基于完全信道状态信息的全双工中继选择方法与流程

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及多中继全双工协作传输技术领域中的一种基于完全信道状态信息的全双工中继选择方法。本发明可用于未来无线移动通信的分布式协作传输系统，提升协作通信系统的可靠性和频谱利用率。

背景技术：

在协作通信系统中，采用中继转发源节点的信号具有扩大通信范围，消除信号盲点，提高系统可靠性等优点。中继节点的工作模式分为半双工模式和全双工模式，当中继节点采用半双工模式时，中继节点在接收和发送信号时只能限制在正交信道上，使得频谱利用率较低；而当中继节点采用全双工模式时，中继节点只需一条端到端的信道进行传输，因此全双工模式相比半双工模式可以成倍提容系统容量。综上，全双工协作通信系统的中继选择技术具有提高数据传输可靠性，提升信道容量，扩大通信范围的优点，同时可将空间分集与倍增频谱效率相结合，对未来通信系统具有极大的意义。

在目前的全双工协作通信系统中，中继选择技术只考虑了部分信道状态信息，对于直达链路的信道状态信息并未涉及，研究表明，直达链路信号对中继选择结果有重要的影响，因此不能忽略。

Ioannis Krikidis等人在其发表的论文“Full-Duplex Relay Selection for Amplify-and-Forward Cooperative Networks”(IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.11,no.12,pp.4381-4393,December 2012)中提出了一种基于部分信道状态信息中继选择方法。该方法根据获得的部分信道状态信息，以最大化瞬时信道容量为目标进行中继选择。该方法存在的不足之处是：没有考虑全双工系统中直达干扰链路的信道状态信息，并不能真正的最大化系统信道容量。

华中科技大学在其申请的专利文献“一种基于半双工多径协作系统的虚拟全双工中继方法”(专利申请号：201510160390.3，公开号：CN 104852793 A)中提出了一种基于半双工多径协作系统的虚拟全双工中继传输方法。该方法将源节点产生的信号同时转发给多个中继节点，并在能够正确解码的中继节点集合中选择一个信道条件最好的中继节点将信号转发给目的节点。该方法存在的不足之处是：该方法中所采用的中继选择技术只是针对虚拟全双工系统的部分信道状态信息选择策略，并不适用于真正的全双工系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述已有技术忽略直达干扰链路的不足，针对全双工协作通信系统提供一种基于完全信道状态信息的中继选择方法，可以进一步降低全双工系统的中断概率，提升系统性能。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)估计中继节点前向链路信道状态信息：

(1a)源节点向中继节点发送导频信号；

(1b)根据源节点发送的导频信号，每个中继节点分别采用最小均方误差信道估计方法，估计前向链路的信道状态信息；

(2)估计直达干扰链路信道状态信息：

(2a)源节点向目的节点发送导频信号；

(2b)根据源节点发送的导频信号，目的节点采用最小均方误差信道估计方法，估计直达干扰链路的信道状态信息；

(3)估计中继节点环路干扰信道状态信息：

(3a)每个中继节点分别发送相互正交的导频信号；

(3b)根据中继节点发送的相互正交的导频信号，每个中继节点分别采用最小均方误差信道估计方法，估计本中继节点的环路干扰信道状态信息；

(4)估计中继节点的后向链路信道状态信息：

(4a)每个中继节点向目的节点分别发送相互正交的导频信号；

(4b)根据中继节点发送的相互正交的导频信号，采用最小均方误差信道估计方法，目的节点根据接收到的一组正交导频信号分别估计每个中继节点到目的节点链路的信道状态信息；

(5)目的节点获得全部信道状态信息：

(5a)每个中继节点，将获得的前向链路的信道状态信息和环路干扰信道状态信息，分别发送给目的节点；

(5b)目的节点分别接收每个中继节点发送的前向链路信道状态信息和环路干扰信道状态信息；

(6)按照下式，计算目的节点处的瞬时信噪比：

其中，γ_i表示采用第i个中继节点转发源节点发送的信号时，目的节点处的瞬时信噪比，i＝1,2,…,N，N表示中继节点的总数，P表示源节点的发射功率，f_j表示源节点到第j个中继节点的前向链路信道状态信息，j＝i，Q表示中继节点的发射功率，l_t表示第t个中继节点的环路干扰信道状态信息，t＝i，N₀表示高斯白噪声的方差，g_r表示第r个中继节点到目的节点的后向链路信道状态信息，r＝i，h表示源节点到目的节的直达干扰链路信道状态信息；

(7)按照下式，选择系统瞬时信道容量最大化的中继节点：

其中，k表示在N个中继节点中，使系统瞬时信道容量最大化的中继节点编号，N表示中继节点的总数，表示取使表达式达到最大值时的第m个中继节点，m＝1,2,…,N，γ_m表示采用第m个中继节点转发源节点发送的信号时，目的节点处的瞬时信噪比。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明估计了直达干扰链路的信道状态信息，并利用直达干扰链路信道状态信息计算了目的节点的信噪比，克服了现有中继选择技术中未考虑直达干扰链路信道状态信息的不足，使得本发明可以降低全双工系统的中断概率，提高全双工协作通信系统的可靠性。

第二，由于本发明在选择中继时选择了使系统瞬时信道容量最大化的中继节点，并采用完全信道状态信息计算瞬时信道容量，克服了现有技术在选择中继时只是针对部分信道状态信息性能较低的不足，使得本发明能够最大化全双工系统瞬时信道容量，提升全双工协作通信系统的性能。

附图说明

图1为本发明的场景示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的方法是在图1的场景下实现的。建立如图1所示的全双工协作通信网络，该无线协作通信网络包含一个源节点S，一个目的节点D，N个备选中继节点R₁,R₂,…,R_N，源节点和目的节点都设有一根天线，中继节点设有两根天线，源节点采用半双工模式发射信号，目的节点采用半双工模式接收信号，中继节点采用全双工模式接收和发送信号，中继节点采用放大转发协议进行信息传输。箭头表示信号的发送方向，箭头实线表示有用信号，箭头虚线代表干扰信号，源节点通过被选择的中继节点将信息发送到目的节点。

参照图2对本发明实现的具体步骤进行具体描述。

步骤1，估计中继节点前向链路信道状态信息。

源节点向中继节点发送导频信号。

根据源节点发送的导频信号，每个中继节点分别采用最小均方误差信道估计方法，估计前向链路的信道状态信息。本发明实施例采用基于导频信号的信道估计算法，源节点向中继节点发送已知的训练序列，中继节点利用该已知的训练序列，采用最小均方误差信道估计方法，得到源节点和每个中继节点之间的前向链路信道状态信息。前向链路信道状态信息的准确性将影响中继选择的性能。

步骤2，估计直达干扰链路信道状态信息。

源节点向目的节点发送导频信号。

根据源节点发送的导频信号，目的节点采用最小均方误差信道估计方法，估计直达干扰链路的信道状态信息。在本发明的全双工系统下，源节点和中继节点将同时发送信号，而目的节点只对中继节点转发的信号译码，所以源节点的发送信号会干扰中继节点转发的源节点信号。直达干扰链路信道状态信息估计的准确性将影响中继选择的性能。

步骤3，估计中继节点环路干扰信道状态信息。

每个中继节点分别发送相互正交的导频信号。由于每个中继节点发送的是正交导频信号，所以每个中继节点可以在同一时刻估计自身的环路干扰信道，并且与其他节点之间的环路干扰信道估计互不干扰。

根据中继节点发送的相互正交的导频信号，每个中继节点分别采用最小均方误差信道估计方法，估计本中继节点的环路干扰信道状态信息。由于中继节点采用全双工模式，必然受到同时同频的环路干扰，故需要估计环路干扰信道状态信息。环路干扰信道状态信息估计的准确性将影响中继选择的性能。

步骤4，估计中继节点的后向链路信道状态信息。

每个中继节点向目的节点分别发送相互正交的导频信号。由于每个中继节点发送的导频信号的是相互正交的，故目的节点可以在同一时刻估计每个中继节点的后向链路信道状态信息。

根据中继节点发送的相互正交的导频信号，采用最小均方误差信道估计方法，目的节点根据接收到的一组正交导频信号分别估计每个中继节点到目的节点链路的信道状态信息。每个中继节点后向链路信道状态信息估计的准确性将影响中继选择的性能。

步骤5，目的节点获得全部信道状态信息。

每个中继节点，将获得的前向链路的信道状态信息和环路干扰信道状态信息，分别发送给目的节点。

目的节点分别接收每个中继节点发送的前向链路信道状态信息和环路干扰信道状态信息。至此，目的节点已经掌握了本发明场景下的全部信道状态信息。本发明不考虑功率分配问题，源节点和中继节点将以固定功率工作，且目的节点对该信息已经掌握。

步骤6，按照下式，计算目的节点处的瞬时信噪比。

其中，γ_i表示采用第i个中继节点转发源节点发送的信号时，目的节点处的瞬时信噪比，i＝1,2,…,N，N表示中继节点的总数，P表示源节点的发射功率，f_j表示源节点到第j个中继节点的前向链路信道状态信息，j＝i，Q表示中继节点的发射功率，l_t表示第t个中继节点的环路干扰信道状态信息，t＝i，N₀表示高斯白噪声的方差，g_r表示第r个中继节点到目的节点的后向链路信道状态信息，r＝i，h表示源节点到目的节的直达干扰链路信道状态信息。

假设传输阶段中各条链路相互独立且服从瑞利平坦衰落分布，中继节点和目的节点接收到的噪声为独立的零均值加性高斯白噪声，且噪声功率为N₀，在信号传输中，当中继节点处接收的信号表示为：

w_v＝f_jPx+l_tQs_u+n,v＝1,2,…,N

其中，w_v表示第v个中继节点接收的信号，v＝1,2,…,N，N表示中继节点的总数，f_j表示第j个中继节点的前向链路信道状态信息，j＝v，P表示源节点的发射功率，x表示源节点的发射信号，l_t表示第t个中继节点的环路干扰信道状态信息，t＝v，Q表示中继节点的发射功率，s_u表示第u个中继节点的发射信号，u＝v，n表示加性高斯白噪声。

中继节点按照下式对接收信号进行放大转发：

其中，s_u表示第u个中继节点的发射信号，u＝1,2,…,N，N表示中继节点的总数，P表示源节点的发射功率，f_j表示第j个中继节点的前向链路信道状态信息，j＝u，Q表示中继节点的发射功率，l_t表示第t个中继节点的环路干扰信道状态信息，t＝u，N₀表示高斯白噪声的方差，w_v表示第v个中继节点接收的信号，v＝u。

此时目的节点处的接收信号表示为：

y＝s_ug_rQ+hPx+n,u＝1,2,…,N

其中，y表示目的节点处的接收信号，s_u表示第u个中继节点的发射信号，u＝1,2,…,N，N表示中继节点的总数，g_r表示第r个中继节点与目的节点之间的后向链路信道状态信息，r＝u，Q表示中继节点的发射功率，s_u表示第u个中继节点的发射信号，h表示源节点与目的节点的直达干扰链路信道状态信息，P表示源节点的发射功率，x表示源节点的发射信号，n表示加性高斯白噪声。

在本发明场景中，中继节点工作在全双工模式，所以目的节点会接收到源节点的发射信号。由于直达链路的衰落，源节点的发射信号会对目的节点造成干扰，故当采用第i个中继节点转发源节点发送的信号时，目的节点处接收的瞬时信噪比表示为：

其中，γ_i表示采用第i个中继节点转发源节点发送的信号时，目的节点处的瞬时信噪比，i＝1,2,…,N，N表示中继节点的总数，P表示源节点的发射功率，f_j表示源节点到第j个中继节点的前向链路信道状态信息，j＝i，Q表示中继节点的发射功率，l_t表示第t个中继节点的环路干扰信道状态信息，t＝i，N₀表示高斯白噪声的方差，g_r表示第r个中继节点到目的节点的后向链路信道状态信息，r＝i，h表示源节点到目的节的直达干扰链路信道状态信息。

步骤7，按照下式，选择系统瞬时信道容量最大化的中继节点：

其中，k表示在N个中继节点中，使系统瞬时信道容量最大化的中继节点编号，N表示中继节点的总数，表示取使表达式达到最大值时的第m个中继节点，m＝1,2,…,N，γ_m表示采用第m个中继节点转发源节点发送的信号时，目的节点处的瞬时信噪比。

由于瞬时信道容量与信噪比成正比关系，所以选择使系统瞬时信道容量最大化的中继节点等价于选择使系统瞬时信噪比最大化的中继节点。