【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信，具体涉及一种无线通信系统及方法。
技术介绍
1、第六代(6g)技术旨在为包括人工智能(ai)、虚拟现实和物联网(iot)在内的新兴技术提供更好的支持，这些技术依赖于超大规模阵列(xl阵列)的部署和高频的使用。随着频率的增加和瑞利距离的持续增长，近场通信(nfc)的应用前景备受期待，因为其传输信道模型被表征为独特的电磁中止的球面波[1]。与远场通信中的平面波信道模型相比，球面波模型考虑了传输距离、天顶角和方位角等关键因素，从而使目标用户在自由空间中享有优越的波束聚焦。因此，nfc为提高可实现容量和消除潜在干扰提供了一个新的视角[2]。
2、另一方面，协作通信作为一种成熟实用的解决方案，有效地减轻了大量的数据流量，包括中继辅助和设备对设备(d2d)辅助网络[3]-[5]。在[3]中，采用全双工(fd)继电器来帮助远端用户使用静态电池和收集的能量。尽管从协作中继中获得了显著的改进，但d2d传输可以以更低的资源消耗转发信号、卸载流量并扩大通信覆盖范围[4]。此外，合作中继和d2d方案都被应用于提高遍历求和率和中断概率方面的整体系统性能[5]。
3、从现有的工作来看，由于nfc的通信距离有限，其应用受到限制。即使应用这种更高频率的技术，即毫米波和太赫兹，瑞利距离也可以适度增加，从而使nfc的通信距离也得到改善。然而，对超高频的要求极其严格，这是不现实的。幸运的是，应用协作中继/d2d概念来完成远程用户的通信是解决这种问题的有效方法。此外，为了完成远用户(瑞利距离之外)的传输，协作中继方案需要
技术实现思路
1、为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种无线通信系统及方法，不仅考虑发射距离，还考虑角度，能够获得更好的可实现容量。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种无线通信系统，包括基站、中继节点、用户；基站到中继节点、中继节点到用户的距离小于基站的瑞利距离，即近场信道，基站到用户的直接链路距离大于基站的瑞利距离，即远场信道；基站和中继节点分别布置upa阵列，其中基站的upa阵列是超大规模阵列；基站在第一时隙中将信号发送到中继节点，经中继节点解码后在第二时隙将期望信号转发至用户。
4、优选的，所述无线通信系统包括：基站的upa阵列集成m＝mymz天线，物理尺寸为ly×lz，其中ly≈myds，lz≈mzds，as表示天线的尺寸；第(my,mz)个天线的中心坐标表示为其中中继节点处的upa阵列具有相似的物理尺寸和天线尺寸，其中n＝ny×nz，dy×dz，其中dy≈nydc，dz≈nzdc和分别表示阵列数量、物理尺寸和天线尺寸；第(ny,nz)个天线在r/u1处的中心坐标表示为对于用户的位置r＝{r1,r2,r3}，天顶角θ＝{θ1,θ2,θ3}和方位角φ＝{φ1,φ2,φ3}，θ∈[0,π]和中继节点的坐标表示为qi＝[riψi,riφi,riωi]t与以及ωo＝cosθi，i∈{1,2}。
5、优选的，近场信道建模为：
6、中继节点与基站处第(my,mz)个天线中心之间的距离为：
7、
8、其中，和∈1＜＜1；
9、在中继节点处基站和第(ny,nz)个天线之间的距离表示为：
10、
11、其中，
12、信道功率增益表示为：
13、
14、上式表示从基站到中继节点和从中继节点到基站，遵循和的集合，其中as＝ac＝a；中继节点的阵列响应向量和基站的阵列响应矢量表示为和由以下元素组成和其中λ表示信号波长。
15、优选的，远场信道建模为：
16、将到达远场用户的波近似为均匀平面波，其中来自天线阵列的接收信号的振幅是等效的，即远场区域的阵列响应矢量bm(r2,θ2,φ2)表示为：
17、
18、其中β0表示r0＝1m时参考距离处的信道功率。
19、本专利技术还提供无线通信方法，具体步骤包括：
20、(1)中继节点在hd模式下工作；中继节点和用户处的接收信号分别为和其中ps和pr表示bs处的发射功率，r，x分别表示用户以及的期望信号，表示高斯白噪声；其中ps＝pr＝p，σs＝σr＝σ；应用线性接收波束形成中继节点和用户处的接收snr如下所示
21、
22、
23、式中，‖vn‖＝||vf||＝1；考虑到最优mrc波束形成器和相应的接收snrγ1和表示为：
24、
25、其中表示发射snr，其中as＝ac＝a，遵循和的集合；通过来计算中继节点的可实现容量；
26、(2)中继节点和用户之间的snr等效于等式(5)和(6)；由于中继节点和用户都需要该信号，其可实现的总和速率为用于协作d2dnfc；
27、(3)基站在一个时隙内直接将信号发送给用户，接收到的信号为其中bm(r2,θ2,φ2)是远场区域中的阵列响应，ps＝p并且接收到的snr为其中是线性接收波束成形，||vf||＝1；利用最佳波束成形来获得可实现的速率，将接收的snr重写为导致其相应的可实现速率为
28、优选的，针对协作中继nfc构建可实现容量的闭式表达式和渐近结果，具体包括：
29、情况1：如果基站、中继节点和用户位于一条线上，则中继节点和用户的天顶角和方位角相等，导致ψ1＝ψ3＝ψ，φ1＝φ3＝φ和ω1＝ω3＝ω；定义和和my＝ny，mz＝nz，crn的结果转换为
30、
31、遵循原理对于为正值；由于是单调递增函数，采用x的一阶导数来进一步讨论和的结果：
32、
33、它总是大于零，对于x>dmyφ和x>dmzω；由于snr随着距离的增加而降低，因此将crn中的最小化消除为
34、
35、情况2：发射和接收节点位于x-z平面中；设取传输距离r的偏导数，得到
36、
37、表示距离r的影响程度；然后，计算天顶角θ的偏导数为
38、
39、其表示天顶角的影响程度；考虑两种情况：和对于而言，可实现容量表示为：
40、
41、在的情况下，可实现容量表示为：
42、
43、情况3：发射和接收节点位于三维x-y-z空间中，其中中继节点的势能范围是与发射和接收结点形成的球体的交点，即圆心和瑞利距离作为半径；取距离r、天顶角θ和方位角φ的偏导数；设r，θ和φ的偏导数分别表示为：
44、
45、
46、
47、考虑三种情况：以及对于传输距离对可实现容量的影响最大，从而得到等式(13)；对于结果与等式(14)相同；对于可实现的容量表示为：
48、
49、首先在公式(5)和(6)分析方程中的snr；定义y1＝my∈1，z1＝mz∈1时，将接收到本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无线通信系统，其特征在于，包括基站、中继节点、用户；基站到中继节点、中继节点到用户的距离小于基站的瑞利距离，即近场信道，基站到用户的直接链路距离大于基站的瑞利距离，即远场信道；基站和中继节点分别布置UPA阵列，其中基站的UPA阵列是超大规模阵列；基站在第一时隙中将信号发送到中继节点，经中继节点解码后在第二时隙将期望信号转发至用户。
2.根据权利要求1所述的一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统包括：基站的UPA阵列集成M＝MyMz天线，物理尺寸为Ly×Lz，其中Ly≈Myds，Lz≈Mzds，As表示天线的尺寸；第(my,mz)个天线的中心坐标表示为其中中继节点处的UPA阵列具有相似的物理尺寸和天线尺寸，其中N＝Ny×Nz，Dy×Dz，其中Dy≈NydC，Dz≈NzdC和分别表示阵列数量、物理尺寸和天线尺寸；第(ny,nz)个天线在R/U1处的中心坐标表示为对于用户的位置r＝{r1,r2,r3}，天顶角θ＝{θ1,θ2,θ3}和方位角Φ＝{Φ1,Φ2,Φ3}，θ∈[0,π]和中继节点的坐标表示为qi＝[riΨi,riΦi,riΩi]T与以及Ωi＝cos
3.根据权利要求2所述的一种无线通信系统，其特征在于，近场信道建模为：
4.根据权利要求2所述的一种无线通信系统，其特征在于，远场信道建模为：
5.根据权利要求2-4任一所述的无线通信系统的无线通信方法，其特征在于，具体步骤包括：
6.根据权利要求5所述的无线通信方法，其特征在于，针对协作中继NFC构建可实现容量的闭式表达式和渐近结果，具体包括：
7.根据权利要求6所述的无线通信方法，其特征在于，针对合作D2D NFC，在将γ1和的渐近结果定义为γ1-asy和后，D2D NFC的和速率表示为：
8.根据权利要求5所述的无线通信方法，其特征在于，针对FFC计算SNR，具体步骤包括：对于|x|2＜＜1，近似arctan x≈x，FFC的信噪比通过来计算，其中通过将泰勒级数的一阶展开应用于V2(x,y)的分母，FFC的SNR最终近似为
...【技术特征摘要】
1.一种无线通信系统，其特征在于，包括基站、中继节点、用户；基站到中继节点、中继节点到用户的距离小于基站的瑞利距离，即近场信道，基站到用户的直接链路距离大于基站的瑞利距离，即远场信道；基站和中继节点分别布置upa阵列，其中基站的upa阵列是超大规模阵列；基站在第一时隙中将信号发送到中继节点，经中继节点解码后在第二时隙将期望信号转发至用户。
2.根据权利要求1所述的一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统包括：基站的upa阵列集成m＝mymz天线，物理尺寸为ly×lz，其中ly≈myds，lz≈mzds，as表示天线的尺寸；第(my,mz)个天线的中心坐标表示为其中中继节点处的upa阵列具有相似的物理尺寸和天线尺寸，其中n＝ny×nz，dy×dz，其中dy≈nydc，dz≈nzdc和分别表示阵列数量、物理尺寸和天线尺寸；第(ny,nz)个天线在r/u1处的中心坐标表示为对于用户的位置r＝{r1,r2,r3}，天顶角θ＝{θ1,θ2,θ3}和方位角φ＝{φ1,φ2,φ3}，θ∈[0,π]...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾菊平，卓碧婷，杨慧程，姜衍，段玮，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：
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