直传链路干扰下全双工中继传输方案

陈兴林，王 钢，许 尧

(哈尔滨工业大学 通信技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

5G无线网络允许多样化的设备接入网络，如一类新定义的设备，超可靠低延迟通信(Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC)。URLLC在蜂窝网络中部署以确保多种应用能够正常运行并提供支持，针对重要的部门如工业和运输业。然而，不同场景所需的传输特性各不相同，这是由于每类应用需要多种性能需求，因此带来了新的挑战[1]。

针对系统延迟和可靠性，协作通信可带来不同的优势，它能够通过充分利用无线信道的广播特性并通过使用中继增加空间分集[2]。在低延迟方向，FD中继模式带来迅速的设备间的信息传输，能够降低延迟。对于FD中继，尽管其接收端接收会受到发送端发送信号的干扰[3]，FD中继由于其频谱效率的优势仍可被应用于协作中继通信系统中。在文献[4]中，一种通过天线消除的新型的自干扰消除技术被用于FD传输中；文献[5]分析了在FD模式下经被动抑制和主动自干扰消除后系统的性能表现。这些技术的出现促进了FD中继的研究和使用，用于消除半双工中继带来的频谱效率的下降；文献[6]指出了对于中继通信直传链路对性能的影响不能忽略。缓冲辅助中继在HD模式下被证实能够达到接近全双工中继的系统速率[7]，文献[8]中首次分析了多中继系统中缓冲中继的性能优势，并提出了最佳中继选择方案；文献[9]中提出了一种车联网中的缓冲辅助中继应用方案，根据车辆相对速率，实时信道状态信息(Channel State Information，CSI)筛选中继车辆，存储信息并转发给基站覆盖范围外的目标车辆；多数研究假定节点间的CSI在通信过程中是理想的，而文献[10]分析了过时的CSI对缓冲辅助中继的中断概率和吞吐量的影响；文献[11]分析了多址接入信道下的缓冲中继协作系统中断概率和速率等性能;文献[12]分析了FD缓冲中继的性能优势并给出了最佳功率分配门限，文献[12]对于传统FD自干扰和直传链路影响进行了相应研究。已有研究已经证明了缓冲辅助中继的性能优势以及可能的实际场景中的应用，其中，对于FD缓冲中继考虑直传链路的研究尚为空白，本文将从该角度入手分析FD系统，考虑直传链路在有缓冲器或无缓冲器的前提下的自适应功率传输。

1 系统模型

考虑一个三节点中继协作通信模型如图1所示，系统由源节点S、中继节点R和目的节点D组成。其中中继处带有缓冲器并处于全双工工作模式，为简化分析过程，中继处的转发模式为DF并不考虑该方式带来的时延，并且忽略过时CSI对系统链路选择的影响。

图1 FD中继通信模型

信息传输过程中，首先由控制节点(Control Unit，CU)收集反馈信息并确定传输过程涉及的参数，随后通过反馈信道将反馈信息传输给各个节点，最后建立连接，不考虑反馈信道的误差和延迟。S-R,R-D均为加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道，受慢衰落影响，每个传输过程衰落系数相同，各个传输时隙衰落系数相互独立，对于全双工中继，中继处接收信号受中继发出信号影响，不失一般性[12]认为该处信道衰落与S-R，R-D链路相同，为简化分析过程不考虑该处的信道估计误差。设S-R,R-R,R-D处的信道衰落为hsr,hrr,hrd，为服从瑞利分布的独立随机变量，方差为σij2，hij～CN(0,σij2)，其中ij∈{SR,RR,RD}，S和R处的发射功率分别为Ps和Pr，且满足Ps+Pr=P，R和D处的AWGN为nr和nd，满足ni～CN(0,σni2)，i∈{r,d}，为简化分析过程，假设各个接收端处的噪声方差相同，满足σni2=N0。

2 连续速率下自适应功率分配方案

2.1 传统FD中继

Csrk=lb1+γsrk。

(1)

类似得到任意R-D链路容量：

Crd1k=lb1+γrd1k；

(2)

Crd2k=lb1+γrd2k。

(3)

由于传统中继不具有数据存储能力，如果系统采用自适应功率传输，系统传输速率满足：

R=minCsr,Crd。

(4)

因此，对于单个中继，若要使系统吞吐量最大，应满足Csr=Crd，用g=h2/N0简化，结合功率条件，得：

(5)

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

(6)

对应的中继处发射功率表达式为：

(7)

结合Ps>0、Pr>0，即可得到此时的最大吞吐量传输功率，相应的对于多个中继的情形，若要使吞吐量最大，应选择符合如下条件中继：

(8)

类似的，令Δ2=grd2+gsr2+2grdgsr+4grdgsrgrrP，对于不考虑直传链路的情形，求得：

(9)

(10)

对于FD中继在直传链路S-D干扰下的中断概率，自适应功率分配方案更适用于系统的S-R，R-D链路传输速率限制相同的情况，设S-R过程和R-D过程的中断概率分别为Psr，Prd则二者满足Psr=Pr(lb(1+Psgsr)

2.2 缓冲辅助FD中继

FD中继的传输分为如下4种情况：

④ S，R均静默，此时系统中断。

假设共N个传输时隙，定义传输状态变量q1k，q2k，q3k分别为3种传输状态的选择变量，即qik=1则状态i在时隙k被选择作为传输过程，则qik∈0,1，q1k+q2k+q3k∈0,1。对于自适应速率传输方案，设时隙k中继处存储信息为Q(k)，则S-R,R-D链路的信息传输速率为：

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)

对于FD缓冲中继，缓冲器信息存储量为：

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

。

(13)

对于一个到达率A，离开率D的排队系统，若A≤D则系统稳定，对于缓冲中继，其A和D分别为中继信息接收和发送量的平均值，则若以系统吞吐量为目标则可建立如下优化问题(不考虑缓冲器长度)：

(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是满足限制条件的拉格朗日参数，对于所述FD缓冲辅助中继考虑S-D链路干扰情况下，最终可定义如下门限：

(16)

同时可以得到相应最优吞吐量选择方案为：

(17)

参考文献可采用梯度法或遍历法可求出不同发射功率下的最优μ，λ。

3 仿真分析

图2 不同自干扰强度下系统吞吐量

通过强度10-5的泊松分布在R=900 m范围内生成32个节点作为中继节点，中心节点作为基站，假设目标用户坐标900,0。FD系统中断概率与功率分配关系如图3所示，若采用不考虑直传链路的功率分配策略，在干扰σrr2=-110 dB、σrr2=-120 dB、σrr2=-130 dB时，分别在P=32.5 dBm、P=37.5 dBm、P=42.5 dBm前能取得中断概率的优势，则但是在P增大后，中断概率反而上升，可见当发射功率较高时，S-D链路对D处接收的信号干扰增强，而考虑S-D链路干扰的功率分配能够解决这一问题并获得不错的性能提升，该方法可能带来的问题是中继处需要计算处理，一方面提高了延迟，另一方面由于延迟的提高会引入系统用于决策的CSI变得不准确而导致不能做出最优的决策。

图3 中断概率与发射功率

FD中继处的自干扰方差σrr2=-130 dB,dsr=500 m,drd=500 m,dsd=1 000 m，通过搜索得到的最佳μ,λ，自适应缓冲辅助全双工、缓冲辅助半双工、全双工自适应功率分配，以及全双工不考虑直传S-D链路的功率分配性能仿真结果如图4所示。

图4 吞吐量性能对比

从仿真结果可见，所提出传输方案对比FD中继自适应方案，不考虑直传链路的自适应方案，在吞吐量性能上有明显提升；对于HD缓冲辅助中继，其性能与自适应FD传统中继接近，理论上HD缓冲辅助中继性能逼近理想FD中继，缓冲辅助FD在达到最佳吞吐量性能。

4 结束语

直传链路的干扰对于FD中继系统的性能影响不能忽视，忽略此干扰将可能造成系统的吞吐量下降，中断概率上升。对于无缓冲辅助情况，自适应功率分配方案能减小直传链路干扰带来的影响；而对于缓冲辅助FD中继系统，通过合理选择传输链路，中继可以类似HD模式和FD模式两种模式工作。对于前者，直传链路有利于数据传输；对于后者，直传链路是目的节点干扰信号。通过充分利用直传链路的信道状态信息，提出的自适应功率分配及链路选择方案在吞吐量性能上提升明显，将该方案应用于多用户节点的FD系统中的系统传输方案是后续的一个重要研究方向。