有限区域同时同频全双工跳频自组网性能研究_段柏宇.pdf

有限区域同时同频全双工跳频自组网性能研究段柏宇陈聪陈顺轲徐强邵士海*(电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室成都611731)摘要：该文针对有限区域的同时同频全双工(CCFD)跳频自组网络，通信节点位置不等价，受非对称互干扰和自干扰影响的场景，开展有限区域全双工跳频自组网的通信性能分析。以网络频带利用率为性能指标，推导出节点位置分布条件下的网络频带利用率闭合表达式，并提出一种降低网络互干扰的节点位置优化分布方法。理论和仿真结果表明，有限区域全双工跳频自组网的性能与频点个数、通信距离、节点个数强相关，且全双工自组网络的性能与半双工网络相比，其占优区域受节点个数约束。关键词：自组网；同时同频全双工；网络频带利用率；跳频通信中图分类号：TN911.7文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)02-0480-08DOI:10.11999/JEIT211499Performance Analysis of Co-frequency and Co-time Full DuplexFrequency Hopping Ad Hoc Networks in Finite AreaDUANBaiyuCHENCongCHENShunkeXUQiangSHAOShihai(National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science andTechnology of China,Chengdu 611731,China)Abstract:ForCo-frequencyandCo-timeFullDuplex(CCFD)frequencyhoppingadhocnetworkinfinitearea,communicationperformanceanalysisisproposedconsideringthescenarioofself-interferenceandasymmetricmutualinterferencecausedbyunequalpositionofcommunicationnodes.Takingthenetworkbandutilizationastheperformanceindex,theclosedexpressionofnetworkbandutilizationundertheconditionofnodelocationdistributionisderived,andanodelocationoptimizationdistributionmethodreducingnetworkmutualinterferenceisproposed.Simulationresultsshowthattheperformanceoffullduplexfrequencyhoppingadhocnetworkinfiniteareaisstronglyrelatedtothenumberoffrequencypoints,communicationdistanceandthenumberofnodes.Besides,whethertheperformanceoffullduplexadhocnetworkisbetterthanhalfduplexnetworkdependsonthenumberofnodes.Key words:Adhocnetworks;Co-frequencyandCo-timeFullDuplex(CCFD);Networkbandwidthutilization;Frequencyhoppingcommunication1 引言无线自组织网络由于其分布式无中心和自组织协同特性，已开始应用于无人机集群、抢险救灾、安全反恐等领域14。目前，考虑到自组织网络各通信节点通信频率互相配对的需求，大多数自组网采用时分双工(TimeDivisionDuplexing,TDD)的收发模式，节点的接收和发射不能同时进行，既增加了传输时延，又造成频谱低效使用。近年来，随着同时同频全双工技术研究的推进，通信设备在相同频带同时接收与发送数据成为可能5。在点对点通信中，同时同频全双工技术与TDD半双工技术相比，理论上频谱利用率最大可提升1倍6。但是，全双工自组网由于节点间存在互干扰以及节点自身的残余自干扰，网络容量并不会达到TDD网络的2倍7。近年来，已有文献对自组网网络性能进行了初步研究。文献8分析了自动重传请求协议对于定向全双工自组网传输容量的影响，并与半双工网络进收稿日期：2021-12-13；改回日期：2022-03-26；网络出版：2022-04-06*通信作者：邵士海基金项目：国家重点研发计划(2018YFB1801903)，国家自然科学基金(62071094,U19B2014,61901396,61771107,61701075,61601064,61531009)，四川省科技项目(2020YFH0101)FoundationItems:TheNationalKeyR&DProgramofChina(2018YFB1801903),TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(62071094,U19B2014,61901396,61771107,61701075,61601064,61531009),TheSichuanScienceandTechnologyProgram(2020YFH0101)第45卷第2期电子与信息学报Vol.45No.22023年2月JournalofElectronics&InformationTechnologyFeb.2023行了对比。文献9研究了单向与双向通信的毫米波自组网，指出和低频的通信网络相比，毫米波自组网可以支持更高的节点密度以及频谱效率。文献10分析了全双工自组网的传输容量，研究表明全双工自组网的传输容量只有在通信节点对间距离较小时，才接近半双工自组网的2倍。文献11同样利用传输容量，对非正交多址跳频自组网的下行链路的性能进行了分析。上述文献主要运用传输容量指标1214分析自组网网络性能，通常假设自组网网络区域无限大，节点个数无穷多；其中，节点位置分布基于随机几何模型，假设服从齐次平稳泊松点过程(HomogeneousStationaryPoissonPointProcess,HSPPP)，各节点位置等价，受干扰情况一致，仅分析1个节点就可推知网络整体性能。但是，现实中网络区域大小和节点规模都有限(不是无穷大)，节点位置不等价，受干扰并不一致(非对称)，所以在分析有限区域自组网，特别是小规模的自组网时，需考虑每一个节点的具体情况。本文主要对区域有限同时同频全双工跳频自组网的网络性能进行分析，并与TDD收发模式的半双工跳频自组网对比：将网络中每对通信节点能成功传输的可达频带利用率之和，定义为网络可达频带利用率，作为衡量网络性能的指标；首先推导出区域内每一个节点在已知分布的条件下，网络可达频带利用率的闭合表达式；然后提出一种降低节点对间互干扰的节点位置优化分布方法，并且与节点均匀分布网络的可达频带利用率进行对比。通过数值仿真结果可知，有限区域全双工跳频网络的性能与频点个数、节点对间通信距离以及节点个数有关；当网络半径取定，对于同一分布，节点个数较少时，有限区域全双工自组网的可达频带利用率才接近半双工网络的2倍，当节点个数较多时，全双工网络的可达频带利用率将会降低，甚至低于半双工网络。本文结构安排如下：第2节描述有限区域同时同频全双工跳频自组网的网络模型；第3节定义并推导网络可达频带利用率；第4节分析推导不同节点分布下的网络可达频带利用率；第5节通过仿真对网络性能进行分析；结论在第6节给出。2 网络模型2.1 通信网络描述R2(K+1)bK+1ak a考虑图1所示的有限区域同时同频全双工跳频自组网，网络区域定为半径的圆。网络中共个节点，均分为两组：(红)与(蓝)，每组均有个节点。每个节点均存在一bk b0 k Kaaka0bbkb0akbkrk,0 rk R个节点与其配对通信，其中。不失一般性，选取中任意一个节点记为，作为参考节点，与之配对的中的节点记为；每对节点与的距离记为。各节点在网络区域内以一定的位置关系分布，节点对间不经过中继，直接进行同时同频全双工跳频通信。并且，每对节点独立等概地在可用频点表内选择一个频点进行通信。由于全双工设备在干扰抑制后，仍然存在残余自干扰信号15；因此，对于网络中任意节点接收机，有两种类型的干扰：节点的残余自干扰与节点间的互干扰。2.2 接收信号建模a0通过上节分析，参考节点的接收信号由期望信号、自干扰信号、互干扰信号以及噪声共4部分组成，可以表示为ya0(t)=s(t)+w(t)+I(t)+n(t)(1)n(t)s(t)w(t)I(t)Ptd0P0 xak(t),xbk(t)akbk0 k K其中，表示加性高斯白噪声；,分别表示期望信号、自干扰信号以及互干扰信号。假设网络中各节点发射机的发射功率均为，经参考距离衰减后功率为。令分别表示 节 点与的 发 射 信 号(功 率 归 一 化 为 1，)。传输信道考虑大尺度路径损耗与小尺度平坦衰落。2.2.1 自干扰信号a0w(t)Pta0首先分析参考节点的自干扰信号。对于同时同频全双工系统，发射机以功率进行信号发射时，发射信号会干扰位于同一通信节点处的接收机，因此接收机需要进行自干扰抑制。令 表示自干扰抑制系数(残余自干扰功率与发射功率比值)，参考节点处经干扰抑制后的残余自干扰信号可以表示为w(t)=(Pt)1/21/2xa0(t)(2)W残余自干扰信号的功率为W=E|w(t)|2=Pt(3)图1有限区域全双跳频自组网示意图第2期段柏宇等：有限区域同时同频全双工跳频自组网性能研究4812.2.2 互干扰信号Fa0b0fm,1 m Faibifmpfc=1/Fkk接收机的互干扰，是由于跳频通信过程中两对节点选择相同频点时造成的。假设跳频可选频点个数为，当参考节点对选择频点时，其余任意一对节点选择相同频点进行通信的概率是。定义离散随机变量，表示参考节点是否会受到网络中第 个节点干扰的概率k=1,概率为pfc0,概率为 pn(4)pn=1 pfcka0其中，表示参考节点没有受到第 个节点干扰的概率。参考节点 处互干扰信号可以写为I(t)=P1/20Kk=1?lakd0?/2haka0 xak(t)1/2k|za对参考节点的互干扰+P1/20Kk=1?lbkd0?/2hbka0 xbk(t)1/2k|zb对参考节点的互干扰(5)|lak/d0|lbk/d0|laklbkak,bk,1 k Ka0haka0hbka0a0|haka0|2|hbka0|2其 中，是 路 径 损 耗 指 数，通 常 取 值 2 6；以及表示路径衰落，与分别为干扰节点到参考节点的距离。此外，与是干扰节点到参考节点的瑞利衰落系数，相互独立，服从均值为0，方差为1的复高斯分布，因此与服从指数分布。2.2.3 期望信号a0s(t)参考节点处的期望信号可以写为s(t)=(P0)1/2?r0d0?/2hb0a0 xb0(t)(6)|r0/d0|hb0a0b0a0hb0a0CN(0,1)|hb0a0|2bb0b0a0其中，表示期望信号的路径衰落，是参考发射机到参考接收机的瑞利衰落系数，同样，因此服从指数分布。需要注意的是，如果选取中任意一个节点记为作为参考节点，对于的信号模型建立与上文的模型建立一致；后文分析半双工网络均采用TDD模式。3 网络性能分析3.1 网络可达频带利用率表征由于位置不等价，每一个节点受到的干扰不同，在有限区域网络中，需要考虑每一个节点的情况。定义有限区域全双工自组织网络的可达频带利用率为CFDnet=2(K+1)n=1(1 qn)log2(1+),1 n 2(K+1)(7)qnqn=Pr(SINRn)SI