一種基於d2d中繼通信的中繼選擇方法
2023-04-29 22:52:21 2
一種基於d2d中繼通信的中繼選擇方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，基站根據當前蜂窩通信資源使用狀況以及空閒用戶分布情況，選出不滿足能量效率條件的蜂窩通信用戶作為需要中繼協助的通信用戶，根據能量效率條件以及容量限制條件將符合標準的空閒用戶加入備選中繼集合以便與需要中繼協助的通信用戶形成D2D通信對以協助其與基站之間的通信，同時根據幹擾限制條件確定這些通信用戶的發射功率範圍，從而得到中繼協助其通信的最大信幹噪比，利用二分圖的最佳匹配，為各用戶分別選擇對應的最佳中繼，形成D2D通信對，實現通信用戶與基站的兩跳通信。本發明有效地提高系統的能量效率，降低通信用戶的發射功率。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信領域，具體涉及一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法。 一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信技術的飛速發展，移動通信系統在充分滿足人們對語音通信需求的 基礎上，要為人們提供更加豐富多彩的數據寬帶業務。如今第四代移動通信系統已經逐 步商用，業界正投入更多的努力到下一代無線通信網絡的發展中，例如3GPP的長期演進 (LTE/LTE-Advanced)。隨之而來的是人們越來越多的業務需求，如在線視頻點播、本地資源 共享等無線多媒體業務的增加。這就要求移動通信系統能夠以更高的速率、更大的容量以 及更好的服務質量（Quality of Service, QoS)來進行高速數據傳輸。
[0003] 在傳統的蜂窩通信網絡中，任何兩個移動終端之間進行通信都必須經由基站和核 心網來完成。在日益增加的無線業務量以及頻譜資源有限的網絡中，這無疑為蜂窩網絡中 的基站帶來了更多的負載，從而導致空中接口頻譜使用效率低，基站發射功率高能量消耗 高。如今的通信網絡正快速地向多元化、多種無線接入技術共存的異構網絡發展，同時也面 臨著更多挑戰。於是，蜂窩移動通信終端直通（Device-t〇-Device communication, D2D)技 術在這樣的背景下應運而生。D2D技術可以直接、或在基站控制下，在繼續保持通過基站進 行通信的同時，與另一個終端直接進行數據通信。在蜂窩網絡中引入該技術，不但能夠有效 提升頻譜資源利用率，還能節省終端能量，這對於移動終端是十分必要的。
[0004] D2D通信技術由於其結構的特殊性，受限於移動終端的功率和能量等問題，已有的 物理層技術在D2D通信中難以應用，故在某些特定的場景中，無法達到通信的要求。因此， D2D的傳輸能力及應用範圍受到一定的限制。為了充分發揮D2D通信的優勢，將D2D技術以 及其他技術的結合顯得尤為重要。結合中繼技術的D2D鏈路應能保障直通終端的低功率發 射，有效降低D2D接入鏈路與蜂窩鏈路之間的幹擾，提升系統的整體傳輸效率。
[0005] 基於這樣的考慮，終端直通技術可以應用於基於非協作的中繼轉發系統中。這屬 於D2D通信鏈路的擴展應用場景，因為只要移動終端之間實現了數據的直接傳輸，便可將 其定義為D2D通信。因此，考慮到D2D通信的應用場景，除了實現終端之間的直接通信以外， 還可以基於終端實現基站與傳統終端的通信方式。目前基於D2D技術的中繼通信研究主要 考慮的是最大化通信系統的傳輸容量，並未體現出D2D通信節能的優勢。在實際通信場景 中，移動終端受限於最大發射功率限制。另外，如何以最小的能量實現最大的傳輸容量是目 前能量效率研究的熱點問題。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在於將D2D技術運用於中繼通信當中，在考慮移動終端功率限制以 及保證通信容量的基礎上，提出一種蜂窩通信系統中將D2D技術引入中繼通信時選擇中繼 的基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，該方法是針對基於終端實現基站與傳統終端通信的 場景，以最大化通信系統的能量效率為目標的中繼選擇方法。
[0007] 為達到上述目的，本發明所採用的技術方案包括以下步驟：
[0008] 1)建立由一個基站與若干蜂窩用戶組成的單小區蜂窩通信網，各蜂窩用戶配備單 一全向天線；
[0009] 2)基站通過獲取小區內各通信用戶的無線信道狀況，判斷各個通信用戶的通信 能量效率能否滿足既定的服務要求以及當前蜂窩網的通信資源分配和空閒用戶的分布情 況；
[0010] 3)根據收集到的信息，基站將不滿足能量效率條件的通信用戶選出作為需要中繼 協助的通信用戶，根據幹擾限制條件確定這些通信用戶的發射功率範圍，從而得到中繼協 助其通信的最大信幹噪比；
[0011] 4)基站根據能量效率條件以及容量限制條件判斷空閒用戶是否可以作為中繼與 需要中繼協助的通信用戶形成D2D通信對以協助其與基站之間的通信，將符合條件的空閒 用戶加入備選中繼集合；
[0012] 5)在為所有需要中繼協助的通信用戶確定備選中繼後，以最大化通信系統的總能 量效率為目標，利用二分圖的最佳匹配，為各用戶分別選擇對應的最佳中繼，形成D2D通信 對；這樣，中繼將通信用戶的數據通過解碼轉發向基站進行傳輸，實現通信用戶與基站的兩 跳通信。
[0013] 所述的步驟1)中，蜂窩用戶包括通信用戶以及空閒用戶兩種，通信用戶和空閒用 戶隨機分布在小區之內。
[0014] 所述的步驟1)中，單小區蜂窩通信網是指通信用戶通過基站進行數據傳輸，空閒 用戶不進行通信；其中，通信用戶數目為N A，空閒用戶數目為NI;考慮上行鏈路通信場景，通 信用戶採用正交的頻譜資源進行通信，因此相互之間不會產生幹擾。
[0015] 所述的步驟2)中，能暈效率u"的定義為
【權利要求】
1. 一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特徵在於，包括以下步驟： 1) 建立由一個基站與若干蜂窩用戶組成的單小區蜂窩通信網，各蜂窩用戶配備單一全 向天線； 2) 基站通過獲取小區內各通信用戶的無線信道狀況，判斷各個通信用戶的通信能量效 率能否滿足既定的服務要求以及當前蜂窩網的通信資源分配和空閒用戶的分布情況； 3) 根據收集到的信息，基站將不滿足能量效率條件的通信用戶選出作為需要中繼協助 的通信用戶，根據幹擾限制條件確定這些通信用戶的發射功率範圍，從而得到中繼協助其 通信的最大信幹噪比； 4) 基站根據能量效率條件以及容量限制條件判斷空閒用戶是否可以作為中繼與需要 中繼協助的通信用戶形成D2D通信對以協助其與基站之間的通信，將符合條件的空閒用戶 加入備選中繼集合； 5) 在為所有需要中繼協助的通信用戶確定備選中繼後，以最大化通信系統的總能量效 率為目標，利用二分圖的最佳匹配，為各用戶分別選擇對應的最佳中繼，形成D2D通信對； 這樣，中繼將通信用戶的數據通過解碼轉發向基站進行傳輸，實現通信用戶與基站的兩跳 通信。
2. 如權利要求1所述一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特徵在於：所述的步 驟1)中，蜂窩用戶包括通信用戶以及空閒用戶兩種，通信用戶和空閒用戶隨機分布在小區 之內。
3. 如權利要求2所述一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特徵在於：所述的步 驟1)中，單小區蜂窩通信網是指通信用戶通過基站進行數據傳輸，空閒用戶不進行通信； 其中，通信用戶數目為N A，空閒用戶數目為NI;考慮上行鏈路通信場景，通信用戶採用正交 的頻譜資源進行通信，因此相互之間不會產生幹擾。
4. 如權利要求3所述一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特徵在於：所述的步 驟2)中，能量效率11"的定義為 u" = - ( 1 ) Pt + P，, 其中，Yn為用戶η通信時的信噪比/信幹噪比，Pn為用戶η的發射功率，為終端用 戶電路消耗的平均功率。
5. 如權利要求4所述一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特徵在於：所述的步 驟3)中，基站Β將根據各通信用戶上報的信息，以及當前蜂窩網的通信資源和空閒用戶的 分布情況，判斷各通信用戶是否滿足能量效率條件；假設Ρ〇代表初始發送功率，匕代表經過 距離4之後在接收端所測得的接收信號功率，信號傳輸路徑只考慮大尺度衰落的影響，c是 路徑損耗常數，α是路徑損耗指數，那麼匕可表示為： Pa = c(daraP0 (2) 其中，gxy = c(dar°為路徑損耗； 當通信用戶D不滿足能量效率條件時，基站需要選擇通信用戶R作為中繼與通信用戶 D建立D2D會話協助其與基站之間的通信，故需要選擇中繼的條件表示為 PdSdb uD 二---< uth ( 3 ) pD+pm 其中，PD為通信用戶D的發送功率，gDB為通信用戶D與基站B之間的路徑損耗，uth為 系統的能量效率門限，隊為加性高斯白噪聲； 當通信用戶D與中繼R建立D2D通信時，需要復用其他蜂窩通信用戶的頻譜資源，這裡 假定復用上行鏈路頻譜資源，則D2D鏈路與蜂窩鏈路之間存在相互幹擾，故需要確定保證 蜂窩用戶正常通信的條件； 假設所有蜂窩通信用戶均以最大發射功率進行通信，而PD為通信用戶D在進行D2D通 信時的發射功率，系統的信幹噪比門限為當通信用戶D與中繼R之間通信時，通信用戶 D復用通信用戶C的上行頻譜資源來進行數據傳輸，此時為D2D通信模式；通信用戶C的發 射功率為Ρ。，信幹噪比門限為Υ。，路徑損耗為gw為保證通信用戶C的能量效率不低於系 統設定的門限u th，其能量效率需要滿足
這樣能夠計算出通信用戶D發射功率Pn的範圍
根據上式，當PD的值滿足要求時，通信用戶D進行D2D通信時對通信用戶C產生的幹 擾不會超過通信用戶C所能承受的門限；因此，為了使得D2D通信容量最大化，並保證通信 用戶C的通信質量時，通信用戶D傳輸的最大信幹噪比為，即
其中，gDK為通信用戶D與中繼R之間的路徑損耗，為通信用戶C與中繼R之間的路 徑損耗； 同時，被復用的通信用戶C的通信能量效率成為： u〇 =uth (7)。
6. 如權利要求5所述一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特徵在於：所述的步 驟3)中，幹擾限制條件是指當通信用戶D復用其他蜂窩通信用戶的頻譜資源與中繼R建立 D2D通信時，需要限制D2D鏈路與蜂窩鏈路之間的相互幹擾以保證蜂窩用戶正常通信的條 件，即被復用頻譜資源的蜂窩用戶在受到幹擾時的能量效率不小於系統的能量效率門限。
7. 如權利要求5所述一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特徵在於：所述的步 驟4)中，能量效率條件是指通信用戶D通過中繼與基站B進行通信時與基站之間傳輸的能 量效率不小於系統的能量效率門限；容量限制條件是指通信用戶D通過中繼與基站B進行 通信時的傳輸容量受限於系統的最低容量門限，即不小於系統的最低容量；具體的： 首先通信用戶R作為中繼轉發數據時，採用的時分雙工通信模式，因此為保證基本的 傳輸速率要求，該中繼鏈路的通信容量大於系統所設定的最低門限，為通信用戶R與基 站進行通信的信幹噪比，故中繼協助通信鏈路的信幹噪比應滿足 rDRB=min{rDR，rR}>r〇 (8) 其次，通過中繼轉發時通信用戶d與基站之間傳輸的能量效率大於等於系統的能量效 率門限，Ρκ為通信用戶R與基站進行通信時的發射功率，故中繼協助通信鏈路的能量效率 為：
因此，只有當式（8)和式（9)同時滿足時，通信用戶R才能成為通信用戶D的一個備選 中繼，通過這兩個條件為每個需要中繼協助的通信用戶確定備選中繼集合。
8.如權利要求2至7任意一項所述一種基於D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特徵在 於：所述的步驟5)中，假定各用戶以最大功率傳輸數據，在一個時隙內信道增益保持不變， 通信系統的總能量效率為： Usum ~ UCU UC + UD2D (10) 其中，表示所有未共享頻譜資源的蜂窩通信用戶與基站之間的總傳輸能量效率， ?Γ表示所有與D2D通信共享頻譜資源的蜂窩通信用戶與基站之間的總傳輸能量效率； 表示所有通過中繼協助的用戶與基站通信的總傳輸能量效率；這裡設定三種通信相 互獨立，即與D2D通信共享上行鏈路頻譜資源的蜂窩通信用戶不能成為終端用戶的通信中 繼，反之亦然；因此，一個終端用戶通過中繼通信時，不會對其他用戶的中繼產生幹擾； 這樣，在各需要中繼的通信用戶的備選中繼集合之中為其選擇最佳的中繼協助通信， 使其在滿足幹擾限制之時，系統的通信能量效率最大 max usum (11) 限制條件為：
其中，Peu為未共享頻譜資源的蜂窩通信用戶的發射功率，為蜂窩通信的最大傳輸 功率限制，為D2D通信的最大傳輸功率限制； 最佳中繼選擇問題歸為二分圖G = (A，B ;E)最佳權值匹配的問題，所有需要中繼協助 的終端用戶以及相應的備選中繼可以抽象為二分圖中的頂點，並且相應地將這兩組頂點定 義為集合A和B ;如果集合B中的一個元素是集合A中一個元素的備選中繼，則他們之間在 圖中用一條邊來連接，並且該邊的權值為圓卜訓，'。;將邊的集合定義為E，得到權值矩 PD +^R+^Pcir 陣即能量效率矩陣：
其中，D e A，R e B ;尋找D2D通信系統的最大能量效率，就等價於求得圖G的二分圖 最佳匹配，利用匈牙利算法求得最優的中繼分配方法。
【文檔編號】H04W40/22GK104105158SQ201410324000
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月8日 優先權日:2014年7月8日
【發明者】廖學文, 張群傑, 羅新民 申請人:西安交通大學