双工模式；

当C_FD＜C_HD+MRC的时候，系统工作在半双工模式。

在上述系统当中，假设中继节点配备了两根天线来实现全双工模式，并且哪一根天线用来接收信息，哪一根天线用来发送信息都是预先设定好的。因此，当中继节点工作在半双工的时候，也只能用一个天线来接收信息，另一根天线发送信息。这样就造成了频谱效率的缺失。由于中继节点配备了两根天线，可以考虑使系统工作在半双工的时候，两根天线均用来接收与发送信息。

全双工中继系统中，消除残留自干扰带来的影响，最大化系统的传输速率，可以通过两种方式实现：一是提升全双工自干扰消除能力；二是采用混合双工机制。当节点的自干扰消除能力固定以后，可以采用混合双工机制可以实现系统性能的提升。结合全双工模式最少需要两根天线来实现同时同频传输的特性，可以考虑在全双工瞬时残留自干扰较高，系统切换到半双工模式的时候，利用所有的天线进行正交的接收与传输。从而利用所有的硬件资源，实现性能的提升，即实现从源节点到目的节点的传输速率的最大化。

图1为工作在全双工模式下的系统模型，图2为工作在半双工模式下的系统模型。假设系统由源节点S、中继节点R、目的节点D组成。源节点S和目的节点D之间存在直传链路，信息只能通过中继节点进行传输。假设源节点S配备了一根天线并且只有发射模块，目的节点D配备了一根天线并且只配备了接收模块。因此源节点S和目的节点D均只能工作在半双工状态。假设中继节点配备了两根天线，每根天线均配备了发射模块和接收模块，并且能够工作在全双工模式，即：同时同频发射与接收信号。

全双工模式：当系统工作在全双工模式的时候，中继节点的两根天线Ant-1和Ant-2分别连接接收与发送模块。至于每根天线具体连什么模块将在下面讲解。连接好了之后，中继节点接收来自源节点S的信息，解码出来之后，立即转发给目的节点D，而不用等到下一个时隙。

半双工模式：当系统工作在半双工模式的时候，中继节点分别同时连接到接收模块与发射模块。在该模式下，系统内的一个时隙分成两个子时隙。第1个子时隙，两根天线均连接到接收模块，接收来自源节点的信息，第2个子时隙两根天线同时连接到发射模块，转发译码出来的信息给目的节点D。

根据本发明提供的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，包括如下步骤：

步骤S1：系统通过现有的信道估计算法估计h_1,1，h_1,2，h_2,1，h_2,2，h_si以及噪声的强度σ²。h_1,1，h_1,2，h_2,1，h_2,2分别表示源节点S到中继节点R的天线Ant-1的信道系数、源节点S到中继节点R的天线Ant-2的信道系数、中继节点R的天线Ant-1到目的节点的信道系数、中继节点R的天线Ant-2到目的节点的信道系数；同时源节点S利用控制信道发送自己的系统参数P_S给中继节点。(在本发明中假设中继节点为整个系统的控制节点)。

步骤S2：中继节点根据已知的信息得到h_min,1＝min{h_1,1,h_2,2}，h_min,2＝min{h_1,2,h_2,1}。比较|h_min,1|和|h_min,2|的大小。当|h_min,1|＜|h_min,2|，全双工模式下采用Ant-1发送信号，Ant-2接收信号；当|h_min,1|＞|h_min,2|的时候采用天线Ant-1接收信号，Ant-2发送信号。

步骤S3：确定好每根天线对应的收发功能之后，中继节点根据得到的参数计算不同链路的信干噪比(SINR)

γ_s,d＝P_S|h_sd|²/σ²

式中：γ_f,r表示全双工模式下中继节点与源节点之间的信道的信干噪比，k_R表示全双工中继节点的自干扰消除能力，σ表示系统受到的高斯噪声的标准差，γ_f,d表示全双工模式下中继节点与目的节点之间的信道的信干噪比，γ_s,d表示源节点与目的节点之间的信道的信干噪比，h_sd表示系统源节点与目的节点之间的信道系数；h₁表示全双工收发天线选定之后源节点S与中继节点之间的信道系数，h₂表示全双工收发天线选定之后中继节点R与目的节点D之间的信道系数。

步骤S4：接着计算该系统在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统SINR：

γ_FD表示在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统的信噪比。

步骤S5：根据以上结果计算该系统在全双工模式下系统容量C_fd；

C_fd＝log₂(1+γ_FD)

步骤S6：中继节点根据估计得到的信道状态信息，计算采用最大比合并(MRC)和最大比传输(MRT)技术工作时，半双工模式下的链路信干燥比：

γ_s,d＝P_S|h_sd|²/σ²

式中：γ_h,r表示半双工模式下源节点与中继节点之间的信道的信干噪比，γ_h,d表示半双工模式下中继节点与目的节点之间的信道的信干噪比，h_sd表示源节点S与目的节点之间的信道系数。

步骤S7：中继节点计算在半双工模式下放大转发协议和译码转发协议下的系统SINRγ_HD，计算公式如下：

步骤S8：基于以上结果计算在半双工模式下的可达容量C_HD，计算公式如下：

步骤S9：基于瞬时频谱效率选择最佳的工作模式，具体如下：当C_FD＞C_HD的时候，中继节点选择工作在全双工模式，当C_FD＜C_HD的时候，中继节点选择工作在半双工模式。

在以上步骤中，如果假设源节点与目的节点之间的直传链路并不存在，那么把γ_s,d设置为0即可。

全双工单向中继系统如图5所示，半双工源节点在全双工中继节点的帮助下向目的节点发送信息。假设源节点S与目的节点之间可能存在直接链路。由于中继节点具有全双工传输以及半双工传输的能力，为了最大化从源节点到目的节点的信息传输速率，设计合理有效的混合双工机制是一个重要的问题。具体实施步骤：

步骤A1：系统首先采用现有的技术进行信道估计，信令控制，参数传递等步骤。

步骤A2：中继节点根据获取到的信道状态信息以及系统参数设置(包括传输功率，噪声水平，残留自干扰水平等)，对全双工模式和半双工模式下的传输速率C_HD，C_FD进行计算。

步骤A3：为了最大化传输速率，中继节点比较C_HD，C_FD的大小，并且选择传输速率更高的模式，按照我们提出的混合双工机制进行工作，即：半双工模式下，两根天线均同时连接到接收模块或者发送模块进行信息的接收与转发；全双工模式下，两根天线按照选择机制分别连接接收模块和发送模块，实现同时同频传输。

基于以上机制，可以最大化从源节点S到目的节点D的信息传输速度。值得注意到的是本发明提供的方法虽然是在中继系统下进行设计的，但是能够很容易的扩展到其他通信系统，例如蜂窝网络系统，或者无线WIFI系统。

本发明中的实现方法能够充分利用系统资源，引入多天线分集增益。本发明采用的混合双工机制能够有效提升系统容量，由于混合双工系统性能受限于半双工系统性能。该机制能够有效提升半双工系统传输速率，相当于提升了系统的速率下界，从而提升系统容量。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：估计信道状态信息；

步骤2：根据天线选择机制，选定天线的收发模式；

步骤3：根据得到的参数计算不同链路的信干噪比；

步骤4：计算在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统信干噪比；

步骤5：计算在全双工模式下的系统容量C_fd；

步骤6：根据估计得到的信道状态信息，计算采用最大比合并MRC和最大比传输MRT技术工作时，半双工模式下的链路信干燥比；

步骤7：计算在半双工模式下放大转发协议和译码转发协议下的系统信干噪比γ_HD；

步骤8：计算在半双工模式下的可达容量C_HD；

步骤9：基于瞬时频谱效率选择工作模式；

所述步骤1包括：估计h_1,1，h_1,2，h_2,1，h_2,2以及噪声的强度σ²，其中：h_1,1，h_1,2，h_2,1，h_2,2分别表示源节点S到中继节点R的天线Ant-1的信道系数、源节点S到中继节点R的天线Ant-2的信道系数、中继节点R的天线Ant-1到目的节点的信道系数、中继节点R的天线Ant-2到目的节点的信道系数；同时源节点S利用控制信道发送自己的系统参数P_S给中继节点，中继节点R发送自己的系统参数P_R给目的节点；

所述步骤2包括：中继节点根据已知的信息得到h_min,1＝min{h_1,1,h_2,2}，h_min,2＝min{h_1,2,h_2,1}，并比较|h_min,1|和|h_min,2|的大小；

当|h_min,1|≤|h_min,2|，全双工模式下采用Ant-1发送信号，Ant-2接收信号；当|h_min,1|≥|h_min,2|的时候采用天线Ant-1接收信号，Ant-2发送信号；即|h_min,1|＝|h_min,2|时，能够任意选择天线的收发模式。

2.根据权利要求1所述的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，其特征在于，所述步骤3中不同链路的信干噪比的计算公式如下：

γ_s,d＝P_S|h_sd|²/σ²

式中：γ_f,r表示全双工模式下中继节点与源节点之间的信道的信干噪比，k_R表示全双工中继节点的自干扰消除能力，σ表示系统受到的高斯噪声的标准差，γ_f,d表示全双工模式下中继节点与目的节点之间的信道的信干噪比，γ_s,d表示源节点与目的节点之间的信道的信干噪比，h_sd表示系统源节点与目的节点之间的信道系数；h₁表示全双工收发天线选定之后源节点S与中继节点之间的信道系数，h₂表示全双工收发天线选定之后中继节点R与目的节点D之间的信道系数。

3.根据权利要求1所述的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，其特征在于，所述步骤4中在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统信干噪比的计算公式如下：

式中：γ_FD表示在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统的信噪比，AF表示放大转发协议，DF表示解码转发协议；

γ_f,r表示全双工模式下中继节点与源节点之间的信道的信干噪比，γ_f,d表示全双工模式下中继节点与目的节点之间的信道的信干噪比。

4.根据权利要求1所述的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，其特征在于，所述步骤5中系统容量C_fd的计算公式如下：

C_fd＝log₂(1+γ_FD)，γ_FD表示在全双工模式放大转发协议和译码转发协议下的系统的信噪比。

5.根据权利要求1所述的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，其特征在于，所述步骤6中半双工模式下的链路信干燥比的计算公式如下：

γ_s,d＝P_S|h_sd|²/σ²

式中：γ_h,r表示半双工模式下源节点与中继节点之间的信道的信干噪比，γ_h,d表示半双工模式下中继节点与目的节点之间的信道的信干噪比，h_sd表示源节点S与目的节点之间的信道系数，σ表示系统受到的高斯噪声的标准差，γ_s,d表示源节点与目的节点之间的信道的信干噪比。

6.根据权利要求1所述的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，其特征在于，所述步骤7中系统信干噪比γ_HD的计算公式如下：

其中，γ_s,d表示源节点与目的节点之间的信道的信干噪比，γ_f,r表示全双工模式下中继节点与源节点之间的信道的信干噪比，γ_h,r表示半双工模式下源节点与中继节点之间的信道的信干噪比，γ_h,d表示半双工模式下中继节点与目的节点之间的信道的信干噪比。

7.根据权利要求1所述的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，其特征在于，所述步骤8中在半双工模式下的可达容量C_HD的计算公式如下：

其中，γ_HD表示在半双工模式下放大转发协议和译码转发协议下的系统信干噪比。

8.根据权利要求1所述的基于分集增益的全双工半双工混合中继实现方法，其特征在于，所述步骤9包括：基于瞬时频谱效率选择最佳的工作模式，

具体地：当C_FD＞C_HD时，中继节点选择工作在全双工模式；当C_FD＜C_HD时，中继节点选择工作在半双工模式；当C_FD＝C_HD时，中继节点选择工作在全双工模式或者半双工模式，C_FD表示全双工模式下每一赫兹的信道带宽可以达到的最大传输速率。

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