直傳鏈路干擾下全雙工中繼傳輸方案

陳興林，王 鋼，許 堯

(哈爾濱工業大學 通信技術研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

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

針對系統延遲和可靠性，協作通信可帶來不同的優勢，它能夠通過充分利用無線信道的廣播特性并通過使用中繼增加空間分集[2]。在低延遲方向，FD中繼模式帶來迅速的設備間的信息傳輸，能夠降低延遲。對于FD中繼，盡管其接收端接收會受到發送端發送信號的干擾[3]，FD中繼由于其頻譜效率的優勢仍可被應用于協作中繼通信系統中。在文獻[4]中，一種通過天線消除的新型的自干擾消除技術被用于FD傳輸中；文獻[5]分析了在FD模式下經被動抑制和主動自干擾消除后系統的性能表現。這些技術的出現促進了FD中繼的研究和使用，用于消除半雙工中繼帶來的頻譜效率的下降；文獻[6]指出了對于中繼通信直傳鏈路對性能的影響不能忽略。緩沖輔助中繼在HD模式下被證實能夠達到接近全雙工中繼的系統速率[7]，文獻[8]中首次分析了多中繼系統中緩沖中繼的性能優勢，并提出了最佳中繼選擇方案；文獻[9]中提出了一種車聯網中的緩沖輔助中繼應用方案，根據車輛相對速率，實時信道狀態信息(Channel State Information，CSI)篩選中繼車輛，存儲信息并轉發給基站覆蓋范圍外的目標車輛；多數研究假定節點間的CSI在通信過程中是理想的，而文獻[10]分析了過時的CSI對緩沖輔助中繼的中斷概率和吞吐量的影響；文獻[11]分析了多址接入信道下的緩沖中繼協作系統中斷概率和速率等性能;文獻[12]分析了FD緩沖中繼的性能優勢并給出了最佳功率分配門限，文獻[12]對于傳統FD自干擾和直傳鏈路影響進行了相應研究。已有研究已經證明了緩沖輔助中繼的性能優勢以及可能的實際場景中的應用，其中，對于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，考慮直傳鏈路在有緩沖器或無緩沖器的前提下的自適應功率傳輸。

1 系統模型

考慮一個三節點中繼協作通信模型如圖1所示，系統由源節點S、中繼節點R和目的節點D組成。其中中繼處帶有緩沖器并處于全雙工工作模式，為簡化分析過程，中繼處的轉發模式為DF并不考慮該方式帶來的時延，并且忽略過時CSI對系統鏈路選擇的影響。

圖1 FD中繼通信模型

信息傳輸過程中，首先由控制節點(Control Unit，CU)收集反饋信息并確定傳輸過程涉及的參數，隨后通過反饋信道將反饋信息傳輸給各個節點，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，每個傳輸過程衰落系數相同，各個傳輸時隙衰落系數相互獨立，對于全雙工中繼，中繼處接收信號受中繼發出信號影響，不失一般性[12]認為該處信道衰落與S-R，R-D鏈路相同，為簡化分析過程不考慮該處的信道估計誤差。設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立隨機變量，方差為σij2，hij～CN(0,σij2)，其中ij∈{SR,RR,RD}，S和R處的發射功率分別為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}，為簡化分析過程，假設各個接收端處的噪聲方差相同，滿足σni2=N0。

2 連續速率下自適應功率分配方案

2.1 傳統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)

由于傳統中繼不具有數據存儲能力，如果系統采用自適應功率傳輸，系統傳輸速率滿足：

R=minCsr,Crd。

(4)

因此，對于單個中繼，若要使系統吞吐量最大，應滿足Csr=Crd，用g=h2/N0簡化，結合功率條件，得：

(5)

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

(6)

對應的中繼處發射功率表達式為：

(7)

結合Ps>0、Pr>0，即可得到此時的最大吞吐量傳輸功率，相應的對于多個中繼的情形，若要使吞吐量最大，應選擇符合如下條件中繼：

(8)

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

(9)

(10)

對于FD中繼在直傳鏈路S-D干擾下的中斷概率，自適應功率分配方案更適用于系統的S-R，R-D鏈路傳輸速率限制相同的情況，設S-R過程和R-D過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，此時系統中斷。

假設共N個傳輸時隙，定義傳輸狀態變量q1k，q2k，q3k分別為3種傳輸狀態的選擇變量，即qik=1則狀態i在時隙k被選擇作為傳輸過程，則qik∈0,1，q1k+q2k+q3k∈0,1。對于自適應速率傳輸方案，設時隙k中繼處存儲信息為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)

對于FD緩沖中繼，緩沖器信息存儲量為：

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

。

(13)

對于一個到達率A，離開率D的排隊系統，若A≤D則系統穩定，對于緩沖中繼，其A和D分別為中繼信息接收和發送量的平均值，則若以系統吞吐量為目標則可建立如下優化問題(不考慮緩沖器長度)：

(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，對于所述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)

同時可以得到相應最優吞吐量選擇方案為：

(17)

參考文獻可采用梯度法或遍歷法可求出不同發射功率下的最優μ，λ。

3 仿真分析

圖2 不同自干擾強度下系統吞吐量

通過強度10-5的泊松分布在R=900 m范圍內生成32個節點作為中繼節點，中心節點作為基站，假設目標用戶坐標900,0。FD系統中斷概率與功率分配關系如圖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，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勢，則但是在P增大后，中斷概率反而上升，可見當發射功率較高時，S-D鏈路對D處接收的信號干擾增強，而考慮S-D鏈路干擾的功率分配能夠解決這一問題并獲得不錯的性能提升，該方法可能帶來的問題是中繼處需要計算處理，一方面提高了延遲，另一方面由于延遲的提高會引入系統用于決策的CSI變得不準確而導致不能做出最優的決策。

圖3 中斷概率與發射功率

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

圖4 吞吐量性能對比

從仿真結果可見，所提出傳輸方案對比FD中繼自適應方案，不考慮直傳鏈路的自適應方案，在吞吐量性能上有明顯提升；對于HD緩沖輔助中繼，其性能與自適應FD傳統中繼接近，理論上HD緩沖輔助中繼性能逼近理想FD中繼，緩沖輔助FD在達到最佳吞吐量性能。

4 結束語

直傳鏈路的干擾對于FD中繼系統的性能影響不能忽視，忽略此干擾將可能造成系統的吞吐量下降，中斷概率上升。對于無緩沖輔助情況，自適應功率分配方案能減小直傳鏈路干擾帶來的影響；而對于緩沖輔助FD中繼系統，通過合理選擇傳輸鏈路，中繼可以類似HD模式和FD模式兩種模式工作。對于前者，直傳鏈路有利于數據傳輸；對于后者，直傳鏈路是目的節點干擾信號。通過充分利用直傳鏈路的信道狀態信息，提出的自適應功率分配及鏈路選擇方案在吞吐量性能上提升明顯，將該方案應用于多用戶節點的FD系統中的系統傳輸方案是后續的一個重要研究方向。