直傳鏈路干擾下全雙工中繼傳輸方案

陳興林，王 鋼，許 堯

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 通信技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)允許多樣化的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，如一類新定義的設(shè)備，超可靠低延遲通信(Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC)。URLLC在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署以確保多種應(yīng)用能夠正常運(yùn)行并提供支持，針對(duì)重要的部門如工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)。然而，不同場(chǎng)景所需的傳輸特性各不相同，這是由于每類應(yīng)用需要多種性能需求，因此帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。

針對(duì)系統(tǒng)延遲和可靠性，協(xié)作通信可帶來(lái)不同的優(yōu)勢(shì)，它能夠通過(guò)充分利用無(wú)線信道的廣播特性并通過(guò)使用中繼增加空間分集[2]。在低延遲方向，F(xiàn)D中繼模式帶來(lái)迅速的設(shè)備間的信息傳輸，能夠降低延遲。對(duì)于FD中繼，盡管其接收端接收會(huì)受到發(fā)送端發(fā)送信號(hào)的干擾[3]，F(xiàn)D中繼由于其頻譜效率的優(yōu)勢(shì)仍可被應(yīng)用于協(xié)作中繼通信系統(tǒng)中。在文獻(xiàn)[4]中，一種通過(guò)天線消除的新型的自干擾消除技術(shù)被用于FD傳輸中；文獻(xiàn)[5]分析了在FD模式下經(jīng)被動(dòng)抑制和主動(dòng)自干擾消除后系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。這些技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了FD中繼的研究和使用，用于消除半雙工中繼帶來(lái)的頻譜效率的下降；文獻(xiàn)[6]指出了對(duì)于中繼通信直傳鏈路對(duì)性能的影響不能忽略。緩沖輔助中繼在HD模式下被證實(shí)能夠達(dá)到接近全雙工中繼的系統(tǒng)速率[7]，文獻(xiàn)[8]中首次分析了多中繼系統(tǒng)中緩沖中繼的性能優(yōu)勢(shì)，并提出了最佳中繼選擇方案；文獻(xiàn)[9]中提出了一種車聯(lián)網(wǎng)中的緩沖輔助中繼應(yīng)用方案，根據(jù)車輛相對(duì)速率，實(shí)時(shí)信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)篩選中繼車輛，存儲(chǔ)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給基站覆蓋范圍外的目標(biāo)車輛；多數(shù)研究假定節(jié)點(diǎn)間的CSI在通信過(guò)程中是理想的，而文獻(xiàn)[10]分析了過(guò)時(shí)的CSI對(duì)緩沖輔助中繼的中斷概率和吞吐量的影響；文獻(xiàn)[11]分析了多址接入信道下的緩沖中繼協(xié)作系統(tǒng)中斷概率和速率等性能;文獻(xiàn)[12]分析了FD緩沖中繼的性能優(yōu)勢(shì)并給出了最佳功率分配門限，文獻(xiàn)[12]對(duì)于傳統(tǒng)FD自干擾和直傳鏈路影響進(jìn)行了相應(yīng)研究。已有研究已經(jīng)證明了緩沖輔助中繼的性能優(yōu)勢(shì)以及可能的實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用，其中，對(duì)于FD緩沖中繼考慮直傳鏈路的研究尚為空白，本文將從該角度入手分析FD系統(tǒng)，考慮直傳鏈路在有緩沖器或無(wú)緩沖器的前提下的自適應(yīng)功率傳輸。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)三節(jié)點(diǎn)中繼協(xié)作通信模型如圖1所示，系統(tǒng)由源節(jié)點(diǎn)S、中繼節(jié)點(diǎn)R和目的節(jié)點(diǎn)D組成。其中中繼處帶有緩沖器并處于全雙工工作模式，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，中繼處的轉(zhuǎn)發(fā)模式為DF并不考慮該方式帶來(lái)的時(shí)延，并且忽略過(guò)時(shí)CSI對(duì)系統(tǒng)鏈路選擇的影響。

圖1 FD中繼通信模型

信息傳輸過(guò)程中，首先由控制節(jié)點(diǎn)(Control Unit，CU)收集反饋信息并確定傳輸過(guò)程涉及的參數(shù)，隨后通過(guò)反饋信道將反饋信息傳輸給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后建立連接，不考慮反饋信道的誤差和延遲。S-R,R-D均為加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道，受慢衰落影響，每個(gè)傳輸過(guò)程衰落系數(shù)相同，各個(gè)傳輸時(shí)隙衰落系數(shù)相互獨(dú)立，對(duì)于全雙工中繼，中繼處接收信號(hào)受中繼發(fā)出信號(hào)影響，不失一般性[12]認(rèn)為該處信道衰落與S-R，R-D鏈路相同，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程不考慮該處的信道估計(jì)誤差。設(shè)S-R,R-R,R-D處的信道衰落為hsr,hrr,hrd，為服從瑞利分布的獨(dú)立隨機(jī)變量，方差為σij2，hij～CN(0,σij2)，其中ij∈{SR,RR,RD}，S和R處的發(fā)射功率分別為Ps和Pr，且滿足Ps+Pr=P，R和D處的AWGN為nr和nd，滿足ni～CN(0,σni2)，i∈{r,d}，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)各個(gè)接收端處的噪聲方差相同，滿足σni2=N0。

2 連續(xù)速率下自適應(yīng)功率分配方案

2.1 傳統(tǒng)FD中繼

Csrk=lb1+γsrk。

(1)

類似得到任意R-D鏈路容量：

Crd1k=lb1+γrd1k；

(2)

Crd2k=lb1+γrd2k。

(3)

由于傳統(tǒng)中繼不具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，如果系統(tǒng)采用自適應(yīng)功率傳輸，系統(tǒng)傳輸速率滿足：

R=minCsr,Crd。

(4)

因此，對(duì)于單個(gè)中繼，若要使系統(tǒng)吞吐量最大，應(yīng)滿足Csr=Crd，用g=h2/N0簡(jiǎn)化，結(jié)合功率條件，得：

(5)

令Δ1=gsr2+grd2-2gsrgrd+4gsrgsdgrdP+4gsrgrdgrrP+4gsrgsdgrdgrrP2，不難解得：

(6)

對(duì)應(yīng)的中繼處發(fā)射功率表達(dá)式為：

(7)

結(jié)合Ps>0、Pr>0，即可得到此時(shí)的最大吞吐量傳輸功率，相應(yīng)的對(duì)于多個(gè)中繼的情形，若要使吞吐量最大，應(yīng)選擇符合如下條件中繼：

(8)

類似的，令Δ2=grd2+gsr2+2grdgsr+4grdgsrgrrP，對(duì)于不考慮直傳鏈路的情形，求得：

(9)

(10)

對(duì)于FD中繼在直傳鏈路S-D干擾下的中斷概率，自適應(yīng)功率分配方案更適用于系統(tǒng)的S-R，R-D鏈路傳輸速率限制相同的情況，設(shè)S-R過(guò)程和R-D過(guò)程的中斷概率分別為Psr，Prd則二者滿足Psr=Pr(lb(1+Psgsr)

2.2 緩沖輔助FD中繼

FD中繼的傳輸分為如下4種情況：

④ S，R均靜默，此時(shí)系統(tǒng)中斷。

假設(shè)共N個(gè)傳輸時(shí)隙，定義傳輸狀態(tài)變量q1k，q2k，q3k分別為3種傳輸狀態(tài)的選擇變量，即qik=1則狀態(tài)i在時(shí)隙k被選擇作為傳輸過(guò)程，則qik∈0,1，q1k+q2k+q3k∈0,1。對(duì)于自適應(yīng)速率傳輸方案，設(shè)時(shí)隙k中繼處存儲(chǔ)信息為Q(k)，則S-R,R-D鏈路的信息傳輸速率為：

Rsr(k)=q1klb1+γsr(1)k-lb1+γsd1k+

q3klb(1+γsr(3)(k))；

(11)

Rrd(k)= min(q2(k)lb(1+γrd(2)(k)),Q(k))+

min(q3(k)lb(1+γrd(3)(k)),Q(k))。

(12)

對(duì)于FD緩沖中繼，緩沖器信息存儲(chǔ)量為：

Q(k)=Q(k-1)+Rsr(k)-Rrd(k)

。

(13)

對(duì)于一個(gè)到達(dá)率A，離開(kāi)率D的排隊(duì)系統(tǒng)，若A≤D則系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)于緩沖中繼，其A和D分別為中繼信息接收和發(fā)送量的平均值，則若以系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)則可建立如下優(yōu)化問(wèn)題(不考慮緩沖器長(zhǎng)度)：

(14)

s.t.:Pr(k)+Ps(k)≤P，

q1k+q2k+q3k∈0,1,

qik∈0,1,i=1,2,3。

由拉格朗日乘子法得：

(15)

式中，μ和λ是滿足限制條件的拉格朗日參數(shù)，對(duì)于所述FD緩沖輔助中繼考慮S-D鏈路干擾情況下，最終可定義如下門限：

(16)

同時(shí)可以得到相應(yīng)最優(yōu)吞吐量選擇方案為：

(17)

參考文獻(xiàn)可采用梯度法或遍歷法可求出不同發(fā)射功率下的最優(yōu)μ，λ。

3 仿真分析

圖2 不同自干擾強(qiáng)度下系統(tǒng)吞吐量

通過(guò)強(qiáng)度10-5的泊松分布在R=900 m范圍內(nèi)生成32個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)作為基站，假設(shè)目標(biāo)用戶坐標(biāo)900,0。FD系統(tǒng)中斷概率與功率分配關(guān)系如圖3所示，若采用不考慮直傳鏈路的功率分配策略，在干擾σrr2=-110 dB、σrr2=-120 dB、σrr2=-130 dB時(shí)，分別在P=32.5 dBm、P=37.5 dBm、P=42.5 dBm前能取得中斷概率的優(yōu)勢(shì)，則但是在P增大后，中斷概率反而上升，可見(jiàn)當(dāng)發(fā)射功率較高時(shí)，S-D鏈路對(duì)D處接收的信號(hào)干擾增強(qiáng)，而考慮S-D鏈路干擾的功率分配能夠解決這一問(wèn)題并獲得不錯(cuò)的性能提升，該方法可能帶來(lái)的問(wèn)題是中繼處需要計(jì)算處理，一方面提高了延遲，另一方面由于延遲的提高會(huì)引入系統(tǒng)用于決策的CSI變得不準(zhǔn)確而導(dǎo)致不能做出最優(yōu)的決策。

圖3 中斷概率與發(fā)射功率

FD中繼處的自干擾方差σrr2=-130 dB,dsr=500 m,drd=500 m,dsd=1 000 m，通過(guò)搜索得到的最佳μ,λ，自適應(yīng)緩沖輔助全雙工、緩沖輔助半雙工、全雙工自適應(yīng)功率分配，以及全雙工不考慮直傳S-D鏈路的功率分配性能仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 吞吐量性能對(duì)比

從仿真結(jié)果可見(jiàn)，所提出傳輸方案對(duì)比FD中繼自適應(yīng)方案，不考慮直傳鏈路的自適應(yīng)方案，在吞吐量性能上有明顯提升；對(duì)于HD緩沖輔助中繼，其性能與自適應(yīng)FD傳統(tǒng)中繼接近，理論上HD緩沖輔助中繼性能逼近理想FD中繼，緩沖輔助FD在達(dá)到最佳吞吐量性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

直傳鏈路的干擾對(duì)于FD中繼系統(tǒng)的性能影響不能忽視，忽略此干擾將可能造成系統(tǒng)的吞吐量下降，中斷概率上升。對(duì)于無(wú)緩沖輔助情況，自適應(yīng)功率分配方案能減小直傳鏈路干擾帶來(lái)的影響；而對(duì)于緩沖輔助FD中繼系統(tǒng)，通過(guò)合理選擇傳輸鏈路，中繼可以類似HD模式和FD模式兩種模式工作。對(duì)于前者，直傳鏈路有利于數(shù)據(jù)傳輸；對(duì)于后者，直傳鏈路是目的節(jié)點(diǎn)干擾信號(hào)。通過(guò)充分利用直傳鏈路的信道狀態(tài)信息，提出的自適應(yīng)功率分配及鏈路選擇方案在吞吐量性能上提升明顯，將該方案應(yīng)用于多用戶節(jié)點(diǎn)的FD系統(tǒng)中的系統(tǒng)傳輸方案是后續(xù)的一個(gè)重要研究方向。