CN102833691B - 基于波束成形和喷泉码的d2d多媒体广播和组播方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线通信领域中的设备对设备（D2D）实时多媒体广播和组播（MBMS）方法，具体涉及一种将喷泉编码技术和波束成形技术引入基于D2D系统的MBMS方案，属于通信技术领域。当D2D发射端每收到一个D2D接收集反馈的ACK信号时，按照与功率不受限制的接收集内用户数成正比的原则，重新分配当前D2D通信接收集中功率不受限制的接收集的最大可发射功率，使得D2D发射端总的发射功率始终保持在最大发射功率；本发明方法能够减少发射天线全方位辐射带来的不必要的能量浪费及对邻近蜂窝小区用户的干扰，并且提高D2D系统的吞吐量。

Description

基于波束成形和喷泉码的D2D多媒体广播和组播方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信领域中的设备对设备(D2D)实时多媒体广播和组播(MBMS)方法，具体涉及一种将喷泉编码技术和波束成形技术引入基于D2D系统的MBMS方案，属于通信技术领域。

背景技术

多媒体业务是目前被业界看好的一个非常有潜力的应用。它主要是指移动终端用户在具有操作系统和视频功能的智能移动终端上以频道或信道的形式接收广播形式的数字音、视频内容。基于移动通信系统蜂窝网的MBMS(多媒体广播和组播技术)标准将承载未来移动通信网络中急剧增长的多媒体广播组播业务，3GPP组织在R6和R7中先后讨论和引入了MBMS和增强型MBMS业务，加快了MBMS产业的速度。

未来的通信系统被描述为高速率大容量，而可用于移动通信的频谱资源十分有限，因此更加充分高效的利用频谱资源在未来的通信系统中变得十分重要。设备对设备(Device-to-Device，D2D)通信是一种在Long Term Evolution-Advanced(LTE-A)系统中通过共享小区内宏蜂窝用户的资源来实现端到端通信的新型技术，能够明显地提高小区通信系统的频谱利用率。此外，D2D还带来多方面的好处：提高通信速率、减低蜂窝小区基站的负载、减少电池消耗、提高无线网络的服务质量(Quality of Service，QoS)、巩固下层结构、提供新的服务等。

如何将新型的D2D技术与已有的MBMS结合起来从而更大程度上缓解带宽压力、减轻基站负载成为了一项很有意义的研究课题。在传统的蜂窝小区通信中，一个基站同时服务多个MBMS用户，采用基于自动重发请求/混合自动重传请求(ARQ/HARQ)的传输机制来保证用户的QoS，在基站处集中处理来自用户的反馈信号。但在D2D通信中，信源端是处理能力有限的用户终端，不具备强大的处理功能，若仍采用基于ARQ/HARQ的传输机制，在通信环境较差时，很容易造成反馈堵塞引起的系统崩溃。喷泉码(fountain code)是一种无码率的码型，即长度K的信息序列通过编码器产生的码字序列可以是无限长的，不同于传统的固定率码，喷泉码的码字长度是由接收端来决定的，当接收端确定能成功译码时，通过反馈信道向发射端发送确认信号(仅需一个比特)，发射端终止编码。因此，喷泉码因其能显著减少反馈量、良好适应广播/组播通信系统中的变化信道，从而提高系统可靠性和有效性的特点，非常适用于蜂窝控制D2D通信网络的MBMS业务。

喷泉码的具体编码步骤如下：

(1)从度分布中，随机的选择一个值d，该值为编码分组由几个数据包生成，d称为该次的编码分组的度数；

(2)从原数据包分组中随机选择d个数据包，将该d个数据包进行模2和；

(3)重复上述步骤，生成喷泉编码包。

在实际的蜂窝单小区通信系统中，相对于复用与小区蜂窝用户正交的时频资源，D2D通信系统通过复用与小区蜂窝用户相同的时频资源来实现短距离情况下的高速MBMS业务，更能提高小区的频谱利用率。为了确保小区蜂窝用户的QoS，基站需要控制D2D发射端的发射功率，使D2D通信信号对小区蜂窝用户的干扰控制在可接受的水平之下。这种方法尽管保证了小区蜂窝用户的QoS，但有时无法充分利用D2D发射端的最大发送功率发射信号，降低了D2D系统的实际吞吐量。鉴于未来LTE-A系统中的移动终端均可配备多根天线，通过数字预编码技术进行波束成形可以实现物理意义上的定向天线传输。如图1所示，在同一小区内同时存在两种业务，即传统蜂窝系统的业务和D2D系统的MBMS业务。用户UE1、UE2和UE3是蜂窝小区用户，由基站(BS)统一服务。用户UE4和三个D2D用户接收集Set-1,Set-2,Set-3分别构成蜂窝小区控制下的D2D通信系统的发射端和接收端。用户UE4发射给D2D系统中接收集Set-1和Set-2的信号可能会影响到后面的蜂窝用户UE1和UE2，所以需要在不影响UE1和UE2通信QoS的前提下，通过复用蜂窝小区的资源将同样的MBMS业务信息传送给三个不同的用户接收集。通过采用D2D模式，BS只需在通信开始阶段帮助建立D2D链路，控制UE4的发射功率，在很大程度上减轻了基站处理MBMS业务的压力，从而能服务更多的蜂窝小区用户。而对于D2D系统中的发射端UE4，由于采用了喷泉编码技术，避免了来自D2D接收端的反馈信息量太大却因处理能力有限而导致通信崩溃的问题。然而，由于基站需要首先保证UE1和UE2的通信畅通，所以会将UE4的发射功率限制在一定的水平内，从而在很大程度上限制D2D通信系统的吞吐量，出现由D2D发射端发射功率受限而引起的“瓶颈效应”，即系统通信指标的设置总是考虑信道最差情况下通信可靠性的保证，从而导致信道较好通信情况下对资源的不充分利用。例如，UE4的最大发射功率是1W，因为考虑到对UE1和UE2的干扰，基站控制满足干扰约束条件下UE4的可发射功率分别是0.3W(UE1干扰约束)和0.1W(UE2离基站较远，干扰信号对通信质量的影响较大，因此允许可发射功率较低)。如此，UE4的实际最大可发射功率是0.1W，即对每个D2D用户接受集发送功率为0.1W的信号。这虽然保证了两个蜂窝小区用户UE1和UE2的业务质量，但却严重降低了D2D接收集Set-1和Set-3的业务质量。尤其是对于Set-3里面的用户终端，由于其相距UE4较远，发射功率太小可能会导致通信的中断，影响整个D2D系统的吞吐量。因此，如何解决蜂窝控制下D2D系统中的发射功率“瓶颈”问题显得尤为重要。而波束成形技术的引入在将来的LTE-A标准中可以很大程度解决这个问题。通过波束成形技术，可将天线能量集中在某个或某几个方向上传输，例如UE4可以根据基站实时分配的最高发射功率通过不同的天线发送向指定的用户集，UE4可以分别向Set-1发射功率为0.3W的信号，向Set-2发射功率为0.1W的信号，而Set-3不受基站分配的最高功率的限制，所以UE4剩余的所有功率都可以用来向Set-3传输信号。这样，一方面减少能量由于全方位辐射带来的不必要浪费和对邻近蜂窝小区用户的干扰，另一方面也能单独控制面向每一个方向传输的天线发射功率，既保证了信道条件较差的蜂窝用户收到的D2D信号干扰在可接受的水平，又保证了其他无发射功率约束的D2D接收集尽可能好的业务质量。

发明内容

本发明的目的是为广播/组播系统中的系统“瓶颈”问题，提出一种基于波束成形和喷泉码的D2D实时多媒体广播和组播方法，能够有效提高D2D系统的吞吐量。

用户作为D2D发射端须向其所在区域基站发送D2D通信请求，获得基站许可后建立D2D通信链路，然后按照如下步骤实现实时多媒体广播和组播：

步骤1，D2D发射端对待发射的MBMS信息进行喷泉编码。

具体过程为：首先按照度分布(度值的概率分布)函数随机选择一个度值d，然后在MBMS信息的未编码数据包中等概率随机选择d个数据包进行异或运算生成一个喷泉编码包。重复上述喷泉编码过程，源源不断地产生喷泉编码包。

步骤2，将步骤1产生的喷泉编码包通过预编码技术进行数字波束成形。基站在保证其范围内的蜂窝小区用户不受干扰的条件下，实时分配D2D发射端发射给每个D2D接收集的波束最大可发射功率。D2D发射端按照基站实时分配的最大可发送功率将预编码后的喷泉编码包通过不同的天线发送向指定的用户集。

对于功率不受限制的接收集，最大可发射功率为发射端总功率。对于功率受限制的接收集，根据用户业务要求确定。所述功率受限制的接收集是指在D2D发射端面向该接收集的发射方向上，有其它蜂窝网络的用户，若D2D发射端面向该接收集的发射功率过大，会导致该方向上蜂窝网络用户通信质量的严重下降。

步骤3，不同D2D接收集的用户接收来自D2D发射端的定向波束，进行喷泉译码，当该接收集内的所有用户译码成功后向D2D发射端反馈一个ACK信号。

步骤4，当D2D发射端每收到一个D2D接收集反馈的ACK信号时，按照与功率不受限制的接收集内用户数成正比的原则，重新分配当前D2D通信接收集中功率不受限制的接收集的最大可发射功率，使得D2D发射端总的发射功率始终保持在最大发射功率。

具体做法为：当某个D2D接收集内所有用户都成功译码接收D2D发射端的所有数据包后，反馈一个ACK信号给D2D发射端。D2D发射端收到该ACK信号后停止向该D2D接收集发射数据，并将该D2D接收集空余出来的发射功率根据D2D通信接收集中剩余的功率不受限制的接收集内的用户数按比例分配，用来增加功率不受限制的D2D接收集的波束最大可发射功率。

若功率不受限制的接收集当前发射功率与重新分配得来的功率之和小于发射端总功率，则把和值作为更新后的最大可发射功率；若和值大于发射端总功率，则减少重新分配的功率量，直到和值小于发射端总功率。

步骤5，当D2D发射端接收到所有D2D接收集的ACK反馈信号，结束D2D通信。

有益效果

本发明方法能够减少发射天线全方位辐射带来的不必要的能量浪费及对邻近蜂窝小区用户的干扰，并且提高D2D系统的吞吐量。

附图说明

图1为背景技术中蜂窝控制下的D2D广播模型的瓶颈效应；

图2为本发明的D2D实时多媒体广播和组播方法流程图；

图3为具体实施方式中选用的蜂窝网络区域的D2D广播/组播业务的应用场景；

图4为具体实施方式中D2D通信建立流程示意图；

图5为具体实施方式中蜂窝区域的D2D广播/组播业务的仿真模型。

具体实施方式

为使发明的目的，技术方案及优点更加清晰，下面将参照附图对本发明做进一步详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

由于同一D2D接收集的不同用户一般处于相邻的地理位置，与D2D通信发射端之间的通信信道相似，所以在仿真中假设发射到同一D2D接收集的不同用户的数据包经历相同分布的高斯信道。仿真中D2D发射端待发射未编码数据包数为10个，D2D接收端共有10个接收集，每个接收集有1个用户。

在附图3所示的应用场景中，当UE4需要发起它与其他N个用户接收集之间的D2D通信时，会首先向UE4所在小区的基站发送D2D通信请求。小区基站收到D2D通信请求后完成D2D通信的条件检测，决定是否给予支持。若不支持，会将D2D业务请求直接切换到蜂窝业务模式；若支持，会通知D2D业务的收发两端按照功率约束做好直传准备。具体的过程如图4所示。先由D2D发射端向所在小区基站BS发送D2D建立请求，BS接到并处理请求信号后向D2D的收发两端发射D2D探测许可。D2D发射端随后向D2D接收集发射它与D2D接收集之间信道的D2D探测信号，D2D接收集向BS发送D2D测量报告。BS收到D2D测量报告后决定是否同意D2D传输；若BS同意，则向D2D收发两端发送D2D传输许可，正式开始D2D传输。

如图5所示，假设D2D发射端面向Set-1和Set-2的最大可发射功率为0.1W，面向Set-3和Set4的最大可发射功率为0.3W。面向Set-5到Set-10的发射波束不会对蜂窝小区用户造成干扰，所以发射功率不受限制，他们的最大发射功率应平分实际的剩余可利用功率(D2D发射端总的发射功率是一个定值)。假设D2D发射端的最大发射功率为1W至2.8W，则面向Set-5到Set-10的发射功率分别为0.2/6W至2/6W。

不失一般性，假定所有数据包的长度都是10比特，采用BPSK调制解调，在每个信噪比点上的仿真统计次数为5000次。K表示D2D发射端待发射源数据包的个数，N表示D2D接收集的个数，L表示发射端产生的喷泉编码包的个数。

下面给出具体的仿真流程：

步骤1，D2D发射端将K＝10个MBMS未编码数据包进行喷泉编码；

按照度分布(度值的概率分布)函数随机选择一个度值d(表示喷泉编码包由d个未编码数据包异或生成，d称为该喷泉编码包的度)，然后在MBMS信息的未编码数据包中等概率随机选择d个数据包进行异或运算生成一个喷泉编码包。重复上述喷泉编码过程，产生L＝15个喷泉编码包。

步骤2，将按照步骤1喷泉编码产生的L＝15个喷泉编码包通过预编码技术进行数字波束成形，D2D发射端按照基站实时分配的最大可发送功率将预编码后的喷泉编码包通过不同的天线发送向指定的N＝10个接收集；

步骤3，不同D2D接收集Set-1到Set-10内的用户接收来自D2D发射端的定向波束，进行喷泉译码；当某个接收集内的所有用户译码成功后，该接收集向D2D发射端反馈一个ACK信号。

步骤4，当D2D发射端收到来自任何一个D2D接收集(在此实施例中，每个D2D接收集均由一个D2D用户组成)反馈的ACK信号时，按照与功率不受限制的接收集内用户数成正比的原则，重新分配D2D通信接收集中那些功率不受限制的接收集的最大可发射功率，使得D2D发射端总的发射功率保持在最大的发射功率。

具体做法为：当某个D2D接收集内所有用户都成功译码接收D2D发射端的所有数据包后，会反馈一个ACK信号给D2D发射端。D2D发射端收到该ACK信号后停止向发射该ACK反馈信号的D2D接收集发射数据。因此空余出来的这部分发射功率根据D2D通信接收集中那些功率不受限制的接收集内的用户数按比例分配，用来增加这些功率不受限制的D2D接收集的波束最大可发射功率。

步骤5，当D2D发射端接收到所有D2D接收集的ACK反馈信号，结束D2D通信；统计所有接收集译出的数据包数，计算出接收端未译码包数相对发射端源数据包数的平均丢包率。

本实施方式对K为10，N＝10，L为15时无波束成形方案和有波束成形方案的性能进行了比较。将D2D发射端的最大发射功率(单位为dB)作为横坐标，将接收集收到15个喷泉编码包进行译码后未译码包数相对10个未编码数据包的丢包率作为纵坐标。从绘制的坐标曲线能够看出：无波束成形方案的丢包率为一条水平线，原因是D2D发射端发射功率最大就是受限于Set-1和Set-2的0.1W，所以即使其拥有的最大发射功率不断增加，其可用的最大功率仍然为0.1W；而采用波束成形技术后，D2D系统的丢包率明显下降。原因在于，波束成形技术的采用使D2D发射端的发射功率不再受限于最差的D2D通信链路。面向不同方向辐射能量的天线可以根据该方向上蜂窝网络设置的最大功率发射数据流，从而有效解决了广播/组播系统中的系统“瓶颈”问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于波束成形和喷泉码的D2D多媒体广播和组播方法，其特征在于：用户作为D2D发射端与所在区域基站建立D2D通信链路后，执行如下步骤：

步骤1，D2D发射端对待发射的MBMS信息进行喷泉编码；

步骤2，将步骤1产生的喷泉编码包通过预编码技术进行数字波束成形；基站在保证其范围内的蜂窝小区用户不受干扰的条件下，实时分配D2D发射端发射给每个D2D接收集的波束最大可发射功率；D2D发射端按照基站实时分配的最大可发送功率将预编码后的喷泉编码包通过不同的天线发送向指定的用户集；

步骤3，不同D2D接收集的用户接收来自D2D发射端的定向波束，进行喷泉译码，当该接收集内的所有用户译码成功后向D2D发射端反馈一个ACK信号；

步骤4，当D2D发射端每收到一个D2D接收集反馈的ACK信号时，按照与功率不受限制的接收集内用户数成正比的原则，重新分配当前D2D通信接收集中功率不受限制的接收集的最大可发射功率，使得D2D发射端总的发射功率始终保持在最大发射功率；

具体做法为：当某个D2D接收集内所有用户都成功译码接收D2D发射端的所有数据包后，反馈一个ACK信号给D2D发射端；D2D发射端收到该ACK信号后停止向该D2D接收集发射数据，并将该D2D接收集空余出来的发射功率根据D2D通信接收集中剩余的功率不受限制的接收集内的用户数按比例分配，用来增加功率不受限制的D2D接收集的波束最大可发射功率；

若功率不受限制的接收集当前发射功率与重新分配得来的功率之和小于发射端总功率，则把和值作为更新后的最大可发射功率；若和值大于发射端总功率，则减少重新分配的功率量，直到和值小于发射端总功率；

步骤5，当D2D发射端接收到所有D2D接收集的ACK反馈信号，结束D2D通信。

2.根据权利要求1所述的基于波束成形和喷泉码的D2D多媒体广播和组播方法，其特征在于：步骤1所述喷泉编码的具体过程为：首先按照度分布函数随机选择一个度值d，然后在MBMS信息的未编码数据包中等概率随机选择d个数据包进行异或运算生成一个喷泉编码包；重复上述喷泉编码过程，源源不断地产生喷泉编码包。

3.根据权利要求1所述的基于波束成形和喷泉码的D2D多媒体广播和组播方法，其特征在于：对于功率不受限制的接收集，最大可发射功率为发射端总功率；对于功率受限制的接收集，根据用户业务要求确定。