文摘

互联网的爆炸式增长的东西(物联网)是把更高的性能要求co-time co-frequency全双工中继转发(CCFD-R)将出现大量的小型设备。在本文中,我们提出一个新颖的CCFD-R方法与非常低的复杂性来解决上述问题。基于正交的两个组件,使用分布式模式提出了正交幅度调制(QAM)星座执行自干扰消除(原文如此),而不复杂的处理模块,在传统的全双工技术广泛应用。而不是常规的做法分配整个QAM星座只有一个通讯节点,我们计划(称为QAM-R)将星座分为两个部分,进一步赋予他们不同的通信节点,分别。与上面的原则中,映射模式和帧格式是精心设计的。然后,建立相应的信号模型和端到端位错误概率的近似(cep)。最后,验证理论分析和数值仿真表明QAM-R可以平衡频谱有效性和传输的可靠性很好,尤其是执行更好的低范围的信号噪声比(信噪比)当采用高阶QAM星座。

1。介绍

由于频谱资源的缺乏与移动交通的巨大增长,co-time co-frequency全双工(CCFD)吸引了大量来自学术和工业社会的关注。因此,CCFD传送(CCFD-R)成为一种很有前途的技术集成的优点传达和CCFD。然而,尽管CCFD-R显著提高继电器系统的频谱效率,这也导致更复杂的自干扰(SI)比正常CCFD通信问题,呈现如果取消(SIC)的重要支持技术在这一领域1]。

现有的碳化硅技术通常可以分为两类,即。,被动抑制和主动取消2]。前者主要经营在propagation-domain电磁隔离天线在发射机和接收机之间(3),对比,后者在模拟域中生效和/或数字领域通过各种先进的信号处理技术(4,5]。虽然这些国家信息技术具有良好的性能,主要用于传统蜂窝网络的路径依赖。如今,物联网(物联网)在移动通信中发挥着日益重要的角色与5克的到来及其进化6克(6]。由于低功率的限制,成本,复杂性,等等,物联网设备不可避免地对物联网网络提出了更高的要求实现CCFD-R时沟通。特别是作为一种重要的类型的物联网设备,大量的小型设备(例如,传感器的海洋)甚至带来新的研究挑战CCFD-R在物联网网络由于严格的空间和能源的局限性。例如,它已经被各种传感器的关键问题之一,如何在CCFD-R模式下工作,尤其是上升同步无线信息和权力交接(SWIPT)物联网系统7- - - - - -9]。从上面,前面提到的SIC技术无疑是不适合直接纳入物联网传送和应改进的匹配特性的小型设备。显然,由于缺乏足够的空间用于天线隔离,这的确是有点困难对于小型设备应用propagation-domain SIC技术。同样,SIC技术在模拟域中既不是一个吸引人的方法,因为额外的模拟电路不仅需要高功耗也足够的空间需求。因此,寻找一种新颖的数字领域SIC技术可能相当有前途的技术方向为小型设备。

针对低解决CCFD-R适合小型设备的物联网网络,我们试图设计一种新方法基于分布式正交幅度调制(QAM)星座。这个想法最初来自于正交信号合作的多样性(QSCD)来区分不同的用户在合作系统利用内积的性质两个组件的QAM星座是零(10,11]。QSCD-type技术非常适合小型设备的容易实现和低成本,但是他们仍然工作在半双工(HD)模式。幸运的是,类似的技术使用光学同步/正交调制器(智商)最近在CCFD介绍无线通信(12]。虽然不是专门设计继电器系统,分别处理IQ调制的实践是非常有益的。灵感来自于这一点,我们提出一个非常低的QAM-based CCFD-R(缩写为QAM-R)系统通过改善上述QSCD-type技术。主要思想是把QAM星座分成两部分,并进一步将它们分配给源和中继节点,分别实现CCFD-R。本文的主要贡献如下:(1)QAM星座的分布式使用模式的建议,以保证发送和接收信号的正交性在中继节点。(2)相应的继电保护的设计方案对于典型的3个节点的中继系统,主要包括映射星座和帧格式。(3)建立相应的信号模型和近似的端到端位错误概率(cep)的系统。

显然,QAM-R本质上只是QAM星座的创新使用,而不需要复杂的SIC模块如传统CCFD-R系统,所以它是免疫收发器的大小,同时,低成本的优势。同时本文理论分析和数字仿真表明,QAM-R还可以提供一个很好的办法频谱有效性和传输的可靠性。因此,该方法非常适合于大规模新兴的小型设备物联网时代的到来。

本文的其余部分组织如下。首先,典型的3个节点的中继系统的继电保护方案是精心设计的2。然后,建立相应的信号模型和近似的端到端cep派生的部分3。接下来,进行数值模拟来验证理论分析的部分4。最后,我们把整个论文的主要结论5。

2。系统模型和继电保护方案

考虑到典型的中继系统模型如图1,一个源节点(SN)传输信息到一个目的地节点(DN)通过一个继电器节点(RN),和所有的三个节点都设置为小型设备配备一个天线,分别。根据继电器的处理节点,中继协议可以大致分为amplify-and-forward (AF)和再生(DF),在本文中,我们选择后者。

这里应该指出,RN也可以配备两根天线(一个用于传输和其他用于接收),作为单个天线具有同样的效果与循环器实现全双工操作理论。我们假设合理之间不存在直接联系SN和DN由于严重的障碍通常在环境中现有的物联网设备(如SigFox和罗拉)通常彼此分开,,同时,工作在一个非常低功耗模式。此外,我们假设这些符号和捕获的信道衰落系数(氟利昂)对应的两个相邻节点之间如图1。

指上述QSCD-type技术QAM信号的同步和正交组件分配给不同的用户在某个合作节点,分别为我们的设计原则是整个QAM星座分割成两个部分,即:,RN的SN,另一个。例如,同相分量分配给SN携带信息,和正交分量分配给RN,反之亦然。这意味着QAM-R调制的多状态QAM (MQAM)对整个系统,但多状态脉冲幅度调制(MPAM) SN和RN(注意,前者的调制顺序等于后者为我们研究)的平方。进一步,与QSCD-type技术传输的合成信息合作用户通过各自的多路访问渠道,我们让SN和RN操作同时在同一频段,尤其是让RN倾听和传输CCFD模式。不幸的是,这种做法将不可避免地导致QAM星座失去正交性在RN,进一步给整个系统带来SI,作为QSCD-type技术,因为它们不是发生在高清模式。但是,根据我们的研究,可以通过相对地解决这个关键问题旋转SN的阶段的传输信号当他们释放。因此,的影响对冲,然后保证RN QAM星座的正交性。即发送信号和接收信号的内积在RN是零,然后,从理论上讲,QAM-R溶液形成RN没有如果。

在此基础上,详细的QAM-R的继电保护方案,主要包括映射星座和帧格式,设计如图2(以4 pam / 16-QAM调制为例),在那里和的星座点SN和RN,因此,和是各自不同的星座点之间的最小欧氏距离的SN和RN。首先,图2(一个)说明了SN和RN映射星座。具体来说,左边s ubpicture(1)描述了SN的数据位美联储的同相分量,对s ubpicture(2)描述了SN的再生在RN数据位(即, )美联储的正交分量。根据设计思想,SN的调制信号(例如, )应该抵消在传输之前,维持在RN QAM星座的正交性。因此,SN和RN同时传输数据在同一频段没有如果理论上,特别是,RN可以在CCFD模式下工作。其次,图2 (b)说明了框架结构对应于图2(一个)。在第一个符号间隔,SN同相分量传递自己的信息。在连续符号间隔,SN仍以同样的方式传递其信息,与此同时,RN解码前立即符号间隔的接收信号SN正交分量,并将其转发给DN。在最后一个符号间隔,只有RN解码并立即转发过去之前收到SN DN的正交分量的信号。

在一般情况下,中继系统在CCFD工作模式,除了第一个和最后一个符号间隔可以被忽略,因为他们非常小的整个框架。

3所示。信号模型和端到端cep分析

我们首先建立QAM-R传播和接收信号的数学模型。显然,整个沟通过程包括两个阶段:第一阶段,SN发送数据和二期RN检测和转发数据SN的DN。假定准静态平坦瑞利信道衰落,然后索引氯氟化碳的物品和可以省略,因为他们在整个框架维持不变。

在第一阶段,我们SN的等效基带传输信号中某些符号间隔帧,然后在RN收到的基带信号 氯氟化碳的物品 和加性高斯白噪声(AWGN)项目 。

假设信息符号调制SN的数据吗如左边所示s ubpicture(图2)2(一个)和SN知道氯氟化碳(例如, )SN和RN之间,可以最后表示为相反的旋转的角度(例如, ),这是 的上标代表共轭复数的和一个复数的模量。

使用最大似然(ML)检测在同相分量RN,对应的复制数据的SN可以写成 在哪里表示两个点的欧氏距离,表示调制星座点的设置和决策数据是 在哪里表示一个复数的实部。

接下来,沟通过程移动到第二阶段,是解码然后美联储所示的正交分量的QAM星座图的正确s ubpicture2(一个)。事实上,上述做法相当于乘以由虚数 ,因此,基带传输符号的RN立即下区间可以表示为象征 在哪里是指符号持续时间。根据收到的基带信号在DN 氯氟化碳的物品 和AWGN项

继续ML检测在DN正交分量,然后复制数据从RN, DN知道氯氟化碳(例如, )RN - DN,给出 在决定统计 是 在哪里表示复数图像的一部分 (例如,the final estimate of在DN)可以通过解码 最后。

现在,选择任意整个沟通过程中,我们分析了端到端cep的性能。为简便起见,该指数和符号持续时间省略了如下。

首先,我们分析端到端符号错误概率(9月)。让表示星座点的事件检测到的点对SN第一阶段期间,类似的,表示星座点的事件检测到的点RN的第二阶段。然后,瞬时端到端SEP可以写成 在哪里一个事件的概率和手段的调制顺序任意组件的QAM星座(注意,QAM-R意味着调制订单的设计原则两个组件的QAM星座是一样的)。

尽管(99月)提供了一个精确解的端到端QAM-R,很难获得准确的结果的形式。然而,考虑到它是最有可能的邻近地区决定让一个错误,我们近似上面作为

基于检测规则(3)和(7),以及这一事实和是相互独立的,瞬时的端到端(9月10)可以计算,基本的结果([13),方程(619)),如下: 根据最小信号距离之间的关系和每个符号的平均能量([14),方程(2)),和在图2(一个)可以写成 在哪里和表示每个符号的平均能量SN和RN,分别。

我们接收到的瞬时信号噪声比(信噪比)与第一阶段和第二阶段 和 ,因此,平均信噪比的反应 和 。然后,用(12)(11)、瞬时端到端9月可以借助方程(3),(7)、(14)(15),导出操作

通过平均方程(13)的PDF和 ,相对应的平均端到端9月可以由

在整个论文中,我们假设格雷码中使用符号映射,所以相应的端到端cep

特别是,因为只有两个相邻区域决定,近似(15)二进制调制(例如,米= 2)变成具体的表达式为:

4所示。数值结果

我们现在确认分析结果并与传统方法进行比较。在仿真中,帧组成的128信息符号传播通过瑞利衰落信道。通道也被认为是慢衰落,整个帧间隔保持恒定。为了公平,我们考虑所有方案相同的带宽和功率。

我们比较方案与常规继电器(C-Relay)与端到端cep下三种不同的情况下,也就是说,例1的调制模式4-QAM QAM-R与分布式模式和二进制相移键控(BPSK) C-Relay,例2的调制模式是一样的案例1 QAM-R和正交相移键控(QPSK) C-Relay和案例3的调制模式和分布式模式16-QAM QAM-R 16-QAM C-Relay。为了便于说明,我们表示整个系统的符号能量,然后我们进一步把每种情况下分为两个子用例:子用例1采用等功率分配(例如, )子用例2采用不平等的权力分配与权力分配比的3:7(即, , )。不失一般性,我们假设情况下的方差 。

首先,我们考虑案例1。自QAM-R调制MQAM在整个系统但MPAM SN和RN,分别用例1是最基本的情况。如图3,尽管QAM-R cep性能损失约3 dB相对于C-Relay,它几乎成倍增加后者的传输速率QAM-R CCFD工作模式而C-Relay在高清模式工作。其次,图4情节cep性能比较例2条件下QAM-R和C-Relay之间。可以看出QAM-R优于C-Relay时都采用QPSK(即。4-QAM),尽管这两个计划几乎相同的传输速率。这是因为虽然调制情况下的C-Relay 2 QAM-R的两倍,后者在CCFD模式工作。此外,我们注意到,数值结果与精确的cep表达式从方程获得。(16)为例1和例2很好。第三,我们提供QAM-R MQAM做出比较和C-Relay以防3。图5进一步证实了类似的结果在例2的cep性能,特别是显示QAM-R执行更好的在低信噪比范围采用更高的调制时秩序。它还可以看到从图5几乎没有区别的cep性能之间的近似表达式从方程(15)和仿真结果除非信噪比很低,表明我们的近似公式很紧。综上所述,我们得出结论,我们的方法有明显的优势权衡频谱有效性和传输的可靠性。

获得更多的信息,从各自的子用例的所有三个案例的数据,我们发现等于功率分配比的不平等。这表明,在实际应用中,我们应该尽量选择通信节点RN近等距SN和DN。我们也可以观察氟氯化碳产生重大影响的差异,即的性能 比这更好的吗 。除了性能之外,我们应该注意到实现QAM-R只是通过调制星座的不同使用方式,没有extraspace或更复杂的硬件/软件模块,而传统的SIC他们是不可或缺的元素。

5。结论

本文提出一种QAM-R计划整个QAM星座分割到两个维度,然后指派给源节点和中继节点,分别。该方法的优点是容易实现和免疫收发器的大小,所以它的个性契合小型设备实现CCFD-R模式。从理论和数值结果表明,QAM-R可以达到很好的平衡之间的传输速度和可靠性。展望未来,许多小型设备无疑会出现随着物联网时代的到来,因此,QAM-R是有价值,有广阔的应用前景。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

信息披露

海阳丁与陕西高校的青年创新团队。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是支持中国陕西省自然科学基础研究计划(批准号。2020 jm - 639和2022 jm - 392),它也支持中国国家重点研发项目的一部分在格兰特2018 yfe0100500,由中国国家自然科学基金资助下61871387,到2021年,青年创新团队建设陕西教育部门的科研项目(批准号21 jp105)。