基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法及装置与流程

本发明涉及中继通信技术领域，尤其涉及一种基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法及装置。

背景技术：

现有技术中，双向中继通信系统中的终端节点和中继节点工作方式通常固定，其要么工作在全双工方式，要么工作在半双工方式，不可能根据系统所交换比特数量自动调节双工方式。当系统工作在全双工方式时，一个不可避免的问题就是自干扰的影响，即从本节点发射天线到本节点接收天线的强干扰问题；当系统工作在半双工方式时，导致系统频谱效率低下，在频谱资源日益紧张的情况下，这个问题日益凸显。因此，如何自动调节系统的双工方式成了亟需解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法及装置。

一方面，本发明实施例提供了一种基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法，该方法包括：

步骤1，建立双向中继通信系统，并检测所述双向中继通信系统的噪声谱密度方差；其中，所述系统中包括两个具有全双工能力的终端节点a和b，以及一个具有全双工能力的双向中继节点r；

步骤2，将终端节点a、b以及中继节点r的发送功率归一化；

步骤3，当所述双向中继通信系统工作在全双工方式时，根据终端节点a发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、终端节点b发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、中继节点r发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、终端节点a与中继节点r之间的信道增益、终端节点b与中继节点r之间的信道增益及噪声谱密度方差，分别计算终端节点a、b及中继节点r的信干噪比；

步骤4，根据终端节点a、b及中继节点r的信干噪比，分别计算终端节点a、b及中继节点r的误比特率；

步骤5，根据终端节点a、b及中继节点r的误比特率，计算所述双向中继通信系统在全双工方式下的吞吐速率，并计算所述双向中继通信系统在半双工方式下的吞吐速率；

步骤6，将所述双向中继系统在全双工方式下的吞吐速率与其在半双工方式下的吞吐速率进行比较，选择吞吐速率较大的双工方式进行信号传输。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于译码转发的双向中继系统双工方式选择装置，所述装置包括：

双向中继系统建立单元，用于建立双向中继通信系统，并检测所述双向中继通信系统的噪声谱密度方差；其中，所述系统中包括两个具有全双工能力的终端节点a和b，以及一个具有全双工能力的双向中继节点r；

归一化单元，用于将终端节点a、b以及中继节点r的发送功率归一化；

信干噪比计算单元，当所述双向中继通信系统工作在全双工方式时，用于根据终端节点a发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、终端节点b发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、中继节点r发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、终端节点a与中继节点r之间的信道增益、终端节点b与中继节点r之间的信道增益及噪声谱密度方差，分别计算终端节点a、b及中继节点r的信干噪比；

误比特率计算单元，用于根据终端节点a、b及中继节点r的信干噪比，分别计算终端节点a、b及中继节点r的误比特率；

吞吐速率计算单元，用于根据终端节点a、b及中继节点r的误比特率，计算所述双向中继通信系统在全双工方式下的吞吐速率，并计算所述双向中继通信系统在半双工方式下的吞吐速率；

双工方式选择单元，用于将所述双向中继系统在全双工方式下的吞吐速率与其在半双工方式下的吞吐速率进行比较，选择吞吐速率较大的双工方式进行信号传输。

利用本发明实施例提供的基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法及装置，可以计算系统工作在全双工方式下的吞吐速率，在将其与半双工方式下的吞吐速率比较后，选择吞吐速率较高的双工方式，可以显著提高系统的信息交换效率，并且使系统达到频谱资源最优化，同时最大限度的降低能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法的流程示意图；

图2为本发明实施中建立的双向中继通信系统的全双工双向信道信息交换模型；

图3为本发明实施例提供的基于译码转发的双向中继系统双工方式选择装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法的流程示意图。如图1所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤1，建立双向中继通信系统，并检测所述双向中继通信系统的噪声谱密度方差。其中，所建立的系统中包括两个具有全双工能力的终端节点a和b，以及一个具有全双工能力的双向中继节点r。

上述节点虽然具有全双工能力，但是可以选择工作在半双工方式下，也可以选择工作在全双工方式下，具体选择哪种双工方式，则是本发明实施例要解决的技术问题。

步骤2，将终端节点a、b以及中继节点r的发送功率归一化。

步骤3，当所述双向中继通信系统工作在全双工方式时，根据终端节点a发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、终端节点b发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、中继节点r发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、终端节点a与中继节点r之间的信道增益、终端节点b与中继节点r之间的信道增益及噪声谱密度方差，分别计算终端节点a、b及中继节点r的信干噪比。

步骤4，根据终端节点a、b及中继节点r的信干噪比，分别计算终端节点a、b及中继节点r的误比特率。

步骤5，根据终端节点a、b及中继节点r的误比特率，计算所述双向中继通信系统在全双工方式下的吞吐速率，并计算所述双向中继通信系统在半双工方式下的吞吐速率。

步骤6，将所述双向中继系统在全双工方式下的吞吐速率与其在半双工方式下的吞吐速率进行比较，选择吞吐速率较大的双工方式进行信号传输。

利用本发明实施例提供的基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法，可以计算系统工作在全双工方式下的吞吐速率，在将其与半双工方式下的吞吐速率比较后，选择吞吐速率较高的双工方式，可以显著提高系统的信息交换效率，并且使系统达到频谱资源最优化。

图2为本发明实施中建立的双向中继通信系统的全双工双向信道信息交换模型。如图2所示，ha为终端节点a与终端节点r之间的信道估计比，hb为终端节点b与中继节点r之间的信道估计比，haa为终端节点a发送天线和接收天线间的自干扰信道估计比，hbb为终端节点b发送天线和接收天线间的自干扰信道估计比，hrr为中继节点r发送天线和接收天线间的自干扰信道估计比。

假设数据帧中包含n个比特并采用bpsk(binaryphaseshiftkeying，二进制相移键控)调制方式进行调制，若3个节点都工作在全双工状态下，则需要n+1个时隙完成比特交换。在时隙n(n∈[2,n])时，终端节点a和b同时发送信号至中继节点r并且接收中继节点r广播的包含上一时隙n-1内容的信号。由于采用bpsk调制，两节点交换包含n比特信息可以映射成n个符号。用xa(n)表示时隙n时终端节点a发送的信号，xb(n)表示时隙n时终端节点b发送的信号，xr(n)表示时隙n时中继节点r发送的信号，ya(n)表示时隙n时终端节点a接收的信号，yb(n)表示时隙n时终端节点b接收的信号，yr(n)表示时隙n时中继节点r接收到的信号。

一个包含n比特的数据包传输时间为ts，则其速率为rs＝n/ts，若系统交换n个比特，那么系统数据传输速率即为2rs。将3个节点的发送功率归一化，即记录归一化因子β。在系统节点静默时检测得到系统的噪声谱密度n0，假设加性高斯白噪声为z，则所建立的双向中继通信系统服从均值为0，方差为n0的正态分布。

在本发明实施例建立的双向中继通信系统的终端节点a、b处，二者的信噪比可以表示为：

由于各个节点可以工作在全双工模式下，故终端节点a和b的信自干比(signal-to-self-interferenceradio，ssir)分别定义如下：

在本发明实施例中，各节点的信干噪比的计算公式如下：

由于系统中每个节点的发送功率已被归一化，即相等，而发送功率对于全双工通信中自干扰信号消除的影响是较大的，故可以同样假设每个节点的自干扰信号消除能力是相等的，即

在全双工的译码转发机制下，由于采用物理层网络编码方案，因此在中继节点r处，其误比特率可以用下式计算：

其中，γ1及γ2为中间变量，

对于其他的情况，即在译码转发机制下及放大转发机制下，终端节点a、b的误比特率都为bpsk调制方案的误比特率：

其中，q为互补累计分布函数。。

在全双工译码转发方案机制(fullduplexdecodeforward，fd-df)下，n+1个时隙可以分为两部分：1)n∈[2,n]，包含n－1个时隙；2)n＝1和n＝n+1，包含2个时隙。第1)部分，节点间可以交换n－1个比特，第2)部分，节点间可以交换1个比特。下面针对这两部分分别进行分析。

第1)部分，中继节点r发送上一节点收到的混合信号，即

xr(n)＝β[xa(n-1)+xb(n-1)](9)

其中，由于工作在全双工模式下，在发送信号的同时，中继节点r也在接收信号，即：

对于终端节点，以终端节点a为例，在时隙n时，a接收的信号为：

对于a节点来说，xa(n-1)和xb(n-1)为有用信号，故有：

同样地，sinrb＝γb。

接下来计算双向中继通信系统的吞吐速率。定义如下事件：

n时隙内，终端节点a正确接收全部比特；的互补事件；

n时隙内，终端节点b正确接收全部比特；的互补事件；

n时隙内，中继节点r正确接收全部比特；的互补事件；

用p(ω)表示事件ω发生的概率。在全双工译码转发方案机制下，总共可以分为以下8种情况：

(1)当发生时，在n－1个时隙内，可共交换n－1个比特。

表1发生时结果

(2)当发生时，如下表2所示，终端节点a、b依然可以正确接收到对方发送的比特，即在在n－1个时隙内，可共交换n－1个比特。

表2发生时结果

(3)当发生时，如下表所示，在此种情况下，终端节点a、b不能正确接收到对方比特；

表3发生时结果

(4)当发生时，如下表所示，终端节点a、b不能正确接收到对方比特；

表4发生时结果

(5)当发生时，只有a节点能够正确接收b发送内容

表5发生时结果

(6)当发生时，只有b节点能够正确接收a发送内容。如下表所示：

表6发生时结果

(7)当发生时，如下表所示，只有b节点能够正确接收a发送内容。

表7发生时结果

(8)当发生时，只有a节点能够正确接收b发送内容，如下表所示：

表8发生时结果

根据以上推导，那么在第1)部分，双向中继通信系统的吞吐速率为：

在第2)部分，系统在2个时隙内交换了1比特信息，故该部分的吞吐速率：

其中，

对于全双工译码转发机制，该系统的吞吐速率可写为：

将全双工节点的信干噪比和信号n代入式(19)中，即可得到双向中继通信系统工作在全双工方式下的系统吞吐速率，并利用已有的公式计算上述双向中继通信系统工作在半双工方式下的系统吞吐速率，其中半双工方式下的系统吞吐速率为：

将半双工节点的信干噪比(与全双工方式下的信干噪比一致)和信号n代入式(20)中，可得到双向中继通信系统工作在半双工方式下的系统吞吐速率。比较两种双工方式下的系统吞吐速率，选择具有更高吞吐速率的双工方式进行信号传输，可以达到最高传输效率。

基于与图1中所示基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种基于译码转发的双向中继系统双工方式选择装置，如下面实施例所示。由于该装置解决问题的原理与图1中双工方式选择方法相似，因此该装置的实施可以参见图1的基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法的实施，重复之处不再赘述。

在另一实施例中，本发明还提供了一种基于译码转发的双向中继系统双工方式选择装置，其结构大体如图3所示，该装置主要包括：双向中继系统建立单元1、归一化单元2、信干噪比计算单元3、误比特率计算单元4、吞吐速率计算单元5及双工方式选择单元6。

双向中继系统建立单元1用于建立双向中继通信系统，并检测所述双向中继通信系统的噪声谱密度方差；其中，所述系统中包括两个具有全双工能力的终端节点a和b，以及一个具有全双工能力的双向中继节点r。

归一化单元2用于将终端节点a、b以及中继节点r的发送功率归一化。

信干噪比计算单元3当所述双向中继通信系统工作在全双工方式时，用于根据终端节点a发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、终端节点b发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、中继节点r发送天线和接收天线间的自干扰信道增益及估计增益、终端节点a与中继节点r之间的信道增益、终端节点b与中继节点r之间的信道增益及噪声谱密度方差，分别计算终端节点a、b及中继节点r的信干噪比。

误比特率计算单元4用于根据终端节点a、b及中继节点r的信干噪比，分别计算终端节点a、b及中继节点r的误比特率。

吞吐速率计算单元5用于根据终端节点a、b及中继节点r的误比特率，计算所述双向中继通信系统在全双工方式下的吞吐速率，并计算所述双向中继通信系统在半双工方式下的吞吐速率。

双工方式选择单元6用于将所述双向中继系统在全双工方式下的吞吐速率与其在半双工方式下的吞吐速率进行比较，选择吞吐速率较大的双工方式进行信号传输。

在一实施例中，信干噪比计算单元3具体用于根据如下公式，分别计算终端节点a、b及中继节点r的信干噪比：

其中，γa、γb、γr分别为终端节点a、b及中继节点r的信干噪比；ha、hb分别为终端节点a与中继节点r之间的信道增益、终端节点b与中继节点r之间的信道增益；haa、hbb、hrr分别为终端节点a发送天线和接收天线间的自干扰信道增益、终端节点b发送天线和接收天线间的自干扰信道增益、中继端节点r发送天线和接收天线间的自干扰信道增益；分别为终端节点a发送天线和接收天线间自干扰信道估计增益、终端节点b发送天线和接收天线间自干扰信道估计增益、终端节点r发送天线和接收天线间自干扰信道估计增益；n0为所述双向中继通信系统的噪声谱密度方差。

在一实施例中，误比特率计算单元4具体用于根据如下公式，分别计算终端节点a、b及中继节点r的误比特率：

其中，分别终端节点a、b及中继节点r的误比特率；γ1及γ2为中间变量，γa、γb、γr分别为终端节点a、b及中继节点r的信干噪比。

在一实施例中，利用吞吐速率计算单元5计算所述双向中继通信系统在全双工方式下的吞吐速率时，可根据如下公式，计算所述双向中继通信系统在全双工方式下的吞吐速率：

其中，rfd-df为双向中继通信系统在全双工方式下的吞吐速率；n为两终端节点a和b所要传输的比特数，rs为所述双向中继通信系统中在ts时间内终端节点向中继节点r传输包含n比特的数据包的速率，即

利用本发明实施例提供的基于译码转发的双向中继系统双工方式选择方法及装置，可以计算系统工作在全双工方式下的吞吐速率，在将其与半双工方式下的吞吐速率比较后，选择吞吐速率较高的双工方式，可以显著提高系统的信息交换效率，并且使系统达到频谱资源最优化。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。