CN113746615B - 一种通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法，首先测量通信节点之间的距离；其次，根据接收端模数转换器ADC的动态范围限制分别确定全双工模式、半双工模式下的发射功率；再次，利用得到的发射功率分别计算全双工模式、半双工模式下的遍历容量上界；最后，比较两种模式下的遍历容量上界，若半双工模式的遍历容量上界大于全双工模式的遍历容量上界，则切换到半双工模式，若全双工模式的遍历容量上界大于半双工模式的遍历容量上界，则切换到全双工模式。本发明与传统的只采用全双工模式或半双工模式的方法相比，通过在两种模式间进行切换，能够充分利用每种模式的优势，在有限的代价下能够提高系统的信道容量。

Description

一种通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法。

背景技术

当前，实际的无线通信系统广泛使用的是半双工(half-duplex,HD)方式，包括频分双工(Frequency Division Duplexing,FDD)和时分双工(Time Division duplexing,TDD)两种方式，其中FDD的双工方式采用相同时隙但是不同频率来传输数据，TDD的双工方式采用相同频率但是不同时隙来传输数据。这两种双工方式有效避免了上下行链路间的信号干扰，但是分别牺牲了频率资源和时间资源，降低了频谱效率。

全双工(Full Duplex,FD)技术允许一个设备在相同的频带资源上同时发送和接收信号，与FDD和TDD方式相比，理想情况下可以使频谱效率提升一倍。然而，无线通信设备的发送端和接收端同时同频工作时，会使发送端产生的发送信号进入接收端的接收通道，形成自干扰，因此有效的自干扰消除是同时同频全双工工作的前提。现有技术领域已经出现了相关的自干扰消除方法，主要包括空域自干扰消除、射频自干扰消除和数字自干扰消除。空域自干扰消除是在自干扰进入接收机之前抑制自干扰信号，可以采用增加路径损耗、控制天线方向、改变天线极化方式等方法降低自干扰信号的功率。射频自干扰消除是在模数转换器(analog-to-digital convertor,ADC)前，用模拟器件消除高功率的多径自干扰信号；可以采用射频发射信号或数字发射信号为参考信号，通过调整其时延、幅度以及相位，重建出射频域自干扰信号，再与接收信号相减，消除自干扰信号。数字自干扰消除是在ADC后，消除残余的自干扰信号；一般是利用数字发射信号和自干扰信道估计值，得到数字自干扰消除信号，再与接收信号相减，消除自干扰信号。

随着自干扰消除技术的日趋成熟，全双工技术将会在未来的通信系统中得到广泛应用。虽然理想情况下全双工可以使频谱效率提升一倍，但是自干扰是没有办法完全消除的，残留的自干扰在一定程度上会降低全双工带来的增益，这将导致在某些情况下全双工模式可能更优，但是另外一些情况下半双工模式可能更优。因此，如何在这两种模式间进行切换，从而使系统性能达到最优，是全双工实用化过程中必须解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法，包括以下步骤：

步骤一：测量通信节点之间的距离，确定路径损耗指数；

步骤二：根据接收端模数转换器的动态范围限制，分别确定全双工模式、半双工模式下的发射功率；

步骤三：利用得到的发射功率分别计算全双工模式、半双工模式下的遍历容量上界；

步骤四：比较两种模式下的遍历容量上界，若全双工模式的遍历容量上界大于半双工模式的遍历容量上界，则切换到全双工模式，若半双工模式的遍历容量上界大于等于全双工模式的遍历容量上界，则切换到半双工模式。

在上述技术方案中，对于全双工模式，通讯节点1和节点2的发射天线和接收天线同时同频工作，假设两个节点以相同的发射功率P_FD分别发射信号x₁(t)和x₂(t)，即E{}表示求数学期望，(x)^*表示x的共轭，两个节点的最大发射功率为P_max，满足P_FD≤P_max，经过模拟自干扰消除后，通信节点接收信号y_b(t)表示为：

其中，h_ij代表通讯节点i(i＝1,2)的发射天线到节点j(j＝1,2)的接收天线之间的信道，当i≠j时代表有用信道，i＝j时代表自干扰信道；表示模拟自干扰消除单元的响应，n(t)表示均值为零、方差为/>的加性高斯白噪声；

假设x₁(t),x₂(t),n(t),h₁₁,h₂₁互不相关，接收端模数转换器的接收信号y_b(t)的平均功率/>为：

其中：表示模拟自干扰消除能力，/>K是一个与系统参数有关的常数，d代表两个节点之间的距离，α表示路径损耗指数；

设N为模数转换器的量化位数，有效的信噪比SNR可近似为：SNR_ADC(dB)＝6.02N+1.76，则在接收端模数转换器的接收信号的平均功率要满足式/>以保证接收链路不会饱和，从而发射功率满足P_FD≤P₁，其中/>可以得到全双工模式的发射功率：P_FD＝min(P_max,P₁)。

在上述技术方案中，对于半双工模式，假设节点2发射功率为P_HD，最大发射功率为P_max，节点1接收信号y(t)为：y(t)＝h₂₁x₂(t)+n(t)，则接收端模数转换器的接收信号y(t)的平均功率为：

在接收端模数转换器的接收信号的平均功率要满足式/>以保证接收链路不会饱和，从而发射功率满足/>其中/>可以得到半双工模式的发射功率：P_HD＝min(P_max,P₂)。

在上述技术方案中，对于全双工模式，经过数字自干扰消除后，接收信号y_a(t)表示为：

其中：表示数字自干扰消除单元的响应，

接收信号y_a(t)的平均功率为：

其中，表示模拟和数字自干扰消除的总能力；

设接收到的瞬时信干噪比SINR为γ_FD，基于通信节点间通信距离d的平均SINR为：

全双工模式的遍历容量根据詹森不等式：

则全双工模式下遍历容量上界为：

在上述技术方案中，对于半双工模式，设接收到的瞬时信噪比SNR为γ_HD，基于通信节点间通信距离d的平均SNR为：

半双工模式的遍历容量根据詹森不等式：

则半双工模式下遍历容量上界为：

本发明的优点和有益效果为：

本发明考虑了接收机的动态范围限制，提出了一种基于通信节点之间的距离的全双工模式与半双工模式切换方法，与传统的只采用全双工模式或半双工模式的方法相比，本发明通过在两种模式间进行切换，能够充分利用每种模式的优势，在有限的代价下能够提高系统的信道容量。

附图说明

图1是本发明的主要流程图。

图2是本发明的系统架构图。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

设通信节点1和通信节点2之间进行通信，每个节点均配有两根天线，一根用于发射信号，一根用于接收信号。如图2所示。假设通信节点1和通信节点2之间的信道为窄带信道，信道带宽为W Hz，h_ij代表节点i(i＝1,2)的发射天线到节点j(j＝1,2)的接收天线之间的信道，其中当i≠j时代表有用信道，i≠j时代表自干扰信道。有用信道的大尺度衰落只与距离有关，即其中E{}表示求数学期望，/>表示h₂₁的共轭，/>表示h₁₂的共轭，即(x)^*表示x的共轭，K是一个与系统参数有关的常数，d代表两个节点之间的距离，α表示路径损耗指数。

本发明所述的通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法，包括以下步骤：

步骤1：测量通信节点1和2之间的距离d，确定路径损耗指数α。

步骤2：根据接收端模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)的动态范围限制，分别确定全双工模式、半双工模式下的发射功率。

对全双工模式来说，通讯节点1和节点2的发射天线和接收天线同时同频工作。假设两个节点以相同的发射功率P_FD分别发射信号x₁(t)和x₂(t)，即P_FD＝E{x₁(t)x^* ₁(t)}＝E{x(t₂)x^*(t)₂}，两个节点的最大发射功率为P_max，满足P_FD≤P_max，经过模拟自干扰消除后，通信节点1接收信号y_b(t)表示为：

其中表示模拟自干扰消除单元的响应，n(t)表示均值为零、方差为/>的加性高斯白噪声。

假设x₁(t),x₂(t),n(t),h₁₁,h₂₁互不相关，接收端ADC前的接收信号y_b(t)的平均功率/>为：

其中：表示模拟自干扰消除能力，β越小，说明模拟自干扰消除能力越强。

为了防止接收链路出现饱和，需要考虑接收机的动态范围，接收机的动态范围主要由ADC决定。设N为ADC的量化位数，则有效的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)可近似为：SNR_ADC(dB)＝6.02N+1.76。则在接收端ADC前的接收信号的平均功率要满足式以保证接收链路不会饱和。从而发射功率满足P_FD≤P₁，其中

可以得到全双工模式的发射功率：P_FD＝min(P_max,P₁)。

对于半双工模式来说，不失一般性，考虑节点2的发射天线发射信号，节点1的接收天线接收信号的情况，假设节点2发射功率为P_HD，最大发射功率为P_max。节点1接收信号y(t)为：y(t)＝h₂₁x₂(t)+n(t)。则接收端ADC前的接收信号y(t)的平均功率为：

在接收端ADC前的接收信号的平均功率要满足式/>以保证接收链路不会饱和，从而发射功率满足/>其中/>可以得到半双工模式的发射功率：P_HD＝min(P_max,P₂)。

步骤3：利用得到的发射功率分别计算全双工模式、半双工模式下的遍历容量上界。

对于全双工来说，经过数字自干扰消除后，接收信号y_a(t)表示为：

其中：表示数字自干扰消除单元的响应。接收信号y_a(t)的平均功率为：

其中表示模拟和数字自干扰消除的总能力。

设接收到的瞬时信干噪比(signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR)为γ_FD，基于通信节点间通信距离d的平均SINR为：全双工模式的遍历容量/>根据詹森不等式：

全双工模式下遍历容量上界为：

对于半双工来说，设接收到的瞬时信噪比SNR为γ_HD，基于通信节点间通信距离d的平均SNR为：半双工模式的遍历容量/>根据詹森不等式：

半双工模式下遍历容量上界为：

步骤4：比较两种模式下的遍历容量上界，若全双工模式的遍历容量上界大于半双工模式的遍历容量上界/>则切换到全双工模式，若半双工模式的遍历容量上界/>大于等于全双工模式的遍历容量上界/>则切换到半双工模式。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种通信节点在全双工模式与半双工模式间切换的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：测量通信节点之间的距离，确定路径损耗指数；

步骤二：根据接收端模数转换器的动态范围限制，分别确定全双工模式、半双工模式下的发射功率；

对于全双工模式，通讯节点1和节点2的发射天线和接收天线同时同频工作，假设两个节点以相同的发射功率P_FD分别发射信号x₁(t)和x₂(t)，即其中，E{}表示求数学期望，(x)^*表示x的共轭；两个节点的最大发射功率为P_max，满足P_FD≤P_max，经过模拟自干扰消除后，通信节点接收信号y_b(t)表示为：

其中，h_ij代表通讯节点i(i＝1,2)的发射天线到节点j(j＝1,2)的接收天线之间的信道，当i≠j时代表有用信道，i＝j时代表自干扰信道；表示模拟自干扰消除单元的响应，n(t)表示均值为零、方差为/>的加性高斯白噪声；

假设x₁(t),x₂(t),n(t),h₁₁,h₂₁互不相关，接收端模数转换器的接收信号y_b(t)的平均功率/>为：

其中：表示模拟自干扰消除能力，/>K是一个与系统参数有关的常数，d代表两个节点之间的距离，α表示路径损耗指数；

设N为模数转换器的量化位数，有效的信噪比SNR可近似为：SNR_ADC(dB)＝6.02N+1.76，则在接收端模数转换器的接收信号的平均功率要满足式/>以保证接收链路不会饱和，从而发射功率满足P_FD≤P₁，其中/>可以得到全双工模式的发射功率：P_FD＝min(P_max,P₁)；

对于半双工模式，假设节点2发射功率为P_HD，最大发射功率为P_max，节点1接收信号y(t)为：y(t)＝h₂₁x₂(t)+n(t)，则接收端模数转换器的接收信号y(t)的平均功率为：

在接收端模数转换器的接收信号的平均功率要满足式/>以保证接收链路不会饱和，从而发射功率满足/>其中/>可以得到半双工模式的发射功率：P_HD＝min(P_max,P₂)；

步骤三：利用得到的发射功率分别计算全双工模式、半双工模式下的遍历容量上界；

对于全双工模式，经过数字自干扰消除后，接收信号y_a(t)表示为：

其中：表示数字自干扰消除单元的响应，

接收信号y_a(t)的平均功率为：

其中，表示模拟和数字自干扰消除的总能力；

设接收到的瞬时信干噪比SINR为γ_FD，基于通信节点间通信距离d的平均SINR为：

全双工模式的遍历容量根据詹森不等式：

则全双工模式下遍历容量上界为：

对于半双工模式，设接收到的瞬时信噪比SNR为γ_HD，基于通信节点间通信距离d的平均SNR为：

半双工模式的遍历容量根据詹森不等式：

则半双工模式下遍历容量上界为：

步骤四：比较两种模式下的遍历容量上界，若全双工模式的遍历容量上界大于半双工模式的遍历容量上界，则切换到全双工模式，若半双工模式的遍历容量上界大于等于全双工模式的遍历容量上界，则切换到半双工模式。