一种全双工中继系统的通信方法及全双工中继系统

摘要

本发明公开了一种全双工中继系统的通信方法及全双工中继系统，在时隙t＝1，由信源S以功率PS向全双工中继节点R发送信号x(t)，由R对x(t)进行接收并解码；在时隙t+1，若R解码成功，则R以功率PR向信宿D发送解码成功的信号x(t)，且S以PS向R发送产生的新信号x(t+1)，由R在信号x(t)的环路自干扰下对信号x(t+1)进行接收并解码；在时隙t+1，若R解码失败，则S以PS向R发送产生的新信号x(t+1)，由R对信号x(t+1)进行接收并解码，其中，PS、PR由基于信息‑干扰耦合特性的自适应功率分配策略或者基于信息‑干扰耦合特性的联合信源‑中继功率分配策略确定。本发明通过合理分配信源和中继的发射功率，达到系统在满足目标中断概率的条件下，提升系统能效的目的。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种全双工中继系统的通信方法及全双工中继系统。

背景技术

由于协作中继技术可以有效扩大无线通信系统覆盖范围，增强系统鲁棒性，成为无线通信系统关键技术之一。传统地，中继节点一般工作于半双工模式，必须为其接收和发送信号分配相互正交的信道资源。这严重损害了无线通信系统的频谱利用率。为了弥补传统半双工中继模式带来的频谱效率损失，研究者们提出了全双工中继转发技术。

通过部署至少两根天线，全双工中继节点能够在转发前一时隙收到的信号的同时，接收当前时隙信源发送的新信号。相较传统的半双工中继系统，理论上全双工中继系统能够将频谱效率提升几乎一倍。但是，由于全双工中继转发信号会对其目的接收信号造成环路自干扰，导致了信息信号和自干扰信号的耦合特性。一方面，如果中继节点发射功率过小，会损害“中继-信宿”链路的通信质量；另一方面，如果中继节点发射功率过大，会导致严重的环路自干扰影响，进而损害“信源-中继”链路的通信质量。因此，为了有效改善全双工中继系统的通信性能，需要平衡信息信号和干扰信号之间，以及信源发射功率和中继发射功率之间的相互制约关系。

在目前的全双工中继系统中，虽然大量工作考虑了全双工中继节点的环路自干扰问题，但是却没有从信源发射功率和中继发射功率之间的相互制约关系这一角度对系统性能进行优化，因此无法获得较优的系统能效。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供了一种全双工中继系统的通信方法及全双工中继系统，由此解决现有的全双工单中继系统中系统能效较低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种全双工中继系统的通信方法，其特征在于，包括：

S1、在时隙t＝1，信源S产生信号x(t)，并以功率P_S向全双工中继节点R发送信号x(t)，由所述全双工中继节点R对信号x(t)进行接收并解码，其中，所述功率P_S由预设的功率分配策略确定；

S2、若所述全双工中继节点R能够成功解码，则执行步骤S3，否则执行步骤S4；

S3、在时隙t+1，所述全双工中继节点R以功率P_R向信宿D发送解码成功的信号x(t)，同时所述信源S以所述功率P_S向所述全双工中继节点R发送产生的新信号x(t+1)，由所述全双工中继节点R在信号x(t)的环路自干扰下对信号x(t+1)进行接收并解码，然后执行步骤S5，其中，所述功率P_R由所述预设的功率分配策略确定；

S4、在时隙t+1，所述信源S以所述功率P_S向所述全双工中继节点R发送产生的新信号x(t+1)，由所述全双工中继节点R对信号x(t+1)进行接收并解码，然后执行步骤S5；

S5、判断信号传输过程是否完成，若完成，则执行步骤S6；否则，返回执行步骤S2；

S6、判断所述中继节点R能否成功解码最新接收的信号，若成功解码，则所述中继节点R以功率P_R将成功解码的信号转发给信宿D，结束传输过程；否则，直接结束传输过程。

优选地，所述功率P_S由预设的功率分配策略确定以及所述功率P_R由所述预设的功率分配策略确定，包括：

由于中继R工作于全双工模式，因此在时隙t+1，中继R转发给信宿D的信息信号x(t)会对中继接收来自信源S的信息信号x(t+1)产生环路自干扰，由此产生信息信号与自干扰信号之间的耦合，为了平衡“信息信号”与“干扰信号”之间，以及“信源-中继”与“中继-信宿”这两跳传输之间的关系；

设定所述信源S的发射功率P_S，并自适应调整所述全双工中继节点R的发射功率P_R，以在达到目标中断概率的前提下，使系统的能量效率EE达到最优，其中P_R∈[0,P_max]，P_max是所述全双工中继节点R能够达到的最大发射功率。

优选地，所述发射功率P_R的求取方法为：

由求取使得系统的能量效率EE达到最优时对应的P_R值作为目标P_R值。

优选地，所述功率P_S由预设的功率分配策略确定以及所述功率P_R由所述预设的功率分配策略确定，包括：

由于中继R工作于全双工模式，因此在时隙t+1，中继R转发给信宿D的信息信号x(t)会对中继接收来自信源S的信息信号x(t+1)产生环路自干扰，由此产生信息信号与自干扰信号之间的耦合，为了平衡“信息信号”与“干扰信号”之间，以及“信源-中继”与“中继-信宿”这两跳传输之间的关系；

将所述信源S的发射功率P_S设定为P_S＝αP，将所述全双工中继节点R的发射功率设定为P_R＝(1-α)P，其中，P表示系统在每一时隙的总功耗，α表示功率分配比。

优选地，所述α值的求取方法为：

由求取使得系统的能量效率EE达到最优时对应的α值作为目标α值。

优选地，所述系统的能量效率EE的求取方法为：

对于任一时隙t，得到所述全双工中继节点R成功解码信源信号x(t)的概率π₁以及失败概率π₀：其中，P₁₀表示所述全双工中继节点R存在环路自干扰时，在时隙t+1解码失败的概率，P₀₁表示所述全双工中继节点R不存在环路自干扰时，在时隙t+1能够成功解码的概率；

由π₀与π₁得到系统总体的平均中断概率P_out：P_out＝π₀+π₁(1-P_d)，其中，P_d表示所述信宿D能够成功解码来自所述全双工中继节点R的信号的概率；

由系统总体的平均中断概率P_out以及系统在每一时隙的总功耗P得到系统的能量效率EE：其中，EE表示消耗单位能量能够成功传输的数据量，R_T表示所述信源S信号的额定数据传输速率。

优选地，所述全双工中继节点R在存在环路自干扰时，在时隙t+1能够对信号x(t+1)解码成功的概率P₁₁以及解码失败的概率P₁₀分别为：

所述全双工中继节点R在无环路自干扰时，在时隙t+1对信号x(t+1)解码成功的概率P₀₁以及解码失败的概率P₀₀分别为：

P₀₁＝Pr{log₂(1+|g_S,R|²P_S)≥R_T}

P₀₀＝Pr{log₂(1+|g_S,R|²P_S)<R_T}

其中，g_S,R为所述信源S到所述全双工中继节点R的信道增益，g_R,R为所述全双工中继节点R的环路自干扰信道增益，P_SI＝P_R^1-μ表示所述全双工中继节点R实际接收到环路自干扰的功率，0＜μ＜1，R_T为所述信源S信号的额定数据传输速率。

优选地，在步骤S4中，所述信宿D能够成功解码来自所述全双工中继节点R的信号的概率P_d为：P_d＝Pr{log₂(1+|gR_,D|²P_R)≥R_T}，其中，g_R,D为所述全双工中继节点R到所述信宿D的信道增益。

优选地，P₁₁、P₁₀、P₀₁以及P₀₀由所述全双工中继节点R在时隙t+1实际接收的信号y_R(t+1)求取得到，P_d由所述信宿D在时隙t+1接收的信号y_D(t+1)求取得到，其中：

考虑到转发信号x(t)对时隙t+1中所述全双工中继节点R目的接收的信号产生的环路自干扰，因此，所述全双工中继节点R实际接收的信号y_R(t+1)为：

其中，n_R为所述全双工中继节点R处的加性高斯白噪声，n_D为所述信宿D处的加性高斯白噪声。

按照本发明的另一方面，提供了一种全双工中继系统，包括：信源S、信宿D和全双工中继节点R；

其中，所述全双工中继节点R部署在所述信源S和所述信宿D之间；

所述全双工中继系统用于执行本发明实施例提供的任意一项所述的方法。

总体而言，本发明方法与现有技术方案相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过预设的功率分配策略合理分配信源和中继的发射功率，达到系统在满足目标中断概率的条件下，提升系统能效的目的。

(2)本发明可以得到每一时隙“信源-中继”稳态时成功解码概率，进一步得到系统的中断概率和能量效率，简化了分析及推导过程。

(3)本发明提出的一种全双工中继系统的自适应功率分配方法，通过自适应调整中继的发射功率，减小中继信息信号与自干扰信号之间的互耦效应给系统带来的影响，使系统达到目标中断概率的前提下，降低不必要的系统能耗，优化系统的能量效率。

(4)本发明提出了一种全双工中继系统总功耗受限条件下的联合信源-中继功率分配方法。充分利用由于信息信号和自干扰信号之间的耦合导致的“信源-中继”与“中继-信宿”这两跳传输之间相互制约的特性，在系统总功耗受限的前提下，合理分配信源和中继的发射功率，显著提升系统的性能。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种全双工中继系统的模型示意图；

图2为本发明实施例公开的一种全双工中继系统的通信方法的流程示意图；

图3为基于信息-干扰耦合特性的自适应功率分配方法下的中继发射功率与系统中断概率之间的关系示意图；

图4为基于信息-干扰耦合特性的自适应功率分配方法下的中继发射功率与系统能量效率之间的关系示意图；

图5为系统总功耗受限条件下的联合信源-中继功率分配方法下的功率分配系数与系统中断概率之间的关系示意图；

图6为系统总功耗受限条件下的联合信源-中继功率分配方法下的功率分配系数与系统能量效率之间的关系示意图。

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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种全双工中继系统的通信方法及全双工中继系统，在信源与全双工中继节点的功率分配时，采用基于信息-干扰耦合特性的自适应功率控制方法或系统总功耗受限条件下的联合信源-中继功率分配方法。为了改善相距较远的信源与信宿之间的通信质量，本发明通过在信源和信宿之间部署全双工中继节点协助转发信源信号，可以有效提高传统半双工中继系统频谱效率。由于全双工中继节点能够在转发前一时隙接收到的信源信号的同时，接收并解码当前时隙信源发送的新信号，因此中继发送的信号会对其接收的信号产生环路自干扰，由此导致“中继-信宿”与“信源-中继”这两跳传输之间的耦合性。一方面，如果全双工中继发射功率过小，会损害“中继-信宿”链路的通信质量；另一方面，如果中继节点发射功率过高，容易造成环路自干扰过强，进而损害“信源-中继”链路的通信质量。鉴于此，为了平衡“信源-中继”“中继-信宿”这两跳传输之间的关系，在保证既定通信质量的前提下优化系统能效，本发明提出了一种在系统总功耗受限条件下的联合信源-中继功率分配方法以及采用基于信息-干扰耦合特性的自适应功率控制方法。通过合理地进行信源和中继之间的功率分配，系统能够在满足目标中断概率的情况下显著提升系统的能量效率。

如图1所示，系统包括信源S、信宿D和全双工中继节点R。中继R部署在信源S和信宿D的中间，信源发送的信号需要经过“信源-中继”、“中继-信宿”这两跳传给信宿，缩短了单跳通信链路距离，有效改善信源S和中继D距离较远或者信道状况不佳引起的通信质量的下降，提升系统的通信质量和鲁棒性。

由于中继节点R工作在全双工状态，中继节点R能够在转发前一时隙接收到的信号的同时，接收并解码当前时刻信源发送的新信号。因此，中继发送的信号会对其接收的信号产生环路自干扰，引起接收信号与转发信号的耦合。

在时隙t＝1，信源S产生信号x(t)并以功率P_S将x(t)发送给中继R，R对信号x(t)进行接收并解码；

在时隙t＝t+1，t≥1，中继R将成功解码的信号x(t)以功率P_R发送给信宿D。与此同时，信源S产生新的信号x(t+1)并以功率P_S将x(t+1)发送给中继R，R对信号x(t+1)进行接收并解码。因为中继R工作在全双工模式，因此，中继发送的信号会对其接收的信号产生环路自干扰，引起接收信号与转发信号的耦合。

如图2所示为本发明实施例公开的一种全双工中继系统的通信方法的流程示意图，在图2所示的方法中包括：

S1、在时隙t＝1，信源S产生信号x(t)，并以功率P_S向全双工中继节点R发送信号x(t)，由全双工中继节点R对信号x(t)进行接收并解码，其中，功率P_S由预设的功率分配策略确定；

S2、若全双工中继节点R能够成功解码，则执行步骤S3，否则执行步骤S4；

S3、在时隙t+1，全双工中继节点R以功率P_R向信宿D发送解码成功的信号x(t)，同时信源S以功率P_S向全双工中继节点R发送产生的新信号x(t+1)，由全双工中继节点R在信号x(t)的环路自干扰下对信号x(t+1)进行接收并解码，然后执行步骤S5，其中，功率P_R由预设的功率分配策略确定；

在该时隙，信宿D、中继R接收的信号y'_R(t+1)、y_D(t+1)分别为：

其中,g_S,R、g_R,D分别为信源S到中继R、中继R到信宿D的信道增益，g_R,R为中继节点R的环路自干扰信道增益。n_R、n_D分别为中继R和信宿D处的加性高斯白噪声。

中继R可以利用已解码的信号x(t)作为先验信息，对时隙t+1中继R接收的信号进行环路自干扰消除。但是由于远近效应及实际系统的限制，中继R无法完全消除环路自干扰，因此中继R实际接收到环路自干扰的功率定义为P_SI＝P_R^1-μ，0＜μ＜1，其中，μ越大，表示残余自干扰强度越小；μ越小，表示残余自干扰强度越大。因此，中继R实际接收的信号为：

由于中继R在时隙t成功解码信源S发送的信号x(t)，因此在时隙t+1，中继R在对信源S发送的新信号x(t+1)进行接收时，会受到自身由于转发信号x(t)给信宿D而产生的环路自干扰。因此，在时隙t+1，中继R在存在环路自干扰时，解码成功的概率P₁₁以及解码失败的概率P₁₀分别表示为：

其中，R_T为信源信号的额定数据传输速率。

S4、在时隙t+1，信源S以功率P_S向全双工中继节点R发送产生的新信号x(t+1)，由全双工中继节点R对信号x(t+1)进行接收并解码，然后执行步骤S5；

在时隙t+1，由于中继R在时隙t无法成功解码信源S发送的信号x(t)，因此中继R只尝试接收并解码信源S发送的新信号x(t+1)。因此，中继R在无环路自干扰时，成功解码信号x(t+1)的概率P₀₁以及解码失败的概率P₀₀可以分别表示为：

P₀₁＝Pr{log₂(1+|g_S,R|²P_S)≥R_T}

P₀₀＝Pr{log₂(1+|g_S,R|²P_S)<R_T}

S5、判断信号传输过程是否完成，若完成，则执行步骤S6；否则，返回执行步骤S2；

S6、判断所述中继节点R能否成功解码最新接收的信号，若成功解码，则所述中继节点R以功率P_R将成功解码的信号转发给信宿D，结束传输过程；否则，直接结束传输过程。

其中，由于信源S和信宿D之间距离较远或信道质量较差，“信源-信宿”之间的直接链路在本发明中不予考虑。因此信宿D在接收来自中继R的信号时只受到加性高斯白噪声的干扰。因此，信宿D能够成功解码来自中继R的信号的概率P_d为：P_d＝Pr{log₂(1+|g_R,D|²P_R)≥R_T}。

优选地，在本发明中提供了两种信源与中继功率分配方法，分别为：

基于信息-干扰耦合特性的自适应功率分配方法：由于中继R工作于全双工模式，因此在时隙t+1，中继转发给信宿D的信息信号x(t)会对其接收来自信源的信息信号x(t+1)产生环路自干扰，由此产生信息信号与自干扰信号之间的耦合。一方面，如果采用较高的中继发射功率，虽然可以提升“中继-信宿”链路的通信质量，但是较高的中继发射功率会给中继R带来更为严重的环路自干扰。另一方面，如果采用较低的中继发射功率，虽然可以降低中继R的环路自干扰影响，但是“中继-信宿”链路的通信质量就无法得到保证。因此，在设定信源S发射功率P_S之后，可以通过全双工中继的自适应功率控制选择合适的中继发射功率提升系统的整体性能，其中，发射功率P_S的设定值可以根据实际需求进行确定。

将中继R的发射信号的功率记作P_R，且存在P_R∈[0,P_max]，P_max是中继R能够达到的最大发射功率。系统通过自适应控制中继的发射功率，在达到目标中断概率的前提下，降低不必要的系统能耗，优化系统的能量效率，其中目标中断概率可以根据实际需求进行确定。

优选地，可以由求取使得系统的能量效率EE达到最优时对应的P_R值作为目标P_R值。

系统总功耗受限条件下的联合信源-中继功率分配方法：由于信息信号和自干扰信号之间的耦合特性，会导致“信源-中继”与“中继-信宿”这两跳传输之间的相互制约，因此全双工中继R发射功率的设置十分重要。为了平衡“信息信号”与“干扰信号”之间，以及“信源-中继”与“中继-信宿”这两跳传输之间的关系，该专利提出了一种全双工中继系统总功耗受限条件下的联合信源-中继的功率分配方法。将系统每一时隙的总功耗记为P，信源S发射信号的功率记作P_S，且P_S＝αP，则中继R的发射功率可以表示为P_R＝(1-α)P。

那么通过选择一个合适的α值用于配置信源和中继的发射功率，进而平衡“信源-中继”与“中继-信宿”这两跳传输之间的关系，能够使系统在达到目标中断概率的前提下，降低不必要的系统能耗，优化系统的能量效率。

优选地，可以由求取使得系统的能量效率EE达到最优时对应的α值作为目标α值。

考虑任一时隙t，定义中继解码信源信号x(t)的成功概率为π₁，失败概率为π₀，则：

那么系统总体的平均中断概率P_out可以表示为

P_out＝π₀+π₁(1-P_d)

系统的能量效率EE定义为消耗单位能量能够成功传输的数据量，即

针对上述两种功率设定方法，选取合适的中继发射功率P_R或功率分配系数α，使得系统能效EE达到最优，即可在系统总功耗受限条件下通过信源与中继之间的功率分配优化系统的能量效率。

如图3所示，是基于信息-干扰耦合特性的自适应功率分配方法下的中继发射功率与系统中断概率之间的关系。信源发射功率为35dB，从图中可以看到，在信源发射功率一定的前提下，不断提高中继的发射功率，系统的中断概率呈现先下降后上升的趋势，这是由于当中继发射功率太小时，会影响“中继-信宿”的链路质量，而当中继发射功率太大时，中继转发信号的发射功率会造成强烈的自干扰。在相同的信源、中继发射功率下，随着μ值增加，系统的中断概率呈现下降趋势，这是由于μ值越大，中继的残余环路自干扰越小，因此系统中断概率降低。此外，随着μ值的增大，最佳中继发射功率呈现增加的趋势，这是由于μ值越大，中继转发信号对自身的残余自干扰越小，即“信源-中继”与“中继-信宿”两跳之间的耦合程度越小，适当提升中继发射功率给“中继-信宿”的链路带来的增益会大于“信源-中继”里的链路带来的损耗，因此最佳发射功率会随着μ值增大呈现上升的趋势。

如图4所示，是基于信息-干扰耦合特性的自适应功率分配方法下的中继发射功率与系统能效之间的关系。信源发射功率为35dB，从图中可以看到，在信源发射功率一定的前提下，不断提高中继的发射功率，系统的能效呈现先上升后下降的趋势，其原因与图三相同。但是从图中可以看出图4的最佳发射功率会明显小于图三，这是由于当系统能效达到最大时，继续增加中继发射功率，系统需要增加大量的功耗才能带来些许中断概率的下降。此外，随着μ值增加，系统的能效呈现上升趋势。

如图5所示，是系统总功耗受限条件下的联合信源-中继功率分配方法下的功率分配系数与系统中断概率之间的关系。从图中可以看到，在系统总功耗受限的条件下，系统会存在一个最佳功率分配系数使得系统中断概率最小，功率分配系数α过大或过小，都会使系统中断概率增大。这是因为当α太大时，系统给中继分配的发射功率过小，影响了“中继-信宿”链路的通信质量。这是因为当α过小时，系统给信源分配的发射功率太小，影响了“信源-中继”链路的通信质量。系统的总功耗也会影响功率分配系数α的设置，当系统总发射功率增加时，最佳的功率分配系数α会随之减小，因为增大中继的发射功率，给系统“中继-信宿”链路通信质量带来的提升远大于中继自干扰增加给“信源-中继”链路通信质量带来的影响。

如图6所示，是系统总功耗受限条件下的联合信源-中继功率分配方法下的功率分配系数与系统能力效率之间的关系。从图中可以看到，在系统总功耗受限的条件下，系统会存在一个最佳功率分配系数使得系统能效最大，当功率分配系数α过大或过小，都会使系统能效降低。在系统总功耗一定的前提下，系统的中断概率和能量效率是成反比的。从图中还可以看出，当系统功率分配系数一定时，系统总功耗增加时，系统能量效率不一定提升。

本领域的技术人员容易理解，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所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。