全雙工雙向譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的最優(yōu)功率分配和中繼部署方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及中繼通信，具體地，涉及基于信道統(tǒng)計特性的全雙工雙向譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中 繼的最優(yōu)功率分配和中繼部署方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 中繼通信屬于協(xié)作通信的范疇，是指在兩個終端節(jié)點由于強衰落，強陰影作用或 者遠(yuǎn)距離的情況下無法直接進行通信時，采用一個中繼節(jié)點輔助通信的一種通信方式。具 體為：用戶A首先將信息發(fā)送給中繼節(jié)點，中繼節(jié)點采用某種轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議完成信息的處理之 后，再轉(zhuǎn)發(fā)給用戶B。中繼通信可以帶來一系列的好處，除了上面所說的擴大通信的覆蓋范 圍，還可提供分集增益，提高系統(tǒng)穩(wěn)定度，降低系統(tǒng)中斷概率等等優(yōu)點。中繼節(jié)點采用的轉(zhuǎn) 發(fā)協(xié)議一般包括解碼轉(zhuǎn)發(fā)，放大轉(zhuǎn)發(fā)，壓縮轉(zhuǎn)發(fā)，降噪轉(zhuǎn)發(fā)等等轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。本專利中采用的 是解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF)，即中繼節(jié)點接收到了用戶A發(fā)射的信號之后，譯碼獲得準(zhǔn)確信息，然后再 將信息編碼封裝之后轉(zhuǎn)發(fā)給B節(jié)點。傳統(tǒng)的中繼通信系統(tǒng)普遍都是工作在單向半雙工狀 態(tài)，即收發(fā)必須分不同時段或頻段，然而這種半雙工狀態(tài)卻導(dǎo)致了頻譜效率的低下，在頻譜 資源日益緊缺的情況下，這個問題日益凸顯。幾種解決方案被提了出來，包括雙向中繼和全 雙工中繼節(jié)點通信。雙向中繼通信，即中繼節(jié)點同時接收來自A，B節(jié)點的信號，處理之后再 同時轉(zhuǎn)發(fā)給A，B節(jié)點。這種方案在A，B節(jié)點需要進行信息交互時，顯得極為有效。全雙工 中繼節(jié)點，即中繼節(jié)點在接收A的信息的同時轉(zhuǎn)發(fā)上一個時隙接收到的信息給B節(jié)點，這種 方案特別適合單向通信的系統(tǒng)。然而，在現(xiàn)在的通信系統(tǒng)當(dāng)中信息的交互是必不可少的，雙 向中繼雖然能夠提高頻譜效率，但是由于采用半雙工頻譜效率低下的本性，頻譜利用率仍 然有待提高。全雙工模式雖然可以顯著提高系統(tǒng)的頻譜利用率，但是由于全雙工是同時同 頻工作的，一個不可避免的問題就是自干擾的影響，即從本節(jié)點發(fā)射端到本節(jié)點接收端的 強干擾問題。隨著國內(nèi)外的學(xué)者對全雙工系統(tǒng)中的自干擾消除技術(shù)的研宄，從數(shù)字域，模擬 域，或從天線選擇角度，信號處理角度等等，多種技術(shù)已經(jīng)能夠顯著降低自干擾，從而使全 雙工能夠被應(yīng)用到蜂窩網(wǎng)絡(luò)，中繼網(wǎng)絡(luò)，無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)等等。
[0003] 因此本專利將全雙工模式應(yīng)用到雙向中繼系統(tǒng)當(dāng)中，中繼節(jié)點和終端節(jié)點均工作 與全雙工狀態(tài)，大幅度提高了頻譜利用率，顯著緩解了頻譜資源壓力。
[0004] 雙向全雙工中繼系統(tǒng)當(dāng)中，中繼節(jié)點和用戶節(jié)點均工作在全雙工狀態(tài)，雖然增加 自身功率能夠提高接收端的信號強度，但是全雙工模式下，雖然自干擾可以被有效消除，但 是殘留自干擾會大大降低接收端的信噪比，影響該設(shè)備同時接收到的對端信號的信噪比， 降低系統(tǒng)速率，拉升系統(tǒng)的中斷概率，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定度，如何能夠降低系統(tǒng)的中斷概 率是當(dāng)務(wù)之急。因此需要考慮合適的功率控制，即保證發(fā)送信號到達接收端時有足夠的信 號質(zhì)量，又要避免過大的發(fā)射功率導(dǎo)致自身接收信號質(zhì)量過大地被干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種全雙工雙向譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的最 優(yōu)功率分配和中繼部署方法。
[0006] 為了解決這些問題，可以通過功率控制和中繼站的部署，本發(fā)明提出了基于信道 統(tǒng)計特征的，最優(yōu)化功率控制與最優(yōu)化中繼節(jié)點的部署機制，來最大程度的降低系統(tǒng)的中 斷概率，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定度，又不需要隨時獲得信道的瞬時信息，避免了獲得信道損失信息 所需要的額外過多的系統(tǒng)開銷，也避免了信道瞬時信息變化太快導(dǎo)致的難以很好地跟蹤信 道變化的問題。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明提供的全雙工雙向譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的最優(yōu)功率分配和中繼部署方法，包 括如下步驟：
[0008] 步驟1 :建立雙向全雙工中繼通信系統(tǒng)；
[0009] 步驟2 :終端節(jié)點向中繼節(jié)點發(fā)送狀態(tài)信息，所述狀態(tài)信息包括發(fā)射功率信息、自 干擾信息；
[0010] 步驟3 :中繼節(jié)點接收到終端節(jié)點的狀態(tài)信息后，選擇最優(yōu)功率分配方案發(fā)送信 號；
[0011] 步驟4 :根據(jù)最優(yōu)功率優(yōu)化方案選擇中繼節(jié)點的部署位置。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟1包括：工作在全雙工模式的終端節(jié)點A和終端節(jié)點B，以及工 作在全雙工模式的雙向中繼節(jié)點R;所述雙向中繼節(jié)點R位于終端節(jié)點A和終端節(jié)點B之 間，且使得雙向中繼節(jié)點R的發(fā)射總功率保持不變。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟2包括：雙向中繼節(jié)點R接收來自終端節(jié)點A和終端節(jié)點B的發(fā) 射功率、自干擾信息。
[0014] 優(yōu)選地，所述步驟3包括：
[0015] 步驟3. 1 :假設(shè)終端節(jié)點A、終端節(jié)點B與雙向中繼節(jié)點R之間的信道為瑞利信道， 且高斯白噪聲單邊帶功率譜密度為N的條件下，所述雙向中繼節(jié)點R收集所有信道內(nèi)的統(tǒng) 計參數(shù)；
[0016] 步驟3.2 :雙向中繼節(jié)點R根據(jù)收集的統(tǒng)計參數(shù)求解中間參數(shù)值大小， 其中：
[0024] 式中T1表示終端節(jié)點A的發(fā)射功率，P2表示終端節(jié)點B的發(fā)射功率，P3表示雙向 中繼節(jié)點R的發(fā)射總功率，F(xiàn)1表示信道前向鏈路A->R->B的最小傳輸速率，r2表示信道后向 鏈路為B->R->A的最小傳輸速率，1^表示節(jié)點A的自干擾消除能力大小，Ntl表示噪聲方差， 其中1^2表示節(jié)點B的自干擾消除能力大小，k3表示節(jié)點R的自干擾消除能力大?。?br>[0025] 步驟3. 3 :雙向中繼節(jié)點R根據(jù)中間參數(shù)XjPX2的大小關(guān)系，選擇選擇最優(yōu)功率分 配方案；若X1SX2，則基站最優(yōu)功率分配參數(shù)P為分配區(qū)間（XyX1)內(nèi)的任意值；若X1OC2, 則進入步驟3. 4 ;否則進入步驟3. 5 ;
[0026] 步驟3. 4 :求解基站最優(yōu)功率分配參數(shù)P的取值范圍，計算方程如下：
[0027] P3R3t3P2+P+P1Rgt1 = 0，
[0028] 且兄= 2,i+,i-1;
[0029] 當(dāng)所述方程無解時，則：
[0031] 式中：Di表示終端節(jié)點A與雙向中繼節(jié)點R之間的信道方差，Q2表示終端節(jié)點B 與雙向中繼節(jié)點R之間的信道方差；
[0032] 當(dāng)所述方程有解時，且解為PjPP2，假設(shè)Pi〈P2;iP'XpP2>Xjt，或者 P凡、P2〈X^，貝丨J:
[0034] 步驟3. 5 :雙向中繼節(jié)點R按照最優(yōu)功率分配轉(zhuǎn)發(fā)信號，即發(fā)送至終端節(jié)點A的信 號功率為p*P3，發(fā)送至終端節(jié)點B的信號功率為（1-P)*P3。
[0035] 優(yōu)選地，所述步驟4包括：根據(jù)基站功率分配參數(shù)P的取值選擇雙向中繼節(jié)點R 的部署位置；假設(shè)已知：PG(min(X1,X2Kmax(X^X2I),
[0036] 若X1M2，則雙向中繼節(jié)點最優(yōu)化部署后，歸一化A->R->B鏈路的總路程為1，此時 A->R的距離占A->R->B鏈路距離的比例為：
[0038] 若X1OC2,則要根據(jù)方程：P3R3t3PP+P1R2L= 0 是否有解分 成兩種情況；
[0039] 當(dāng)方程無解時，雙向中繼節(jié)點最優(yōu)化部署后，歸一化A->R->B鏈路的總路程為1， 此時A_>R的距離占A->R->B鏈路距離的比例為：
[0041] 當(dāng)方程有解時，且解為PjPP2，假設(shè)P'PyiP'XpP2>X^，或者PPXn P20(2時，雙向中繼節(jié)點最優(yōu)化部署后，歸一化A->R->B鏈路的總路程為1，此時A->R的距 離占A->R->B鏈路距離的比例為：
[0043] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0044] 1、本發(fā)明建立了全雙工中繼系統(tǒng)中明確的中繼節(jié)點部署機制和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)功 率分配機制，提高通信效率。
[0045] 2、本發(fā)明根據(jù)中繼節(jié)點的部署機制和中繼節(jié)點的功率分配機制有效降低了系統(tǒng) 的中斷概率，解決了全雙工系統(tǒng)當(dāng)中，中斷概率過高的問題，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定度，從而提 升了終端節(jié)點的服務(wù)質(zhì)量。
【附圖說明】
[0046] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0047] 圖1為本發(fā)明提供的雙向全雙工中繼通信系統(tǒng)模型示意圖；
[0048] 圖2為本發(fā)明提供的雙向全雙工中繼通信系統(tǒng)通信鏈路與自干擾模型示意圖；
[0049] 圖3為本發(fā)明提供的最優(yōu)功率分配流程框圖；
[0050] 圖4為本發(fā)明提供的最佳中繼節(jié)點部署流程框圖。
【具體實施方式】
[0051] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0052] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于信道統(tǒng)計特性的全雙工雙向譯碼轉(zhuǎn)發(fā)中繼的最優(yōu)功率分 配和中繼部署方法，包括如下步驟：
[0053] 步驟1 :建立雙向全雙工中繼通信系統(tǒng)；
[0054] 步驟2 :終端節(jié)點向中繼節(jié)點發(fā)送狀態(tài)信息，所述狀態(tài)信息包括發(fā)射功率信息、自 干擾信息；
[0055] 步驟3 :中繼節(jié)點接收到終端節(jié)點的狀態(tài)信息后，選擇最優(yōu)功率分配方案發(fā)送信 號；
[0056] 步驟4:根據(jù)最優(yōu)功率優(yōu)化方案選擇中繼節(jié)點的部署位置。
[0057] 優(yōu)選地，所述步驟1包括：工作在全雙工模式的終端