本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種全雙工雙向中繼傳輸方法,可用于無(wú)線通信的分布式協(xié)作傳輸系統(tǒng),提升協(xié)作通信系統(tǒng)的可靠性和頻譜利用率。
背景技術(shù):
隨著無(wú)線通信中信號(hào)帶寬越來(lái)越寬,對(duì)應(yīng)的頻譜資源卻越來(lái)越少,人們逐漸開(kāi)始研究能最大化利用頻譜資源的算法和技術(shù)。全雙工技術(shù)在同一時(shí)間和同一頻段上進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射和接收,因此它能最大可能地提高未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源利用率,但其存在嚴(yán)重的自干擾問(wèn)題,這限制了全雙工系統(tǒng)性能地提升。協(xié)作通信技術(shù)利用通信網(wǎng)絡(luò)中空閑節(jié)點(diǎn)作為中繼,實(shí)現(xiàn)虛擬的空間分集以對(duì)抗無(wú)線信道的多徑衰落,協(xié)作中繼通信因中繼布局靈活、成本低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為當(dāng)前和未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
文獻(xiàn)1,two-wayfull-duplexamplify-and-forwardrelaying,milcom2013-2013ieeemilitarycommunicationsconference,sandiego,ca,2013,pp.1-6.中對(duì)全雙工單中繼雙向傳輸系統(tǒng)模型進(jìn)行了分析,對(duì)依賴一個(gè)固定中繼,沒(méi)有中繼選擇的情況下系統(tǒng)傳輸速率、容量、中斷概率等參數(shù)進(jìn)行了仿真。但單中繼傳輸方法對(duì)傳輸環(huán)境的要求較高,傳輸過(guò)程中不同物體阻擋形成的陰影衰落都會(huì)對(duì)信息的傳輸產(chǎn)生很大影響,系統(tǒng)可靠性較低。
文獻(xiàn)2,relayselectionfortwo-wayfullduplexrelaynetworkswithamplify-and-forwardprotocol,inieeetransactionsonwirelesscommunications,vol.13,no.7,pp.3768-3777,july2014.中針對(duì)多中繼場(chǎng)景提出了一種中繼選擇策略,并對(duì)全雙工中繼系統(tǒng)誤碼率、中斷概率等性能進(jìn)行了分析。但該方法存在的不足之處是忽略了中繼剩余自干擾信號(hào)在中繼收發(fā)天線之間無(wú)限循環(huán)迭代的事實(shí),將中繼剩余自干擾信道建模為單徑瑞利平坦衰落信道,不能完全客觀的反應(yīng)全雙工中繼剩余自干擾對(duì)其性能的影響。
文獻(xiàn)3,西安電子科技大學(xué)在其申請(qǐng)的專利“全雙工協(xié)作通信系統(tǒng)中異步空時(shí)碼編解碼系統(tǒng)和方法”(專利號(hào):zl201210199103.6公開(kāi)號(hào):cn102724027b)中提出了一種基于異步空時(shí)碼的全雙工中繼傳輸方法,該方法利用異步空時(shí)碼編解碼技術(shù)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)剩余自干擾信號(hào)進(jìn)行抑制和消除,這種全雙工中繼傳輸方法的不足之處在于:全雙工協(xié)作通信系統(tǒng)中采用異步空時(shí)碼編解碼方法增大了中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)剩余自干擾信號(hào)處理過(guò)程的復(fù)雜度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足,提出一種基于單載波頻域均衡的同時(shí)同頻全雙工雙向中繼傳輸方法,以簡(jiǎn)化中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)剩余自干擾信號(hào)的處理過(guò)程,提升全雙工雙向中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的可靠性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
(1)兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)s1、s2和中繼節(jié)點(diǎn)r1,r2,…,ri,…,rn利用訓(xùn)練序列對(duì)系統(tǒng)信道參數(shù)進(jìn)行最小均方誤差估計(jì),得到如下參數(shù):
第一源節(jié)點(diǎn)s1到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)h1i和第二源節(jié)點(diǎn)s2到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)h2i,第一源節(jié)點(diǎn)s1的剩余自干擾信道系數(shù)hs1和第二源節(jié)點(diǎn)s2的剩余自干擾信道系數(shù)hs2,及中繼節(jié)點(diǎn)剩余自干擾信道系數(shù)
(2)選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)rk,其中k表示最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的下角標(biāo)值;
(3)計(jì)算最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)rk的最優(yōu)放大因子βk:
當(dāng)|h2k|2≥|h1k|2時(shí),
當(dāng)|h1k|2>|h2k|2時(shí),
其中,h1k表示第一源節(jié)點(diǎn)s1到最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù),h2k表示第二源節(jié)點(diǎn)s2到最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù),
(4)利用最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)大放大因子βk,構(gòu)造最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)等效多徑信道的信道系數(shù)矩陣hk:
hk=[h(0),...,h(l),...,h(l-1)],
其中,h(l)=βk(hlikβk)l表示第l徑等效信道的信道系數(shù),0≤l≤l;
(5)第一源節(jié)點(diǎn)s1和第二源節(jié)點(diǎn)s2分別對(duì)各自的信源信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后,再添加循環(huán)前綴得到各自的發(fā)射信號(hào)x1和x2,并將各自的發(fā)射信號(hào)x1和x2發(fā)送給最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)rk;
(6)最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)rk對(duì)這兩個(gè)發(fā)射信號(hào)x1和x2進(jìn)行放大處理,得到最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)第m時(shí)隙的發(fā)射信號(hào)t[m]:
其中,x1[m-j]表示第一源節(jié)點(diǎn)s1第m-j時(shí)隙的發(fā)射信號(hào),x2[m-j]表示第二源節(jié)點(diǎn)s2第m-j時(shí)隙的發(fā)射信號(hào),nk[m-j]表示最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)第m-j時(shí)隙的噪聲信號(hào),j=1,2,…∞;
(7)第一源節(jié)點(diǎn)s1和第二源節(jié)點(diǎn)s2接收最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)t[m],得到各自的接收信號(hào)y1和y2,再分別去除接收信號(hào)y1和y2的循環(huán)前綴得到第一源節(jié)點(diǎn)s1的待均衡信號(hào)y'1和第二源節(jié)點(diǎn)s2的待均衡信號(hào)y'2;
(8)第一源節(jié)點(diǎn)s1和第二源節(jié)點(diǎn)s2分別對(duì)各自的待均衡信號(hào)y'1和y'2進(jìn)行頻域均衡,得到第一源節(jié)點(diǎn)s1的待解調(diào)信號(hào)
(9)第一源節(jié)點(diǎn)s1對(duì)其待解調(diào)信號(hào)
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
第一,本發(fā)明將中繼節(jié)點(diǎn)的剩余自干擾信道等效為l徑多徑信道,并在源節(jié)點(diǎn)利用sc-fde抗多徑技術(shù)對(duì)抗中繼剩余自干擾形成的多徑效應(yīng),從而簡(jiǎn)化了中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)剩余自干擾信號(hào)的處理過(guò)程,降低了中繼節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度。
第二,本發(fā)明使用了中繼選擇技術(shù),即源節(jié)點(diǎn)從多個(gè)候選中繼節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)最優(yōu)中繼進(jìn)行協(xié)作通信,從而提高了源節(jié)點(diǎn)的信干噪比,提升了系統(tǒng)的可靠性。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明使用的同時(shí)同頻全雙工雙向通信場(chǎng)景示意圖;
圖2為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖;
圖3為本發(fā)明和現(xiàn)有方法的誤比特率對(duì)比仿真圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
本發(fā)明的是在圖1的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)的。
圖1中,包含兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)和n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)與每個(gè)中繼之間各有兩條信道,源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)各有一條剩余自干擾信道,其中:
s1表示第一源節(jié)點(diǎn),s2表示第二源節(jié)點(diǎn),r1,r2,…ri,…,rn表示n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn),i=1,2,…n,n表示中繼個(gè)數(shù);圖1中實(shí)線表示源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的傳輸信道,虛線表示各節(jié)點(diǎn)剩余自干擾信道。
源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)都工作在同時(shí)同頻全雙工模式,兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)同時(shí)同頻的向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)并接收中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào),中繼節(jié)點(diǎn)也同時(shí)同頻地接收來(lái)自兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào),中繼節(jié)點(diǎn)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,將上一時(shí)隙的接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后轉(zhuǎn)發(fā)給源節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的剩余自干擾信號(hào)是指采用主動(dòng)或者被動(dòng)自干擾消除技術(shù)后所剩余的自干擾信號(hào)。
參照?qǐng)D2,本發(fā)明完成同時(shí)同頻全雙工雙向中繼協(xié)作通信的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
步驟1,估計(jì)信道參數(shù)。
兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)s1、s2和中繼節(jié)點(diǎn)r1,r2,…,ri,…,rn利用訓(xùn)練序列對(duì)系統(tǒng)信道參數(shù)進(jìn)行最小均方誤差估計(jì),得到如下參數(shù):
第一源節(jié)點(diǎn)s1到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)h1i和第二源節(jié)點(diǎn)s2到第i個(gè)中繼的信道系數(shù)h2i,第一源節(jié)點(diǎn)s1的剩余自干擾信道系數(shù)hs1和第二源節(jié)點(diǎn)s2的剩余自干擾信道系數(shù)hs2,及中繼節(jié)點(diǎn)剩余自干擾信道系數(shù)
步驟2,選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。
2.1)利用第一源節(jié)點(diǎn)s1到第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù)h1i和第二源節(jié)點(diǎn)s2到第i個(gè)中繼的信道系數(shù)h2i,計(jì)算最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的下角標(biāo)值:
2.2)根據(jù)最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的下角標(biāo)值k選擇第k個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)rk為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。
步驟3,計(jì)算最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)rk的最優(yōu)放大因子βk。
3.1)計(jì)算第一源節(jié)點(diǎn)s1的信干噪比ψ1和第二源節(jié)點(diǎn)s2的信干噪比ψ2:
其中,h1k表示第一源節(jié)點(diǎn)s1到最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù),h2k表示第二源節(jié)點(diǎn)s2到最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù),
3.2)令系統(tǒng)信干噪比取得最大值的最優(yōu)放大因子βk的表達(dá)式為:
其中,
將第一源節(jié)點(diǎn)s1的信干噪比ψ1和第二源節(jié)點(diǎn)s2的信干噪比ψ2帶入最優(yōu)放大因子βk的表達(dá)式,推導(dǎo)得到最優(yōu)放大因子βk的閉式解:
當(dāng)|h2k|2≥|h1k|2時(shí),
當(dāng)|h1k|2>|h2k|2時(shí),
其中,
步驟4,構(gòu)造最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)等效多徑信道。
將最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的剩余自干擾信道等效為l徑多徑信道,利用最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)放大因子βk,構(gòu)造最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)等效多徑信道的信道系數(shù)矩陣hk:
hk=[h(0),...,h(l),...,h(l-1)],
其中,
步驟5,源節(jié)點(diǎn)調(diào)制信源信號(hào)。
第一源節(jié)點(diǎn)s1對(duì)信源信號(hào)a1進(jìn)行調(diào)制,再將調(diào)制后的信號(hào)序列s1添加循環(huán)前綴,得到第一源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào):
第二源節(jié)點(diǎn)s2對(duì)信源信號(hào)a2進(jìn)行調(diào)制,再將調(diào)制后的信號(hào)序列s2添加循環(huán)前綴,得到第二源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào):
其中,ip表示m×m維的單位矩陣,m表示調(diào)制后信號(hào)序列s1和s2的長(zhǎng)度,i′是由單位矩陣ip的后l行構(gòu)成的矩陣,l表示源節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)添加的循環(huán)前綴長(zhǎng)度,l<m。
步驟6,最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)。
最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)第m時(shí)隙的接收信號(hào)r[m]:
其中,x1[m]表示第一源節(jié)點(diǎn)s1第m時(shí)隙的發(fā)射信號(hào),x2[m]表示第二源節(jié)點(diǎn)s2第m時(shí)隙的發(fā)射信號(hào),t[m]表示最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)第m時(shí)隙的發(fā)射信號(hào),nk[m]表示最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)第m時(shí)隙的噪聲信號(hào);
最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)的工作模式,對(duì)其第m-1時(shí)隙的接收信號(hào)r[m-1]放大βk倍,得到最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)第m時(shí)隙的發(fā)射信號(hào)t[m]:
t[m]=βkr[m-1],
其中,
將最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)第m-1時(shí)隙接收信號(hào)r[m-1]的表達(dá)式帶入t[m]表達(dá)式,得到t[m]的展開(kāi)式:
由上式可知,中繼剩余自干擾信號(hào)會(huì)在中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射端和接收端之間形成無(wú)限循環(huán)迭代的過(guò)程;單載波頻域均衡技術(shù)能夠利用循環(huán)前綴對(duì)抗多徑效應(yīng),因此,上式中循環(huán)前綴長(zhǎng)度l徑以內(nèi)的信號(hào)當(dāng)做有用信號(hào),l+1徑及以后的信號(hào)當(dāng)做自干擾信號(hào)。
步驟7,源節(jié)點(diǎn)接收最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)。
7.1)第一源節(jié)點(diǎn)s1和第二源節(jié)點(diǎn)s2接收最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)t[m],得到各自第m時(shí)隙的接收信號(hào)y1[m]和y2[m]:
y1[m]=h1kt[m]+hs1x1[m]+ns1[m],
y2[m]=h2kt[m]+hs2x2[m]+ns2[m],
其中,x1[m]表示第一源節(jié)點(diǎn)s1第m時(shí)隙的發(fā)射信號(hào),x2[m]表示第二源節(jié)點(diǎn)s2第m時(shí)隙的發(fā)射信號(hào),ns1[m]表示第一源節(jié)點(diǎn)s1第m時(shí)隙的噪聲信號(hào),ns2[m]表示第二源節(jié)點(diǎn)s2第m時(shí)隙的接收信號(hào);
7.2)兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)分別去除各自接收信號(hào)y1和y2的循環(huán)前綴,得到第一源節(jié)點(diǎn)s1的待均衡信號(hào)y'1和第二源節(jié)點(diǎn)s2的待均衡信號(hào)y'2:
y'1=[tip]y1,
y'2=[tip]y2,
其中,t表示m×l維零矩陣,ip表示m×m維單位陣,m表示調(diào)制后信號(hào)序列s1和s2的長(zhǎng)度,l表示源節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)添加的循環(huán)前綴長(zhǎng)度,l<m,y1表示源節(jié)點(diǎn)s1的接收信號(hào),y2源節(jié)點(diǎn)s2的接收信號(hào),y'1表示第一源節(jié)點(diǎn)s1去掉循環(huán)前綴后的待均衡信號(hào),y'2表示第二源節(jié)點(diǎn)s2去掉循環(huán)前綴后的待均衡信號(hào)。
步驟8,源節(jié)點(diǎn)待均衡信號(hào)進(jìn)行頻域均衡,得到待解調(diào)信號(hào)。
頻域均衡的方法包括迫零均衡和最小均方誤差均衡等,本實(shí)例中兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)采用迫零均衡的方法,其實(shí)現(xiàn)步驟如下:
8.1)第一源節(jié)點(diǎn)s1和第二源節(jié)點(diǎn)s2分別對(duì)各自的待均衡信號(hào)y'1和y'2進(jìn)行傅里葉變換,得到第一源節(jié)點(diǎn)s1的頻域接收信號(hào)y'1和第二源節(jié)點(diǎn)s2的頻域接收信號(hào)y'2;
8.2)利用迫零均衡分別對(duì)頻域接收信號(hào)y'1和y'2進(jìn)行均衡,得到均衡后的接收信號(hào)y1和y2:
y1=y(tǒng)′1w,
y2=y(tǒng)′2w,
其中,
8.3)第一源節(jié)點(diǎn)s1和第二源節(jié)點(diǎn)s2分別對(duì)均衡后的接收信號(hào)y1和y2進(jìn)行傅里葉逆變換,得到第一源節(jié)點(diǎn)s1的待解調(diào)信號(hào)
步驟9,源節(jié)點(diǎn)解調(diào)接收信號(hào)。
第一源節(jié)點(diǎn)s1對(duì)其待解調(diào)信號(hào)
下面結(jié)合仿真對(duì)本發(fā)明的效果做詳細(xì)描述。
1.仿真條件
本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)是在matlab7.11軟件下進(jìn)行的。在本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)中,源節(jié)點(diǎn)采用正交振幅調(diào)制的方法對(duì)信源信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,調(diào)制得到的發(fā)射信號(hào)幀長(zhǎng)m=128,循環(huán)前綴的長(zhǎng)度l=32。源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道和各節(jié)點(diǎn)的剩余自干擾信道均為瑞利平坦衰落信道,中繼節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)的剩余自干擾大小均為-40db,各節(jié)點(diǎn)噪聲方差相等,且均為-40db。仿真信噪比范圍為0~18db,仿真次數(shù)為10000次。
2.仿真內(nèi)容及仿真結(jié)果
以文獻(xiàn)2所提方法為對(duì)比方法,對(duì)采用對(duì)比方法和本發(fā)明所提方法的全雙工雙向中繼傳輸系統(tǒng)的誤碼率性能進(jìn)行仿真對(duì)比,結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,當(dāng)中繼個(gè)數(shù)為3時(shí),本發(fā)明比對(duì)比方法的誤碼率性能提高了約4db,當(dāng)中繼個(gè)數(shù)為5時(shí),本發(fā)明與對(duì)比方法相比其誤碼率性能有5db的提高,
仿真結(jié)果表明:使用本發(fā)明方法的全雙工雙向中繼傳輸系統(tǒng)其誤碼率性能明顯優(yōu)于采用對(duì)比方法的全雙工雙向中繼傳輸系統(tǒng)的誤碼率性能,說(shuō)明本發(fā)明在簡(jiǎn)化中繼剩余自干擾處理過(guò)程的同時(shí),提高了系統(tǒng)可靠性。