CN102780993A - Td_lte_a系统中终端d2d协作中继通信实现方法 - Google Patents

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Abstract

TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，涉及TD_LTE_A系统中终端的中继通信实现方法。它是为了实现在4G标准下，TD_LTE_A系统中终端的通信覆盖，以及提高服务质量和系统吞吐量。本发明利用蜂窝小区中在网的空闲用户作为移动中继，与小区边缘用户建立终端D2D协作中继通信，为小区边缘用户提供中继服务，通过对蜂窝小区的资源分配和时隙分配，使得蜂窝小区的覆盖范围、边缘用户的服务质量和系统吞吐量得到显著提高，并且可以大大降低系统的建网造价。本发明适用于TD_LTE_A系统中。

Description

TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法
技术领域
本发明涉及移动通信领域，具体涉及TD_LTE_A系统中终端的中继通信实现方法。
背景技术
移动通信技术在近十年中实现了突飞猛进的发展，并且国际电信联盟在2012年无线电通信全会会议上，正式审议通过将LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced技术规范确立为IMT-Advanced(即：4G)国际标准。其中LTE-Advanced包括LTE_A_FDD和LTE_ATDD两种模式，LTE_ATDD即TD_LTE_A，是由我国提出的议案，并由我国主持系统开发。
早期的3G系统只能够达到2Mbps的速度，而现在的4G标准，由于关键技术采用了正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）、载波聚合和动态宽带频谱分配等技术，使得系统的上行峰值频谱效率达6.75b/s/Hz，下行峰值频谱效率更是达到15b/s/Hz，可实现1Gbps以上的通信速率。在基站发送功率一定的情况下，实现高的通信速率势必会影响其系统的覆盖范围，而且LTE-Advanced系统可能获得的频谱资源的频率一般均在2G以上，频率的选择性衰落更加严重，小区边缘的用户的通信质量将无法得到保障。为了解决LTE_A蜂窝小区覆盖问题，单纯从增加基站发射功率或增加基站数目是不切实际的，即使是在LTE_A中增加部分中继设施，其造价也是极大的。
发明内容
本发明是为了实现在4G标准下，TD_LTE_A系统中终端的通信覆盖，以及提高服务质量和系统吞吐量，从而提供一种TD_LTE_A系统中终端D2D（Device to Device）协作中继通信实现方法。
TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，它由以下步骤实现：
步骤一、在TD_LTE_A系统中，处于通信状态的终端小区用户向基站发送探测信道质量的参考信号CQI；
步骤二、基站根据步骤一中所述的处于通信状态的终端小区用户上报的CQI值，判断是否有信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户，如果判断结果为否，则返回执行步骤一；如果判断结果为是，则执行步骤三；
步骤三、基站根据当前网络的负载、空闲小区用户分布以及空闲小区用户数量N，结合公式：
CQIUEi<D2DRelayFactor×CQImean
启动终端D2D协作中继通信；N为正整数；
式中，D2DRelayFactor为终端D2D协作中继通信因子；CQIUEi为第i个小区用户的CQI值；i为正整数；CQImean为系统中用户的平均CQI值；
步骤四、基站通过下行控制信道向N个处于通信状态且信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户发送控制信令，并将N个处于通信状态且信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户作为终端D2D协作中继通信的发起用户；
步骤五、N个终端D2D协作中继通信的发起用户均通过广播信道向该发起用户周围的小区用户广播搜索专用参考信号，接收到该搜索专用参考信号且处于空闲状态的小区用户将该小区用户与终端D2D协作中继通信发起用户之间的信道质量信息发送给基站，并向基站发送信道探测参考信号，同时将这些处于空闲状态的小区用户作为终端D2D协作中继通信的备选中继用户；
步骤六、基站根据终端D2D协作中继通信的备选中继用户上报的该备选中继用户与终端D2D协作中继通信的发起用户之间的信道质量信息，分析终端D2D协作中继通信的备选中继用户发送来的信道探测参考信号得到的终端D2D协作中继通信的备选中继用户与基站之间的信道质量情况，选出最终的中继用户，并通过下行控制信道在小区内广播；
步骤七、基站进行频率和时隙分配，并将分配结果通过下行控制信道通知终端D2D协作中继通信的发起用户和最终的中继用户；
步骤八、基站通过最终的中继用户与终端D2D协作中继通信的发起用户建立通信，实现TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信。
步骤五中所述的搜索专用参考信号包括主同步信号、辅同步信号和设备身份信息，每一个小区用户能够改变自身所使用的频率时隙以防止与邻近小区用户发生冲突。
步骤五中终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户反馈的信道使用状态的原则是：终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户接到来自终端D2D协作中继通信的发起用户广播搜索专用参考信号后，判断自身负载情况是否能够满足协助终端D2D协作中继通信的发起用户与基站建立联系的要求，如果判断结果为是，则向对应的终端D2D协作中继通信的发起用户反馈的信道使用状态；如果判断结果为否，则结束该次通信。
步骤五中终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户反馈的信道使用状态中包括该周围小区用户自身的ID号、相关链路的信道质量信息。
步骤八中基站通过最终的中继用户与D2D协作中继通信的发起用户建立通信，其时隙分配情况为：当使用TD_LTE_A系统的下行时隙时，基站和终端D2D协作中继通信的发起用户均向最终的中继用户发送数据；当使用TD_LTE_A系统的上行时隙时，最终的中继用户将基站发送的数据转发给终端D2D协作中继通信的发起用户。
TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信的终止条件为：最终的中继用户收到或发出自己的通信请求、通信过程中发生两跳链路质量下降以及最终的中继用户或终端D2D协作中继通信的发起用户发生小区切换中三种情况中至少一种情况的出现。
本发明在4G标准下TD_LTE_A系统中，利用蜂窝小区中在网的空闲用户作为移动中继，与小区边缘用户建立D2D通信，为小区边缘用户提供中继服务，通过对蜂窝小区的资源分配和时隙分配，使得蜂窝小区的覆盖范围、边缘用户的服务质量和系统吞吐量得到显著提高，并且可以大大降低系统的建网造价。
附图说明
图1是终端D2D协作中继通信原理示意图；图2是TD_LTE_A系统中终端协作中继通信建立过程示意图；图3是终端D2D协作中继通信系统专用参考信号的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，它由以下步骤实现：
步骤一、在TD_LTE_A系统中，处于通信状态的终端小区用户向基站发送探测信道质量的参考信号CQI；
步骤二、基站根据步骤一中所述的处于通信状态的终端小区用户上报的CQI值，判断是否有信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户，如果判断结果为否，则返回执行步骤一；如果判断结果为是，则执行步骤三；
步骤三、基站根据当前网络的负载、空闲小区用户分布以及空闲小区用户数量N，结合公式：
CQIUEi<D2DRelayFactor×CQImean
启动终端D2D协作中继通信；N为正整数；
式中，D2DRelayFactor为终端D2D协作中继通信因子；CQIUEi为第i个小区用户的CQI值；i为正整数；CQImean为系统中用户的平均CQI值；
步骤四、基站通过下行控制信道向N个处于通信状态且信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户发送控制信令，并将N个处于通信状态且信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户作为终端D2D协作中继通信的发起用户；
步骤五、N个终端D2D协作中继通信的发起用户均通过广播信道向该发起用户周围的小区用户广播搜索专用参考信号，接收到该搜索专用参考信号且处于空闲状态的小区用户将该小区用户与终端D2D协作中继通信发起用户之间的信道质量信息发送给基站，并向基站发送信道探测参考信号，同时将这些处于空闲状态的小区用户作为终端D2D协作中继通信的备选中继用户；
步骤六、基站根据终端D2D协作中继通信的备选中继用户上报的该备选中继用户与终端D2D协作中继通信的发起用户之间的信道质量信息，分析终端D2D协作中继通信的备选中继用户发送来的信道探测参考信号得到的终端D2D协作中继通信的备选中继用户与基站之间的信道质量情况，选出最终的中继用户，并通过下行控制信道在小区内广播；
步骤七、基站进行频率和时隙分配，并将分配结果通过下行控制信道通知终端D2D协作中继通信的发起用户和最终的中继用户；
步骤八、基站通过最终的中继用户与终端D2D协作中继通信的发起用户建立通信，实现TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信。
步骤五中所述的搜索专用参考信号包括主同步信号、辅同步信号和设备身份信息，每一个小区用户能够改变自身所使用的频率时隙以防止与邻近小区用户发生冲突。
步骤五中终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户反馈的信道使用状态的原则是：终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户接到来自终端D2D协作中继通信的发起用户广播搜索专用参考信号后，判断自身负载情况是否能够满足协助终端D2D协作中继通信的发起用户与基站建立联系的要求，如果判断结果为是，则向对应的终端D2D协作中继通信的发起用户反馈的信道使用状态；如果判断结果为否，则结束该次通信。
步骤五中终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户反馈的信道使用状态中包括该周围小区用户自身的ID号、相关链路的信道质量信息。
步骤八中基站通过最终的中继用户与D2D协作中继通信的发起用户建立通信，其时隙分配情况为：当使用TD_LTE_A系统的下行时隙时，基站和终端D2D协作中继通信的发起用户均向最终的中继用户发送数据；当使用TD_LTE_A系统的上行时隙时，最终的中继用户将基站发送的数据转发给终端D2D协作中继通信的发起用户。
TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信的终止条件为：最终的中继用户收到或发出自己的通信请求、通信过程中发生两跳链路质量下降以及最终的中继用户或终端D2D协作中继通信的发起用户发生小区切换中三种情况中至少一种情况的出现。
本发明关注其中的终端D2D协作中继通信，利用空闲用户终端作为协作移动中继，解决小区覆盖，使得小区边缘用户终端实现与基站正常通信并降低建网成本的方法。其中心思想是：在TD_LTE_A系统中，利用蜂窝小区中在网的空闲用户作为移动中继，为小区边缘用户提供中继服务，基站负责对蜂窝小区的资源和时隙进行分配和调度，蜂窝小区中同时存在UE-BS（终端用户到基站通信）和UE-RN-BS（终端用户通过中继终端与基站建立联系）两种通信方式，同时共用蜂窝小区内的资源。使用这种方法使得小区的覆盖范围、边缘用户的服务质量和系统吞吐量得到显著提高，并且可以大大降低蜂窝系统的建网造价。
本发明涉及一种在TD_LTE_A系统中，利用空闲用户终端作为协作移动中继，解决小区覆盖，使得小区边缘用户终端实现与基站正常通信并降低建网成本的方法，终端D2D协作中继通信，其工作场景如图1所示。
其中T-UE是D2D协作中继通信的发起用户，R-UE是D2D协作中继通信的被选中的中继用户，C-UE是正常的蜂窝通信用户。
图2中概括了终端D2D协作中继通信从发起到结束的完整流程。与通常意义下的D2D通信不同，终端D2D协作中继通信是在基站的协助下，为了改善蜂窝系统中UE的通信质量而建立的。所以建立的发起应当是由传输速率与应用需求的不匹配而触发的，应当由UE或者基站发起并通过信令向对方传递并建立。
本设计使用CQI的统计作为是否发起终端D2D协作中继通信的判决条件。当UE在其所分配资源上的CQI满足式（1）时，D2D中继启用。
CQIUEi<D2DRelayFactor×CQImean         (1)
其中，D2DRelayFactor为终端D2D协作中继通信因子，可以自适应改变以适应网络的负载状况，提高D2DRelayFactor可以增加D2D中继的服务目标数；CQIUEi为第i个用户的CQI值；CQImean为系统中用户的平均CQI值。
T-UE、R-UE和基站进行相互通信，其中T-UE与R-UE之间的链路和R-UE与基站之的链路使用不同的频率。由图2可知，本专利设计的终端D2D协作中继通信时隙分配情况，在终端D2D协作中继通信建立之后，T-UE、R-UE和基站进行相互通信过程中，如果使用TD-LTE-A的下行时隙，则基站和T-UE均向R-UE发送数据，由于基站和R-UE之间链路使用的频率与T-UE和R-UE之间链路使用的频率是不在同一频段上的，所以R-UE接收到的两路信号是互不影响的，可以同时进行接收。在相关处理之后的上行时隙中，R-UE同时将接收到的基站发来的数据发送给T-UE，将接收到的T-UE发来的数据发送给基站，也是由于基站和R-UE之间链路使用的频率与T-UE和R-UE之间链路使用的频率是不在同一频段上的，R-UE同时发送两路数据，对于T-UE和基站的分别接收不会造成影响。TD-LTE-A上下行的时隙分配参见3GPP TS 36.211，相关的物理层处理过程参见3GPP TS 36.213。
终端D2D协作中继通信终止事件说明：
终端D2D协作中继通信过程中如遇到终止事件，基站就会结束终端D2D协作中继通信过程。其中具体的终止事件主要包括：
1）R-UE收到或发出自己的通信请求；
2）两跳链路质量下降；
3）R-UE或T-UE发生小区切换；
为了防止掉线情况的出现，遇到终止事件时，要在继续当前终端D2D协作中继通信的同时，先再次进行终端D2D协作中继通信相关的步骤一到步骤六，在确定T-UE使用新资源可以正常通信的情况下，最后释放之前终端D2D协作中继通信所占用的相关资源。

Claims (6)

1.TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，其特征是：它由以下步骤实现：
步骤一、在TD_LTE_A系统中，处于通信状态的终端小区用户向基站发送探测信道质量的参考信号CQI；
步骤二、基站根据步骤一中所述的处于通信状态的终端小区用户上报的CQI值，判断是否有信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户，如果判断结果为否，则返回执行步骤一；如果判断结果为是，则执行步骤三；
步骤三、基站根据当前网络的负载、空闲小区用户分布以及空闲小区用户数量N，结合公式：
CQIUEi<D2DRelayFactor×CQImean
启动终端D2D协作中继通信；N为正整数；
式中，D2DRelayFactor为终端D2D协作中继通信因子；CQIUEi为第i个小区用户的CQI值；i为正整数；CQImean为系统中用户的平均CQI值；
步骤四、基站通过下行控制信道向N个处于通信状态且信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户发送控制信令，并将N个处于通信状态且信道质量不能满足正常通信QoS要求的小区用户作为终端D2D协作中继通信的发起用户；
步骤五、N个终端D2D协作中继通信的发起用户均通过广播信道向该发起用户周围的小区用户广播搜索专用参考信号，接收到该搜索专用参考信号且处于空闲状态的小区用户将该小区用户与终端D2D协作中继通信发起用户之间的信道质量信息发送给基站，并向基站发送信道探测参考信号；这些处于空闲状态的小区用户作为终端D2D协作中继通信的备选中继用户；
步骤六、基站根据终端D2D协作中继通信的备选中继用户上报的该备选中继用户与终端D2D协作中继通信的发起用户之间的信道质量信息，分析终端D2D协作中继通信的备选中继用户发送来的信道探测参考信号得到的终端D2D协作中继通信的备选中继用户与基站之间的信道质量情况，选出最终的中继用户，并通过下行控制信道在小区内广播；
步骤七、基站进行频率和时隙分配，并将分配结果通过下行控制信道通知终端D2D协作中继通信的发起用户和最终的中继用户；
步骤八、基站通过最终的中继用户与终端D2D协作中继通信的发起用户建立通信，实现TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信。
2.根据权利要求1所述的TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，其特征在于步骤五中所述的搜索专用参考信号包括主同步信号、辅同步信号和设备身份信息，每一个小区用户能够改变自身所使用的频率时隙以防止与邻近小区用户发生冲突。
3.根据权利要求1所述的TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，其特征在于步骤五中终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户反馈的信道使用状态的原则是：终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户接到来自终端D2D协作中继通信的发起用户广播搜索专用参考信号后，判断自身负载情况是否能够满足协助终端D2D协作中继通信的发起用户与基站建立联系的要求，如果判断结果为是，则向对应的终端D2D协作中继通信的发起用户反馈的信道使用状态；如果判断结果为否，则结束该次通信。
4.根据权利要求1所述的TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，其特征在于步骤五中终端D2D协作中继通信的发起用户周围的小区用户反馈的信道使用状态中包括该周围小区用户自身的ID号、相关链路的信道质量信息。
5.根据权利要求1所述的TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，其特征在于步骤八中基站通过最终的中继用户与D2D协作中继通信的发起用户建立通信，其时隙分配情况为：当使用TD_LTE_A系统的下行时隙时，基站和终端D2D协作中继通信的发起用户均向最终的中继用户发送数据；当使用TD_LTE_A系统的上行时隙时，最终的中继用户将基站发送的数据转发给终端D2D协作中继通信的发起用户。
6.根据权利要求1所述的TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信实现方法，其特征在于TD_LTE_A系统中终端D2D协作中继通信的终止条件为：最终的中继用户收到或发出自己的通信请求、通信过程中发生两跳链路质量下降以及最终的中继用户或终端D2D协作中继通信的发起用户发生小区切换中三种情况中至少一种情况的出现。
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