基於d2d組間通信的多用戶協同傳輸方法
2023-05-22 15:34:16 1
專利名稱：基於d2d組間通信的多用戶協同傳輸方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，更進一步涉及蜂窩通信技術領域中的一種基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法。本發明可以實現蜂窩通信與終端直達通信共存的混合網絡中不同D2D通信組中用戶間的信息交互。
背景技術：
作為蜂窩網下的短距離通信技術，終端直達技術(Device-to-Device，D2D)能實現終端設備之間的直接通信，在節省資源、減小幹擾和提升傳輸效率等多方面有巨大的優勢。在下一代寬帶蜂窩移動通信系統中融合D2D技術，將顯著改善網絡結構、增強覆蓋、提高系統容量。終端設備受尺寸、硬體和複雜度等眾多限制，很難配置多根相互獨立的天線。為了獲取系統的空間分集增益或復用增益，可採用虛擬多輸入多輸出MMO技術動態的將多個單天線發送或接收的用戶配成一對，形成虛擬的多輸入多輸出MIMO發送。此時，利用空時編碼技術，發送端之間相互協作，構成虛擬多輸入多輸出MMO系統。網絡編碼技術允許中間節點對接收到的數據包進行編碼，而不是像傳統通信網絡中那樣只是進行存儲轉發，具有提高傳輸效率、減少數據包的傳輸次數、節省資源等優勢。D2D組間通信將D2D技術、虛擬多輸入多輸出MMO技術和網絡編碼技術有效結合，可以同時獲取多天線系統帶來的分集增益和復用增益，提高系統容量和傳輸效率，降低系統能量消耗。中國民航大學申請的專利「基於簇用戶協作的虛擬MIMO中繼傳輸方法及系統」(專利申請號:201010207280.5，公開號:101873161A)公開了一種用戶終端與基站間採用虛擬多輸入多輸出MMO傳輸技術。該專利申請依據用戶終端在小區內的分布情況，將空間相鄰的若干個用戶終端劃分為一個簇，小區由多個簇組成；將簇內用戶終端間信道建模為萊斯信道；將用戶終端與基站間信道建模為多徑瑞利衰落信道；使同一簇內兩個用戶終端相互協作在三個時隙內完成用戶終端到基站的信息傳輸。系統包括有多個用戶終端和與多個用戶終端進行通信的基站，所述的相鄰的若干個用戶終端組成的簇，相互協作，在三個時隙內完成用戶終端到基站的信息傳輸。該專利申請存在的不足是，該方法在簇內用戶間通信時需要在基站的輔助下進行，增加了基站的負擔，佔用了無線資源。北京郵電大學申請的專利「基於位置信息的D2D分簇多播方法」(專利申請號:201210032993.1，公開號:102595314A)公開了一種蜂窩網絡中基於位置信息的D2D分簇多播方法，其操作步驟是:終端將其所在地理位置、傳輸距離及其剩餘能量信息都上傳給基站；基站根據獲得的D2D區域中的所有終端信息，使用基於地理位置的分簇方法對其進行分簇後，給全部終端下發分簇信息；所有終端收到分簇信息後，採用多播傳輸模式實現兩跳傳輸，保證區域中的所有終端都能可靠接收到源終端數據。該專利申請存在的不足是，該方法由於終端設備受尺寸、硬體以及複雜度的限制，只能部署單天線，在進行多播發送時，無法利用多輸入多輸出M頂O系統獲取分集增益和復用增益。
發明內容
本發明的目的在於克服上述已有技術的不足，提出一種基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法，以實現提高系統容量、頻譜利用率和傳輸效率的目標。虛擬多輸入多輸出MIMO技術可以形成虛擬多輸入多輸出MMO系統，解決D2D用戶端受尺寸、硬體以及複雜度等限制的條件下無法配置多天線的難題，D2D技術可以實現提高系統容量的目標，空時編碼技術可以實現提高頻譜利用率的目標，網絡編碼技術可以實現調傳輸效率的目標。本發明實現的基本思路是:首先，由在D2D通信範圍內的通信用戶組成D2D通信組，利用D2D技術完成組內通信；然後利用虛擬多輸入多輸出MMO技術通過空時編碼的方式，將組內各用戶信息協同發送給基站；最後，基站將接收信號利用網絡編碼技術，廣播給兩個通信組。為實現上述目的，實現本發明的具體步驟如下:(I)組內通信:Ia)將一個D2D通信範圍內的多個通信用戶組成一組通信組1，將另一個D2D通信範圍內的需要與通信組I內各用戶進行信息交互的其他通信用戶，組成一組通信組2 ；Ib)通信組I與通信組2分別對各自組內的每個用戶採用D2D的方式與組內其他用戶交互信息，每個用戶獲得各自組內其他用戶的信息。(2)用戶編碼:對通信組I和通信組2內各用戶的信息序列進行信道編碼，分別得到每個用戶的息編碼序列。(3)用戶向基站發送消息:對各用戶的信息編碼序列分別進行二進位相移鍵控BPSK調製，得到各用戶的調製序列；通信組I與通信組2分別在各自的組內兩兩用戶間協作共享天線，採用空時編碼的方式分別將各用戶的調製序列發送給基站。(4)基站解碼:基站對接收到的來自各用戶的信號進行估計與檢測並對檢測出的信號進行信道解碼，得到各用戶信息估計序列。(5)基站編碼:5a)基站對各用戶信息估計序列進行網絡編碼，得到網絡編碼後的信息序列；5b)基站對網絡編碼後的信息序列進行信道編碼，得到信息編碼序列。(6)基站向用戶發送消息:基站對信息編碼序列進行二進位相移鍵控BPSK調製得到調製序列，採用空時編碼的方式將調製序列分別廣播給兩個通信組。(7)用戶解碼:7a)用戶對接收的網絡編碼信息進行信道解碼，得到網絡編碼信息估計序列；7b)用戶對網絡編碼信息估計序列與步驟(I)中獲得的組內其他用戶信息，按照信息比特進行異或運算，得到另一個通信組中的各用戶信息，完成了組間通信。本發明與現有技術相比具有以下優點:第一、由於本發明採用虛擬多輸入多輸出MMO技術，克服了現有技術在終端設備受尺寸、硬體以及複雜度限制的前提下，無法獲取多輸入多輸出MIMO系統所帶來的復用增益和分集增益的缺點，使得本發明具有了提高系統容量和頻譜利用率的優點。第二、由於本發明採用D2D技術，終端用戶的數據傳輸不需要經過基站，克服了現有技術在用戶間通信需要基站輔助的前提下，佔用無線資源、增加基站負擔的缺點，使得本發明可以節約寶貴的無線資源的同時減輕基站的負擔，減小系統的幹擾。
圖1為本發明的流程圖；圖2為本發明應用場景的示意圖。
具體實施例方式結合附圖1對本發明的步驟作進一步詳細描述。步驟I，組內通信。將一個D2D通信範圍內的多個通信用戶組成一組通信組I，將另一個D2D通信範圍內的需要與通信組I內各用戶進行信息交互的其他通信用戶，組成一組通信組2。通信組I與通信組2分別對各自組內的每個用戶採用D2D的方式與組內其他用戶交互信息，每個用戶獲得各自組內其他用戶的信息。本發明的實施例中，選取兩個通信組進行通信，每個通信組內各有兩個通信用戶。用戶A和用戶B在一個D2D通過範圍內，組成通信組I，需要與通信組I中的用戶A和用戶B進行信息交互的用戶C和用戶D，在另一個D2D通信範圍內，組成通信組2。用戶A和用戶C分別將各自的信息序列採用D2D的方式發送給用戶B和用戶D，用戶B和用戶D也分別將各自的信息序列採用D2D的方式發送給用戶A和用戶C。本發明實施例的應用場景參照附圖2，圖2中有一個基站節點R，兩個D2D通信組，分別為通信組I和通信組2。通信組I中有兩個通信用戶，分別為用戶A和用戶B，通信組2中有兩個通信用戶，分別為用戶C和用戶D。基站R部署雙天線，四個通信用戶均部署單天線，天線均採用半雙工方式。步驟2，用戶編碼。對通信組I和通信組2內各用戶的信息序列進行信道編碼，分別得到每個用戶的息編碼序列。彳目道編碼可以米用卷積碼編碼、Turbo碼編碼或LDPC碼編碼二種編碼方式中的任意一種:卷積碼編碼是對信息序列和卷積編碼器對應的生成序列進行卷積運算來獲得編碼序列的編碼方法。Turbo碼編碼器由兩個反饋的系統卷積編碼器通過一個交織器並行連接而成。信息序列經過第一個編碼器，輸出得到第一組校驗序列；信息序列經過交織後傳送到第二個編碼器，輸出得到第二組校驗序列；將信息序列、第一組校驗序列和第二組校驗序列合併成單個序列，得到編碼序列。LDPC碼編碼:採用隨機構造法生成一個滿足一定度分布的稀疏校驗矩陣，利用高斯消去法，將非系統形式的校驗矩陣轉化為右邊是單位陣形式的系統校驗矩陣H，由G.Ht=O，得到生成矩陣G，對信息序列和生成矩陣進行相乘，得到編碼序列。本發明實施例中，分別對通信組I和通信組2中的四個用戶的信息序列，用戶A的信息序列sa、用戶B的信息序列sb、用戶C的信息序列S。和用戶D的信息序列Sd進行信道編碼。信道編碼採用Turbo碼,對用戶A的信息序列Sa進行Turbo編碼:將信息序列Sa作為第一個編碼器的輸入，得到的輸出為第一組校驗序列，將sa經過交織器後作為第二個編碼器的輸入，得到的輸出作為第二組校驗序列，將用戶A的信息序列、第一組校驗序列和第二組校驗序列合併為一個序列，得到了用戶A的信息編碼序列ia。用這種方法用戶B得到了信息編碼序列ib，用戶C得到了信息編碼序列i。，用戶D得到了信息編碼序列id。步驟3，用戶向基站發送消息。對各用戶的信息編碼序列分別進行二進位相移鍵控BPSK調製，得到各用戶的調製序列。通信組I與通信組2分別在各自的組內兩兩用戶間協作共享天線，採用空時編碼的方式分別將各用戶的調製序列發送給基站。本發明實施例中，分別對通信組I和通信組2中的四個用戶的信息編碼序列進行二進位相移鍵控調製BPSK，得到四個用戶的調製序列。按照下式，對信息編碼序列進行二進位相移鍵控調製:xn = 2in-l其中，Xn表示編碼序列in經過二進位相移鍵控調製後的調製序列，1 表示用戶η的編碼序列。本發明實施例中，通信組I中用戶A和用戶B彼此共享天線，採用空時編碼的方式向基站協作發送用戶A的調製序列Xa，通信2中用戶C和用戶D彼此共享天線，採用空時編碼的方式向基站協作發送用戶C的調製序列X。。通信組I中用戶A和用戶B彼此共享天線，採用空時編碼的方式向基站協作發送用戶B的調製序列Xb，通信2中用戶C和用戶D彼此共享天線，採用空時編碼的方式向基站協作發送用戶D的調製序列xd。為了保證不同時刻的發送信號間相互正交，在發送端抑制幹擾，同時接收端解碼簡單，本發明採用空時編碼發送信號。按照下式得到空時編碼後的發送矩陣，利用空間和時間兩個維度同時發送消息:
權利要求
1.種基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法，包括步驟如下: (1)組內通信: la)將一個D2D通信範圍內的多個通信用戶組成一組通信組1，將另一個D2D通信範圍內的需要與通信組I內各用戶進行信息交互的其他通信用戶，組成一組通信組2 ； Ib)通信組I與通信組2分別對各自組內的每個用戶採用D2D的方式與組內其他用戶交互信息，每個用戶獲得各自組內其他用戶的信息； (2)用戶編碼: 對通信組I和通信組2內各用戶的信息序列進行信道編碼，分別得到每個用戶的信息編碼序列； (3)用戶向基站發送消息: 對各用戶的信息編碼序列分別進行二進位相移鍵控BPSK調製，得到各用戶的調製序列；通信組I與通信組2分別在各自的組內兩兩用戶間協作共享天線，採用空時編碼的方式分別將各用戶的調製序列發送給基站； (4)基站解碼: 基站對接收到的來自各用戶的信號進行估計與檢測並對檢測出的信號進行信道解碼，得到各用戶信息估計序列； (5)基站編碼: 5a)基站對各用戶信息估計序列進行網絡編碼，得到網絡編碼後的信息序列； 5b)基站對網絡編碼後的信息序列進行信道編碼，得到信息編碼序列； (6)基站向用戶發送消息: 基站對信息編碼序列進行二進位相移鍵控BPSK調製得到調製序列，採用空時編碼的方式將調製序列分別廣播給兩個通信組； (7)用戶解碼: 7a)用戶對接收的網絡編碼信息進行信道解碼，得到網絡編碼信息估計序列； 7b)用戶對網絡編碼信息估計序列與步驟(I)中獲得的組內其他用戶信息，按照信息比特進行異或運算，得到另一個通信組中的各用戶信息，完成了組間通信。
2.據權利要求1所述的基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法，其特徵在於，步驟(2)和步驟5b)中所述的信道編碼採用卷積碼編碼、Turbo碼編碼或LDPC碼編碼方法。
3.據權利要求1所述的基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法，其特徵在於，步驟(3)和步驟￠)中所述的二進位相移鍵控BPSK調製是通過下式實現的: xn = 2in-l 其中，xn表示編碼序列in經過二進位相移鍵控BPSK調製後的調製序列，in表示第η個用戶的編碼序列。
4.據權利要求1所述的基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法，其特徵在於，步驟(3)和步驟(6)中所述的空時編碼是按照下式獲得發送矩陣後，利用空間和時間兩個維度同時發送信息: τ Γ Χ 3 Tn = _Xn2 Χη4_ 其中，Tn表示空時編碼後的用戶η的發送矩陣，不同用戶對應不同的發送矩陣，矩陣中的行表示空間維度中的發送天線，列表示時間維度中的發送時刻；xnl表示發送序列中的奇數比特數據，Xn2表示發送序列中的偶數比特數據，Xn3表示發送序列中的偶數比特數據的負共軛，Xn4表示發送序列中的奇數比特數據的共軛。
5.據權利要求1所述的基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法，其特徵在於，步驟(4)和步驟7a)中所述的信道解碼採用與信道編碼方式相對應的卷積碼解碼、Turbo碼解碼或LDPC碼解碼的解碼方式。
6.據權利要求1所述的基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法，其特徵在於，步驟5a)中所述的 網絡編碼是指對信息序列按比特進行模2和。
全文摘要
本發明公開一種基於D2D組間通信的多用戶協同傳輸方法，主要克服了多用戶進行通信時，浪費無線資源的缺點，提出了一種新的通信場景，其步驟為(1)組內通信；(2)用戶編碼；(3)用戶向基站發送消息；(4)基站解碼；(5)基站編碼；(6)基站向用戶發送消息；(7)用戶解碼。本發明可以在不需要基站輔助的前提下進行組內通信，提高無線資源使用效率，減輕基站負擔，降低系統幹擾；可以在終端設備受尺寸、硬體以及複雜度限制的條件下，獲取MIMO系統所帶來的復用增益和分集增益，實現提高系統容量和頻譜利用率的目標。
文檔編號H04L25/03GK103095423SQ201310055968
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者張茜, 孫嶽, 皮愛霞, 李穎 申請人:西安電子科技大學