蜂窩環境下d2d簇內數據共享方法
2023-06-15 03:28:26 1
專利名稱：蜂窩環境下d2d簇內數據共享方法
技術領域：
本發明屬於無線通信領域，涉及一種蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法。
背景技術：
在當前基於基礎設施的蜂窩移動通信網絡中，基站(BQ作為中心控制節點，是行動裝置獲得網絡服務的唯一接入點。所有的行動裝置都只能通過蜂窩系統的上行或下行信道與網絡中某個特定的基站進行通信。然而，當多個行動裝置彼此接近時，支持行動裝置間的直接通信(D2D:device-to-device，設備到設備)會給傳統的蜂窩通信帶來很多的好處。這些好處包括更長的設備電池使用時間、更高效的無線資源使用、更大的信號覆蓋範圍以及更低的系統幹擾水平等。近年來，運用D2D通信技術來增強傳統的蜂窩網絡成了一個極具前景的新概念，受到廣泛的重視。在這種運用D2D技術增強的蜂窩網絡中，一方面， 行動裝置間的直接通信可以受益於蜂窩網絡的集中式控制結構；另一方面，通過利用高質量D2D鏈路(從設備到設備的直接鏈路)，傳統蜂窩網絡的傳輸效率可以被大大提高。D2D直接通信在移動蜂窩環境下有著很多的應用。例如通過D2D簇內的數據共享，諸如電影文件下載、實時數據流和軟體發布等，可以使多媒體業務的數據分發(data dissemination)效率大大提高。類似的思路也被應用於將若干個蜂窩連接合併起來以滿足一些特殊的帶寬需求的場景中。上述通過D2D直接通信(即D2D簇內數據共享)來增強的蜂窩系統中的文件下載方案可以如圖1所示。多個已經接入蜂窩網絡並且地理位置彼此接近的行動裝置構成了一個D2D簇。同一個D2D簇內的多個行動裝置可以通過D2D鏈路進行設備間的直接通信。 假設同一個D2D簇內的所有的行動裝置都希望從基站下載同一個數據文件(例如同一首歌或者同一部電影)。在傳統的方案中，每個行動裝置都需要通過各自的蜂窩下行鏈路從基站接收完整的該數據文件(假設文件大小為C比特)，如圖1所示。而在上述通過D2D簇內數據共享來增強的蜂窩系統中，基站側的完整數據文件被切分為若干個數據塊(假設切分為三個數據塊，每塊的大小分別為Cl，C2和C3 ；並且C1+C2+C3 = C)，D2D簇內的每個行動裝置分別通過各自的蜂窩下行鏈路接收其中的一個數據塊；然後，為了在行動裝置側重新產生完整的數據文件，D2D簇內的每一個行動裝置將自己已經成功接收到的數據塊轉發給簇內其他所有的行動裝置，該過程被稱為D2D簇內數據共享程序。經過上述一輪D2D簇內數據共享和交換後，完整的數據文件就成功的從蜂窩系統的基站側被傳送到D2D簇內的每一個行動裝置側。很顯然，上述的數據傳輸同時利用了蜂窩鏈路和D2D直接鏈路。D2D直接通信，作為蜂窩通信的補充和增強，與蜂窩通信共存。D2D直接通信和蜂窩通信採用相同的空中接口技術並且都工作在TDD模式下。D2D直接通信佔用蜂窩系統運營的頻率資源。為了降低幹擾，D2D直接通信和蜂窩通信最好分別佔據正交的頻率資源。所有的D2D通信都是在蜂窩系統的基站的控制下進行的，基站採用集中式調度。 基站的下行單播(imicast)傳輸和D2D簇內數據共享可以通過時分復用的方式復用在TDD 幀中，其中D2D簇內數據共享佔據部分上行時隙。蜂窩系統需要通過額外的信令開銷來通知行動裝置進行發射/接收狀態轉換。由於D2D簇內的各個行動裝置之間距離較近，因此D2D鏈路通常質量較高，D2D簇內數據共享通常在基站發射了多個蜂窩下行單播幀後才會進行一次。多個在蜂窩下行鏈路上成功接收到的數據包會級聯成一個更大的D2D數據包，用在D2D簇內數據共享傳輸。基站根據蜂窩鏈路質量、D2D鏈路質量、QoS、設備緩存大小等因素調度D2D簇內數據共享相關的所有行為。由於距離較近，D2D簇內數據共享的傳輸功率通常認為遠遠低於蜂窩上行的傳輸功率。為了提高傳輸效率，D2D簇內數據共享採用多播(multicast)和廣播(broadcast) 協議。通過D2D簇內數據共享來增強的蜂窩系統中的文件下載方案的信令流程如圖2所示。D2D簇內數據共享包括三個階段。階段一，D2D簇的建立。該階段包括D2D夥伴尋找、 D2D信道探測等所有D2D簇建立所需的信令交互。階段二，D2D鏈路測量和匯報。在該階段， D2D簇內的行動裝置廣播導頻信號，並在蜂窩系統的控制下向基站匯報D2D鏈路質量。階段三，蜂窩下行的數據傳輸以及D2D簇內數據共享。該階段為所述方案的核心步驟。在階段三，D2D簇內行動裝置(例如D1，D2和先在蜂窩下行鏈路上分別接收不同的切分後數據塊(即C1，C2和C3)，然後在D2D簇內轉發。當某一個行動裝置具有D2D數據包需要在簇內共享時，蜂窩基站需要為其在D2D簇內的數據多播調度資源。相關的下行信令包括D2D 調度信令許可(D2D scheduling grant)和D2D調度信息(D2D scheduling information)。 前者用於向簇內的發射者指示資源調度結果和多播的編碼調製格式，後者用於向簇內的多個接收者通知調度信息。只有當D2D簇內的所有設備都接收到了上述信令，一次有效的可控的D2D簇內多播以及相應的ACK/NACK反饋過程才能被執行。經過一輪(多次)完整的 D2D簇內多播(如圖2所示的三次D2D簇內多播)後，一些D2D的數據包在設備間成功的進行了交換，同時，另一些D2D數據包的簇內交換失敗了。此時，D2D簇內重傳的請求需要上報給基站，然後在基站的調度下，再一輪的D2D的簇內數據多播被執行，直到所有的簇內行動裝置都擁有了的完整的數據文件。值得注意的是，每一次的D2D簇內多播和重傳都需要基站的調度和蜂窩系統的下行信令。多次的D2D簇內多播或重傳會導致太多的信令開銷和過長的系統時延。綜上所述，D2D簇內數據共享所需的信令開銷與簇內多播或重傳的次數成正比。為了有效地降低信令開銷，必須採取適當的措施來降低D2D簇內多播或重傳的次數。為了達到D2D簇內數據共享的目的，一輪完整的D2D簇內多播和重傳可描述如下 (以圖3為例)。假設D2D簇包括A、B、C、D四個行動裝置，它們依次將各自所擁有的D2D數據包a、b、c、d多播給其餘的設備。由於無線信道衰落的影響，在每一次的D2D多播中，只有一部分的設備能夠正確接收並反饋ACK信號，其餘未能正確接收的設備反饋了 NACK信號。 假設D2D簇內的設備總數為N(圖3中N = 4)，對於每個簇內多播的發射者，從N-I個簇內多播接收者反饋回來的ACK/NACK信號可以構成一個N-I維的矢量(該矢量被定義為PEV packet error vector)，PEV矢量中的「1」表示ACK信號、「0」表示NACK信號。由於每個簇內設備都要依次成為多播的發射者，因此，所有的PEV矢量在一起可以構成一個矩陣(該矩陣被定義為PEM :packet error matrix)，PEM矩陣包含當前D2D簇內數據共享的正確接收狀態。假如PEM矩陣中沒有「0」元素了，這表明對於當前這輪D2D簇內多播所有的數據包都被成功的共享了，不需要進行重傳了。否則就需要啟動若干次D2D簇內重傳，直至PEM矩陣中的所有「 0，，元素都被「 1，，元素取代。在現有的技術方案中，D2D重傳可以如圖4所示。對於每一次的D2D簇內多播，只要PEV矩陣中包含「0」元素，多播的發射者就必須將相同的數據包在簇內重新多播一次。例如，設備A多播D2D數據包a給設備B、C和D，只有設備C沒有能夠正確接收並反饋了 NACK 信號。此時，設備A所得到的PEV矢量則為[1、1、0、1]。由於這次多播沒有使所有的接收者都成功接收，因此設備A需要向基站發出D2D簇內重傳請求。經過基站的資源調度和通知後，設備A向設備B、C和D重傳D2D數據包a，PEM矩陣的第一列隨即得到更新。相同的過程依次發生在設備B、C、D的簇內多播中，從而確保了 PEM矩陣中的所有含「0」列都依次被更新，直至沒有「0」元素。在上述的重傳方案中，對於圖3給出的PEM矩陣，至少需要4 次D2D簇內重傳才能保證PEM矩陣中不含「0」元素；這是因為在現有的方案中，每次重傳只能更新PEM矩陣的一列。顯然，現有方案中的重傳次數直接取決於D2D簇的大小。隨著 D2D簇內設備個數的增多，現有方案的信令開銷和系統時延將大大增加，這將會是基站無法承受的。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法，該方法可以降低簇內重傳次數。為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案。一種蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法包括以下步驟步驟一，在D2D簇內重傳開始之前，D2D簇內的每個行動裝置首先獲取屬於自己的 PEM矩陣；步驟二，計算D2D簇內的每個行動裝置的重傳增益因子；步驟三，將具有最高的重傳增益因子的行動裝置設定為D2D簇內重傳的發射者；步驟四，發射者在簇內重傳需要重傳的數據包，並更新每個行動裝置的PEM矩陣；步驟五，若更新後的PEM矩陣仍然包含「0」元素，重複步驟一至四，直到D2D簇內所有行動裝置的PEM矩陣均為全「1」矩陣，其中「0」表示發射者接收到的反饋信號為NACK， 「 1，，表示發射者接收到的反饋信號為ACK。作為本發明的一種優選方案，步驟一中，所述PEM矩陣的獲取方式為集中式，詳細獲取方法為1)在每一次D2D簇內多播後，基站監聽從多個接收者反饋而來的D2D ACK/NACK信號；或者D2D簇內多播的發射者監聽從多個接收者反饋而來的D2DACK/NACK信號，然後再轉
發給基站；2)經過一輪D2D簇內多播後，基站獲得D2D簇內所有行動裝置的完整的PEM矩陣。作為本發明的另一種優選方案，步驟一中，所述PEM矩陣的獲取方式為分布式，詳細獲取方法為1)在每一次的D2D簇內多播後，各個接收者在簇內廣播自己的D2D ACK/NACK信號，然後切換到接收狀態，監聽除自身之外的其餘接收者的D2D ACK/NACK信號；2)經過一輪D2D簇內多播後，每個簇內行動裝置均獲得一個屬於自己的完整的PEM矩陣。作為本發明的再一種優選方案，步驟二中，所述行動裝置的重傳增益因子為D2D 簇內該行動裝置已經成功獲得並且至少有一個簇內其他行動裝置沒有成功獲得的D2D數據包的個數。作為本發明的再一種優選方案，步驟四中，所述需要重傳的數據包為同時滿足以下2個條件的數據包1)發射者已經成功獲得的數據包；2)至少有一個簇內行動裝置沒有成功獲得的數據包。本發明的有益效果在於本發明所述方法通過有效的降低D2D簇內重傳次數，大大的節省了蜂窩環境下D2D通信的相關信令開銷，同時也縮短了系統時延，特別有利於實時多媒體業務的實現。
圖1為傳統方案與D2D增強方案的對比示意圖；圖2為通過D2D簇內數據共享來增強的蜂窩系統中的文件下載信令流程圖；圖3為傳統的D2D簇內PEM矩陣的形成示意圖；圖4為傳統的D2D簇內多播和重傳示意圖；圖5為本發明所述的D2D簇內多播和重傳示意圖；圖6為本發明所述的蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法的仿真結果示意圖。
具體實施例方式本發明的動機可以歸納如下如果能夠在D2D簇內找到一個最合適的候選者，讓它來儘可能多的重傳所有需要在簇內重傳的D2D數據包，那麼D2D簇內數據共享所需要的重傳次數就可以被明顯的降低。以圖3中的PEM矩陣為例，如果設備B被選為簇內第一次重傳的發射者，在重傳時多播D2D數據包a、b和d，這樣PEM矩陣就可以在一次重傳中被更新3列包含「0」元素的列；如果設備C被選為簇內第二次重傳的發射者，在重傳時多播D2D數據包c，這樣PEM矩陣的最後一列包含「0」元素的列也可以被更新了(詳見圖5)。上述重傳方案僅僅通過兩次 D2D簇內多播就實現了完全的簇內數據共享，而在現有重傳方案中，至少需要4次D2D簇內多播才能達到同樣的效果。下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明。實施例一本實施例提供一種蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法，該方法包含以下4個步驟1、獲取PEM矩陣在D2D簇內重傳開始之前，首先需要產生PEM矩陣。有兩種獲得PEM矩陣的方式 集中式和分布式。對於集中式，完整的PEM矩陣產生在基站側；對於分布式，完整的PEM矩陣產生在每個D2D簇內的行動裝置側。獲取PEM矩陣的流程描述如下(在這裡，D2D ACK/ NACK特指從D2D簇內多播的多個接收者處反饋而來的ACK/NACK信號)
集中式1)在每一次的D2D簇內多播後，基站監聽從多個接收者反饋而來的D2DACK/NACK， 或者D2D簇內多播的發射者監聽D2D ACK/NACK，然後再轉發給基站。2)經過一輪D2D簇內多播後，基站可以獲得完整的PEM矩陣。一旦基站決定好了 D2D簇內重傳的發射者，基站需要通過蜂窩下行信令通知該行動裝置。分布式1)在每一次的D2D簇內多播後，各個接收者需要在簇內廣播自己的D2DACK/NACK， 然後切換到接收狀態，監聽其他接收者的D2D ACK/NACK。2)經過一輪D2D簇內多播後，每個簇內行動裝置都可以擁有完整的PEM矩陣。2、計算重傳增益因子為了能夠找到最合適的簇內重傳發射者，需要為D2D簇內的每個行動裝置計算 「重傳增益因子」。在本實施例中，某個行動裝置的「重傳增益因子」定義為一該行動裝置已經成功獲得並且至少有一個簇內其他設備沒有成功獲得的D2D數據包的個數。表1和表2 顯示出了 「重傳增益因子」計算的兩個例子，該例中D2D簇包含5個行動裝置A、B、C、D、E。
權利要求
1.一種蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 步驟一，在D2D簇內重傳開始之前，D2D簇內的每個行動裝置首先獲取屬於自己的PEM矩陣；步驟二，計算D2D簇內的每個行動裝置的重傳增益因子； 步驟三，將具有最高的重傳增益因子的行動裝置設定為D2D簇內重傳的發射者； 步驟四，發射者在簇內重傳需要重傳的數據包，並更新每個行動裝置的PEM矩陣； 步驟五，若更新後的PEM矩陣仍然包含「0」元素，重複步驟一至四，直到D2D簇內所有行動裝置的PEM矩陣均為全「 1，，矩陣，其中「0」表示發射者接收到的反饋信號為NACK，「 1，， 表示發射者接收到的反饋信號為ACK。
2.根據權利要求1所述的蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法，其特徵在於步驟一中， 所述PEM矩陣的獲取方式為集中式，詳細獲取方法為1)在每一次D2D簇內多播後，基站監聽從多個接收者反饋而來的D2DACK/NACK信號； 或者D2D簇內多播的發射者監聽從多個接收者反饋而來的D2D ACK/NACK信號，然後再轉發給基站；2)經過一輪D2D簇內多播後，基站獲得D2D簇內所有行動裝置的完整的PEM矩陣。
3.根據權利要求1所述的蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法，其特徵在於步驟一中， 所述PEM矩陣的獲取方式為分布式，詳細獲取方法為1)在每一次的D2D簇內多播後，各個接收者在簇內廣播自己的D2DACK/NACK信號，然後切換到接收狀態，監聽除自身之外的其餘接收者的D2D ACK/NACK信號；2)經過一輪D2D簇內多播後，每個簇內行動裝置均獲得一個屬於自己的完整的PEM矩陣。
4.根據權利要求1所述的蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法，其特徵在於步驟二中， 所述行動裝置的重傳增益因子為D2D簇內該行動裝置已經成功獲得並且至少有一個簇內其他行動裝置沒有成功獲得的D2D數據包的個數。
5.根據權利要求1所述的蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法，其特徵在於步驟四中， 所述需要重傳的數據包為同時滿足以下2個條件的數據包1)發射者已經成功獲得的數據包；2)至少有一個簇內行動裝置沒有成功獲得的數據包。
全文摘要
本發明公開了一種蜂窩環境下D2D簇內數據共享方法，該方法包括以下步驟步驟一，在D2D簇內重傳開始之前，D2D簇內的每個行動裝置首先獲取屬於自己的PEM矩陣；步驟二，計算D2D簇內的每個行動裝置的重傳增益因子；步驟三，將具有最高的重傳增益因子的行動裝置設定為D2D簇內重傳的發射者；步驟四，發射者在簇內重傳需要重傳的數據包，並更新每個行動裝置的PEM矩陣；步驟五，若更新後的PEM矩陣仍然包含「0」元素，重複步驟一至四，直到D2D簇內所有行動裝置的PEM矩陣均為全「1」矩陣。本發明所述方法通過有效的降低D2D簇內重傳次數，大大的節省了蜂窩環境下D2D通信的相關信令開銷，同時也縮短了系統時延，特別有利於實時多媒體業務的實現。
文檔編號H04L1/16GK102340829SQ20101022805
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者周斌, 徐景, 王海峰 申請人:上海無線通信研究中心