CN106572542B - 机会同频全双工/双向中继的时间/功率资源分配方法 - Google Patents

机会同频全双工/双向中继的时间/功率资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机会同频全双工/双向中继的联合最优时间/功率资源分配方法；包括以下步骤：1)估计信道参数并计算可达速率；2)最优时间资源分配；3)最优中继功率分配；4)信源间进行数据信息传输。本发明能够确保在不降低同频全双工中继频谱效率的条件下，提升了系统在残余自干扰、链路及用户业务需求非对称场景下中继系统的中断概率性能。本发明具有资源利用率高、实现复杂度低等特点，能够很好的应用于无线中继网络场景中。

Description

机会同频全双工/双向中继的时间/功率资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域的全双工中继和双向中继技术，为一种机会同频全双工/双向中继，尤其涉及一种机会同频全双工/双向中继的联合最优时间/功率资源分配方法。
背景技术
全双工通信技术能够同时同频发送和接收信号，是一种潜在的提高无线通信频谱效率的方法。“Hyungsik Ju；Eunsung Oh；Daesik Hong,"Catching resource-devouringworms in next-generation wireless relay systems:two-way relay and full-duplexrelay,"IEEE Commun.Mag., vol.47,no.9,pp.58-65,Sept.2009”。全双工中继和双向中继作为解决频谱效率损失问题的潜在技术得到了学术界的广泛关注。然而，全双工中继会引入很强的自干扰，这也成为全双工技术在实际应用中面临的主要挑战。目前，仅利用现有的自干扰抑制技术(如模拟自干扰抑制、数字自干扰抑制、空间自干扰抑制)，自干扰很难得到理想消除“M.Jain；J.Choi；T.Kim；D. Bharadia,S.Seth；K.Srinivasan；P.Levis；S.Katti；P.Sinha,"Practical,real-time,full duplex wireless,"in Proc.2011ACM MobiCom”。
双向中继技术通过将多路数据流合并，同样能够提升中继系统频谱效率，获得空间分集增益。各种无线标准都应用了中继网络，比如蜂窝网、ad hoc等。但是由于无线信道的多接入特性,双向中继网络也面临许多挑战，比如有效的信道资源分配、频谱效率、对中继两侧信道和数据速率的对称性有很高要求。“Y.Xu；X.Xia,K.Xu；D.Zhang,"On thehybrid relaying protocol for time division broadcasting,"IEEE Transactions onEmerging Telecommunications Technologies,vol.26,no.5,pp.893-904,Nov.2015”。
为了进一步提升中继系统性能，现有的全双工中继和双向中继传输策略的研究以及专利成果如下：
1、2011年，T.Riihonen等人提出了一种混合的全双工/半双工中继策略。根据实时信道状态来选择全双工中继模式或者半双工中继模式，并到达提升了系统的频谱效率的目的。
2、2012年，J.N.Lanema等人首次提出了半双工中继的选择解码转发(selectivedecode-and-forward,SDF)策略，其主要思路是：只要信源-中继链路不中断，中继就采用协同传输转发信源信息；反之，则采用直达链路直接传输。2013年，M.Khafagy等人研究了SDF策略在全双工中继场景下的中断概率性能。
3、2013年，H.Liu,V.Jamali等人研究了基于DF的中继端带有缓存器的双向中继网络, 中继转换不同的工作模式来最大化系统吞吐量。
4、桂林电子科技大学提出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。
5、上海交通大学提出一种非对称速率下全双工双向中继系统功率优化方法，包括：步骤 1：建立全双工双向中继通信系统，初始化功率分配因子；步骤2：测量各个节点的状态信息，所述状态信息包括：各个节点接收和发送的功率、各个节点的自干扰信息以及各个节点相互交换数据时的信道系数；步骤3：根据各个节点的状态信息以及功率分配因子的值判别所述功率分配因子是否需要调整，并按照判别结果调整功率分配因子的值，直到所述全双工双向中继通信系统的总速率和最大；步骤4：按照总速率和最大时的功率分配方案分配功率资源。本发明建立了全双工模式的中继协作通信机制，减少了时隙开销，增大了系统吞吐量和传输效率。
6、中国科学院信息工程研究所提出一种全双工中继装置、全双工中继传输控制方法及系统，该方法包括：获取能量采集信息、能量存储信息和各信道状态的历史信息，根据所述信道状态的历史信息、所述能量采集信息、能量存储信息及信道状态预测信息，以系统最大吞吐量为优化目标，通过迭代计算，确定工作模式选择、发射功率调整和目的节点选择的最优值，进而得出所述将能量存储装置工作状态决策信息，进而控制能量存储装置的工作状态。本发明可实现全双工能量采集，并可使得全双工能量采集系统为全双工中继供电，以避免中继在“开”和“关”状态的频繁切换，进而可以提高系统吞吐量。
7、上海交通大学提出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。
8、北京邮电大学提出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。
在实际无线通信环境中，由于节点移动性、无线信道时变性以及无线通信业务的非对称性等因素的影响，信道和数据速率的非对称情况是普遍存在的。由于中继两端链路及用户业务需求非对称的普遍存在以及RSI等因素的影响，全双工中继和双向中继系统并不能始终保持最优的性能。现有研究通过简单的全双工、半双工中继模式选择，一定程度上弥补了各种非理想因素引起的性能恶化，但也降低了全双工带来的频谱效率增益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术的不足，提供一种机会同频全双工/双向中继的联合最优时间/功率资源分配方法，本机会同频全双工/双向中继的联合最优时间/功率资源分配方法在无线通信网络中，能够提高系统在链路及用户业务非对称场景下系统中断性能的联合最优时间/功率资源分配方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：机会同频全双工/双向中继的联合最优时间/功率资源分配方法，其特征在于：
(1)机会同频全双工/双向中继系统由两个信源Sj(j＝1,2)和中继R组成；两个信源通过中继R交换信息；信源Sj(j＝1,2)和中继R通过发送的导频或训练序列来测量信源Sj(j＝1,2) 与中继R之间以及中继R自干扰信道的信道状态信息；所述信道状态信息包括：信源 Sj(j＝1,2)与中继R之间以及中继R自干扰信道的衰落因子和数据速率需求；根据测量结果，分别计算数据速率需求非对称程度η、全双工(FDR)模式下的可达速率和双向中继(TWR) 模式下的可达速率
(2)最优时间资源分配：整个传输过程可分为三个子时隙：第一个子时隙采用FDR模式传输S1→R→S2方向的数据，子时隙持续时间为T1；第二个子时隙采用TWR模式传输 S1→R←S2方向的数据，子时隙持续时间为T2；第三个子时隙采用FDR模式传输 S1←R←S2方向的数据，子时隙持续时间为T3；根据三个子时隙的时间分配，可以分为三种情况：
情况1：T1≠0且T3≠0
当时，中继R两端链路对称性较高，且信源S2数据速率需求接近于信源S1；分配给FDR模式链路S1→R→S2方向的时间为T1，TWR模式时间为T2，FDR 模式链路S1←R←S2方向的时间为T3；
情况2：T3＝0
当时，S1-R链路远差于S2-R链路，且信源S1数据速率需求远小于信源S2；不分配给FDR模式链路S1←R←S2方向时间；分配给FDR模式链路S1→R→S2方向的时间为T1，TWR模式时间为T2；
情况3：T1＝0
当时，S2-R链路远差于S1-R链路，且信源S2数据速率需求远小于信源S1；不分配FDR模式链路S1→R→S2方向时间；分配给FDR模式链路方向S1←R←S2的时间为T3，TWR模式时间为T2；
(3)最优中继功率分配：根据不同的模式，功率分配可分为：采用TWR模式传输数据信息时，中继功率设置为最大中继发送功率采用FDR模式传输数据信息时，中继功率设置为或
(4)数据信息传输根据不同的模式，分为以下两种：
模式1：采用FDR模式：根据FDR模式不同时隙的链路方向，发送端信源数据信息发送给中继R；同时，全双工模式下的中继R将放大后的信息转发给接收端信源，从而接收端信源得到对方信源的数据信息；即全双工模式下的中继R将放大后的信息转发给接收端信源；另外，发送短信源和接收短信源是相对的，分别是信源Sj(j＝1,2)中的一个和另一个；
模式2：采用TWR模式：第一个时隙，两个信源Sj(j＝1,2)同时将各自的数据信息发送给中继R；第二个时隙，中继R将接收到的两路数据信息合并，同时放大转发给两个信源Sj(j＝1,2)；信源Sj(j＝1,2)根据各自发送的数据信息和已知的信道参数，去除已知干扰信号后，得到对方信源的数据信息。
进一步的，TWR模式的可达速率和FDR模式的可达速率为：
信源Sj与中继R(Sj-R)之间的信道满足互易性，并表示为hjR；中继R自干扰信道为hRR；令r1表示信源S1到S2的数据速率需求，r2表示信源S2到S1的数据速率需求；η＝r1/r2表示速率需求非对称程度；所有信道为准静态信道，即信道衰落因子在一个数据交换周期内保持不变，并且所有信道相互独立；
(1)FDR模式下的可达速率
链路方向为S1→R→S2时，S2接收信号的信干噪比可以表达为：
其中，Pj代表信源Sj的发送功率，PR代表中继R的发送功率；链路方向为S1←R←S2时，S1接收信号的信干噪比可以表达为：
根据接收信干噪比，FDR模式下链路方向S1→R→S2和S1←R←S2的可达速率可以分别表示为
(2)TWR模式下的可达速率
信源S1和S2的接收信干噪比可以分别表示为
根据接收信干噪比，TWR模式下链路方向S1→R→S2和S1←R←S2的可达速率可以分别表示为
进一步的，其中时隙分配方法为：
根据三个时隙的时间分配，可以分为三种情况：
情况1：T1≠0且T3≠0
当时，中继两端链路对称性较高，且信源S2数据速率需求接近于信源S1；时隙分配问题可以表示为
其中，η＝r1/r2表示数据速率需求非对称程度；
利用线性规划的方法对上述问题求解，即可得到时隙分配方案；
情况2：T3＝0
当时，S1-R链路远差于S2-R链路且信源S1数据速率需求远小于信源S2，无需分配进行时间资源进行链路S1←R←S2的全双工传输；若将时间全部分配给TWR模式；若分配给FDR模式链路S1→R→S2方向的时间和TWR模式时间可以表示为
情况3：T1＝0
当时，S2-R链路远差于S1-R链路且信源S2数据速率需求远小于信源S1，无需分配进行时间资源进行链路S1→R→S2的全双工传输；若将时间全部分配给TWR模式；若分配给FDR模式链路方向S1←R←S2的时间和TWR模式时间可以表示为
进一步的，其中所述的TWR模式和FDR模式下最优功率分配为：
模式1：TWR模式
采用TWR模式传输数据信息时，最优中继功率为最大中继发送功率，即其中表示最大中继发送功率；
模式2：FDR模式
采用FDR模式传输数据信息时，最优中继功率与发送功率、最大中继功率和信道衰落因子相关；当链路方向为S1→R→S2时，中继发送功率为PR1；最优中继功率可以表示为
类似的，当链路方向为S1←R←S2时，中继发送功率为PR2；最优中继功率可以表示为
进一步的，其中所述的全双工中继(FDR)模式传输：
在t时刻，信源Sj发送信号xj到中继R；中继R接收的信号中不能忽略来自自干扰信道hRR的影响；同时中继将放大转发信号tj给接收端信源；链路方向S1→R→S2时，中继R收到来自S1和信源S2接收的中继信号可以分别表示为
类似的，链路方向S1←R←S2时，中继R收到来自S2和信源S1接收的中继信号可以分别表示为
其中，nR∈CN(0,1)和nj∈CN(0,1)分别表示在R和Sj处的加性高斯白噪声；中继放大信号tj为其中βj为放大系数，可以表示为
进一步的，所述的双向中继(TWR)模式传输：
第一个时隙，信源S1和S2同时向中继R发送信号x1和x2，也称为多址接入阶段；中继R 接收信号可以表示为
第二个时隙，中继R放大转发信号给两个信源，也称为广播阶段；Sj接收信号可以表示为
其中，ρ为放大系数；
鉴于Sj已知自己的发送信号xj并假设信道参数已知，因此，根据接收信号并去除已知干扰信号，S1和S2得到的有用信号可以分别表示为
采用本发明针对现有的全双工中继系统在实际普遍存在的中继两端链路及用户业务需求非对称及残余自干扰等因素的影响下，不能始终保持最优性能等问题，提出了一种机会同频全双工/双向中继的联合最优时间/功率资源分配方法。本发明将机会同频全双工/双向中继策略建模为一个联合最优时间/功率资源优化问题。当S1-R的链路远差于S2-R的链路，且信源S1数据速率需求远小于信源S2时，不再分配时间给全双工模式链路S1←R←S2方向；当S2-R的链路远差于S1-R的链路，且信源S2数据速率需求远小于信源S1时，不再分配时间给全双工模式链路S1→R→S2方向。本发明根据信道状态信息，优化时间和功率资源分配，有效提高系统性能，具有资源利用率高、实现复杂度低等特点，能够很好地应用于无线中继网络场景中。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
图2是本发明的时间资源分配模型示意图。
图3是本发明的全双工中继模式示意图。
图4是本发明的双向中继模式示意图。
图5是本发明的不同信噪比下中断概率性能比较图。
图6是本发明的不同信源数据速率需求下中断概率性能比较图。
图7是本发明的不同自干扰方差下中断概率性能比较图。
图8是本发明的不同信噪比下三种时间资源所占比例性能比较图。
下面结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，一下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了机会同频全双工/双向中继的联合最优时间/功率资源分配方法，结合附图说明如下：
参见图1、图2、图3和图4，本发明的步骤包括：
步骤1：机会同频全双工/双向中继系统由两个信源Sj(j＝1,2)和中继R组成。两个信源通过中继交换信息。信源和中继通过发送的导频或训练序列来测量信源与中继之间以及中继自干扰信道的信道状态信息，包括：信源与中继之间以及中继自干扰信道的衰落因子和数据速率需求。信道测量方法采用华为技术有限公司提出的一种信道估计方法“华为技术有限公司.信道估计方法及装置.中国专利：105337906A[P],2016-02-17”。根据测量结果，分别计算数据速率需求非对称程度η、全双工(FDR)模式下的可达速率和双向中继(TWR)模式下的可达速率
信源Sj与中继R(Sj-R)之间的信道满足互易性，并表示为hjR。中继自干扰信道为hRR。令r1表示信源S1到S2的数据速率需求，r2表示信源S2到S1的数据速率需求，η＝r1/r2表示速率需求非对称程度。所有信道为准静态信道，即信道衰落因子在一个数据交换周期内保持不变，并且所有信道相互独立；
(1)FDR模式下的可达速率
链路方向为S1→R→S2时，S2接收信号的信干噪比可以表达为：
其中，Pj代表信源Sj的发送功率，PR代表中继R的发送功率。链路方向为S1←R←S2时，S1接收信号的信干噪比可以表达为：
根据接收信干噪比，FDR模式下链路方向S1→R→S2和S1←R←S2的可达速率可以分别表示为
(2)TWR模式下的可达速率
信源S1和S2的接收信干噪比可以分别表示为
根据接收信干噪比，TWR模式下链路方向S1→R→S2和S1←R←S2的可达速率可以分别表示为
步骤2：最优时间资源分配。如图2所示，整个传输过程可分为三个子时隙：第一个子时隙采用FDR模式传输S1→R→S2方向的数据，子时隙持续时间为T1；第二个子时隙采用TWR模式传输S1→R←S2方向的数据，子时隙持续时间为T2；第三个子时隙采用FDR模式传输S1←R←S2方向的数据，子时隙持续时间为T3。根据三个子时隙的时间分配，可以分为三种情况：
情况1：T1≠0且T3≠0
当时，即中继两端链路对称性较高，且信源S2数据速率需求接近于信源S1。根据步骤1估算的可达速率和数据速率需求非对称的程度η，最优时间资源分配可以利用线性规划求得最优解。具体过程如下:
链路S1-R-S2和链路S2-R-S1的可达速率可以分别表示为
当I1或I2小于目标速率，则认为中断事件发生，所以机会全双工/双向中继策略的中断概率表达式可以写为
Pr{(I1＜r1)or(I2＜r2)}
＝Pr{min{I1,ηI2}＜r1}
η＝r1/r2为速率需求非对称的程度。以最优中断性能为准则确定三个子时隙的时间分配方案。分配方案可归纳为以下问题
s.t.T1+T2+T3＝1
这里不失一般性，我们对每个时隙的时间作归一化处理，即总时间T＝1。机会全双工/双向中继策略的时间分配问题也可重写为
其中，r＝min{I1,ηI2}。
对上述问题求解，即可得到中断概率最优时间资源分配方案。注意到问题的目标函数和约束均为线性函数，因此为线性规划问题，可以使用Matlab、Maple等软件求解，复杂度很低。
情况2：T3＝0
当时，S1-R的链路远差于S2-R的链路，且r2所需的数据速率远小于r1，无需分配进行时间资源进行链路S1←R←S2的全双工传输，即T3＝0。此时，时间最优分配问题可以归纳为
由此，可以得到最优时间资源分配方案为
综上所述，当时，若将时间全部分配给TWR模式，不分配给FDR模式时间。若不分配时间给FDR模式链路S1←R←S2方向，分配给FDR 模式链路S1→R→S2方向的时间为TWR模式时间为
情况3：T1＝0
当时，即S2-R的链路远差于S1-R的链路，且r1所需的数据速率远小于r2，无需分配进行时间资源进行链路S1→R→S2的全双工传输，即T1＝0。此时，时间最优分配问题可以归纳为
由此，可以得到最优时间资源分配方案为
综上所述，当时，即S2-R链路远差于S1-R链路，且信源S2数据速率需求远小于信源S1时，若将时间全部分配给TWR模式，不分配给FDR模式时间。若不分配时间给FDR模式链路S1→R→S2方向，分配给FDR模式链路方向 S1←R←S2的时间为TWR模式时间为
步骤3：最优中继功率分配。根据不同的模式，功率分配分为：采用TWR模式传输数据信息时，中继功率设置为最大中继发送功率采用FDR模式传输数据信息时，中继功率设置为或具体如下：
模式1：TWR模式
采用TWR模式传输数据信息时，最优中继功率为最大中继发送功率，即其中表示最大中继发送功率。
模式2：FDR模式
采用FDR模式传输数据信息时，最优中继功率与发送功率、最大中继功率和信道衰落因子相关。当链路方向为S1→R→S2时，中继发送功率为PR1。最优中继功率可以表示为
类似的，当链路方向为S1←R←S2时，中继发送功率为PR2。最优中继功率可以表示为
步骤4：数据信息传输。数据信息传输根据不同的模式，分为以下两种：
模式1：采用FDR模式。
在t时刻，信源Sj发送信号xj到中继R。R接收的信号中不能忽略来自自干扰信道hRR的影响。同时中继将放大转发信号tj给接收端信源。链路方向S1→R→S2时，中继R收到来自S1和信源S2接收的中继信号可以分别表示为
类似的，链路方向S1←R←S2时，中继R收到来自S2和信源S1接收的中继信号可以分别表示为
其中，nR∈CN(0,1)和nj∈CN(0,1)分别表示在R和Sj处的加性高斯白噪声。中继放大信号tj为其中βj为放大系数，可以表示为
模式2：采用TWR模式。
第一个时隙，信源S1和S2同时向中继发送信号x1和x2，也称为多址接入阶段。中继接收信号可以表示为
第二个时隙，中继放大转发信号给两个信源，也称为广播阶段。Sj接收信号可以表示为
其中，ρ为放大系数；
鉴于Sj已知自己的发送信号xj并假设信道参数已知，因此，根据接收信号并去除已知干扰信号，S1和S2得到的有用信号可以分别表示为
仿真验证
为了验证本节给出机会全双工/双向中继的联合最优时间/功率资源分配方法的性能，仿真了链路及用户业务需求非对称场景下，中断概率与发送功率、信源数据速率需求以及自干扰方差之间的关系，并与传统的TWR策略和FDR策略的中断概率性能作为对比。对于TWR 策略，假设中继发送功率为PS，对于FDR策略和机会全双工/双向策略，考虑两种功率分配1)和2)(实现最优中断性能)两种情况。本节假设所有信道服从Nakagami-m分布，并且msr＝mrd＝msd＝mrr＝m＝1。图5、图7和图8 中假设πs1＝1，πs2＝2，πrr＝0.01，r1＝r2＝2bits/s/Hz。图6中假设πs1＝πs2＝1，πrr＝0.01， r2＝2bits/s/Hz。
图5给出了不同策略中断概率随信源发送功率SNR变化趋势，其中SNR定义为SNR＝Ps。由图5可以看到，机会全双工/双向中继策略具有最优的中断概率性能。较于采用功率分配方案的策略，采用最优功率的策略始终具有较好的中断概率性能。另一方面，TWR策略在高SNR区域优于FDR策略。这是由于自干扰功率随发送功率增加而增加，从而限制了FDR策略的性能。
图6给出中断概率性能随目标速率r1的变化曲线。其中发送功率为SNR＝20dB。不同目标速率条件下，机会全双工/双向中继策略具有最优中断概率性能。这是由于当自干扰信道较强时，机会策略分配给TWR较多资源，当信道和速率非对称加剧时，分配更多资源给FDR。此外，采用最优功率分配方案时，机会全双工/双向策略具有较好的中断概率性能。
图7仿真了三种策略的中断概率随自干扰信道方差的变化曲线。随着增加，FDR和机会全双工/双向中继策略的中断概率性能下降。此外，可以看到FDR与TWR策略之间存在自干扰门限。当自干扰信道方差低于门限值时，FDR策略具有较好的中断概率，反之，TWR 策略优于FDR策略。另一方面，自干扰信道方差对机会全双工/双向中继策略的影响远小于对FDR的影响。当自干扰功率较大时，机会全双工/双向中继策略向TWR策略分配资源较多，因此提高了机会全双工/双向策略对自干扰具有鲁棒性。
图8仿真了机会全双工/中继策略时间分布随发送功率SNR的变化曲线。从图中可以看出，当SNR＝10dB时，采用TWR策略的时间T2为0；当SNR＝35dB时，TWR策略的时间远大于采用FDR策略的时间T1和T3。随SNR的增加，FDR策略的时间T1和T3下降，TWR策略的时间T2上升。由图5我们已经得出结论，TWR的中断性能在高SNR条件下优于FDR，反之，FDR的中断性能优于TWR。因此，机会全双工/双向策略在低SNR条件下分配给FDR 策略更多时间资源，从而获得性能增益，反之，分配给TWR策略更多时间资源。此外，当采用最优功率分配时，FDR策略的性能提升，从而FDR获得了更多的时间资源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种机会同频全双工/双向中继的时间/功率资源分配方法，其特征在于：
(1)机会同频全双工/双向中继系统由两个信源Sj(j＝1,2)和中继R组成；两个信源通过中继R交换信息；信源Sj(j＝1,2)和中继R通过发送的导频或训练序列来测量信源Sj(j＝1,2)与中继R之间以及中继R自干扰信道的信道状态信息；所述信道状态信息包括：信源Sj(j＝1,2)与中继R之间以及中继R自干扰信道的衰落因子和数据速率需求；根据测量结果，分别计算数据速率需求非对称程度η、全双工(FDR)模式下的可达速率和双向中继(TWR)模式下的可达速率
(2)最优时间资源分配：整个传输过程可分为三个子时隙：第一个子时隙采用FDR模式传输S1→R→S2方向的数据，子时隙持续时间为T1；第二个子时隙采用TWR模式传输S1→R←S2方向的数据，子时隙持续时间为T2；第三个子时隙采用FDR模式传输S1←R←S2方向的数据，子时隙持续时间为T3；根据三个子时隙的时间分配，可以分为三种情况：
情况1：T1≠0且T3≠0
当时，即中继两端链路对称性较高，且信源S2数据速率需求接近于信源S1；根据步骤1估算的可达速率和数据速率需求非对称的程度η，最优时间资源分配可以利用线性规划求得最优解，具体过程如下:
链路S1-R-S2和链路S2-R-S1的可达速率可以分别表示为
当I1或I2小于目标速率，则认为中断事件发生，所以机会全双工/双向中继策略的中断概率表达式可以写为
Pr{(I1＜r1)or(I2＜r2)}＝Pr{min{I1,ηI2}＜r1}
η＝r1/r2为速率需求非对称的程度，以最优中断性能为准则确定三个子时隙的时间分配方案；分配方案可归纳为以下问题
s.t.T1+T2+T3＝1
这里不失一般性，我们对每个时隙的时间作归一化处理，即总时间T＝1，机会全双工/双向中继策略的时间分配问题也可重写为
其中，r＝min{I1,ηI2}；
对上述问题求解，即可得到中断概率最优时间资源分配方案，注意到问题的目标函数和约束均为线性函数，因此为线性规划问题，可以使用Matlab、Maple软件求解，复杂度很低；
情况2：T3＝0
当时，S1-R的链路远差于S2-R的链路，且r2所需的数据速率远小于r1，无需分配进行时间资源进行链路S1←R←S2的全双工传输，即T3＝0；此时，时间最优分配问题可以归纳为
由此，可以得到最优时间资源分配方案为
综上所述，当时，若将时间全部分配给TWR模式，不分配给FDR模式时间；若不分配时间给FDR模式链路S1←R←S2方向，分配给FDR模式链路S1→R→S2方向的时间为TWR模式时间为
情况3：T1＝0
当时，即S2-R的链路远差于S1-R的链路，且r1所需的数据速率远小于r2，无需分配进行时间资源进行链路S1→R→S2的全双工传输，即T1＝0，此时，时间最优分配问题可以归纳为
由此，可以得到最优时间资源分配方案为
综上所述，当时，即S2-R链路远差于S1-R链路，且信源S2数据速率需求远小于信源S1时，若将时间全部分配给TWR模式，不分配给FDR模式时间；若不分配时间给FDR模式链路S1→R→S2方向，分配给FDR模式链路方向S1←R←S2的时间为TWR模式时间为
(3)最优中继功率分配：根据不同的模式，功率分配可分为：采用TWR模式传输数据信息时，中继功率设置为最大中继发送功率采用FDR模式传输数据信息时，中继功率设置为或
模式1：TWR模式
采用TWR模式传输数据信息时，最优中继功率为最大中继发送功率，即其中表示最大中继发送功率；
模式2：FDR模式
采用FDR模式传输数据信息时，最优中继功率与发送功率、最大中继功率和信道衰落因子相关；当链路方向为S1→R→S2时，中继发送功率为PR1；最优中继功率可以表示为
类似的，当链路方向为S1←R←S2时，中继发送功率为PR2；最优中继功率可以表示为
(4)数据信息传输根据不同的模式，分为以下两种：
模式1：采用FDR模式：根据FDR模式不同时隙的链路方向，发送端信源数据信息发送给中继R；同时，中继R将放大后的信息转发给接收端信源，从而接收端信源得到对方信源的数据信息；
模式2：采用TWR模式：第一个时隙，两个信源Sj(j＝1,2)同时将各自的数据信息发送给中继R；第二个时隙，中继R将接收到的两路数据信息合并，同时放大转发给两个信源Sj(j＝1,2)；信源Sj(j＝1,2)根据各自发送的数据信息和已知的信道参数，去除已知干扰信号后，得到对方信源的数据信息；
TWR模式的可达速率和FDR模式的可达速率为：
信源Sj与中继R(Sj-R)之间的信道满足互易性，并表示为hjR；中继R自干扰信道为hRR；令r1表示信源S1到S2的数据速率需求，r2表示信源S2到S1的数据速率需求；η＝r1/r2表示速率需求非对称程度；所有信道为准静态信道，即信道衰落因子在一个数据交换周期内保持不变，并且所有信道相互独立；
(1)FDR模式下的可达速率
链路方向为S1→R→S2时，S2接收信号的信干噪比可以表达为：
其中，Pj代表信源Sj的发送功率，PR代表中继R的发送功率；链路方向为S1←R←S2时，S1接收信号的信干噪比可以表达为：
根据接收信干噪比，FDR模式下链路方向S1→R→S2和S1←R←S2的可达速率可以分别表示为
(2)TWR模式下的可达速率
信源S1和S2的接收信干噪比可以分别表示为
根据接收信干噪比，TWR模式下链路方向S1→R→S2和S1←R←S2的可达速率可以分别表示为
2.根据权利要求1的机会同频全双工/双向中继的时间/功率资源分配方法，其特征在于：其中所述的全双工中继(FDR)模式传输：
在t时刻，信源Sj发送信号xj到中继R；中继R接收的信号中不能忽略来自自干扰信道hRR的影响；同时中继将放大转发信号tj给接收端信源；链路方向S1→R→S2时，中继R收到来自S1和信源S2接收的中继信号可以分别表示为
类似的，链路方向S1←R←S2时，中继R收到来自S2和信源S1接收的中继信号可以分别表示为
其中，和分别表示在R和Sj处的加性高斯白噪声；中继放大信号tj为其中βj为放大系数，可以表示为
3.根据权利要求1的机会同频全双工/双向中继的时间/功率资源分配方法，其特征是：所述的双向中继(TWR)模式传输：
第一个时隙，信源S1和S2同时向中继R发送信号x1和x2，也称为多址接入阶段；中继R接收信号可以表示为
第二个时隙，中继R放大转发信号给两个信源，也称为广播阶段；Sj接收信号可以表示为
其中，ρ为放大系数；
鉴于Sj已知自己的发送信号xj并假设信道参数已知，因此，根据接收信号并去除已知干扰信号，S1和S2得到的有用信号可以分别表示为
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