CN111970740B - 一种无线中继通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线中继通信系统，包括信号源节点、目的节点和N个中继节点。无线中继通信系统根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点。信号源节点在第一时隙将传输信号发送给第n个中继节点，该节点在第二时隙将传输信号重传至目的节点。当上述N个中继节点具有存储功能时，所述中继系统仅包括若干相互独立的第二跳链路，根据对应的预设中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，将传输信号发送至目的节点。本发明技术方案提出了几种中继选择准则来选择最佳的中继来抑制干扰，以辅助数据传输，能有效抑制干扰信号对双跳中继通信系统的影响，提高通信系统抗干扰性。

Description

一种无线中继通信系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线中继通信系统。
背景技术
随着通信覆盖范围和质量要求的不断提高，协同中继技术被认为是一种能够提供更大网络覆盖和容量、提高通信系统性能、提高系统鲁棒性的技术。协同中继通信技术在实际应用中已被广泛使用，其分为两类，包括：透明中继协议和再生中继协议。透明中继协议是对信息不做数字处理，例如只是做放大转发(AF)或者相位旋转等操作。再生中继协议是对信息进行一系列数字处理后进行转发，例如译码转发(DF)和压缩转发(CF)。
而无线存储作为一种可以有效辅助通信的技术，它可以帮助在非高峰流量期间存储一些常用的数据。当有用户请求通信时，缓存可以帮助将文件从网络中的临近节点发送到目的地，信息高峰时段的拥堵问题也能有效缓解。然而，干扰对通信系统的影响是无处不在的，在对干扰抑制的工作不够完善和全面，对现有的无线中继通信系统造成影响。
发明内容
本发明实施例提出一种无线中继通信系统，能有效抑制干扰信号对双跳中继通信系统的影响，提高通信系统抗干扰性。
本发明实施例提供一种无线中继通信系统，包括：信号源节点、目的节点和N个中继节点；其中，所述信号源节点与所述N个中继节点之间通过N条第一跳链路进行通信；所述目的节点与所述N个中继节点之间通过N条第二跳链路进行通信；所述信号源节点和所述N个中继节点均能检测到同一干扰源，且所述干扰源到所述信号源节点和所述N个中继节的每个信道相互独立；N为大于等于2的正整数；
所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点；其中，1≤n≤N；
所述信号源节点在第一时隙将传输信号发送给所述第n个中继节点，所述第n个中继节点在第二时隙将所述传输信号重传至所述目的节点。
进一步的，所述系统接收信干比具体为：
若所述传输信号为x，所述信号源节点的发射功率为PS，中继节点的发射功率为PR，干扰源I的功率为PI，则中继节点和目的节点接收到的信号分别为：
Figure BDA0002616942420000021
Figure BDA0002616942420000022
其中，hS,R，hR,D分别为信号源节点S到中继节点R和中继节点R到目的节点D的信道系数；hI,D，hI,R分别为干扰源I到目的节点D和干扰源I到中继节点R的信道系数；
当所述N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，第n个中继节点的信干比SIR为：
Figure BDA0002616942420000023
其中，第一信道增益un＝|hS,R|2；第二信道增益vn＝|hR,D|2；第三信道增益wn＝|hI,R|2；第四信道增益w＝|hI,D|2；
当所述N个中继节点组成的是有存储功能的中继系统时，第n个中继节点的信干比SIR为：
Figure BDA0002616942420000024
进一步的，所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，具体为：
当所述N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，按照公式
Figure BDA0002616942420000025
选择第一信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
进一步的，所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，具体为：
当所述N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，按照公式
Figure BDA0002616942420000031
选择第二信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
进一步的，所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，具体为：
当所述N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，按照公式
Figure BDA0002616942420000032
选择第三信道增益最小的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
进一步的，所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，具体为：
当所述N个中继节点组成的是有存储功能的中继系统时，按照公式
Figure BDA0002616942420000033
选择第二信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
进一步的，当所述N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，所述N个中继节点有且仅有一条第一跳链路和一条第二跳链路，且每条链路相互独立；
当所述N个中继节点组成的是有存储功能的中继系统时，所述N个中继节点有且仅有一条第二跳链路，且每条链路相互独立。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例提供的无线中继通信系统，包括信号源节点、目的节点和N个中继节点。无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点。信号源节点在第一时隙将传输信号发送给第n个中继节点，第n个中继节点在第二时隙将传输信号重传至目的节点。
当所述N个中继节点组成的是有存储功能的中继系统时，所述N个中继节点有且仅有一条第二跳链路，且每条链路相互独立，根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，第n个中继节点直接将传输信号发送至目的节点。本发明技术方案能有效抑制干扰信号对双跳中继通信系统的影响，提高通信系统抗干扰性。
附图说明
图1和图2是本发明提供的无线中继通信系统的一种实施例的结构示意图；
图3-5分别为无存储中继系统准则1、2、3的中断概率随发射功率P变化的曲线；
图6为有存储中继系统对应中继选择准则的中断概率曲线；
图7-9分别为无存储中继系统准则1、2、3的中断概率随距离d变化的曲线。
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作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。
参见图1和图2，图1和图2是本发明提供的无线中继通信系统的一种实施例的结构示意图。其中，图1是无存储功能的中继系统，图2是有存储功能的中继系统。如图1和2所示，无线中继通信系统包括：信号源节点S、目的节点D和N个中继节点(R1至RN)；其中，信号源节点S与N个中继节点RN之间通过N条第一跳链路(实线箭头)进行通信；目的节点D与N个中继节点RN之间通过N条第二跳链路(虚线箭头)进行通信；信号源节点S和N个中继节点RN均能检测到同一干扰源I，且干扰源I到信号源节点D和N个中继节RN的每个信道相互独立；N为大于等于2的正整数。
在本实施例中，无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点；其中，1≤n≤N；信号源节点在第一时隙将传输信号发送给所述第n个中继节点，第n个中继节点在第二时隙将传输信号重传至所述目的节点。
为了更好的说明本发明工作原理，将中继系统分为有存储功能和无存储功能两类。无存储功能的中继系统是指中继节点并不会将信息进行存储，信息到达中继节点后可进行AF、DF、CF等类型转发。有存储功能的中继系统是指中继节点事先将信息存储，当接收到信号源节点的发送指令时，能够直接从存储空间中调取相应的信息直接发送。
在本实施例中，当N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，N个中继节点有且仅有一条第一跳链路和一条第二跳链路，且每条链路相互独立；当N个中继节点组成的是有存储功能的中继系统时，N个中继节点有且仅有一条第二跳链路，且每条链路相互独立。
无存储中继系统
如图1所示，信号源节点S在第一时隙将信息发送至中继节点，中继节点对信息进行译码并在第二时隙将信息重传至目的地。同时有一个干扰源I，在中继和目的节点D均可被检测到，从而对信息数据的准确性造成影响。考虑到DF模式对硬件和设备复杂度要求较高，这里每个中继节点只有一根天线，则中继与信源之间有N个独立信道。类似的，干扰源I到中继和目的节点D的每个信道也相互独立。有存储中继通信网络如图2所示，在非高峰流量期间，一些常用的文件将被预存储在中继节点中。当需要通信时，系统直接从中继节点发送数据。
若传输信号为x，信号源节点D的发射功率为PS，中继节点R的发射功率为PR，干扰源I的功率为PI，则中继节点R和目的节点D接收到的信号分别为：
Figure BDA0002616942420000051
其中，hS,R，hR,D分别为信号源节点S到中继节点R和中继节点R到目的节点D的信道系数；hI,D，hI,R分别为干扰源I到目的节点D和干扰源I到中继节点R的信道系数。
当N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，第n个中继节点的信干比SIR为：
Figure BDA0002616942420000061
其中，第一信道增益un＝|hS,R|2；第二信道增益vn＝|hR,D|2；第三信道增益wn＝|hI,R|2；第四信道增益w＝|hI,D|2。
中继节点选择准则1：按照公式
Figure BDA0002616942420000062
选择第一信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
在本准则中，优化信号源节点S到中继节点R之间的信道，选择具有最大信道增益un的信道进行通信，使得中继节点处的信干比
Figure BDA0002616942420000063
最大化，提高了系统接收信干比
Figure BDA0002616942420000064
的下界，从而增大接收信干比SIR。
中继节点选择准则2：按照公式
Figure BDA0002616942420000065
选择第二信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
在本准则中，优化中继节点R到目的节点D之间的信道，选择具有最大信道增益vn的信道进行通信，使得中继节点处的信干比
Figure BDA0002616942420000066
最大化，提高了系统接收信干比
Figure BDA0002616942420000067
的下界，从而增大接收信干比SIR。
中继节点选择准则3：按照公式
Figure BDA0002616942420000068
选择第三信道增益最小的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
在本准则中，从干扰源的角度考虑，通过最小化干扰信道增益来提高系统性能，从干扰节点与中继节点直接的各个链路中，选择具有最小信道增益wn的信道进行通信，使得中继节点处的信干比
Figure BDA0002616942420000071
最大化，提高了系统接收信干比
Figure BDA0002616942420000072
的下界，从而增大接收信干比SIR。
有存储中继系统
如图2所示，在有存储辅助的情况下，当有发送请求时，数据可以从中继节点直接发送到目的节点D。目的节点D接收到的信号为：
Figure BDA0002616942420000073
第n个中继节点的信干比SIR为：
Figure BDA0002616942420000074
这时，中继节点选择准则可以是通过最大化第二跳链路的信道增益来执行用户选择，即按照公式
Figure BDA0002616942420000075
选择第二信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
在本实施例中，每条中继选择准则均以增大通信系统的信干比为目的，对干扰信号的影响具有有效的抑制作用。而且在常用的文件已经被存储在中继节点时，可以使系统的信道容量扩大为无存储中继系统的两倍，同时结合本发明技术方案能够进一步提升系统性能。
当所述N个中继节点组成的是有存储功能的中继系统时，第n个中继节点的信干比SIR为：
Figure BDA0002616942420000076
为了验证本发明技术方案，可通过通信系统的中断概率进行验证。
对于无存储中继系统的准则1，系统中断的定义
Figure BDA0002616942420000077
推导出该准则下的中断概率的解析表达式。
Figure BDA0002616942420000081
Figure BDA0002616942420000082
其中，
Figure BDA0002616942420000083
同时渐进表达式为：
Figure BDA0002616942420000084
在上述公式中，Pr(·)为概率，
Figure BDA0002616942420000085
表示无存储中继系统的中断概率，Rt表示要求的传输速率。
Figure BDA0002616942420000086
Figure BDA0002616942420000087
为各个信道增益的概率密度函数。α，β，ε1，ε2分别为对应瑞利信道系数的方差，N为中继节点个数。
无存储中继系统的准则2与准则1的推导类似，其中断概率表达式为：
Figure BDA0002616942420000088
其中，
Figure BDA0002616942420000089
渐近表达式为：
Figure BDA0002616942420000091
同理，准则3的中断概率表达式与渐近表达式分别为：
Figure BDA0002616942420000092
Figure BDA0002616942420000093
有存储中继系统的系统容量的增大，中断发生的概率公式为
Figure BDA0002616942420000094
进而推导出中断概率的解析表达式与渐近表达式：
Figure BDA0002616942420000095
Figure BDA0002616942420000096
其中，
Figure BDA0002616942420000097
为了进一步证明本发明的有益效果，对信道和系统进行建模，对比各个准则的中断概率解析解与中断概率仿真结果关于发射功率的曲线。
每个链路都受到瑞利平坦衰落的影响，我们采用经验损耗模型来衡量信道质量，损耗因子为2。信源和目标之间的距离归一化设为1，并且中继节点在二者之间。我们令d表示信源S到中继节点R的距离，则α＝d-2，β＝(1-d)-2。对于干扰链路，我们将信道相关系数设为ε1＝ε2＝0.1。为了一般性，我们考虑信源和中继节点的发射功率相等，即PS＝PR＝P。此外，目标传输速率Rt＝1bps/Hz，故两个信干比SIR的阈值γth1＝3，γth2＝1。
在此举例中，我们设置d＝0.5，干扰信号功率PI＝0dB，发射功率PS＝PR＝P变化范围为0-30dB。附图3-5分别为无存储中继系统准则1、2、3的中断概率随发射功率P变化的曲线。附图6为有存储中继系统对应中继选择准则的中断概率曲线。其中，N为中继节点个数，且均在上述参数设置下所进行的仿真。通过附图的显示，仿真结果与解析结果的拟合也验证了本实施发明例在理论结果的正确性。
作为本实施例的一种举例，对信道和系统进行建模，无存储中继系统三个中继选择准则的中断概率解析解与中断概率仿真结果关于信源S到中继节点R的距离d的曲线。我们令发射功率PS＝PR＝20dB，干扰信号功率PI＝0dB，S到R的距离d变化范围为0.1-0.9。其他参数设置与上面的举例相同。附图7-9分别为无存储中继系统准则1、2、3的中断概率随d变化的曲线，其中N＝1，2，3为中继节点个数。解析结果与仿真结果曲线的拟合也证明了本发明实施例理论结果的正确性。
由上可见，本发明实施例提供的无线中继通信系统，包括信号源节点、目的节点和N个中继节点。无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点。信号源节点在第一时隙将传输信号发送给第n个中继节点，第n个中继节点在第二时隙将传输信号重传至目的节点。本发明技术方案能有效抑制干扰信号对双跳中继通信系统的影响，提高通信系统抗干扰性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线中继通信系统，其特征在于，包括：信号源节点、目的节点和N个中继节点；其中，所述信号源节点与所述N个中继节点之间通过N条第一跳链路进行通信；所述目的节点与所述N个中继节点之间通过N条第二跳链路进行通信；所述信号源节点和所述N个中继节点均能检测到同一干扰源，且所述干扰源到所述信号源节点和所述N个中继节的每个信道相互独立；N为大于等于2的正整数；
所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点；其中，1≤n≤N；
所述系统接收信干比具体为：
若所述传输信号为x，所述信号源节点的发射功率为P S ，中继节点的发射功率为P R ，干扰源I的功率为P I ，则中继节点和目的节点接收到的信号分别为：
Figure 231407DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，h S,R ，h R,D 分别为信号源节点S到中继节点R和中继节点R到目的节点D的信道系数；h I,D ，h I,R 分别为干扰源I到目的节点D和干扰源I到中继节点R的信道系数；
所述N个中继节点组成有存储功能的中继系统，第n个中继节点的信干比SIR为：
Figure 99874DEST_PATH_IMAGE002
；
所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，按照公式
Figure 507853DEST_PATH_IMAGE003
选择第二信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点；
所述信号源节点在第一时隙将传输信号发送给所述第n个中继节点，所述第n个中继节点在第二时隙将所述传输信号重传至所述目的节点。
2.根据权利要求1所述的无线中继通信系统，其特征在于，所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，具体为：
当所述N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，按照公式
Figure 503491DEST_PATH_IMAGE004
选择第一信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
3.根据权利要求1所述的无线中继通信系统，其特征在于，所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，具体为：
当所述N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，按照公式
Figure 546271DEST_PATH_IMAGE005
选择第二信道增益最大的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
4.根据权利要求1所述的无线中继通信系统，其特征在于，所述无线中继通信系统用于根据系统接收信干比和预设的中继节点选择准则，确定第n个中继节点作为传输信号的中继节点，具体为：
当所述N个中继节点组成的是无存储功能的中继系统时，按照公式
Figure 726586DEST_PATH_IMAGE006
选择第三信道增益最小，即干扰信道增益最小的第n个中继节点作为传输信号的中继节点。
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