联合全职和半双工通信策略。文中干扰通道

文摘

虽然全双工(FD)通信链接MIMO系统遭受自干扰和interuser干扰,双向的每个节点之间的信息交换链接在FD显著提高无线信道的容量。另一方面,半双工(HD)通信不受自干扰影响,但面临着interuser干扰。为了充分FD和高清数字通信模式的优点,本文提出了一种联合全职和半双工(FuHaDu)沟通策略。文中,干扰通道MIMO链接能力增强,而自干扰和interuser干扰都减少了。具体地说,拟议中的联合FuHaDu模型基于罗森加权和速率最大化的梯度投影法(WSR)最优发射机和接收机过滤器。计算机仿真结果表明,该联合FuHaDu策略提高了频谱效率相比纯HD和FD的常规方法。结果进一步表明,信道容量双打随着天线数量的增加来。最重要的能力的性能而著称MIMO配置高清,FD, FuHaDu策略。

1。介绍

今天的爆炸性需求高数据速率和扩散大规模无线服务的用户数量已经迫使现代通信技术,更有效地利用有限的频谱和能量资源1,2]。半双工(HD)通信模式和其他技术,模拟全双工通信在半双工通信链接,如时分双工(TDD)和频分双工(FDD)无线MIMO系统,采用两个正交通道传输和接收信号。然而,他们不能达到最大光谱和能源效率(3]。因此,全双工(FD)无线MIMO通信系统启用了同步传输和接收在同一时间在同一频带大大得到了巨大的利益在学术界(4,5]。这是因为FD沟通模式可以双每个链接能力,可以提高无线资源的效率目标的下一代无线通信系统(3]。基于FD / HD通信模式的好处,FD继电保护技术研究[6]有效的多径衰落的影响,缓解pathloss,跟踪以及增强用户的服务质量(QoS)的边缘细胞。除了中继节点,FD部署的通信技术一直被视为小细胞,提高细胞覆盖由于传输能力较低,传输距离短,和低流动性(7]。一个小细胞网络,FD基站(BS)提供多个上行(UL)和下行(DL)用户同时被认为是在4,8]。FD的沟通模式也被目睹在认知和觅食收音机有前途的技术提高频谱和能量效率的固定频谱分配政策1,9- - - - - -11]。

最近许多论文在FD双向系统考虑一双单一节点,同时交换信息(12- - - - - -14]。Cirik et al。3]研究了FD系统在多个双节点,即FD MIMO干扰通道。他们的研究最近已经激发了兴趣迁移从点对点米姆和MIMO下行通道了MIMO干扰频道造型巨大的实际应用的物联网15]。事实上,研究移动通信系统的性能(开放频谱、多单元的系统等),其中每个细胞导致干扰其他细胞可以由专注于MIMO干扰通道(16]。然而,FD系统的性能的限制因素是强自干扰创造的接收机前端的信号泄漏FD的发射机天线节点自己的接收机天线。康和赵17)考虑FD amplify-and-forward (AF)继电器,患有MIMO无线信道自干扰的问题。在他们的调查中,他们获得使互信息最大化的最优变换矩阵在继电器的输出平均功率约束下。特别是,信道的容量没有直接路径是派生表明继电器最大化吞吐量为如果没有继电器本身的干扰。当提出的MIMO无线信道模型比较与高清频道继电器拥有相同的平均传动功率,FD接力优于高清继电器和数值结果表明,这一结果也适用于MIMO信道约。

存在无线通信系统,包括认知无线电和MIMO技术的目的是实现更高的频谱效率(18]。空间复用MIMO技术提供了通过使用多个传输和接收天线而不是一个。因此已经被证明能够极大地提高通信数据率功能在多个当前应用程序从传感器网络蜂窝系统。然而,使用多个天线带来了一系列的挑战和intralink和交叉通道干扰之间的多个传输仍然MIMO技术面临的主要挑战之一。事实上,MIMO技术的出现已经改变了的无线信道建模的焦点衰落信道到一个干扰通道。后一种方法更关注乘法通道障碍等干扰,而衰落信道模型主要考虑添加剂噪声对传输信号的影响。因此,处理干扰发射机和接收机的设计水平,FD和高清的通信体系结构被认为是,已经成为许多研究工作的目的16]。它也明显,小成功见证了在最近的过去与分离FD和高清数字通信模式,特别是在最小化的自干扰和interuser干扰(3]。在我们目前的工作,主要的思想是利用FD和HD模型的潜力,提高频谱效率的交叉在一个单一的链接分配渠道。具体来说,我们应用罗森的梯度投影和修复方法为分布式天线干扰之和最大化利率渠道(19]。我们所知,没有先前的研究,罗森的投影梯度优化方法应用于联合模型的完整和半双工(FuHaDu)通信天线干扰通道。

剩下的纸是组织如下。部分2讨论了相关工作。部分3介绍了系统模型的提出联合FuHaDu传播策略。节4联合FuHaDu算法概述。部分5和6分别提供论文的结果和结论。

2。相关工作

大多数现有的MIMO技术一直到目前为止完全高清(20.)或完全FD (3]。此外,他们中的大多数已经时分双工(TDD)或频分双工(FDD)。这意味着尽管增加信道容量由MIMO技术可以提供他们中的大多数只是提供可能只使用一半容量的链接,因为他们没能允许发射和接受同时发生或他们评估的影响使用FD沟通的链接。

在[4),作者设计一个波束形成方案FD系统FD的BS与多个高清用户下行通信能力(DL)和同时上行(UL)通道。作者考虑问题的联合频谱效率(SE)最大化DL和UL传输在某些权力约束。首先,设计制定为一个等级约束优化问题,然后应用等级放松技巧。然而,放松限制问题仍然是凸的。为了解决这个问题,他们提出两种迭代算法,基于Frank-Wolfe的概念(FW)算法和其他基于顺序的框架参数凸逼近(SPCA)方法。的想法提出方法是近似凸凸规划问题的每个迭代。第一个设计算法坚持一个行列式最大化(MAXDET)解决问题,第二个提供了更多的灵活性在选择优化软件,可以利用许多先进的半定规划(SDP)解决。他们运行两个并行算法,直到收敛,然后选择更好的解决方案。数值结果表明,FD传输显著提高频谱效率。

作者在21)注意,只有少数的贡献集中在优化MIMO中继信道的容量界限。例如,在[22),结果表明,高斯输入分布最大化cut-set-bound (CSB)和可实现的再生(DF)的FD中继信道和一个上限的CSB然后提供宽松的一般。非最优下界给出基于点对点传输目的地(源)和级联传递通道(源继电器,继电器的目的地)。在显示的实现率提高的下界22),格迪斯和Utschick21]演示凸优化问题的解决方案。他们这些结果扩展到高清继电器频道,一个可行的高清约束是对所有节点,并验证表达式产生的派生只是上界的最佳解决方案

作者在3)开发一种低复杂度的算法来计算最大加权和速率(WSR)链接FD MIMO干扰通道,其中每个链接有两个同时FD节点交换信息。每一对遭受自干扰的节点由于FD的操作模式和interuser干扰由于同时传输链接。两种类型的约束被认为是现实的力量。一个是系统的权力制约和权力。另一个是权力限制的力量在每一个无线节点。作者在3]提到这样一个事实,在约束,非凸和难以解决的问题;因此WSR问题可以转化为一个much-easier-to-solve加权最小均方误差(WMMSE)问题广播频道。作者然后实现分布式MIMO FD干扰通道战略通信模型之外提出了HD模型(23]。此外,他们表明,该算法不仅适用于FD MIMO干扰通道,而且FD蜂窝系统的基站(BS)在FD运营模式服务于多个UL和DL用户操作在半双工(HD)模式下,同时进行。仿真结果表明,提出的FD系统优于基线高清系统在中度干扰水平的自干扰和interuser干扰水平。特别是,作者在3考虑到通道模型,图中所示1,不同的通道障碍被认为是在每一个链接。

在这里,和发送和接收天线的数量在链接吗,分别。符号代表平均衰减通道的链接作为来自信道的平均功率增益。一般来说,是信道矩阵组件的链接来之间的传输节点和接收节点,也就是说,。最后,和是扭曲的加性高斯白噪声(AWGN)在节点信号吗和节点在链接,分别。

基于干扰场景图1作者在3)制定一个非凸优化问题的WSR最大化下个人或和权力约束如下: 在哪里是发射机的数据流信号的预编码矩阵向量作为优化变量的问题,推导出在3]。文中链接的数量被认为是它不同2链接更多的链接。代表认为块节点可以发送或接收块FD(双向)通信模式。符号代表的跟踪矩阵的计算表示重量值总是积极的值()。是节点的实现率的下限吗在高斯信号由一项研究[24]分析最大的可实现的(有限)的数据率链接米姆由于有限的动态范围(DR)的输入电路。最后,和总(总和)系统的可用功率和个人给所有节点可用的权力呢,分别。

然而,FD MIMO系统的性能通常是有限的由于强烈的自干扰的前端接收天线。这自干扰导致的结合从发射天线接收到的信号在不同的节点和泄漏信号的发射天线节点本身既是收音机碰巧同时开启[3]。此外,设计一个滤波器传输并不是唯一一个现有的方法或方法最小化(减少)自干扰发射机。因此,我们的工作有助于(3,25)通过引入一种自适应混合FD和高清,这考虑单独的FD的优势互补3和高清25)为了减少自干扰的影响通信系统的发射机。

一些研究工作,包括理论(26)和实验(27),自干扰减少执行智能天线的设计,例如。大多数这些智能天线的设计是基于天线波束形成和目标实现以尽可能最低自干扰。这种方法通常被称为空间域自干扰抑制技术(13]。的操作链接在FD模式被有条件实现一个可接受的水平的自干扰消除器。这样做通常是通过一个精心设计的滤波器传输旨在尽可能最小化自干扰的影响(28]。针对HD MIMO传输能量的增加模式结果在改善质量的链接,同时,FD模式,结果在改善质量的链接,同时导致自干扰的增加如图2。

在[29日)的开发空间和时间自由分配源协方差矩阵的链接被用于研究率之和最大化问题针对FD双向MIMO信道慢和快衰落通道。WSR最大化,signal-to-leakage-plus-noise最大化(SLNR),总传输功率最小化,为双向FD系统和分布式总和率最大化问题也一直在研究[29日]。此外,对FD WSR最大化系统多个双节点或FD MIMO干扰通道已经被认为是在3]。这种方法发挥了加倍的链接能力,但却受到了很强的自干扰在每个链接。

我们所知,没有再分配方法提出了使用混合链接(FD和HD)作为策略来提高整个系统的信道容量。因此,以非常独特的方式,这项工作利用FD文中方法的潜力双通道容量,同时减轻相反的效果,其intrauser (intralink)干扰交叉FD与高清链接。这种方法假设下,提出了FD的交错和高清天线子系统可以实现最大的最好的场景在多个链接MIMO系统信道容量至少在网络体系结构的观点。

从鲁棒性的角度,制定约束优化问题,罗森的梯度投影方法的选择提出FuHaDu MIMO信道的信道容量最大化的计算有效比以前提出的解决方案完全高清MIMO信道(20.,21,25]。鲁棒性是合理的,更快的收敛速度比通道容量优化方法当self-interfering链接的大小增加了在3,25]。此外,FuHaDu策略最小化自干扰的影响表现出完全FD策略3,13,17,25),从而展示优越的信道容量。然而,收敛速度和计算复杂度FuHaDu展出的策略是相对比较完全的FD策略的体积小链接(13,17]。原因是累积所需的迭代次数,确保优化过程的收敛性成正比收发器链接和大小那通道的大小(3]。

基于这一事实,对于MIMO干扰通道,半双工遭受低数据速率由于其单一的链接能力和基于全双工也患有自干扰,大大限制了其信道容量,目前提出了一个改进策略自干扰和信道容量的interuser干扰通过引入联合FuHaDu策略使用罗森的梯度投影法。

3所示。完整系统模型联合,半双工(FuHaDu)基于多链路分配渠道

本节介绍了联合全职和半双工(FuHaDu)提出基于多链路天线干扰通道。通道障碍参与联合FuHaDu多链路建立MIMO干扰通道识别,分析和讨论。频道收益是派生的,然后考虑收发器的设计干扰取消过滤器。指出总干扰取消是不可行,优化问题的目标最大化天线干扰通道的容量是制定可行的权力约束。

假设我们考虑FD MIMO系统的干扰通道(3)并进行交错高清MIMO系统在每个链接,这样有两个节点。也就是说,每个FD链接有两个相邻的高清链接。两种类型的约束被认为可行的权力,即权力约束和个人权力和限制。假设通道障碍通常会影响信号从一个节点传递在一个链接是“发射机失真”以及“接收机失真”信号。这些畸变信号是随机的性质和是由设计引起的非理想的放大器、振荡器、数模转换器(adc),和接收器的数模转换器(dac)。的一项研究[30.)实验表明,可以将发射机和接收机失真信号建模为AWGN ()和零均值和方差。考虑节点的传输到节点在链接在图3、发射机和接收机的方差扭曲,分别给出如下: 在哪里和是常量值相乘的随机变化的能量传输和接收到的信号吗和,分别。此外,通过考虑联合FuHaDu通信模型中描述的人物3,系统显示链接MIMO信道,将会有FD链接和高清链接时甚至或者当是奇数,然后和分别FD和高清链接。如果我们进一步假设数据流传输的节点他们首先经过传输过滤器也称为预编码矩阵然后,他们可以使用一个分布式和零均值高斯随机向量来表示 在哪里是复杂的,零均值的独立同分布(先验知识在节点传输数据流。是通过节点信号向量和是数据流的信号的预编码矩阵向量发射机的节点的链接。

在传输过程中,传输信号将修改不同频道自干扰等障碍,interuser干扰,和AWGN吗。的情况下信号发射机和接收机可以模仿的各自的协方差矩阵和如下: 它可以指出对接收信号不失真。也就是说,它相当于没有接收机的接收信号的失真添加到它。此外,一个节点的接收天线在同一FD链接有传输信号在整个无线信道的自干扰和interuser干扰。FD收到信号在链接传输信号的给出了从图3如下: 同样,一个节点接收到的信号在一个高清链接,如图1例如,不包含任何所提供的自干扰影响如下: 因此,对接收信号不失真利用接收到的信号和在这两种情况下(FD (5)和HD (6)。职责。)成为 重要的是要注意,之间的区别(7)和(8)的值是接收到的信号和清楚地描述(5)和(6),分别。半双工链路上的接收信号不包含任何自干扰的全双工连接组件与一个由自干扰和interuser干扰组件。

为了设计最优的传输和接收滤波器对联合FuHaDu链接,重要的是要事先知道两种模式的阈值信号。自自干扰信号组件发生在传输过滤器这意味着它发生在传输无线频道之前,这可能是测量,因此可以假定为已知的发射机。接收到的自干扰信号和FD和高清的过滤从(5)和(6) 从(9),它应进一步注意,与自干扰信号的发射器过滤器在传输之前过滤器设计、interuser干扰信号和噪声分量也接收信号的一部分完全联合FuHaDu和FD的沟通模式是已知的和随机的。这样的随机组件和然后可以根据计算

注意从(9),(10)和(11),实现利率的下界的一个节点在高斯信号(FD(系统派生的24])和高清链接,分别将成为 在这里,是一个单位矩阵,和的协方差矩阵是吗和,分别。这些可以扩展数学通过合并通道障碍如下:

通过使用派生的下界可实现的节点在(12)和(13),WSR优化问题的联合FuHaDu策略可以制定如下: 在哪里及其定义在附录中列出。我们注意到WSR的nonconvexity财产最大化问题提出困难试图找到一个最优的解决方案。在这种情况下,目标函数可以转化为simpler-to-solve凸问题公式化,即WMMSE的最小化问题如以下所示: 在哪里,,。因此,中所描绘的一样(16)。

系统的关键参数模型派生的下界是在目前部分实现的一个节点在高斯信号为FD和高清链接,分别。这两个关键系统模型参数的函数之间的信道矩阵模型对节点发射天线在节点和一个接收天线都在相同的链接和在不同的链接和,因此造型intralink干扰和连锁干扰,分别。另一个非常重要和不可忽视的系统模型参数,也被认为是添加剂噪声通道障碍是经验丰富的在两个方向上在每个特定的链接。重要的是要注意,虽然启发从模型(3),系统模型为FuHaDu开发策略是相当具体的在某种意义上,建筑的变化如果分布式天线系统的变化从完全高清或完全FD变成混合有完全不同的通道障碍考虑这项工作甚至实际的动机。

从WSR最大化问题WMMSE最小化问题是合理的,因为事实上都共享相同的Karush-Kuhn-Tucker(马)条件31日]。因此,相应的最佳接收节点过滤器对于联合FuHaDu通信模式基于WMMSE最小化(12)可以获得如下3]:

4所示。解决制定FuHaDu优化问题

本节介绍了优化算法选择解决WMMSE最小化问题在前一节中派生而来。特别是,罗森的梯度投影法19)被应用于解决多输入多输出信号干扰频道联合FuHaDu制定沟通策略。主要的思想是,罗森的梯度投影法简单项目搜索到子空间活跃的切线方向约束如图4。这种方法可以减少的主要困难引起的非线性约束条件,在一维搜索通常远离约束边界。增益是借由处方恢复将优化变量移回约束边界一维搜索结束后(19]。此外,罗森的计算梯度投影凸优化配方中没有要求,只需要产品的梯度投影矩阵(31日]。

在这里,符号和是和最优传输过滤链接节点。的投影在搜索方向轴。个人甚至和权力约束这两个已被证明产生或多或少相同的结果(3]。

通过调用优化问题(11),目标函数可以写为。应该注意,梯度投影算法的修改版本最陡下降算法,只有躺在一个封闭的有限域的解决方案是有效的(19]。基于图4梯度投影算法求解WMMSE最小化问题(11多输入多输出信号干扰)FuHaDu通信模式的渠道概述如下。

罗森的梯度投影WSMMSE最小化算法(FuHaDu策略)如下。(1)设置迭代次数。(2)从任意初始复杂传输过滤器(预编码矩阵)的大小(),这样和(3)找到一个搜索方向作为在哪里。(4)确定最优步长在搜索方向并得到下一个迭代最优传输过滤器使用以下:。(5)更新。更新相应的接收过滤器和使用(13)。(6)重复步骤和直到收敛,否则直到一个预定义的迭代次数是达到了。

5。绩效评估

本研究的绩效评估进行了使用基于离散事件的计算机模拟。捕获的关键仿真设置参数值表1。

通过设置在表1,不同的产量进行模拟结果图5。

它可以注意到从图5在低信噪比,FD模型优于联合FuHaDu策略的频谱效率,但当信噪比增加时,联合FuHaDu策略表现出更好的性能。然而,当信噪比达到较高值,两个模型的性能似乎收敛到一个最大WSR约100位/秒/赫兹。此外,它可以注意到高清MIMO模式在频谱效率方面表现很差的FD相比。因此,高清MIMO模式更糟糕的性能相比,提出的联合FuHaDu策略之一。

图6表明自适应FuHaDu策略达到更好的收敛速度比高清天线系统的策略。然而,没有太多明显的收敛速度通过FuHaDu MIMO策略相比,完全FD分配策略。这FuHaDu策略的收敛速度比FD策略是进行数值计算平均的1.3014%。另一个有趣的观察是,在第六届罗森的梯度投影算法的迭代FD和联合FuHaDu策略显示频谱效率性能非常稳定。然而,基于高清多链路分配策略展品向最高频谱效率更慢收敛比FD米姆和提议联合FuHaDu策略。此外,它可以指出,最大的可实现的高清天线系统的信道容量远低于FD和联合FuHaDu策略。虽然罗森的梯度投影算法的计算复杂性表现在解决制定FuHaDu通道容量优化方法不是很显著,FuHaDu方法仍表现出显著改善整个系统的信道容量与完全FD方法相比。这意味着这项工作的主要目标仍然是通过提供的额外的优势解决方案方法的计算复杂度。然而,同样重要的是要注意,收敛速度和FuHaDu系统的频谱效率性能比HD MIMO系统相当重要。

图7清楚地表明,随着信噪比的增加频谱效率增加。目的是调查的影响增加的数量的传输和接收天线的频谱效率性能。显然,随着天线数量的增加来然后的频谱效率,联合FuHaDu翻番的策略大大提高一个点40 dB的信噪比(即。,图7)。

图中的条形图8清楚地表明,联合FuHaDu策略达到更好的信道容量性能比FD和高清天线系统所有可能的九考虑天线配置操作时的信噪比40 dB。可以进一步观察到(从2到4)发射天线,更好的信道容量性能是观察当接收天线的数量等于而当接收天线的数量等于和。这是因为配置接收天线需要更少的比的总功率接收天线对相同数量的传输天线2,3,4。以后,我们仍然有相同数量的发射天线,理论上不应该有任何显著差异数据速率之间的配置接收天线和的接收天线。在这种情况下,假设是传输信号的解码妥善处理,使用天线的增益团结(同位素天线)。这是一个理论假设,因为在实践中,它就变得相当复杂解码接收到的信号接收天线的数量小于传输天线的一个案例配置也因为一个同位素天线是不切实际的。

此外,在图的结果8显示发射机天线的数量越高,频谱效率越高。正如所料,这是表明MIMO天线配置策略的两倍频谱效率的实现MIMO天线配置和提议联合FuHaDu策略达到最重要的性能。

6。结论

在这工作,发展联合全职和半双工的可能性(FuHaDu)沟通策略链接已经探索过基于MIMO干扰通道。FuHaDu概念涉及到不同的通道障碍如干扰(自干扰和interuser干扰)和扭曲在发射机和接收机。数值结果表明,该联合FuHaDu传播策略的分布式天线干扰通道更可怕地有效率相比entireley全双工(FD)和完全半双工(HD)系统。联合FuHaDu战略实现的影响信道容量对天线的数量的增加也被调查。获得的结果表明,该传输天线用于FuHaDu策略转化为更高的信道容量。

此外,光谱性能测试结果中描述数据5,7,8证明FuHaDu策略的优越性与现有文献中提供单独的FD和高清策略。这种性能归因于(i)开发的功能优势种植FD和高清天线通道,以解决interuser和自干扰问题,以及(2)开发一个相对快速收敛(即非线性优化技术。罗森的梯度投影方法),以降低计算复杂度。

留给进一步工作来自本研究进行深入的鲁棒性分析FuHaDu相比完全FD策略和联合FuHaDu策略应用于下一代基于多层蜂窝系统等G,即复杂干扰演进将包括cochannel和intertier渠道除了自干扰和联合FuHaDu interuser干扰通信模式。

附录

表达式决定WSR传输过滤器和可以扩展如下: 分别。

这里,广场的尺度参数和直接与总功率成比例吗和被定义为 和未加权的过滤器在全双工传输链接获得的是 在哪里最小均方误差(MMSE)接收机滤波器应用于节点全双工的连接和计算 在哪里和是在节点接收到的信号吗在全双工链路由于另一个节点的传输在相同的全双工连接。

同样,未加权的过滤器在半双工传输链接得到如下: 在这里,最小均方误差(MMSE)接收机滤波器应用于节点全双工的连接要么传输或接收和计算 在哪里和是在节点接收到的信号吗在半双工链路由于另一个节点的传输在同一个半双工链路。

更多细节的推导(a .)和(本)通过使用互补松弛条件优化问题(16)的拉格朗日函数(矩阵的梯度偏拉格朗日函数的一阶导数),,提供了(3]。

缩写

:	一个矩阵的复共轭在整个模拟过程中
:	传输节点
:	接收天线
:	链接
高清:	半双工传输
FD:	全双工
FuHaDu:	半双工。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢学院工程和建筑环境内斯大学技术融资这一研究。他们也想谢谢他们的同事Thato先生Phate协助文献综述。