CN102665226A

CN102665226A - 基于df协议的类直放站全双工中继方法

Info

Publication number: CN102665226A
Application number: CN2012101017918A
Authority: CN
Inventors: 陈勇; 占敖; 何晨; 蒋铃鸽
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明提供一种基于DF协议的类直放站全双工中继方法，包括以下步骤：中继节点配备两副有向天线作为施主天线和重发天线，分别对准源节点和目的节点；中继节点施主天线从源节点接收信号并进行译码，重发天线耦合过来的微小信号当成加性噪声处理；中继节点重发天线在施主天线接收源节点信号的同时编码转发上一时隙中继节点接收到的信号；目的节点恢复中继节点转发过来的信号。本发明充分利用的时域资源，采用全双工工作方式，大大提高了***可达速率，可行性和实用性强。

Description

基于DF协议的类直放站全双工中继方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信中继领域的方法，具体是一种基于DF中继协议的类直放站全双工中继方法。

背景技术

在无线通信***中，信号会在传输过程不断地衰减，尤其在较高载波频率传输时，衰减问题更为严重。为了提高信号强度和扩大信号覆盖范围，专家和学者提出了一些重要的中继方法，如译码前传(AF，Amplified-and-Forward)和(DF，Decoded-and-Forward)等，但是这些中继方式都采用时分复用的方式工作，极大地限制了***的可达速率。直放站虽然为全双工模式，但它放大了上一跳带来的噪声，并且为了避免自激，它要求施主天线和重发天线间衰减大于直放站增益10-15dB。

经对现有文献检索发现，相关文献如下：

1. AF中继协议(Laneman J N，“Cooperative diversity in wireless networksefficient protocols and outage behavior(无线网络中高效率协议的协作分集和中继行为)，”IEEE Transaction on Information Theory，2004，50(12)：3062-3080.)是一种较为常见的中继协议，主要利用中继节点直接对源信号放大后进行转发。虽然AF协议可以提高分集增益，但AF协议采用的是时分复用的半双工工作模式，在很大程度上限制了***的可达速率，并且它在放大有用信号的同时，也放大了噪声。

2. DF中继协议(Laneman J N，“Cooperative diversity in wireless networksefficient protocols and outage behavior(无线网络中高效率协议的协作分集和中继行为)，”IEEE Transaction on Information Theory，2004，50(12)：3062-3080.)，是另一类受到广泛关注的中继协议。它是在中继节点处先对源信号译码，然后再重新编码后转发。DF中继协议虽然消除了AF中继协议中的噪声传播现象，但它和AF中继协议一样采用时分复用的半双工工作模式。

3.选择中继协议(SiriwongPairat W P，Himsoon T，and Su W F，etal，“OPtimum Threshold-Seleetion Relaying for Deeode-and-Forward Cooperationprotocol(基于译码前传协作选择中继的最佳门限)”IEEE WCNC’06，APr.20062：1015-1020)是指中继节点自测接收信噪比，若是接收信噪比大于某一预设门限值时，中继节点则使用AF或者DF机制转发源节点信息，若接收信噪比小于预设门限值时，中继节点则不转发。选择中继在某种程度上避免了错误传播，但它仍然使用时分复用的半双工工作模式，难以满足高速率通信要求。

4.机会中继(Bletsas A，Khisti，Reed，D P，etal，“A Simple Cooperative DiversityMethod Based on Network Path Selection(基于网络路径选择的简单协作分集方法)”IEEE J.Sel.Areas Commun.2006，24(3)：659-672)，是指当源节点和目的节点之间存在多个可用的中继节点时，源节点根据实时的链路状态信息，选择其中的一个信道状况最好的中继节点进行传输。机会中继仍然采用OFDM的半双工工作模式，降低了***的可达速率，特别是在一些具有高速率要求的通信***中，其弱点显得尤为突出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供了一种基于DF协议的全双工中继机制。本发明用于无线通信环境中源节点和目的节点之间的全双工中继转发，特别适用于载波频率较高和信号衰减较为严重的通信环境，其***容量能达到DF中继方式的两倍。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，在中继节点处配备两副有向天线天线，一副为施主天线，用来接收源节点信号，一副是重发天线，用来向目的节点转发源节点信号。源节点天线和目的节点天线为全向天线，同时源节点天线、施主天线、重发天线和目的节点天线数目均为N，施主天线和重发天线中的隔离度计算公式为

I_dB＝FSPL-G_d-G_s+X_d+X_s+L_o

其中FSPL表示天线间的路径损耗

FSPL＝23.9+20·logf_c+23.2·logd

d为天线间的距离，单位m，f_c为载波频率，单位GHz。假设G_d、G_s分别表示施主天线和重发天线的天线增益，X_d、X_s分别表示施主天线和重发天线的前后比。L_o表示天线间隔离挡板带来的损耗。

第二步，第i个时隙中，源节点发射信号矢量

中继节点通过施主天线从源节点处接收信号。施主天线的接收信号矢量

为

{Y_{i}}^{r} = H_{i}^{sr} X_{i}^{s} + {W_{i}}^{r}

为源节点与施主天线间的信道矩阵，为加性噪声矢量，其分量功率为N_tot＝N₀+P/I_lin，N₀为加性复高斯白噪声功率，P为源节点天线或重发天线的发射功率，I_lin隔离度的非dB形式。同时中继节点利用SVD、MMSE等方式对接收信号进行解码。

第三步，第i个时隙中，中继节点对在第i-1个时隙中接收并解码出来的信号重新编码为

并通过重发天线转发给目的节点。目的节点的接收信号为：

{Y_{i}}^{d} = H_{i}^{rd} X_{i}^{r} + {W_{i}}^{d}

其中

为重发天线与目的节点天线间的信道矩阵，

为功率等于N₀的加性复高斯白噪声。

第四步，目的节点利用SVD、MMSE等方式恢复出源节点信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：中继节点采用了全双工工作模式，在接收源节点信号的同时转发上一个时隙接收到的信号给目的节点，充分利用了信道的时域资源，尤其在信号衰减严重的无线环境中，本发明能有效地提高有***容量，具有较好的可行性和应用价值。

附图说明

图1是在载波频率为14GHz，传输距离为20-100m时，本实施例采用SVD、波束成形和MMSE等均衡方法时的***可达速率图；

图2传输距离为80m，载波频率为6-14GHz时，本实施例采用SVD、波束成形和MMSE等均衡方法时的***可达速率图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例为MIMO-OFDM***，子载波数为1024，通信带宽100M，载波频率f_c为14×10⁹Hz，中继节点处采用SVD均衡出原信号。源节点和目的节点为全向天线，中继节点的施主天线和重发天线均为有向天线，天线数均为4，全向天线的天线增益为8dB，有向天线的增益G_d、G_s为15dB，前后比X_d、X_s为45dB，施主天线与是重发天线间的距离s为5m，中间无挡板。源节点到中继节点和中继节点到目的节点的距离均为dm，并且信道为莱斯因子为8.61-0.27*d的莱斯信道。空间路损公式为Ls＝23.9+20·logf_c+23.2·logd。加性复高斯噪声功率谱密度-174dBm/Hz，源节点和重发天线的功率为21.6dBm。

本实施例包括以下步骤：

第一步，源节点、目的节点配备天线增益为8dB的全向天线，中继节点配备有向天线增益为15dB，前后比为45dB的施主天线和重发天线。施主天线和重发天线间的天线路径损耗为

FSPL＝23.9+20·logf_c+23.2·logd

＝63.0387(dB)

由隔离度公式可得施主天线与重发天线间的隔离度为

I_dB＝FSPL-G_d-G_s+X_d+X_s+L_o

＝123.0387(dB)

第二步，第i个时隙中，先将后向信道矩阵

进行是SVD分解：

H_{i}^{sr} = U_{i}^{sr} S_{i}^{sr} {V_{i}}^{srH}

源节点信号矢量

左乘

后发射，中继节点通过施主天线从源节点处接收信号。施主天线的接收信号矢量

为

{Y_{i}}^{r} = H_{i}^{sr} {V_{i}}^{sr} X_{i}^{s} + {W_{i}}^{r}

为源节点与施主天线间的信道矩阵，为加性噪声矢量，其分量功率为N_tot＝N₀+P/I_lin，N₀为加性复高斯白噪声功率，P为源节点天线或重发天线的发射功率，I_lin隔离度的非dB形式。同时中继节点对接收信号左乘以

{Y_{i}}^{r'} = U_{i}^{srH} {Y_{i}}^{r}

= U_{i}^{srH} H_{i}^{sr} {V_{i}}^{sr} X_{i}^{s} + U_{i}^{srH} {W_{i}}^{r}

= S_{i}^{sr} X_{i}^{s} + U_{i}^{srH} {W_{i}}^{r}

由于

的非0元素只会在对角线上，

元素除以相应对角线上的元素，即可恢复原信号。

第三步，第i个时隙中，将前向信道矩阵进行SVD分解：

H_{i}^{rd} = U_{i}^{rd} S_{i}^{rd} {V_{i}}^{rdH}

中继节点对在第i-1个时隙中接收并解码出来的信号重新编码为

左乘以

经重发天线转发给目的节点。目的节点的接收信号为：

{Y_{i}}^{d} = H_{i}^{rd} V_{i}^{rd} X_{i}^{r} + {W_{i}}^{d}

其中

为重发天线与目的节点天线间的信道矩阵，

为功率等于N₀的加性复高斯白噪声。

第四步，目的节点接收信号左乘以前向信道矩阵

的共轭转置

{Y_{i}}^{d'} = U_{i}^{rdH} H_{i}^{rd} {V_{i}}^{rd} X_{i}^{r} + U_{i}^{rdH} {W_{i}}^{d}

= S_{i}^{rd} X_{i}^{r} + U_{i}^{rdH} {W_{i}}^{d}

再通过一维滤波即可均衡出源信号。

图1是在载波频率为14GHz，传输距离为20-100m时，本实施例采用SVD、波束成形和MMSE等均衡方法时的***可达速率图；图2传输距离为80m，载波频率为6-14GHz时，本实施例采用SVD、波束成形和MMSE等均衡方法时的***可达速率图。从图1和图2可以看出：与半双工中继方法相比，本实施例有效的增加了***的可达速率。同时本实施例具有操作简单，可行性强等特点，因此，本实施例可以应用于对数据速率要求较高的场景，能够有效地解决无线通信中继领域可达速率过低的问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种基于DF协议的类直放站全双工中继方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

第一步，在中继节点处配备两副有向天线，一副为施主天线，用来接收源节点信号，另一副是重发天线，用来向目的节点转发源节点信号；源节点天线和目的节点天线为全向天线；

第二步，第i个时隙中，源节点发射信号矢量

中继节点通过施主天线从源节点处接收信号；施主天线的接收信号矢量为

Y_{i}^{r} = H_{i}^{sr} X_{i}^{s} + W_{i}^{r}

其中，

为源节点与施主天线间的信道矩阵，为加性噪声矢量，其分量功率为N_tot＝N₀+P/I_lin，N₀为加性复高斯白噪声功率，P为源节点天线或重发天线的发射功率，I_lin隔离度的非dB形式；同时中继节点对接收信号进行解码；

并通过重发天线转发给目的节点；目的节点的接收信号为：

{Y_{i}}^{d} = H_{i}^{rd} X_{i}^{r} + {W_{i}}^{d}

其中，

为重发天线与目的节点天线间的信道矩阵，

为功率等于N₀的加性复高斯白噪声；

第四步，目的节点解码出源节点信号。

2.根据权利要求1所述的基于DF协议的类直放站全双工中继方法，其特征是，源节点和目的节点采用的是全向天线，中继节点配备了具有一定间距的两副有向天线。

3.根据权利要求1所述的基于DF协议的类直放站全双工中继方法，其特征是，中继节点接收到的噪声项包括两部分，一部分是加性高斯白噪声，另一部分是重发天线耦合到施主天线端的微小信号。

4.根据权利要求1所述的基于DF协议的类直放站全双工中继方法，其特征是，中继节点通过施主天线接收到的信号经SVD、MMSE均衡恢复后再编码经重发天线转发给目的节点。

5.根据权利要求1所述的基于DF协议的类直放站全双工中继方法，其特征是，中继节点施主天线接收信号的同时，重发天线转发上一时隙中继节点接收到的信号。

6.根据权利要求1所述的基于DF协议的类直放站全双工中继方法，其特征是，由I_dB＝FSPL-G_d-G_s+X_d+X_s+L_o计算出所述施主天线和重发天线的隔离度，其中，FSPL表示天线间的路径损耗，FSPL＝23.9+20·logf_c+23.2·logdd为天线间的距离，f_c为载波频率，G_d、G_s分别表示施主天线和重发天线的天线增益，X_d、X_s分别表示施主天线和重发天线的前后比。L_o表示天线间隔离挡板带来的损耗。

7.根据权利要求1所述的基于DF协议的类直放站全双工中继方法，其特征是，在所述第二步中，所述中继节点利用SVD、MMSE方式对接收信号进行解码。

8.根据权利要求1所述的基于DF协议的类直放站全双工中继方法，其特征是，在所述第四步中，目的节点利用SVD、MMSE方式解码出源节点信号。