本發(fā)明屬于無線協(xié)作通信技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于全雙工多中繼系統(tǒng)的通信方法。
背景技術(shù):
在傳統(tǒng)的半雙工協(xié)作通信系統(tǒng)中,通過在信源和信宿之間部署單個或者多個半雙工中繼節(jié)點幫助轉(zhuǎn)發(fā)信源信息,能夠提高無線傳輸?shù)目煽啃?,以及擴大無線通信系統(tǒng)的覆蓋范圍。但是由于半雙工中繼節(jié)點不能同時接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息,即只有在轉(zhuǎn)發(fā)完上一時隙接收的信號之后才能接收新信號,所以傳輸一個信源信號需要占用兩個時隙,造成了嚴(yán)重的頻譜資源浪費。為了在充分利用協(xié)作中繼技術(shù)優(yōu)勢的同時提升其頻譜效率,本發(fā)明人曾經(jīng)申請過一項專利:一種基于半雙工多徑協(xié)作系統(tǒng)的虛擬全雙工中繼傳輸方法,申請?zhí)枺篊N201510160390.3,通過在信源和信宿之間加入多個半雙工中繼節(jié)點建立多徑中繼信道,在所有能夠成功解碼源信號的半雙工中繼節(jié)點中,通過相應(yīng)算法選擇一個信道條件最好的半雙工中繼節(jié)點對解碼后的信號進行轉(zhuǎn)發(fā),同時,信源產(chǎn)生新的信號,并將其傳輸給剩余的半雙工中繼節(jié)點。這樣,在每一個時隙,信源都能夠傳輸一個新信號,而無需等到上一時隙的信號被中繼轉(zhuǎn)發(fā),從而實現(xiàn)了虛擬的全雙工中繼傳輸。但是另一方面,其中半雙工中繼節(jié)點沒有利用先驗信息來消除中繼間干擾,并且每個時隙并不是所有的中繼節(jié)點都能夠接收新的信源信號,因此該方案雖然提升了傳統(tǒng)半雙工中繼系統(tǒng)的頻譜效率,卻無法充分利用多中繼節(jié)點的分集增益提升系統(tǒng)的魯棒性。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
針對以上提到的半雙工中繼通信系統(tǒng)中存在的缺陷,本發(fā)明提供了一 種基于全雙工多中繼系統(tǒng)的通信方法,其目的在于在信源和信宿之間部署多個全雙工中繼節(jié)點對信源信號進行接收解碼,并從能解碼的中繼節(jié)點中選擇一個最優(yōu)中繼節(jié)點將解碼后的信號轉(zhuǎn)發(fā)給信宿,同時我們設(shè)計了相應(yīng)的干擾消除技術(shù)消除產(chǎn)生的的不同類型的信號干擾,并分析了在不同剩余干擾強度下的系統(tǒng)性能,由此解決現(xiàn)有技術(shù)中系統(tǒng)頻譜利用率低,魯棒性不足等技術(shù)問題。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種雙工多中繼系統(tǒng)的通信方法,其特征在于,所述方法包括以下步驟:
步驟1:在時隙t=1,信源S產(chǎn)生信號x(t)并以固定數(shù)據(jù)速率R0傳輸給N個中繼節(jié)點Ri,中繼節(jié)點Ri對信源信號x(t)進行解碼,其中Ri,
步驟2:所有中繼節(jié)點都無法正確解碼信號x(t),則執(zhí)行步驟5;至少有一個中繼節(jié)點成功解碼信號x(t),則執(zhí)行步驟3,并將能解碼信號x(t)的中繼節(jié)點歸入集合
步驟3:在時隙t+1,t={1,2,…},從集合中選擇一個具有最優(yōu)中繼-信宿信道質(zhì)量的中繼節(jié)點Rb,將已解碼的信源信號x(t)轉(zhuǎn)發(fā)給信宿D(zhuǎn),完成信號x(t)的傳輸;同時信源S產(chǎn)生一個新信號x(t+1)并以固定數(shù)據(jù)速率R0傳輸給所有中繼節(jié)點。在時隙t+1,信宿D(zhuǎn)、中繼節(jié)點Rb與剩余N-1個中繼節(jié)點分別接收到信號yd(t+1),yb(t+1),yi(t+1);
步驟4:基于N個中繼節(jié)點在t時隙的解碼結(jié)果,將N個中繼節(jié)點分為三類:最優(yōu)中繼節(jié)點Rb;在所述時隙t成功解碼所述信號x(t)而未被選中的中繼節(jié)點在所述時隙t未能解碼所述信號x(t)的中繼節(jié)點 在時隙t+1,信宿D(zhuǎn)和這三類中繼節(jié)點分別對接收到的信號進行解碼:信宿D(zhuǎn)直接嘗試解碼中繼節(jié)點Rb轉(zhuǎn)發(fā)來的信號x(t);最優(yōu)中繼節(jié)點Rb采用環(huán)路自干擾消除技術(shù)消除其傳輸信號x(t)對其接收信號x(t+1)造成 的干擾;中繼節(jié)點利用其在時隙t的已解碼信號x(t)作為先驗信息,消除其在時隙t+1受到的由最優(yōu)中繼節(jié)點Rb轉(zhuǎn)發(fā)x(t)所導(dǎo)致的中繼間干擾;中繼節(jié)點采用連續(xù)干擾消除技術(shù)消除在時隙t+1受到的由最優(yōu)中繼節(jié)點Rb轉(zhuǎn)發(fā)x(t)所導(dǎo)致的中繼間干擾;執(zhí)行步驟2,直至所有L個信源信號傳輸完畢;
步驟5:在時隙t+1,t={1,2,…},信源S產(chǎn)生一個新信號x(t+1)并傳輸給N個中繼節(jié)點;同時所有N個中繼節(jié)點在無干擾的情況下嘗試解碼x(t+1),執(zhí)行步驟2,直至所有L個信源信號傳輸完畢。
進一步的,所述每個中繼節(jié)點都安裝了至少兩根天線分別用于信號接收和信號發(fā)送,使得在每個時隙,N個中繼節(jié)點能夠同時接收信源發(fā)送的新信號。
進一步的,所述步驟3中利用倒計時器(Countdown Timer)算法選出中繼-信宿信道質(zhì)量最優(yōu)的中繼節(jié)點Rb:
其中,|gi,d|2表示中繼節(jié)點Ri到信宿D(zhuǎn)的實時信道增益,最優(yōu)中繼節(jié)點Rb在時隙t+1時刻轉(zhuǎn)發(fā)信號x(t)給信宿D(zhuǎn),同時接收新信號x(t+1);其余N-1個中繼節(jié)點在接收信號x(t+1)的同時會受到由最優(yōu)中繼節(jié)點Rb轉(zhuǎn)發(fā)x(t)所導(dǎo)致的中繼間干擾,所述步驟3中信宿D(zhuǎn)、中繼節(jié)點Rb與剩余N-1個中繼節(jié)點 在時隙t+1收到的信號分別為:
其中,gs,i和gb,i分別表示所述信源S和中繼節(jié)點Rb到所述剩余的N-1個中繼節(jié)點的信道系數(shù),gs,b和gb,d分別表示所述信源S到中繼節(jié)點Rb 和中繼節(jié)點Rb到所述信宿D(zhuǎn)的信道系數(shù),gb,b表示中繼節(jié)點Rb處的環(huán)路自干擾信道的系數(shù),ni、nb和nd分別表示中繼節(jié)點中繼節(jié)點Rb和信宿D(zhuǎn)處的加性高斯白噪聲,PS和PR分別表示信源和N個中繼節(jié)點的傳輸功率。
進一步的,所述步驟3中被選中繼節(jié)點Rb利用其已解碼信號x(t)對時隙t+1接收到的信號yb(t+1)進行環(huán)路自干擾消除,由于環(huán)路自干擾信號強度遠遠大于目的信號強度,無法從接收信號yb(t+1)中將環(huán)路自干擾分量 完全、徹底的消除,因此,設(shè)在使用環(huán)路自干擾消除技術(shù)后的剩余自干擾信號功率為PSI=PR1-μ,0<μ<1,其中μ越大,剩余的環(huán)路自干擾強度越小,反之,剩余自干擾強度越大,被選中繼節(jié)點Rb實際接收信號表示為:
進一步的,所述步驟3中中繼節(jié)點利用已解碼信號x(t)從時隙t+1接收到的信號yi(t+1)中將中繼間干擾分量完全消除,中繼節(jié)點實際接收信號表示為:
進一步的,所述步驟3中中繼節(jié)點受到中繼間干擾信號x(t),為解碼x(t+1),中繼節(jié)點采用連續(xù)干擾消除技術(shù):當(dāng)目的信號x(t+1)的接收功率高于干擾信號x(t)的接收功率,中繼節(jié)點嘗試直接解碼信號x(t+1),并把信號x(t)當(dāng)作噪聲處理;當(dāng)信號x(t+1)的接收功率低于信號x(t)的接收功率,中繼節(jié)點首先嘗試解碼信號x(t),如果成功解碼x(t),則將中繼間干擾分量從接收信號yi(t+1)中完全消除,進而在無干擾的情況下解碼剩余的目的信號x(t+1)。
總體而言,通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有 以下技術(shù)特征及有益效果:
(1)在信源S和信宿D(zhuǎn)之間部署了多個中繼節(jié)點,并且所有中繼節(jié)點都工作于能夠同時接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息的全雙工模式,從而使得信源S在每個時隙都能夠傳輸一個新信號給信宿D(zhuǎn)。由于信源S的傳輸是連續(xù)不間斷的,因此顯著提升了系統(tǒng)的頻譜效率和分集增益;
(2)在中繼節(jié)點對接收到的目的信號進行解碼的過程中,根據(jù)上一時隙的解碼狀態(tài)以及當(dāng)前時隙所受的干擾情況,將所有N個全雙工中繼節(jié)點分為三類,并利用不同的干擾消除技術(shù)有針對性的對各自接收到的信號進行干擾消除以及信號解碼,由此提高信號解碼效率,進而提高整個系統(tǒng)的傳輸性能。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)模型示意圖;
圖2為本發(fā)明的方法流程圖;
圖3為本發(fā)明在兩種中繼解碼狀態(tài)下的信號傳輸示意圖;
圖4為本發(fā)明在不同剩余環(huán)路自干擾強度下系統(tǒng)中斷性能仿真結(jié)果示意圖;
圖5為本發(fā)明在不同的數(shù)據(jù)傳輸速率下系統(tǒng)中斷性能仿真結(jié)果示意圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
如圖1所示為本發(fā)明一種基于全雙工多中繼系統(tǒng)的通信方法模型示意圖。其中S表示信源,R1,R2,...,RN表示N個全雙工中繼節(jié)點,D表示信宿, Rb表示被選擇的最優(yōu)中繼節(jié)點,x(t)表示信源S在時隙t產(chǎn)生的信號,并以固定的目標(biāo)速率R0被傳輸。在本發(fā)明中假設(shè)信源S和信宿D(zhuǎn)之間的距離很遠或被障礙物阻擋,數(shù)據(jù)無法通過信源S與信宿D(zhuǎn)之間的直接鏈路進行傳輸,因此必須借助于信源S和信宿D(zhuǎn)之間的N個全雙工中繼節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)信源信息。在時隙t=1,信源S產(chǎn)生信號x(t)并傳輸給N個全雙工中繼節(jié)點,N個全雙工中繼節(jié)點接收到信源發(fā)送的信號后嘗試對其進行解碼。在后續(xù)時隙t+1,t≥1,可以從成功解碼的中繼集合中選擇一個具有最優(yōu)中繼-信宿信道質(zhì)量的中繼節(jié)點Rb將已解碼信號x(t)轉(zhuǎn)發(fā)給信宿D(zhuǎn),同時信源S將產(chǎn)生一個新的信號x(t+1)并將其發(fā)送給N個全雙工中繼節(jié)點。如圖中虛線所示,在中繼節(jié)點Rb轉(zhuǎn)發(fā)信號x(t)給信宿D(zhuǎn)的時候,其他剩余的N-1個中繼節(jié)點以及中繼節(jié)點Rb的接收端也會收到信號x(t),從而對其接收目的信號x(t+1)造成干擾。如圖1所示,gs,i,gi,d,gi,j分別表示S→Ri,Ri→D,Ri→Rj相應(yīng)的信道系數(shù),其中并且i≠j。為了便于分析,假設(shè)所有的信道都服從于獨立同分布平坦瑞利衰落,那么信道系數(shù)同時信道增益定義為|gu,v|2~exp(δu,v),其中u∈{s,i},v∈{i,d}并且u≠v,以及 且i≠j。假設(shè)信源S和所有中繼節(jié)點的發(fā)射功率分別為PS和PR。加性高斯白噪聲為nr,其中且均值為0,方差為σ2。
如圖2所示為本發(fā)明一種基于全雙工多中繼系統(tǒng)的通信方法流程圖,具體包括以下步驟:
步驟1:在時隙t=1,信源S產(chǎn)生信號x(t)并以固定數(shù)據(jù)速率R0傳輸給N個中繼節(jié)點Ri,中繼節(jié)點Ri對信源信號x(t)進行解碼,其中Ri,
步驟2:所有中繼節(jié)點都無法正確解碼信號x(t),則執(zhí)行步驟5;至少有一個中繼節(jié)點成功解碼信號x(t),則執(zhí)行步驟3,并將能解碼信號x(t)的中繼 節(jié)點歸入集合
步驟3:在數(shù)據(jù)傳輸?shù)南乱粋€時隙t+1,t={1,2,…},利用倒計時器(Countdown Timer)算法從集合中選擇一個具有最優(yōu)中繼-信宿信道質(zhì)量的中繼節(jié)點Rb:
其中|gi,d|2表示中繼節(jié)點到所述信宿D(zhuǎn)的實時信道增益。然后該最優(yōu)中繼節(jié)點Rb將已解碼的信源信號x(t)轉(zhuǎn)發(fā)給信宿D(zhuǎn),完成所述信號x(t)的傳輸。與此同時,信源S在時隙t+1將產(chǎn)生一個新的信號x(t+1)并以固定的數(shù)據(jù)速率R0將其傳輸給全部N個全雙工中繼節(jié)點。因此在時隙t+1信宿D(zhuǎn),中繼節(jié)點Rb和剩余的N-1個中繼節(jié)點Ri接收到的信號分別是:
其中,gs,i和gb,i分別表示所述信源S和中繼節(jié)點Rb到所述剩余的N-1個中繼節(jié)點的信道系數(shù),gs,b和gb,d分別表示所述信源S到中繼節(jié)點Rb和中繼節(jié)點Rb到所述信宿D(zhuǎn)的信道系數(shù),gb,b表示中繼節(jié)點Rb處的環(huán)路自干擾信道的系數(shù),ni、nb和nd分別表示所述中繼節(jié)點中繼節(jié)點Rb和信宿D(zhuǎn)處的加性高斯白噪聲,PS和PR分別表示所述信源和N個全雙工中繼節(jié)點的傳輸功率。
步驟4:基于N個中繼節(jié)點在t時隙的解碼結(jié)果,將N個中繼節(jié)點分為三類:最優(yōu)中繼節(jié)點Rb;在所述時隙t成功解碼所述信號x(t)而未被選中的中繼節(jié)點在所述時隙t未能解碼所述信號x(t)的中繼節(jié)點 在時隙t+1,信宿D(zhuǎn)和這三類中繼節(jié)點分別對接收到的信號進行解碼。對于信宿D(zhuǎn)來說只存在加性高斯白噪聲,所以當(dāng)以下事件成立 時表示信號x(t)能夠被信宿D(zhuǎn)成功解碼:
其中,C(·)=log2(·)表示可達信息速率。R0表示目標(biāo)數(shù)據(jù)速率,|gb,d|2表示中繼節(jié)點Rb到所述信宿D(zhuǎn)的信道增益,PR表示全雙工中繼節(jié)點的傳輸功率,σ2表示加性高斯白噪聲的方差。如果可達信息速率高于數(shù)據(jù)速率R0,那么信宿就能夠從接收到的信息中成功解碼該信號。反之,解碼失敗。
那么對于N個全雙工中繼節(jié)點,干擾消除及解碼方法分為三類:
(1)對于被選中繼節(jié)點Rb,可以采用環(huán)路自干擾消除技術(shù)消除其傳輸信號x(t)對其接收信號x(t+1)造成的干擾。由于環(huán)路自干擾強度遠大于目的接收信號x(t+1),因此無法完全徹底消除環(huán)路自干擾。鑒于此,我們假設(shè)環(huán)路自干擾消除后實際的傳輸自干擾信號功率為PSI=PR1-μ,0<μ<1,其中μ越大,表示剩余的環(huán)路自干擾強度越小,反之,剩余自干擾強度越高。那么被選中繼節(jié)點Rb實際接收信號可以表示為
因此,如果
成立,中繼節(jié)點Rb能夠成功解碼x(t+1),反之,解碼失敗,其中|gs,b|2表示信源S到中繼節(jié)點Rb的信道增益,|gb,b|2表示中繼節(jié)點Rb處的環(huán)路自干擾信道增益;
(2)對于中繼節(jié)點由于其在t時隙成功解碼了信號x(t),因此在t+1時隙可以利用已解碼信號x(t)作為先驗信息進行干擾消除,將中繼間干擾分量從接收到的信號yi(t+1)中完全消除。因此中繼節(jié)點 實際接收信號可以表示為:
因此,如果
成立,中繼節(jié)點能夠成功解碼信源信號,反之,解碼失敗,其中|gs,i|2表示信源S到中繼節(jié)點的信道增益;
(3)對于中繼節(jié)點為了在時隙t+1從所述接收信號yi(t+1)中解碼目的信號x(t+1),中繼節(jié)點采用連續(xù)干擾消除技術(shù)。通過比較目的信號x(t+1)和中繼間干擾信號x(t)的信號強度,分為以下兩種情況:
(31)如果所述目的信號x(t+1)的信號強度高于干擾信號x(t)的信號強度,那么中繼節(jié)點嘗試直接解碼目的信號x(t+1),并把信號x(t)當(dāng)作噪聲處理。因此,如果事件
成立,那么中繼節(jié)點能夠成功解碼x(t+1),反之,解碼失敗。其中|gb,i|2表示中繼節(jié)點Rb到中繼節(jié)點的信道增益;
(32)如果所述目的信號x(t+1)的信號強度低于干擾信號x(t)的信號強度,那么中繼節(jié)點嘗試率先解碼干擾信號x(t)。因此,如果事件
成立,那么干擾信號x(t)能夠被成功解碼并重構(gòu),進而從接收信號yi(t+1)中完全消除。此時中繼節(jié)點繼續(xù)從剩余信號
中嘗試解碼目的信號x(t+1)。因此,如果事件
成立,中繼節(jié)點能夠成功解碼x(t+1)。
綜合以上兩種情況(31)及(32),如果事件
成立,中繼節(jié)點能夠成功解碼目的信號x(t+1)。反之,解碼失??;
執(zhí)行步驟2,直至所有L個信源信號傳輸完畢。
步驟5:在時隙t+1,t={1,2,…},信源S產(chǎn)生一個新信號x(t+1)并傳輸給所有N個全雙工中繼節(jié)點;中繼節(jié)點的接收信號為
因此,如果
成立,中繼節(jié)點能夠成功解碼目的信號x(t+1);反之,解碼失敗。執(zhí)行步驟2,直至所有L個信源信號傳輸完畢。
最后,我們對全雙工多中繼系統(tǒng)FD-MRS進行了性能仿真,并且與現(xiàn)有的半雙工多中繼系統(tǒng)HD-MRS以及本發(fā)明人曾經(jīng)申請過的一項專利:一種基于半雙工多徑協(xié)作系統(tǒng)的虛擬全雙工中繼傳輸方法(VFD-MRS)進行了對比。為了便于說明,令信源S和最佳中繼節(jié)點Rb的傳輸功率為PS=PR=P。除非另外說明,令目標(biāo)數(shù)據(jù)速率R0=2bits/slot/Hz,噪聲功率為σ2=0dB,對任意令
圖4所示為本發(fā)明在不同剩余環(huán)路自干擾強度下系統(tǒng)端到端中斷性能仿真結(jié)果示意圖。隨著中繼節(jié)點個數(shù)N和傳輸功率P的增加,F(xiàn)D-MRS和 HD-MRS的中斷性能都逐漸提高。本專利提出的FD-MRS的中斷性能總是優(yōu)于VFD-MRS的中斷性能,并且當(dāng)功率P逐漸增大時VFD-MRS的中斷概率趨于一個非零常數(shù),這可以說明VFD-MRS系統(tǒng)沒有分集增益其魯棒性較弱。當(dāng)傳輸功率P較低時,F(xiàn)D-MRS的中斷性能總是優(yōu)于HD-MRS的中斷性能。當(dāng)全雙工中繼節(jié)點Rb的環(huán)路自干擾能夠被完全消除時,即μ=1,F(xiàn)D-MRS的中斷性能也總是優(yōu)于HD-MRS的中斷性能。但是當(dāng)被選中繼節(jié)點Rb的環(huán)路自干擾無法被完全消除時,即μ<1,由于HD-MRS能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分集增益,因此隨著功率P的增加,HD-MRS的性能最終會逐漸優(yōu)于FD-MRS。因此可以得出結(jié)論,在正常的傳輸功率及信噪比情況下FD-MRS的性能要明顯優(yōu)于現(xiàn)有的半雙工多中繼系統(tǒng)及虛擬全雙工中繼系統(tǒng)。
圖5所示為本發(fā)明在不同數(shù)據(jù)目標(biāo)傳輸速率R0下系統(tǒng)中斷性能仿真結(jié)果示意圖。如圖5所示,全雙工多中繼系統(tǒng)中斷性能隨著目標(biāo)傳輸速率R0的增加而降低。同時,我們能夠發(fā)現(xiàn)在相同中繼節(jié)點個數(shù)的條件下,三種不同的目標(biāo)傳輸速率下的全雙工多中繼系統(tǒng)FD-MRS中斷概率曲線是平行的,即全雙工多中繼系統(tǒng)FD-MRS在三種不同的目標(biāo)傳輸速率下獲得的分集增益是相同的。類似圖4的結(jié)果,隨著中繼節(jié)點個數(shù)的增加,系統(tǒng)具有更高的分集增益(即魯棒性),因此能夠有效降低其中斷概率。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。