两天线无线移动中继的双工模式选择技术方法技术

本发明专利技术公开了一种两天线无线移动中继的双工模式选择技术方案，其特征在于：在AF协议下比较FD和HD模式在双天线中继系统的频谱效率，通过推导FD和HD模式下的最优功率分配，得到最大的SE表达式；根据理论分析，提出两天线AF中继系统中一种新的双工模式选择策略，并且通过数值结果验证。本发明专利技术提出了两天线AF中继系统中一种新的双工模式选择策略并且通过数值结果验证。

【技术实现步骤摘要】
两天线无线移动中继的双工模式选择技术方法
本专利技术涉及一种两天线无线移动中继的双工模式选择技术方案。
技术介绍
具有多天线的中继比单天线中继能提供更高的频谱效率(SE)。移动中继的天线数越多，系统能达到的频谱效率越高。然而，受到体积和花费的限制，在移动中继上应用多根天线非常困难。实际中，一个可行的方案就是在中继端配置两根天线。作为源节点和目的节点间连通枢纽，在全双工模式(FD)或半双工模式(HD)下中继完成了接收和转发功能。当中继采用FD模式时，从源节点处接收信号和向目的节点转发信号可以共用相同的时频资源，但这会引起天线内自干扰和天线间互干扰。中继端一根天线同时接收和转发时会引起天线内自干扰发生；当中继天线只完成单项任务(接收或者转发)时，发送天线的信号泄漏到接收天线中(例如，天线间互干扰)会降低FD模式的性能。一些研究者开始研究FD模式，其中中继的所有的天线都同时用来接收和转发以最大限度的利用天线资源。然而，就目前的自干扰消除技术而言，消除天线内部自干扰比消除天线间互干扰实现更难。为避免FD模式中严重的天线内自干扰，一个解决方法是禁止任何中继天线同时接收和转发信号。对本文中的两天线FD中继，采取的方案是一根天线用来接收，而另一根天线用来转发信号，我们以浪费部分天线资源为代价得到了FD模式的高效时频资源利用率。但是在HD模式下并不存在自干扰问题，中继所有的天线可以同时用于接收和转发。它是以占用更多的时频资源来换取高天线效率。显然，无论是FD模式还是HD模式，都不能充分利用时-频-天线资源。据我们所知到目前为止，在两天线无线移动中继协作系统中，哪一种双工模式可以获取更高的频谱效率仍是尚未解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种两天线无线移动中继的双工模式选择技术方案，该技术方案理论分析和数值结果都表明最优的双工模式取决于优势资源，选择HD模式意味着天线资源优于时频资源，而选择FD模式意味着天线资源次于时频资源。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种两天线无线移动中继的双工模式选择技术方案，其特征在于：在AF协议下比较FD和HD模式在双天线中继系统的频谱效率，通过推导FD和HD模式下的最优功率分配，得到最大的SE表达式；根据理论分析，提出两天线AF中继系统中一种新的双工模式选择策略，并且通过数值结果验证。作为一种优化的技术方案，建立系统模型：双天线无线移动中继协作系统，其中源节点和目的节点只有一根天线，分别由S和D表示，中继配备了两根天线，分别用R1和R2表示。在AF协议下，中继节点只是简单的放大接收到的信号并将其转发给目的节点，在FD模式下，R1和R2分别用来接收和转发信号；而在HD模式下，R1和R2在第一个半帧长时间内同时接收信号，在第二个半帧长时间内同时转发信号；FD中继具有较高的时频利用率的同时HD中继具有较高的天线利用率。作为一种优化的技术方案，两天线AF中继协作系统最大化频谱效率：首先分别推导出FD和HD模式下的最优功率分配以获得最大的频谱效率表达式，然后提出一个两天线AF中继双工模式选择方法；1)、FD模式下最优功率分配：考虑到天线间互干扰，FD模式下的频谱效率CFD可以写为：由式(1)可知ｋ＝1表示没有从R2泄漏到R1的功率，因此FD模式的频谱效率只取决于γ12和γ21；当ｋ趋近于0时，例如R2所有的传输功率都泄漏到R1，此时FD中继无效；因此，相关的最大化FD的频谱效率的优化问题A1可以归纳为：s.t.：1).Ps+Pr2≤P；(3)2).Ps≥0，Pr2≥0(4)源节点和中继的总功率为P；引入消除系数来表征FD模式的频谱效率。由于寻找log2(1+α)最大值等价于寻找α的最大值，问题A1就转化为A2，并且他们的解是相同的：约束条件仍为式(3)和式(4)；2)、HD模式的最优功率分配：HD模式下的频谱效率SE表示为CHD，其中，常系数1/2是由于在HD模式下，前半个帧长时间用于接收，后半个帧长时间用于转发；前半个帧长时间内源节点发送功率是2Ps，后半个帧长时间内中继功率为2Pr，这样才能保证每帧功率(Pr+Ps)，满足公式(19)中的因子2和4；[2Ps(γ11+γ12)]和[2Pr2γ22+Pr1γ21)]分别表示中继和目的节点的接收信噪比SNR。因此，相关的优化问题表示为A3如下：s.t.：1).Ps+Pr1+Pr2≤P；(21)2).Ps≥0，Pr1≥0，Pr2≥0(22)其中，源节点和中继的总功率为P；HD模式利用中继的所有天线进行发射和接收。定义可以得到其中公式(23)成立是因为在中继端只给信道状况好的天线分配所有的功率而不是给每一个天线都分配功率；因此，定义且CHD是[Ps(γ11+γ12)]和(Pr2γ22+Pr1γ21)的单调递增函数，可以将A3转化为等价的A4，即：约束条件与公式(3)和(4)给出的相同；基于以上分析，提出一个双天线AF中继协作系统中的双工模式选择方法，以kγ11≠γ22和为例，由于比较FD和HD模式下的最大频谱效率与比较g(k)和是等价的，因此提出的策略描述如下：双工模式选择策略：第一步：对于一个给定的消除系数k，计算g(k)和g(k)为常数，为的最小值；第二步：如果选择HD模式，否则转至第三步；如果g(k)小于的最小值，由于FD模式和HD模式没有交叉，对于双工模式的选择，没有必要反馈γ12与γ21；第三步：对于给定的γ12和γ21，计算并与g(k)进行比较，如果选择HD模式，否则选择FD模式。由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术考虑到FD模式下天线间互干扰，在AF协议下比较了FD和HD模式在双天线中继系统的频谱效率。通过推导FD和HD模式下的最优功率分配，得到最大的SE表达式。根据理论分析，提出了两天线AF中继系统中一种新的双工模式选择策略并且通过数值结果验证。具体实施方式实施例：一种两天线无线移动中继的双工模式选择技术方案，其特征在于：在AF协议下比较FD和HD模式在双天线中继系统的频谱效率，通过推导FD和HD模式下的最优功率分配，得到最大的SE表达式；根据理论分析，提出两天线AF中继系统中一种新的双工模式选择策略，并且通过数值结果验证。作为一种优化的技术方案，建立系统模型：双天线无线移动中继协作系统，其中源节点和目的节点只有一根天线，分别由S和D表示，中继配备了两根天线，分别用R1和R2表示。在AF协议下，中继节点只是简单的放大接收到的信号并将其转发给目的节点，在FD模式下，R1和R2分别用来接收和转发信号；而在HD模式下，R1和R2在第一个半帧长时间内同时接收信号，在第二个半帧长时间内同时转发信号；FD中继具有较高的时频利用率的同时HD中继具有较高的天线利用率。作为一种优化的技术方案，两天线AF中继协作系统最大化频谱效率：首先分别推导出FD和HD模式下的最优功率分配以获得最大的频谱效率表达式，然后提出一个两天线AF中继双工模式选择方法；1)、FD模式下最优功率分配：考虑到天线间互干扰，FD模式下的频谱效率CFD可以写为：由式(1)可知ｋ＝1表示没有从R2泄漏到R1的功率，因此FD模式的频谱效率只取决于γ12和γ21；当ｋ趋近于0时，例如R2所有的传输功率都泄漏到R1，此时FD中继无效；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两天线无线移动中继的双工模式选择技术方案，其特征在于：在AF协议下比较FD和HD模式在双天线中继系统的频谱效率，通过推导FD和HD模式下的最优功率分配，得到最大的SE表达式；根据理论分析，提出两天线AF中继系统中一种新的双工模式选择策略，并且通过数值结果验证。

【技术特征摘要】
1.一种两天线无线移动中继的双工模式选择方法，其特征在于：在AF协议下比较全双工FD和半双工HD模式在双天线中继系统的频谱效率，通过推导FD和HD模式下的最优功率分配，得到最大的SE表达式；根据理论分析，提出两天线AF中继系统中一种新的双工模式选择策略，并且通过数值结果验证；建立系统模型：双天线无线移动中继协作系统，其中源节点和目的节点只有一根天线，分别由S和D表示，中继配备了两根天线，分别用R1和R2表示；在AF协议下，中继节点只是简单的放大接收到的信号并将其转发给目的节点，在FD模式下，R1和R2分别用来接收和转发信号；而在HD模式下，R1和R2在第一个半帧长时间内同时接收信号，在第二个半帧长时间内同时转发信号；FD中继具有较高的时频利用率的同时HD中继具有较高的天线利用率；两天线AF中继协作系统最大化频谱效率：首先分别推导出FD和HD模式下的最优功率分配以获得最大的频谱效率表达式，然后提出一个两天线AF中继双工模式选择方法；1)、FD模式下最优功率分配：考虑到天线间互干扰，FD模式下的频谱效率CFD可以写为：由式(1)可知k＝1表示没有从R2泄漏到R1的功率，因此FD模式的频谱效率只取决于γ12和γ21；当k趋近于0时，例如R2所有的传输功率都泄漏到R1，此时FD中继无效；因此，相关的最大化FD的频谱效率的优化问题A1可以归纳为：A1：s.t.：1).Ps+Pr2≤P；(3)2).Ps≥0，Pr2≥0(4)s.t.表示受限于以下条件；源节点和中继的总功率为P；引入消除系数k来表征FD模式的频谱效率；由于寻找log2(1+α)最大值等价于寻找α的最大值，问题A1就转化为A2，并且他们的解是相同的：A22约束条件仍为式(3)和式(4)；2)、HD模式的最优功率分配：HD模式下的频谱效率SE表示为CHD，其中，常系数1/2是由于在HD模式下，前半个帧长时间用于接收，后半个帧长时间用于转发；前半个帧长时间内源节点发送功率是...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海林，程文驰，任智源，李丹萍，李勇朝，王建伟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61