CN109951266B - 一种基于qam调制的全双工双向中继方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于QAM调制的全双工双向中继方法，其步骤为：在每帧的第1个时隙，用户A和B在QAM信号的同向分量上同时发送各自的第一比特信息，中继R接收混合信息并解码；在每帧的第n个时隙，用户A和B、中继R分别在QAM信号的同向和正交分量上进行信息的收发；在每帧的第N个时隙，中继R转发上一时隙的再生信息，用户A和B接收到中继R的转发信号后，进行解码，分别得到对方上一时隙的发送信息。本发明能够较好地消除中继协作中的互干扰和自干扰问题，实现一种双向中继系统的全双工工作模式，从而提升系统通信的有效性和时延性能；本发明技术实现简单、成本低、配置灵活，既可单独使用，也可与传统全双工技术配合使用。

Description

一种基于QAM调制的全双工双向中继方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体地说，涉及一种基于QAM调制的全双工双向中继方法。

背景技术

中继技术是通信系统对抗信道传输衰落的有效方法。最初的中继方式是对接收信号在物理层进行简单的放大转发，例如有线通信中的中继器与无线通信中的直放站(两者在英文中为同一个词，即Repeater)，由于对降低发送功率和提升系统性能颇有帮助，从而在通信网络中得到广泛应用。不过，这种做法没有充分挖掘中继节点的信号处理潜力，并且缺乏对信道和网络资源(特别是对无线通信)的管理能力，于是一种称为Relay的新型中继技术(在不引起歧义的条件下，后文中继一词即指Relay)应运而生。这种中继技术不仅仅局限于物理层，还可以进行跨层处理，故能够有效利用中继节点的处理能力，功能强大，特别适合于开放环境的无线通信。该技术不仅能够获得提高数据传输速率和传输质量方面的益处，还能有效地扩大网络覆盖范围、覆盖阴影区域、节约能耗，故近年来受到业界的普遍关注，在移动通信网络中得到快速发展和广泛应用。

上述传统中继技术虽有诸多优点，但因工作于“接收--转发”的半双工模式，带来了传输效率的损失，因此如何提升协作通信系统的频谱效率就成为一个迫切需要解决的问题。Rankov等人针对两个终端节点借助中继节点来交换彼此信息这一重要的通信场景，于2007年提出了双向中继的概念与技术。双向中继技术虽然仍工作于半双工模式，但采用两终端节点同时向中继节点发送信号，然后中继节点再把接收到的混合信号广播给两终端节点的方式，实现了在同一个物理信道中同时支持两个单向通信，因此仅仅利用两个节拍(单向中继一般需要四个节拍)就完成了整个协作过程，从而可以有效提升网络吞吐量和提高频谱利用率。所以，双向中继技术一经提出，就激发出人们极大的研究兴趣与热情，研究人员在功率分配、中继选择、节点处理方式、时隙传输模式等诸多方向上对双向中继系统展开了广泛研究。

不过，两节拍中继协议已难以满足现代通信业务量持续激增的需求，例如，移动互联网和物联网各类新型业务及应用不断涌现，将带来约1000倍的数据流量增长以及超过500亿量级的终端设备连接，系统带宽将达到Gbps量级，这让频谱资源的供需矛盾十分突出，人们不得不继续寻找更高频谱效率的通信技术。目前，由于全双工技术在同一时间和同一频率上进行信号收发，可以明显减少频谱效率的损失，已被5G移动通信系统确定为关键技术之一，相应地全双工双向中继技术也进入了人们的视野。但与半全双工相比，全双工双向中继系统在中继节点、源节点和目的节点都存在互干扰与自干扰，所以干扰问题更为严重，干扰消除更加困难。现有方法主要是通过天线隔离、天线波束赋形、模拟域自干扰消除、以及用于消除多径波的数字消除器等技术。由于没有哪一种技术能够完全消除干扰，往往是数种技术联合实施。上述这些方法往往成本很高，而且在抑制干扰信号的同时常常也会削弱有用信号，有诸多局限性，尤其不适用于小型设备。与4G相比，5G网络的小区更小，加之物联网成为其重要部分，导致了小型设备大量涌现，急需更加简易和低成本的全双工中继方案。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于QAM调制的全双工双向中继方法。利用QAM信号同向与正交信号内积为零的特性来消除双向中继系统工作于全双工模式时的干扰问题，从而实现低成本、简易的全双工双向中继技术方案，尤其适合日益增多的小型及便携式无线设备进行高效率的中继通信。

其技术方案如下：

一种基于QAM调制的全双工双向中继方法，包括以下步骤：

假定每帧有N个时隙，调制方式假定为二进制(多进制类似)。

(1)在每帧的第1个时隙，用户A和B在QAM信号的同向分量上同时发送各自的第一比特信息，中继R接收混合信号并解码。

(1.1)用户A和B将各自的第一比特信息都调制到QAM信号的同向分量上，并同时进行发送；

(1.2)中继R接收用户A和B的混合信号，进行解码，形成再生信息。

(2)在每帧的第n(1<n<N)个时隙，用户A和B、中继R分别在QAM信号的同向和正交分量上进行信息的收发。

(2.1)中继R在QAM信号的正交分量上转发第n-1时隙中(1.2)所形成的再生信息；

(2.2)用户A和B接收到中继R的转发信号，进行解码，并去除n-1时隙的自身信息，即可获得对方n-1时隙的发送信息；

(2.3)用户A和B按(1.1)方法发送各自的第n比特信息；

(2.4)中继R按(1.2)的方法处理本时隙接收到的用户A和B的混合信号。

(3)在每帧的第N个(即最后一个)时隙，中继R转发上一时隙的再生信息，用户A和B接收到中继R的转发信号后，进行解码，分别得到对方上一时隙的发送信息。

(3.1)中继R按(2.1)方法转发第N-1时隙中(2.4)所形成的再生信息；

(3.2)用户A和B按(2.2)方法分别获得对方N-1时隙信息。

进一步，其中步骤(1.1)所述的将用户A和B的信息都调制到QAM信号的同向分量上，也可都调制到QAM信号的正交分量上。

进一步，其中步骤(2.1)所述的将中继R的三进制再生信息调制到QAM信号的正交分量上，若用户占用正交分量则中继应将再生信息调制到QAM信号的同向分量上。

进一步，其中步骤(2.2)所述的用户A和B接收到中继R的转发信号，进行解码，并去除n-1时隙的自身信息，即可获得对方n-1时隙的发送信息，按如下方法进行：

(2.2.1)用户i,i∈{A,B}接收到中继R的转发信息为：

r_R,i[n]＝h_R,is_R[n]+η_R,i[n]

式中，s_R[n]表示中继R的发送信号，h_R,i表示信道衰落系数，η_R,i[n]表示高斯白噪声，其中n为离散时间索引。

(2.2.2)接下来，可按如下方法进行检测

式中，

表示中继节点转发的信息在用户节点i处的估计值，式中，sign表示取符号运算、

表示复数进取虚部运算、*表示对复数进行共轭运算、|h_R,i[n]|为对h_R,i[n]取模运算、γ_th为判决门限。

(2.2.3)最后，进行如下运算，用户j即可相互检测得到用户i上一时隙发送的信息，若互换i,j顺序，反之亦然；

式中，～表示模2后再取反运算～|0-1|＝0。

本发明的有益效果为：

1)本发明利用正交信号内积为零的性质，消除中继协作中的互干扰和自干扰问题，实现了一种双向中继系统的全双工工作模式，提升了系统通信的有效性和时延性能。

2)与传统双工技术相比，本发明技术实现简单、成本低、配置灵活，既可单独使用，也可与传统全双工技术配合使用。

附图说明

图1是本发明系统模型图；

图2是本发明调制星座设计图，图2(a)为用户节点的信息调制到同向分量i∈{A,B}，图2(b)是中继节点的信息调制到正交分量；

图3是本发明帧格式设计图；

图4是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1所示，用户节点A和B需要交换信息，但两者之间没有直射链路，可通过中继节点R进行转发，调制方式假定为二进制(多进制类似)，现以一帧为例(假定每帧有N个时隙)，阐述全双工双向中继系统的实现方式和工作过程，具体步骤如下：

步骤1：用户A和B在通信开始时，先在第1时隙上同时发送各自的第一比特信息，中继R接收混合信息并解码。

1.1)用户A和B按图3所示，在第一时隙，将各自的第一比特信息按图2星座所示，都调制到QAM信号的同向分量上，并同时发送，令i∈{A,B}(下同)，则等效基带信号可表示为

式中，E_i为用户i的发送能量(假定等能量发送即E_A＝E_B)，b_i为用户i要发送的信息比特，s_i为用户i的发送信号，方括号中内为时隙序号(下同)。

1.2)中继R接收到用户A和B的混合信息为

r_R[1]＝h_A,Rs_A[1]+h_B,Rs_B[1]+η_R[1]

式中s_i(t)表示用户i发送的复基带信号，h_i,R表示用户i与中继R之间的信道衰落系数(假定信道为慢衰落，在同一帧中衰落系数保持不变)，η_R[1]表示中继节点R处的信道噪声。

接下来，中继R应用最大似然法进行检测，获得再生信息

为

式中，sign表示取符号运算、

表示取复数的实部、*表示对复数进行共轭运算、|h_R[1]|为对h_R[1]取模运算、γ_th为判决门限。可以看到，用户节点是二进制，而中继节点变成了三进制。

步骤2：每帧从第2个时隙开始，用户A和B、中继R分别在QAM信号的同向和正交分量上进行信息的收发，以第n个时隙为例，具体如下：

2.1)中继R按图2(b)的星座图，在QAM信号的正交分量上调制并转发第n-1时隙中1.2)所形成的再生信息

等效基带发送信号可表示为：

式中，E_R为中继R的发送能量。

2.2)用户i接收到中继R的转发信息为：

r_R,i[n]＝h_R,is_R[n]+η_R,i[n]

然后，可按如下方法进行检测

即可得到

在用户节点处的估计值，式中，

表示中继节点转发的信息在用户节点i处的估计值，

表示复数进取虚部运算。

最后，进行如下运算，用户j即可检测得到用户i上一时隙发送的信息(若互换i,j顺序，反之亦然)

式中，～表示模2后再取反运算，例如～|1+1|＝1和～|0-1|＝0。

2.3)用户A和用户B按1.1)方法发送各自的第n组信息：

2.4)中继R按1.2)的方法处理本时隙接收到的接收到用户A和B的混合信号：

中继R接收到的信号为

r_R[n]＝h_A,Rs_A[n]+h_B,Rs_B[n]+η_R[n]

中继R应用最大似然法进行检测，获得再生信息

为

步骤3：每帧的最后一个时隙，即第N个时隙，中继R转发上一时隙的再生信息，用户A和B接收到中继R的转发信号后，进行解码，分别得到对方上一时隙的发送信息，具体为：

3.1)中继R按2.1)方法转发第N-1时隙中2.4)所形成的再生信息：

3.2)用户i按2.2)方法获得对方N-1时隙信息

用户i接收到中继R的转发信息为：

r_R,i[N]＝h_R,is_R[N]+η_R,i[N]

然后，可按如下方法进行检测

即可得到

在用户节点处的估计值。

最后，进行如下运算，用户j即可检测得到用户i上一时隙发送的信息(若互换i,j顺序，反之亦然)

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于QAM调制的全双工双向中继方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在每帧的第1个时隙，用户A和B在QAM信号的同向分量上同时发送各自的第一比特信息，中继R接收混合信号并解码；

(1.1)用户A和B将各自的第一比特信息都调制到QAM信号的同向分量上，并同时进行发送；

(1.2)中继R接收用户A和B的混合信号，进行解码，形成再生信息；

(2)在每帧的第n个时隙，其中，1<n<N，用户A和B、中继R分别在QAM信号的同向和正交分量上进行信息的收发；

(2.1)中继R在QAM信号的正交分量上转发第n-1时隙中(1.2)所形成的再生信息；

(2.2)用户A和B接收到中继R的转发信号，进行解码，并去除n-1时隙的自身信息，即可获得对方n-1时隙的发送信息；

(2.3)用户A和B按(1.1)的步骤发送各自的第n比特信息；

(2.4)中继R按(1.2)的步骤处理本时隙接收到的用户A和B的混合信号；

(3)在每帧的第N个时隙，中继R转发上一时隙的再生信息，用户A和B接收到中继R的转发信号后，进行解码，分别得到对方上一时隙的发送信息；

(3.1)中继R按(2.1)的步骤转发第N-1时隙中(2.4)所形成的再生信息；

(3.2)用户A和B按(2.2)的步骤分别获得对方N-1时隙信息；

其中步骤(2.2)所述的用户A和B接收到中继R的转发信号，进行解码，并去除n-1时隙的自身信息，即可获得对方n-1时隙的发送信息，按如下方法进行：

(2.2.1)用户i,i∈{A,B}接收到中继R的转发信息为：

r_R,i[n]＝h_R,is_R[n]+η_R,i[n]

式中，s_R[n]表示中继R的发送信号，h_R,i表示信道衰落系数，η_R,i[n]表示高斯白噪声，其中n为离散时间索引；

(2.2.2)接下来，可按如下方法进行检测

式中，

表示中继节点转发的信息在用户节点i处的估计值，式中，sign表示取符号运算、

表示复数进取虚部运算、*表示对复数进行共轭运算、|h_R,i[n]|为对h_R,i[n]取模运算、γ_th为判决门限；

(2.2.3)最后，进行如下运算，用户j即可相互检测得到用户i上一时隙发送的信息，若互换i,j顺序，反之亦然；

式中，～表示：模2后再取反运算。

2.根据权利要求1所述的基于QAM调制的全双工双向中继方法，其特征在于，其中步骤(1.1)将用户A和B的信息都调制到QAM信号的同向分量上，或者调制到QAM信号的正交分量上。

3.根据权利要求1所述的基于QAM调制的全双工双向中继方法，其特征在于，其中步骤(2.1)将中继R的三进制再生信息调制到QAM信号的正交分量上，若用户占用正交分量则中继应将再生信息调制到QAM信号的同向分量上。

Images