CN102905334B - 簇头辅助用户终端从d2d通信转换到蜂窝通信的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，当用户终端与簇头间的D2D链路质量低于预定义的门限时，若用户终端不得不离开簇，但仍期望继续原来的业务，则该用户终端进行小区搜索和随机接入，与蜂窝网络的目标基站建立RRC连接，依靠簇头辅助，实现D2D通信到蜂窝通信的转换，并给出转换后的通信方式。本发明实现了分布式簇通信中的D2D通信与蜂窝通信的移动转换，其能够降低路由查找时延，节省无线资源。

Description

簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法。
背景技术
D2D簇(D2D cluster)通信是指通过直接链路在一群相邻终端间直接交互信息，并不需要传统的网络(如基站)中转。由于终端具有移动性，簇通信技术有必要为终端提供移动性支持。其中最基本的是D2D通信与蜂窝通信的移动切换/转换。对D2D簇通信而言，移动管理尤为重要，这是因为，除移动切换外，还存在终端加入簇、离开簇等有关簇更新、重建的问题。作为常规无线通信的有利补充，D2D簇通信不需要网络中转。这里的网络包括基站收发信机(BTS)，NodeB，eNodeB，站址控制器等任意的接入点。
D2D簇通信有两种运行方式，一种是基站集中式控制的簇通信，另一种是簇头分布式控制的簇通信。在第一种运行方式的通信过程中，基站控制和管理D2D簇通信，每个D2D成员终端与基站保持蜂窝链路连接，完成控制信令的交互，各成员终端通过D2D链路完成数据的交互；在第二种运行方式的通信过程中，簇头控制和管理簇通信的簇内信令和数据交互，这种方式下，如果处于通信连接状态，簇头与基站保持蜂窝链路连接，交互诸如同步，接入和资源(再)分配等必要的控制信令；簇内成员终端与簇头保持D2D链路连接，受簇头的管理控制，没有与基站连接的蜂窝链路。然而，终端的移动性可能导致簇通信不得不进行更新，重建，甚至转换到蜂窝网络才能继续通信。这对分布式、半分布式的簇通信而言，无疑是一种极大的挑战。
如图1所示，在基站集中式控制的D2D对(D2D pair)通信中，一旦D2D链路质量不再满足通信要求，D2D通信模式下的UE1和UE2将借助基站转换到蜂窝通信模式，流程如下：起初UE1、UE2通过D2D链路直接进行通信。UE1，UE2周期检测和测量D2D链路质量，一旦链路质量在一段时间内低于某个预定义的门限值(THRD1)，UE1与UE2分别向基站发送请求，希望转换到蜂窝通信模式；基站接收到转换请求后，向UE1，UE2分配无线资源；然后基站发送转换应答消息给UE1和UE2；其次，UE1和UE2分别测量和计算蜂窝链路质量；如果蜂窝链路质量高于某个预定义的门限值(THRD2)，UE1和UE2均请求释放D2D资源；此后，基站发送释放D2D资源应答消息给UE1和UE2；最后，UE1和UE2释放D2D资源，转换到蜂窝通信模式。至此，D2D通信转换到蜂窝通信的过程结束。此转换过程假定两个D2D终端位于同一基站内，同时，每个D2D终端都能够与基站交互控制信令。然而，如果不是D2D对通信，而是一群用户终端组成的D2D簇通信，此方法将耗费大量的无线资源和控制信令。而且，该方法也不适用于分布式控制的D2D簇通信。
图2是LTE系统S1切换的简化流程。首先，如果两个基站间没有X2接口，或者源基站已通过S1接口向一特定的基站发起切换，将触发S1切换。接着，源基站向源移动管理实体(Mobility Management Entity，MME)发送切换请求信息(步骤2)，源MME转发重定位请求给目标MME(步骤3)。然后，目标MME发送“切换请求”给目标基站(步骤4)，目标基站建立资源(步骤5)，反馈“切换请求应答”给目标MME(步骤6)，目标MME响应重定位请求给源MME(步骤7)。此后，源MME发送“切换命令”给源基站(步骤8)，源基站将切换命令转发给终端(步骤9)。接下来，源基站发送“基站状态转移”给源MME(步骤10)。当目标基站从目标MME接收到“MME状态转移”后(步骤11)，目标基站将收到终端发来的“切换确认”信息(步骤12)。随后，目标基站发送“切换通告”信息给目标MME(步骤13)。紧接着，源MME与目标MME完成重定位(步骤14)，源MME通知源基站释放资源(步骤15)。最后，更新跟踪域，完成切换(步骤16)。在LTE实际切换流程中，源基站还需要将数据转发给目标基站实现无缝切换。
在图2的蜂窝网络切换中，源基站为用户终端选择目标基站作切换。然而，在簇头分布式控制的D2D通信网络里，因为基站只有簇头的通信连接信息，不了解簇内其它成员终端的状态信息，因此上述切换方法不适用D2D簇成员从D2D链路无缝转换到蜂窝链路。
在现有技术中，大多数研究是基于基站集中式控制的D2D通信。在这种集中式控制的场景下，无论是D2D对还是D2D簇通信，基站负责管理用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信。但是对于簇头分布式、半分布式控制的D2D簇通信而言，除簇头外，其他簇内成员终端缺少与基站连接的专用信道，即便是处于同一个基站(如图3中，终端UE2与簇头UE1位于同一基站的覆盖范围内)的终端，从D2D通信转换到蜂窝通信也是有一定难度的，对于不同基站下的终端(如图3中，移动到另一基站覆盖范围的UE2与UE1处于不同基站的覆盖范围)转换则更加困难。即使能够实现二者的转换，也将耗费很大的信令开销和通信时延，这会进一步导致系统容量和吞吐量的下降，损害D2D通信的优势。因此，在减少资源开销，降低通信时延并仍然保证通信终端的服务质量的前提下，对分布式簇通信而言，D2D通信与蜂窝通信的移动转换是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，该方法实现了分布式簇通信中的D2D通信与蜂窝通信的移动转换。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，包括以下步骤：
步骤1，如果用户终端与簇头间的D2D链路质量低于预定义的门限，则用户终端进行小区搜索和随机接入流程接入网络；
步骤2，用户终端通过D2D链路向簇头发送转换请求，所述转换请求包括用户终端即将接入的目标基站标识ID；簇头通过蜂窝链路发送所述转换请求给服务基站；
如果用户终端即将接入的目标基站标识ID与簇头所在的服务基站标识ID相同，即用户终端待接入的目标基站与簇头所在的服务基站为同一基站，则用户终端接入所述服务基站，并与服务基站建立RRC连接；服务基站通过蜂窝链路向簇头回复转换响应消息，簇头通过D2D链路向用户终端发送转换响应信息；
如果用户终端待接入的目标基站标识ID不同于簇头所在的服务基站标识ID，则用户终端接入目标基站，并与目标基站进行RRC连接；服务基站向目标基站转发用户终端的转换请求，目标基站向服务基站回复转换响应消息。
作为本发明的一种优选方案，步骤2中，簇头通过D2D链路向用户终端发送转换响应信息的同时，簇头将自身与服务基站间的调制编码格式MCSUE1-eNodeB1同D2D链路间的调制编码格式MCSD2D作比较，如果MCSUE1-eNodeB1近似等于MCSD2D，则簇头广播数据给D2D簇和服务基站；如果MCSUE1-eNodeB1与MCSD2D的值差异较大，则簇头选择并行通信操作，即簇头在D2D簇内进行D2D多播，簇头与服务基站之间进行蜂窝单播。
作为本发明的另一种优选方案，MCSUE1-eNodeB1与MCSD2D的值差异较大时，簇头进行并行通信操作的具体过程为：
首先，簇头通过蜂窝链路单播数据给服务基站；与此同时，簇头继续通过D2D链路将数据多播给D2D簇内其它成员终端；
其次，如果簇头和用户终端在同一服务基站下，则服务基站通过蜂窝链路将数据转发给该用户终端。
作为本发明的再一种优选方案，MCSUE1-eNodeB1近似等于MCSD2D时，簇头广播数据给D2D簇和服务基站的具体过程为：
首先，簇头多播数据，服务基站和D2D簇内其它成员终端接收数据；
其次，如果簇头和用户终端属于同一个服务基站，则服务基站通过蜂窝链路转发数据到该用户终端。
作为本发明的再一种优选方案，步骤2中，用户终端即将接入的是不同于服务基站的目标基站时，服务基站将数据转发给目标基站，然后目标基站再将数据转发给用户终端。
作为本发明的再一种优选方案，所述簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法实现的前提条件为：
(a)在初始阶段，所有簇内用户终端都在簇头分布式控制的D2D簇内，簇头负责管理维护簇，并与基站保持连接；
(b)D2D用户终端在簇内进行多播数据通信；
(c)D2D通信正交使用蜂窝上行资源。
本发明的有益效果在于：本发明所述的簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法实现了分布式簇通信中的D2D通信与蜂窝通信的移动转换，其能够降低路由查找时延，节省无线资源。
附图说明
图1为基站集中式控制的D2D通信模式转换到蜂窝通信模式的方法流程示意图；
图2为LTE系统S1接口切换方法的流程示意图；
图3为D2D簇通信中终端移动的场景示意图；
图4为本发明所述的簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法流程示意图。
具体实施方式
本发明为簇头分布式控制的D2D簇通信用户终端提供了一种从D2D通信转换到蜂窝通信的方法。当用户终端离开簇并期望继续原来的业务时，该终端首先进行小区搜索和随机接入，确定蜂窝通信下的服务基站；然后，通过簇头对蜂窝链路和D2D链路质量的比较，决定后续通信方式；若二者链路质量相似，簇头选择广播方式传输数据；若二者链路质量差异较大，则采用簇头在簇内多播数据和簇头在蜂窝网内单播数据的通信方式。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例
本实施例提供一种簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，其假设条件包括：
(a)在初始阶段，所有簇内用户终端都在簇头分布式控制的D2D簇内，簇头负责管理维护簇，并与eNodeB保持连接；
(b)D2D终端在簇内进行多播数据通信；
(c)D2D通信正交使用蜂窝上行资源。
基于上述假设，本发明提出一种簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，该方法的含义是：在簇头分布式控制的D2D簇通信中，为离开簇的用户终端提供一种快速转换到蜂窝通信的无损转换方法。
如图3所示，在D2D簇内，终端UE1，UE2，UE3通过D2D链路直接交互信息，无需基站中转。簇头UE1与基站连接，管理维护簇内通信。此外，UE1也是数据源。在这种情况下，如果簇内的用户终端UE2离开D2D簇，但仍希望保持现有的业务，那么最直接的方式是，如果终端间的链路质量使UE2不再适合做D2D通信，则让终端UE2转换到蜂窝网络完成后续通信。
基于图3所示的场景和假设条件，本实施例所述的簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法的具体实现过程如下：
(1)在初始阶段，UE1、UE2和UE3在D2D簇内，簇头UE1是数据源。
如果簇内用户终端UE2与簇头UE1间的D2D链路质量低于预定义的门限值，则终端UE2进行小区搜索和随机接入流程接入蜂窝网络；所述门限值是依据实际的通信环境而定，比方说，不同的通信业务有不同的服务质量(QoS)要求，门限值的设定可依据QoS而定。
如果用户终端UE2即将接入的基站的ID与簇头UE1所在的基站的ID相同，也就是说用户终端UE2可接入服务基站eNodeB1，并与eNodeB1建立RRC连接；
如果用户终端UE2即将接入的目标基站(eNodeB2)的ID不同于簇头UE1所在的服务基站(eNodeB1)，则用户终端UE2接入基站eNodeB2，与基站eNodeB2进行RRC连接。
(2)用户终端UE2通过D2D链路向簇头UE1发送转换请求，并期望保持原来的业务。所述转换请求包括用户终端UE2即将接入的目标基站ID。
这与常规网络(例如，图3所示的LTE网络)的切换流程不同，并不是源基站寻找和决定UE切换到哪个基站，而是UE本身寻找和接入目标基站并将所述接入目标基站的ID通知簇头。
(3)簇头UE1(非基站)通过蜂窝链路发送所述转换请求给基站eNodeB1。
(4)基站eNodeB1接收到簇头发来的所述转换请求信息后，就能知道用户终端UE2接入了哪个基站。
如果用户终端UE2即将接入的基站恰好是eNodeB1，则跳转到步骤(5)；
如果用户终端UE2即将接入的基站是不同于服务基站eNodeB1的目标基站eNodeB2，则执行步骤(4*)；
(4*)基站eNodeB1向eNodeB2转发UE2转换到蜂窝通信的请求信息；如果eNodeB2接收了eNodeB1的转发的转换请求，则eNodeB2向eNodeB1回复转换响应消息。
(5)基站eNodeB1通过蜂窝链路向簇头UE1回复转换响应消息。
(6)簇头UE1通过D2D链路向用户终端UE2发送转换响应信息。同时，簇头UE1将UE1与eNodeB1间的调制编码格式MCSUE1-eNodeB1同D2D链路间的调制编码格式MCSD2D作比较，如果MCSUE1-eNodeB1近似等于MCSD2D，那么跳转执行步骤(7*)，否则转向执行步骤(7)。
(7)MCSUE1-eNodeB1与MCSD2D的值差异较大：簇头UE1选择并行通信操作，簇头UE1在簇内进行D2D多播，簇头UE1与基站eNodeB1进行蜂窝单播。众所周知，D2D链路传输效率优于常规蜂窝链路，在此基础上，一方面，应用并行通信操作能使得D2D簇内的用户终端满足原来的业务要求；另一方面，也能保证蜂窝链路上单播通信的可靠性。其中，并行通信操作的过程为：
首先，簇头UE1通过蜂窝链路单播数据给基站eNodeB1；与此同时，簇头UE1继续通过D2D链路将数据多播给簇内其它成员终端；
其次，如果簇头UE1和用户终端UE2在同一基站eNodeB1下，则基站eNodeB1通过蜂窝链路将数据转发给用户终端UE2；否则，基站eNodeB1将数据转发给基站eNodeB2，eNodeB2再将数据转发给用户终端UE2；
(7*)MCSUE1-eNodeB1近似等于MCSD2D：簇头UE1广播数据给D2D簇和基站eNodeB1，达到节省无线资源的目的；具体广播过程为：
首先，簇头UE1多播数据，服务基站eNodeB1和D2D簇其它成员终端接收数据；
其次，如果簇头UE1和用户终端UE2属于同一个基站eNodeB1，则基站eNodeB1通过蜂窝链路转发数据分组给离开簇的用户终端UE2；否则，如果服务基站eNodeB1向目标基站eNodeB2转发数据，然后目标基站eNodeB2再将数据转发给离开终端UE2。
值得一提的是，为了简化说明，图4中数据源恰好和簇头是同一个终端。实际上，即使数据源不是簇头，上述流程和方法也是适用的。
本发明提出的簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法适用于簇头分布式、半分布式控制的D2D簇通信中，其实现了将D2D簇通信的移动终端从D2D通信无缝转换到蜂窝通信，主要内容在于：
1)D2D簇内终端发送待接入目标基站的标识(ID)给簇头。当某个D2D用户终端即将转换到蜂窝通信模式时，该用户终端将待接入目标基站的ID信息发送给簇头，簇头将此信息转发给自己的服务基站。
2)如果离开D2D簇的通信终端仍期望继续原来的业务，则簇头可基于调制编码格式(MCS)信息决定通信方式。如果D2D MCS与蜂窝链路的MCS近似相等，则采用广播方式，否则采用并行方式。在广播方式下，簇头将数据广播给D2D簇内其它用户终端以及簇头所在的服务基站；在并行方式下，一方面，簇头使用专用资源进行簇内多播，另一方面，簇头使用另一块资源进行蜂窝单播，将数据发送给簇头所在的网络(服务基站)。对蜂窝通信而言，若簇头的服务基站与离开簇的用户终端选择的服务基站相同，则该基站直接将数据转发给该离开的用户终端；否则需进行基站间的数据转发，最终发送到该离开的用户终端。
本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (5)

1.一种簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，如果用户终端与簇头间的D2D链路质量低于预定义的门限，则用户终端进行小区搜索和随机接入流程接入蜂窝网络；
步骤2，用户终端通过D2D链路向簇头发送转换请求，所述转换请求包括用户终端即将接入的目标基站标识ID；簇头通过蜂窝链路发送所述转换请求给服务基站；
如果用户终端即将接入的目标基站标识ID与簇头所在的服务基站标识ID相同，即用户终端待接入的目标基站与簇头所在的服务基站为同一基站，则用户终端接入所述服务基站，并与服务基站建立RRC连接；服务基站通过蜂窝链路向簇头回复转换响应消息，簇头通过D2D链路向用户终端发送转换响应信息；
如果用户终端待接入的目标基站标识ID不同于簇头所在的服务基站标识ID，则用户终端接入目标基站，并与目标基站进行RRC连接；服务基站向目标基站转发用户终端的转换请求，目标基站向服务基站回复转换响应消息；
所述簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法实现的前提条件为：
(a)在初始阶段，所有簇内用户终端都在簇头分布式控制的D2D簇内，簇头负责管理维护簇，并与基站保持连接；
(b)D2D终端在簇内进行多播数据通信；
(c)D2D通信正交使用蜂窝上行资源。
2.根据权利要求1所述的簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，其特征在于：步骤2中，簇头通过D2D链路向用户终端发送转换响应信息的同时，簇头将自身与服务基站间的调制编码格式MCSUE1-eNodeB1同D2D链路间的调制编码格式MCSD2D作比较，如果MCSUE1-eNodeB1近似等于MCSD2D，则簇头广播数据给D2D簇和服务基站；如果MCSUE1-eNodeB1与MCSD2D的值差异较大，则簇头选择并行通信操作，即簇头在D2D簇内进行D2D多播，簇头与服务基站之间进行蜂窝单播。
3.根据权利要求2所述的簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，其特征在于，MCSUE1-eNodeB1与MCSD2D的值差异较大时，簇头进行并行通信操作的具体过程为：
首先，簇头通过蜂窝链路单播数据给服务基站；与此同时，簇头继续通过D2D链路将数据多播给D2D簇内其它用户终端；
其次，如果簇头和用户终端在同一服务基站下，则服务基站通过蜂窝链路将数据转发给该用户终端。
4.根据权利要求3所述的簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，其特征在于，MCSUE1-eNodeB1近似等于MCSD2D时，簇头广播数据给D2D簇和服务基站的具体过程为：
首先，簇头多播数据，服务基站和D2D簇内其它用户终端接收数据；
其次，如果簇头和用户终端属于同一个服务基站，则服务基站通过蜂窝链路将数据转发给用户终端。
5.根据权利要求1所述的簇头辅助用户终端从D2D通信转换到蜂窝通信的方法，其特征在于，步骤2中，用户终端即将接入的是不同于服务基站的目标基站时，服务基站将数据转发给目标基站，然后目标基站再将数据转发到该用户终端。
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