CN105142200B - 基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法 - Google Patents

基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法及通信***。本发明采用转发译码协议基于瞬时的***状态信息可得的情况设计了两种相应的用户调度方法，两种调度方法一种拥有最低的***实现复杂度，一种拥有最优的中断性能。在实际部署当中，根据实际情况不同可以选择相应的调度方法。本发明能有效降低***中断概率，解决全双工***当中，中断概率过高的问题；同时能够保证用户之间的公平性，提升***的服务质量。

Description

基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法
技术领域
本发明涉及多用户选择方法，具体地，涉及基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法及通信***。
背景技术
随着科学技术的日新月异，无线通信技术也得到了长足进步，同时对无线通信***也提出了更高的指标，传统的通信***均工作在半双工状态，例如最新的***4G无线通信***采用的时分双工(Time Division Duplex，TDD)和频分双工(Frequency DivisionDuplex，FDD)。半双工模式通过时隙的正交或者频段的正交来实现自干扰的消除，但是存在频谱效率低下的问题。下一代5G无线通信***为实现传输速率和***容量上的1000X倍提升，必将工作在较宽的频段，频谱资源的逐渐匮乏对无线通信***的频谱效率提出了更高的要求，迫切需要新型的高频谱效率的传输技术。传统的无线通信技术只能实现无线通信设备的收发机在正交的时隙或者频段收发信号。随着无线通信技术的进步，作为提升频谱效率的有效手段，全双工(Full Duplex,FD)通信模式逐渐被提了出来。
全双工从被提出至今，广大学者对其进行了深入广泛的研究，从全双工自干扰消除技术，到全双工无线***的性能分析。全双工模式在中继***当中的应用也得到了推广，中继通信从最开始的单向半双工模式阶段，经历了双向半双工模式的发展，到现在的双向全双工模式。然而多数的双向中继***考虑的均为单用户环境，但是随着物联网，智能终端等概念的提出到现在的部署，未来的无线通信***必将工作在密集终端环境下。如何设计多用户环境下的用户调度方法提升通信***的性能成为了现在的当务之急。
本发明结合上述两点，集成全双工模式到双向中继***当中，同时针对单中继多用户环境，以***的中断概率为性能指标，提出了两种有效的用户调度方法，利用多用户环境下的用户分集增益，最小化***的中断概率，优化***性能，提高用户服务质量。
到目前为止，还未有关于双向全双工译码转发***多用户环境下的用户调度方法的相关公开文献。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法及通信***。本发明解决了全双工双向中继***多用户环境下用户调度问题。
根据本发明提供的一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法，包括如下步骤：
步骤1：2N个工作在全双工状态的用户节点Ai,Bi，i＝1,2,…,N，发送注册信息给中继节点R，中继节点R根据注册信息将2N个用户节点配对成N个通信用户对，根据注册信息注册成功之后组成全双工双向多用户中继***；用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对；
步骤2：在所述全双工双向多用户中继***中，每个时隙开端，所有的N个通信用户对向中继节点R发送导频信号，中继节点R根据接收到导频信号获取每个通信用户对到中继节点R之间的信道系数h1i，h2i，i＝1,2,…,N；其中，用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i；第i个通信用户对的信道系数h1i，h2i构成链路状态信息(h1i，h2i)；
步骤3：中继节点R在每个通信用户对的链路状态信息(h1i，h2i)中选取信道系数较小的值hi作为该通信用户对与中继节点R的最小的链路系数值hi，即定义hi＝min(h1i，h2i)，所有的通信用户对与中继节点R的最小的链路系数值组成集合{h1，h2,…,hN}；
步骤4：从集合{h1，h2,…,hN}中选取值最大的元素，将该值最大的元素对应的通信用户对确认为该时隙内中继节点R的调度用户。
根据本发明提供的另一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法，包括如下步骤：
步骤1：首先2N个工作在全双工状态的用户节点Ai,Bi，i＝1,2,…,N，发送注册信息给中继节点R，注册信息包括每个用户节点所要通信的目的节点，中继节点R根据注册信息将2N个用户节点配对成N个通信用户对，根据注册信息注册成功之后组成全双工双向多用户中继***；用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对；
步骤2：在所述全双工双向多用户中继***中，每个时隙的开端，每个用户节点向中继节点R发送导频信号以及自身的发射功率Ps、自干扰消除能力ks；
中继节点R根据接收到导频信号获取每个通信用户对到中继节点R之间的信道系数h1i，h2i，i＝1,2,…,N；其中，用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i。第i个通信用户对的信道系数h1i，h2i构成链路状态信息(h1i，h2i)；并且中继节点R存储发射功率Ps、自干扰消除能力ks以及，所述全双工双向多用户中继***的最小传输速率r；
步骤3：中继节点R根据状态信息选取出满足如下条件的通信用户对：
其中，Pr表示中继节点R的发射功率；kr表示中继节点R的自干扰消除能力；R0＝2r-1，R1＝22r-1，N0表示高斯白噪声的方差；
步骤4：从P1到Pk标记满足所述条件的用户对，组成集合{P1,P2,…,Pk}，中继节点R通过生成(0，k)之间的随机数从集合{P1,P2,…,Pk}中选择所标记的通信用户对作为调度用户。
根据本发明提供的又一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法，包括如下步骤：
2N个工作在全双工状态的用户节点Ai,Bi，i＝1,2,…,N，发送注册信息给中继节点R，中继节点R根据注册信息将2N个用户节点配对成N个通信用户对，根据注册信息注册成功之后组成全双工双向多用户中继***；用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对；
在所述全双工双向多用户中继***中，每个时隙开端，所有的N个通信用户对向中继节点R发送导频信号，中继节点R根据接收到导频信号获取每个通信用户对到中继节点R之间的信道系数h1i，h2i，i＝1,2,…,N；其中，用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i；
判断是否可以获得用户节点的发射功率Ps、用户节点的自干扰消除能力ks以及所述全双工双向多用户中继***的最小传输速率r；
若是，则采用上述一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法调度用户；若否，则采用上述另一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法调度用户。
根据本发明提供的一种通信***，所述通信***采用上述的基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法进行用户调度。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明根据瞬时信息获取情况，提出了两种用户调度方法，一种只需要根据瞬时的链路状态信息，拥有极低的操作复杂度，另一种需要全局瞬时状态信息，拥有最优的中断性能。
2、本发明中的两种调度算法均都有效利用了***的多用户分集增益，都能有效降低***中断概率；解决全双工***当中，中断概率过高的问题；同时能够保证用户之间的公平性，提升***的服务质量。
3、本发明中，全双工译码转发中继***在多用户环境下，根据部分瞬时的信道状态信息(h1i，h2i)即可实现多用户的调度。全双工译码转发中继***在多用户环境下，根据全局瞬时的***状态信息{(h1i，h2i)，Ps，ks，Pr，kr，r}实现中断概率最优的多用户调度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为全双工双向多用户中继***多用户环境下模型。
图2为一种用户调度方法的流程图。
图3为另一种用户调度方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
与本发明相关的名词解释：
DF，decode and forward：解码转发
FD，full duplex：全双工
TDD，Time Division Duplex：时分双工
FDD，Frequency Division Duplex：频分双工
SINR，signal to interference plus noise ratio：信干噪比
(R)SI，(residual)self interference：(残留)自干扰
全双工双向中继***在多用户环境下，用户调度是提升***性能的关键所在。相对于转发协议，用户调度方法是多用户***的研究重点。有效的调度方法不仅能保证用户接入的公平性，同时能够显著提升***的性能指标。本发明专利采用转发译码(Decode-and-Forward，DF)协议基于瞬时的***状态信息可得的情况设计了两种相应的用户调度方法，两种调度方法一种拥有最低的***实现复杂度，一种拥有最优的中断性能。在实际部署当中，根据实际情况不同可以选择相应的调度方法。在本发明当中瞬时状态信息的获取并不是研究内容，因此假设***可以通过相关技术获取所需的相应瞬时状态信息。
***模型如图1所示，R代表中继节点，Ai,Bi代表用户节点，i＝1,2,…,N，并且用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对。用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i。用户节点Ai、用户节点Bi的发射功率均为Ps，自干扰消除能力均为ks，中继节点R发射功率为Pr，自干扰消除能力为kr。同时整个***的最小传输速率用r表示。假设***中有N个通信用户对。
实施例1：
针对只有瞬时状态信息h1i，h2i可获得的情况，本发明的用户调度方法如下：
1、首先2N个工作在全双工状态的用户节点Ai,Bi，i＝1,2,…,N，发送注册信息给中继节点R，注册信息包括每个用户节点所要通信的目的节点，中继节点R根据注册信息将2N个用户节点配对成N个通信用户对，根据注册信息注册成功之后组成全双工双向多用户中继***。其中，用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对；
2、在上述所组成的全双工双向多用户中继***当中，每个时隙的开端，所有的N个通信用户对向中继节点R发送导频信号，中继节点R根据接收到导频信号获取每个通信用户对到中继节点R之间的信道系数h1i，h2i，i＝1,2,…,N；其中，用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i。第i个通信用户对的信道系数h1i，h2i构成链路状态信息(h1i，h2i)。
3、中继节点R在每个通信用户对的链路状态信息(h1i，h2i)中选取信道系数较小的值hi作为该通信用户对与中继节点R的最小的链路系数值，定义hi＝min(h1i，h2i)，所有的通信用户对与中继节点R的最小的链路系数值组成集合{h1，h2,…,hN}。
4、从集合{h1，h2,…,hN}中选取值最大的元素，该值最大的元素对应的通信用户对即为该时隙内中继节点R的调度用户；例如若hi＝max{h1，h2，…hi…，hN}，则第i个通信用户对即为调度用户。
本调度方法对应的调度流程如图2所示。
实施例2：
针对瞬时状态信息h1i，h2i可获得，除此之外用户对的发射功率Ps，自干扰消除能力ks，***的最小传输速率r均可获取的情况，本发明采用的调度方法如下：
1、首先2N个工作在全双工状态的用户节点Ai,Bi，i＝1,2,…,N，发送注册信息给中继节点R，注册信息包括每个用户节点所要通信的目的节点，中继节点R根据注册信息将2N个用户节点配对成N个通信用户对，根据注册信息注册成功之后组成全双工双向多用户中继***。用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对；
2、在所述全双工双向多用户中继***中，每个时隙的开端，每个用户节点向中继节点R发送导频信号以及自身的发射功率Ps、自干扰消除能力ks；
中继节点R根据接收到导频信号获取每个通信用户对到中继节点R之间的信道系数h1i，h2i，i＝1,2,…,N；其中，用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i。第i个通信用户对的信道系数h1i，h2i构成链路状态信息(h1i，h2i)；并且中继节点R存储发射功率Ps、自干扰消除能力ks以及，所述全双工双向多用户中继***的最小传输速率r；
3、中继节点R根据状态信息选取出满足如下条件的通信用户对：
其中，Pr表示中继节点R的发射功率；kr表示中继节点R的自干扰消除能力；R0＝2r-1，R1＝22r-1，N0表示高斯白噪声的方差；
4、从P1到Pk标记满足所述条件的用户对，组成集合{P1,P2,…,Pk}，中继节点R通过生成(0，k)之间的随机数从集合{P1,P2,…,Pk}中选择所标记的通信用户对作为调度用户，从而保持各用户对之间的公平性。
本调度方法的调度流程如图3所示。
进一步地，如图1所示：图1中用户节点Ai与用户节点Bi配对，用户节点Ai与用户节点Bi之间的直接链路并不存在，N对配对的通信用户对试图通过唯一的中继节点R交换信息。中继节点R采用解码转发和物理层异或编码协议处理转发来自用户节点Ai和用户节点Bi的信息。***链路如图1所示，ks为全双工用户节点的自干扰消除能力，kr为全双工中继节点R自干扰消除能力。中继节点采用实施例1、实施例2两种用户调度方法完成用户调度。
实施例3
在本实施例中，在瞬时状态信息h1i，h2i可获得的情况下，判断是否可以获得除用户节点的发射功率Ps，用户节点的自干扰消除能力ks，所述全双工双向多用户中继***的最小传输速率r；若可以获得，则采用实施例2的调度方法调度用户；若不可以获得，则采用实施例1的调度方法调度用户。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：2N个工作在全双工状态的用户节点Ai,Bi，i＝1,2,…,N，发送注册信息给中继节点R，中继节点R根据注册信息将2N个用户节点配对成N个通信用户对，根据注册信息注册成功之后组成全双工双向多用户中继***；用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对；
步骤2：在所述全双工双向多用户中继***中，每个时隙开端，所有的N个通信用户对向中继节点R发送导频信号，中继节点R根据接收到导频信号获取每个通信用户对到中继节点R之间的信道系数h1i，h2i，i＝1,2,…,N；其中，用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i；第i个通信用户对的信道系数h1i，h2i构成链路状态信息(h1i，h2i)；
步骤3：中继节点R在每个通信用户对的链路状态信息(h1i，h2i)中选取信道系数较小的值hi作为该通信用户对与中继节点R的最小的链路系数值hi，即定义hi＝min(h1i，h2i)，所有的通信用户对与中继节点R的最小的链路系数值组成集合{h1，h2,…,hN}；
步骤4：从集合{h1，h2,…,hN}中选取值最大的元素，将该值最大的元素对应的通信用户对确认为该时隙内中继节点R的调度用户。
2.一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：首先2N个工作在全双工状态的用户节点Ai,Bi，i＝1,2,…,N，发送注册信息给中继节点R，注册信息包括每个用户节点所要通信的目的节点，中继节点R根据注册信息将2N个用户节点配对成N个通信用户对，根据注册信息注册成功之后组成全双工双向多用户中继***；用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对；
步骤2：在所述全双工双向多用户中继***中，每个时隙的开端，每个用户节点向中继节点R发送导频信号以及自身的发射功率Ps、自干扰消除能力ks；
中继节点R根据接收到导频信号获取每个通信用户对到中继节点R之间的信道系数h1i，h2i，i＝1,2,…,N；其中，用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i；第i个通信用户对的信道系数h1i，h2i构成链路状态信息(h1i，h2i)；并且中继节点R存储发射功率Ps、自干扰消除能力ks以及，所述全双工双向多用户中继***的最小传输速率r；
步骤3：中继节点R根据状态信息选取出满足如下条件的通信用户对：
其中，Pr表示中继节点R的发射功率；kr表示中继节点R的自干扰消除能力；R0＝2r-1，R1＝22r-1，N0表示高斯白噪声的方差；
步骤4：从P1到Pk标记满足所述条件的用户对，组成集合{P1,P2,…,Pk}，中继节点R通过生成(0，k)之间的随机数从集合{P1,P2,…,Pk}中选择所标记的通信用户对作为调度用户。
3.一种基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
2N个工作在全双工状态的用户节点Ai,Bi，i＝1,2,…,N，发送注册信息给中继节点R，中继节点R根据注册信息将2N个用户节点配对成N个通信用户对，根据注册信息注册成功之后组成全双工双向多用户中继***；用户节点Ai与用户节点Bi为一个通信用户对；
在所述全双工双向多用户中继***中，每个时隙开端，所有的N个通信用户对向中继节点R发送导频信号，中继节点R根据接收到导频信号获取每个通信用户对到中继节点R之间的信道系数h1i，h2i，i＝1,2,…,N；其中，用户节点Ai与中继节点R之间的信道系数为h1i，用户节点Bi与中继节点R之间的信道系数为h2i；
判断是否可以获得除用户节点的发射功率Ps、用户节点的自干扰消除能力ks以及所述全双工双向多用户中继***的最小传输速率r；
若是，则采用权利要求2所述的基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法调度用户；若否，则采用权利要求1所述的基于瞬时状态信息的全双工双向中继***多用户选择方法调度用户。
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