非对称速率下全双工双向中继系统功率优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信领域，具体地，涉及非对称速率下全双工双向中继系统功率 优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着用户速率和业务量需求的飞速增长，无线通信系统所需的带宽不断增大，对 频谱资源的需求迅速增加，而且下一代无线通信技术5G网络定位于速度更快，容量更大 的无线网络。数据传输速率和容量的提升，面临着频谱资源紧缺和频谱利用效率提升的瓶 颈，突破瓶颈限制的关键在于引入新型的空口技术。现有的无线通信系统中使用的资源 复用技术包括时分复用（TimeDivisionMultiplexing,TDM)，频分复用（FDM，Frequency DivisionMultiplexing)，例如已投入商业运营的4G蜂窝网络的两种主流制式，TDD-LTE 和FDD-LTE的上下行复用方式分别是时分和频分方式。传统的无线通信理论认为无线通信 设备的收发机射频端在同一个时隙同一个频段内只能进行发射信号或接收信号的一种工 作模式，设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作是不可能的。随着微电 子工艺和数字信号处理技术在无线射频领域的快速发展和进步，新型空口技术已将同时同 频全双工技术（Co-timeCo-frequencyFullDuplex,CCFD)作为新的解决频谱资源匮乏的 新技术。
[0003] 全双工技术在协作通信系统的应用已成为学术研究的热点问题，全双工中继模 型已有大量文献进行了建模和性能分析，包括全双工单向中继系统，全双工双向中继系统 等。许多应用场景比如移动用户通过蜂窝基站或中继与另一个移动用户通信，无线局域网 (WLAN)中无线上网终端通过无线接入点AP(ACCesSPoint)接入互联网实现与业务服务器 或其他接入互联网的终端等，都可以用经典的三节点模型中继模型建模分析。
[0004] 现有技术中已有假设相互交互信息的两个源节点的发射功率是相同时的优化方 案，但是此假设限制性太强，过于理想化，大多数情况下两个源节点发射功率并不相等，特 别是在非对称数据传输速率业务应用中。且假定源节点和中继节点的发射功率和是一定 的，而实际应用中三个节点的功率设置情况往往相关性很小，总功率一定的前提条件过于 牵强。源节点和中继节点都工作于半双工模式下，频谱效率不高。或者是仅考虑单双工工 作模型的方案，这种方式需在双方传输速率公平性限制条件下，其中的速率相等的约束条 件太过牵强，无法在实际系统中应用。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非对称速率下全双工双向中继 系统功率优化方法。
[0006] 根据本发明提供的非对称速率下全双工双向中继系统功率优化方法，包括如下步 骤：
[0007] 步骤1 :建立全双工双向中继通信系统，初始化功率分配因子；
[0008] 步骤2 :测量各个节点的状态信息，所述状态信息包括：各个节点接收和发送的功 率、各个节点的自干扰信息以及各个节点相互交换数据时的信道系数；
[0009] 步骤3 :根据各个节点的状态信息以及功率分配因子的值判别所述功率分配因子 是否需要调整；
[0010] -当需要调整时，按照判别结果调整功率分配因子的值，重复步骤1、步骤2、步骤 3 ；
[0011] -当无需调整时，进入步骤4,此时所述全双工双向中继通信系统的总速率和最 大；
[0012] 步骤4 :按照总速率和最大时的功率分配方案分配功率资源。
[0013] 优选地，所述步骤1包括：建立工作在全双工模式的终端节点Nl和终端节点N3， 以及工作在全双工模式的双向中继节点N2 ;所述双向中继节点N2位于终端节点Nl和终端 节点N3之间，且假定终端节点Nl和N3之间不存在直传链路；初始化功率分配因子的值。
[0014] 优选地，所述步骤2包括：
[0015] -测量端节点N1、中继节点N2、终端节点N3发送和接收的功率；
[0016] -测量端节点N1、中继节点N2、终端节点N3相互交换数据时的信道系数；
[0017] -测量端节点Nl、中继节点N2、终端节点N3的自干扰信息。
[0018] 优选地，所述步骤3包括：
[0019] 步骤3. 1 :根据各个节点的状态信息求解双向速率比A的值，计算公式如下：
[0030] 式中：&表示从终端节点Nl到终端节点N3的数据传输速率，R2表示从终端节点 N3到终端节点NI的数据传输速率，丫 21表示中继节点N2到终端节点NI的有用信号的信 干噪比，y23表示中继节点N2到终端节点N3的有用信号的信干噪比，y12表示终端节点Nl 到中继节点N2的有用信号的信干噪比，y32表示终端节点N3到终端节点N2的有用信号的 信干噪比，y2表示多址接入阶段中的中继节点N2处的信干噪比，Illl表示终端节点Nl的自 干扰信道系数，h12表示终端节点Nl到中继节点N2的信道系数，h21表示中继节点N2到终 端节点Nl的信道系数，h22表示中继节点N2的自干扰系数，h23表示中继节点N2到终端节 点N3的信道系数，h32表示终端节点N3到中继节点N2的信道系数，h33表示终端节点N3的 自干扰信道系数，P1表示终端节点Nl的发射功率，P2表示中继节点N2的发射功率，P3表示 终端节点N3的发射功率，Ic1表示终端节点Nl的自干扰消除能力，k2表示中继节点N2的自 干扰消除能力，k3表示终端节点N3的自干扰消除能力，P表示功率分配因子，N。表示高斯 白噪声功率；
[0031] 步骤3. 2 :根据所述功率分配因子的大小，判别是否需要调整所述功率分配因子 的值；
[0037] 定义&取最大值时的直线方程H2与直线方程Hl的交点为A，定义R2取最大值时 的直线方程H3与直线方程Hl的交点为B，从直角坐标原点0连接直线段0A、直线段0B，则 I1表示直线段OA的斜率，1 2表示直线段OB的斜率；
[0038] -当12彡A彡1时，总速率的最大值在线段AB上取得，即直线方程H4与线段AB 的交点C，所述交点C的纵坐标取得最大值时的速率R2，所述交点C的横坐标取得最大值时 的速率R1，此时无需调整功率分配因子的值；
[0039] -当A ，直线方程H4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值 减小；
[0040] -当A〈12时，直线方程H4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值 增大；
系中建立如下的方程组，其中横轴坐标为R1，纵轴坐标为R2:
[0046] 定义&取最大值时的直线方程G2与直线方程Gl的交点为A，定义R2取最大值时 的直线方程G3与直线方程Gl的交点为B，从直角坐标原点0连接直线段0A、直线段0B，则 I1表示直线段OA的斜率，1 2表示直线段OB的斜率；
[0047] -当12彡A彡1时，总速率的最大值在线段AB上取得，即直线方程G4与线段AB 的交点C，所述交点C的纵坐标取得最大值时的速率R2，所述交点C的横坐标取得最大值时 的速率R1，此时无需调整功率分配因子的值；
[0048] -当A义时，直线方程G4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值 减小；
[0049] -当A〈12时，直线方程G4与线段AB的不存在交点C，需要将功率分配因子的值 增大；
[0055] 定义&取最大值时的直线方程F2与直线方程Fl的交点为A，定义R2取最大值时 的直线方程F3与直线方程Fl的交点为B，从直角坐