一種基于d2d中繼通信的中繼選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，基站根據(jù)當前蜂窩通信資源使用狀況以及空閑用戶分布情況，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(xié)助的通信用戶，根據(jù)能量效率條件以及容量限制條件將符合標準的空閑用戶加入備選中繼集合以便與需要中繼協(xié)助的通信用戶形成D2D通信對以協(xié)助其與基站之間的通信，同時根據(jù)干擾限制條件確定這些通信用戶的發(fā)射功率范圍，從而得到中繼協(xié)助其通信的最大信干噪比，利用二分圖的最佳匹配，為各用戶分別選擇對應(yīng)的最佳中繼，形成D2D通信對，實現(xiàn)通信用戶與基站的兩跳通信。本發(fā)明有效地提高系統(tǒng)的能量效率，降低通信用戶的發(fā)射功率。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法。 一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動通信系統(tǒng)在充分滿足人們對語音通信需求的 基礎(chǔ)上，要為人們提供更加豐富多彩的數(shù)據(jù)寬帶業(yè)務(wù)。如今第四代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)逐 步商用，業(yè)界正投入更多的努力到下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)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(yè)務(wù)需求，如在線視頻點播、本地資源 共享等無線多媒體業(yè)務(wù)的增加。這就要求移動通信系統(tǒng)能夠以更高的速率、更大的容量以 及更好的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service, QoS)來進行高速數(shù)據(jù)傳輸。
[0003] 在傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中，任何兩個移動終端之間進行通信都必須經(jīng)由基站和核 心網(wǎng)來完成。在日益增加的無線業(yè)務(wù)量以及頻譜資源有限的網(wǎng)絡(luò)中，這無疑為蜂窩網(wǎng)絡(luò)中 的基站帶來了更多的負載，從而導(dǎo)致空中接口頻譜使用效率低，基站發(fā)射功率高能量消耗 高。如今的通信網(wǎng)絡(luò)正快速地向多元化、多種無線接入技術(shù)共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，同時也面 臨著更多挑戰(zhàn)。于是，蜂窩移動通信終端直通（Device-t〇-Device communication, D2D)技 術(shù)在這樣的背景下應(yīng)運而生。D2D技術(shù)可以直接、或在基站控制下，在繼續(xù)保持通過基站進 行通信的同時，與另一個終端直接進行數(shù)據(jù)通信。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入該技術(shù)，不但能夠有效 提升頻譜資源利用率，還能節(jié)省終端能量，這對于移動終端是十分必要的。
[0004] D2D通信技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，受限于移動終端的功率和能量等問題，已有的 物理層技術(shù)在D2D通信中難以應(yīng)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(yīng)用范圍受到一定的限制。為了充分發(fā)揮D2D通信的優(yōu)勢，將D2D技術(shù)以 及其他技術(shù)的結(jié)合顯得尤為重要。結(jié)合中繼技術(shù)的D2D鏈路應(yīng)能保障直通終端的低功率發(fā) 射，有效降低D2D接入鏈路與蜂窩鏈路之間的干擾，提升系統(tǒng)的整體傳輸效率。
[0005] 基于這樣的考慮，終端直通技術(shù)可以應(yīng)用于基于非協(xié)作的中繼轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中。這屬 于D2D通信鏈路的擴展應(yīng)用場景，因為只要移動終端之間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(yīng)用場景，除了實現(xiàn)終端之間的直接通信以外， 還可以基于終端實現(xiàn)基站與傳統(tǒng)終端的通信方式。目前基于D2D技術(shù)的中繼通信研究主要 考慮的是最大化通信系統(tǒng)的傳輸容量，并未體現(xiàn)出D2D通信節(jié)能的優(yōu)勢。在實際通信場景 中，移動終端受限于最大發(fā)射功率限制。另外，如何以最小的能量實現(xiàn)最大的傳輸容量是目 前能量效率研究的熱點問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于將D2D技術(shù)運用于中繼通信當中，在考慮移動終端功率限制以 及保證通信容量的基礎(chǔ)上，提出一種蜂窩通信系統(tǒng)中將D2D技術(shù)引入中繼通信時選擇中繼 的基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，該方法是針對基于終端實現(xiàn)基站與傳統(tǒng)終端通信的 場景，以最大化通信系統(tǒng)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(fā)明所采用的技術(shù)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(qū)蜂窩通信網(wǎng)，各蜂窩用戶配備單 一全向天線；
[0009] 2)基站通過獲取小區(qū)內(nèi)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(wù)要求以及當前蜂窩網(wǎng)的通信資源分配和空閑用戶的分布情 況；
[0010] 3)根據(jù)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(xié)助的通信用戶，根據(jù)干擾限制條件確定這些通信用戶的發(fā)射功率范圍，從而得到中繼協(xié) 助其通信的最大信干噪比；
[0011] 4)基站根據(jù)能量效率條件以及容量限制條件判斷空閑用戶是否可以作為中繼與 需要中繼協(xié)助的通信用戶形成D2D通信對以協(xié)助其與基站之間的通信，將符合條件的空閑 用戶加入備選中繼集合；
[0012] 5)在為所有需要中繼協(xié)助的通信用戶確定備選中繼后，以最大化通信系統(tǒng)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(yīng)的最佳中繼，形成D2D通信 對；這樣，中繼將通信用戶的數(shù)據(jù)通過解碼轉(zhuǎn)發(fā)向基站進行傳輸，實現(xiàn)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閑用戶兩種，通信用戶和空閑用 戶隨機分布在小區(qū)之內(nèi)。
[0014] 所述的步驟1)中，單小區(qū)蜂窩通信網(wǎng)是指通信用戶通過基站進行數(shù)據(jù)傳輸，空閑 用戶不進行通信；其中，通信用戶數(shù)目為N A，空閑用戶數(shù)目為NI;考慮上行鏈路通信場景，通 信用戶采用正交的頻譜資源進行通信，因此相互之間不會產(chǎn)生干擾。
[0015] 所述的步驟2)中，能暈效率u"的定義為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特征在于，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(qū)蜂窩通信網(wǎng)，各蜂窩用戶配備單一全 向天線； 2) 基站通過獲取小區(qū)內(nèi)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(wù)要求以及當前蜂窩網(wǎng)的通信資源分配和空閑用戶的分布情況； 3) 根據(jù)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(xié)助 的通信用戶，根據(jù)干擾限制條件確定這些通信用戶的發(fā)射功率范圍，從而得到中繼協(xié)助其 通信的最大信干噪比； 4) 基站根據(jù)能量效率條件以及容量限制條件判斷空閑用戶是否可以作為中繼與需要 中繼協(xié)助的通信用戶形成D2D通信對以協(xié)助其與基站之間的通信，將符合條件的空閑用戶 加入備選中繼集合； 5) 在為所有需要中繼協(xié)助的通信用戶確定備選中繼后，以最大化通信系統(tǒng)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(yīng)的最佳中繼，形成D2D通信對； 這樣，中繼將通信用戶的數(shù)據(jù)通過解碼轉(zhuǎn)發(fā)向基站進行傳輸，實現(xiàn)通信用戶與基站的兩跳 通信。
2. 如權(quán)利要求1所述一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特征在于：所述的步 驟1)中，蜂窩用戶包括通信用戶以及空閑用戶兩種，通信用戶和空閑用戶隨機分布在小區(qū) 之內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求2所述一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特征在于：所述的步 驟1)中，單小區(qū)蜂窩通信網(wǎng)是指通信用戶通過基站進行數(shù)據(jù)傳輸，空閑用戶不進行通信； 其中，通信用戶數(shù)目為N A，空閑用戶數(shù)目為NI;考慮上行鏈路通信場景，通信用戶采用正交 的頻譜資源進行通信，因此相互之間不會產(chǎn)生干擾。
4. 如權(quán)利要求3所述一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特征在于：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/信干噪比，Pn為用戶η的發(fā)射功率，為終端用 戶電路消耗的平均功率。
5. 如權(quán)利要求4所述一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特征在于：所述的步 驟3)中，基站Β將根據(jù)各通信用戶上報的信息，以及當前蜂窩網(wǎng)的通信資源和空閑用戶的 分布情況，判斷各通信用戶是否滿足能量效率條件；假設(shè)Ρ〇代表初始發(fā)送功率，匕代表經(jīng)過 距離4之后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(shù)，α是路徑損耗指數(shù)，那么匕可表示為： 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(xié)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(fā)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(tǒng)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(fù)用其他蜂窩通信用戶的頻譜資源，這里 假定復(fù)用上行鏈路頻譜資源，則D2D鏈路與蜂窩鏈路之間存在相互干擾，故需要確定保證 蜂窩用戶正常通信的條件； 假設(shè)所有蜂窩通信用戶均以最大發(fā)射功率進行通信，而PD為通信用戶D在進行D2D通 信時的發(fā)射功率，系統(tǒng)的信干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(fù)用通信用戶C的上行頻譜資源來進行數(shù)據(jù)傳輸，此時為D2D通信模式；通信用戶C的發(fā) 射功率為Ρ。，信干噪比門限為Υ。，路徑損耗為gw為保證通信用戶C的能量效率不低于系 統(tǒng)設(shè)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(fā)射功率Pn的范圍
根據(jù)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(chǎn)生的干 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，并保證通信 用戶C的通信質(zhì)量時，通信用戶D傳輸?shù)淖畲笮鸥稍氡葹?，?br> 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(fù)用的通信用戶C的通信能量效率成為： u〇 =uth (7)。
6. 如權(quán)利要求5所述一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特征在于：所述的步 驟3)中，干擾限制條件是指當通信用戶D復(fù)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干擾以保證蜂窩用戶正常通信的條 件，即被復(fù)用頻譜資源的蜂窩用戶在受到干擾時的能量效率不小于系統(tǒng)的能量效率門限。
7. 如權(quán)利要求5所述一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特征在于：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?shù)哪?量效率不小于系統(tǒng)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于系統(tǒng)的最低容量門限，即不小于系統(tǒng)的最低容量；具體的： 首先通信用戶R作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，采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于系統(tǒng)所設(shè)定的最低門限，為通信用戶R與基 站進行通信的信干噪比，故中繼協(xié)助通信鏈路的信干噪比應(yīng)滿足 rDRB=min{rDR，rR}>r〇 (8) 其次，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)時通信用戶d與基站之間傳輸?shù)哪芰啃蚀笥诘扔谙到y(tǒng)的能量效 率門限，Ρκ為通信用戶R與基站進行通信時的發(fā)射功率，故中繼協(xié)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(xié)助的通信用戶確定備選中繼集合。
8.如權(quán)利要求2至7任意一項所述一種基于D2D中繼通信的中繼選擇方法，其特征在 于：所述的步驟5)中，假定各用戶以最大功率傳輸數(shù)據(jù)，在一個時隙內(nèi)信道增益保持不變， 通信系統(tǒng)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(xié)助的用戶與基站通信的總傳輸能量效率；這里設(shè)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(chǎn)生干擾； 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(xié)助通信， 使其在滿足干擾限制之時，系統(tǒng)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(fā)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(quán)值匹配的問題，所有需要中繼協(xié)助 的終端用戶以及相應(yīng)的備選中繼可以抽象為二分圖中的頂點，并且相應(yīng)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，并且該邊的權(quán)值為圓卜訓(xùn)，'。;將邊的集合定義為E，得到權(quán)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(tǒng)的最大能量效率，就等價于求得圖G的二分圖 最佳匹配，利用匈牙利算法求得最優(yōu)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(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】廖學(xué)文, 張群杰, 羅新民 申請人:西安交通大學(xué)