CN103338497A

CN103338497A - 一种d2d通信系统中自主设备发现方法

Info

Publication number: CN103338497A
Application number: CN2013102362854A
Authority: CN
Inventors: 薄晓宁; 徐少毅
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: CN103338497B

Abstract

本发明公开了一种D2D通信系统中自主设备发现方法，发现资源由等间隔时隙资源和等间隔单频频率资源组成，时隙资源周期性出现，包括以下步骤：将时隙资源周期设置为预设值T₀，且通知UE发现使用的总的资源的位置；设备按照先进行时隙的选择，再进行频率的选择的原则来确定发送使用的资源，频率资源是依照贪婪的方式进行选择；发送周期的自动切换，设定预定值N₁，当UE连续N₁个周期发送失败后把周期延长，若UE连续N₁个周期发送成功，则相应的把周期缩短；UE在其他资源上接收其他UE发送的发现信号。本发明可以减少发现过程中的干扰、碰撞和速度问题，提高资源的利用率。

Description

一种D2D通信系统中自主设备发现方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域，尤其涉及一种D2D通信系统中自主设备发现方法。

背景技术

未来，IMT-Advanced将提供高达100MHz的带宽来实现高速率传输。为了满足IMT-A的要求，许多新的无线接入技术被提了出来。其中，device-to-device(D2D)作为一项极有前景的技术已经引起人们越来越多的关注。D2D通信是一种在基站的控制下，允许终端之间直接进行通信的技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率、降低终端发射功率、减低蜂窝小区基站的负载、减少电池消耗，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。

随着社交网络、近距离业务、智能家居、本地广告等应用的流行以及智能便携设备的普及，使得人们对了解附近感兴趣的事物并与之通信的需求逐渐增加。这使得人们更加看好D2D的应用前景。

D2D通信不同于传统的蜂窝模式下的通信，用户之间通信链路不再经过基站，而是彼此之间建立直接链路，进行端到端直接通信。如图1中所示。但是D2D通信仍然受到网络的控制，如功率控制、资源的分配等。

在D2D通信的整个流程中，设备发现（device discovery）是进行D2D通信的开始和必要前提。设备发现算法的性能将直接影响着D2D通信的质量。

设备发现是识别一个设备是否在另外一个设备的“附近”的一个过程。如图2。判断是否为“附近”的标准有很多，而且会随着不同的应用场景而变化。网络可以动态的控制判决附近的标准。构成判决标准的因素也有很多，如设备之间的地理位置距离，无线距离（radiorange），通信距离（communication range），直连链路与蜂窝链路各自的信道条件，所要传输的数据大小、可达到的QoS等。发现的过程可以受到网络的控制，如网络可以通过控制发现信号的发送功率来控制设备的发现距离，并依据发现距离的等级来实施不同的收费等级。目前，FlashLinQ中使用的设备发现方法是一种较为先进的设备发现方法，在本发明中被最为对照技术使用。

1.FlashLinQ简介：

FlashLinQ是高通公司提出的一种同步的分布式的D2D通信系统。它工作在2.586GHz的授权频段上，可以在8秒内发现1公里范围内的几千个设备。

FlashLinQ的发现算法采用多信道系统，设备发现的性能可以得到显著的提升。在这样的系统中，为了减少冲突，每一个设备以分布式的方式选择一个设备发现资源单位，并在该设备发现资源单位上发送自己的发现信号。这些设备发现资源单位以唯一的ID进行标识，被称为设备发现资源ID（Peer Discovery Resource ID, PDRID），同时，设备又在其他PDRID上侦听其他设备发送的发现信号。

（1）FlashLinQ的信道结构为

带宽为5M，每秒抽出8个时隙（约2%的时间）作为发现资源，每个时隙2.5ms，以8秒为一个周期，共64个时隙(N_T=64)，每个时隙上有56个单频资源(N_F=56)，共约3500个可用资源块。如图3所示。

（2）资源分配的方式

每个设备在进入到发现阶段后，都要从一个周期内的约3500个PDRID上选择其中一个，进行发现信息的发送。资源的分配以一种分布式的贪婪选择式的方式进行。设备将检测所有资源快上的能量大小，选择能量最小的那个资源块。也就是说，在贪婪协议下，每个设备都从各自的角度出发选择了最不“拥挤”的那个资源。

（3）基于FDM的设计所带来的问题

由于资源分配采用了基于FDM的设计，所以会带来两个严重的问题，一个是半双工的问题，另一个是接收机灵敏度的问题。无线设备无法同时发送和接收信号，所以当多个设备在同一时隙不同频率上发送发现信号时，这些设备将无法发现彼此。此外，无线设备的RF前端具有有限的动态范围，当接收到的两个不同频率信号的信号强度相差较大，较弱的信号可能会被较强的信号所“湮没”。

对于以上这两个问题，FlashLinQ采用了一种特殊的跳变方式来解决。N_T×N_F个资源块中的每一个资源块都会分配一个独一无二的设备发现资源ID，简称PDRID（Peer Discovery Resource ID）。N_T×N_F个PDRID可以用（I，J）来表示，其中，。而一个周期内的N_T×N_F个信道资源块用（i，j）来表示，其中i代表频率指数，j代表时隙指数。PDRID指数（I，J）与信道资源块指数（i，j）之间存在一一对映的映射关系，而每一个发现周期内这种映射关系都不一样，这就是所谓的跳变。在N_T个连续的周期内，FlashlinQ考虑了伽罗瓦域GF(N_T)，并定义了这样一个映射关系：i(t)＝I，j(t)＝J((I(t)，其中t是发现周期指数，

和

分别是伽罗瓦域GF(N_T)上定义的乘和加。图4显示了其在时间上跳变的方式。

可以证明，两个不同的PDRID在t从0到N_T-1内最多只有一次在相同的时隙内。也就是说，在N_T个连续的发现周期内，一个设备最多只能错过另一个设备的发现信号一次。这样也就解决的FDM带来的半双工问题。同时这种跳变的方式也使得灵敏度的问题得到了解决。

2.FlashLinQ中存在的缺陷

（1）在FlashLinQ的发现方法中，由于每个周期的PDRID的数量是固定的（约3500个），所以会存在几个不足之处：

（a）由于资源块的数量有限，当网络中的设备数量超过资源块的数量时，设备将复用资源。若设备的数量远大于资源块的数量，将会使得每个资源块复用度非常高。过度的复用会引起严重的干扰和碰撞，使得发现算法性能下降非常迅速，甚至会使得整个发现过程完全瘫痪。

（b）当在一个人口稀疏的地方时，网络中的设备数量远远少于资源块的数量，由于每个设备只能选择一个资源块，使得资源块的利用率非常低，造成宝贵的频谱资源浪费的后果。

（c）同样是当在一个人口稀疏地方时，网络中的设备非常少，然而FlashLinQ的发现周期是固定不变的（8s），这样不仅造成了资源的浪费，而且用户还必须忍受等待冗长的发现周期的到来。用户期望在人口稀疏的地方有一个简短的发现周期，这样不仅提高了资源的利用率，还可以使得设备在短时间内多次发送发现信号，这样发现的速度大大加快，发现的精确度也会随之迅速增加。

（2）在FlashLinQ的设备发现过程中，设备是在进入发现阶段第一个8s内扫描所有的发现资源，进行干扰的检测，以决定下个周期可以使用的PDRID，因此当设备处于低速移动状态时，8s之后设备的位置发生的变化将带来无线网络拓扑结构的变化，这时若仍然使用8s前检测到的频率资源，可能会产生碰撞和干扰。

（3）对于资源的分配，FlashLinQ采用了一种分布式的贪婪选择式的方式。这种方法要求设备监测所有资源块上的能量，然后选择能量最少的资源块进行发送。这种需要监测所有资源块上的能量的做法，要消耗大量的时间和功率。

（4）对于新加入到网络中的设备，需要先进行一周期的能量检测，并等到新的发现周期的开始才能进行信号的发送，造成时间上的浪费。

发明内容

本发明解决的技术问题在于：如何减少发现过程中的干扰、碰撞和速度以及资源的合理利用等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种D2D通信系统中自主设备发现方法，发现资源由等间隔时隙资源和等间隔单频频率资源组成，时隙资源周期性出现，包括以下步骤：

将时隙资源周期设置为预设值T₀，且通知UE发现使用的总的资源的位置；

设备按照先进行时隙的选择，再进行频率的选择的原则来确定发送使用的资源，频率资源是依照贪婪的方式进行选择；

发送周期的自动切换，设定预定值N₁，当UE连续N₁个周期发送失败后把周期延长，若UE连续N₁个周期发送成功，则相应的把周期缩短；

UE在其他资源上接收其他UE发送的发现信号。

进一步，作为优选，所述时隙的选择进一步包括：当发现地点在基站可以覆盖的区域，UE从所有时隙上随机的选择一个时隙，且UE将选择好的时隙上报基站，基站协调选择情况，使得最后每个时隙上分配的UE数量大致相等。

进一步，作为优选，所述时隙的选择进一步包括：当发现地点在基站未覆盖的区域，UE从所有时隙上完全随机的选择一个时隙。

进一步，作为优选，所述频率的选择进一步包括：当发现地点在基站可以覆盖的区域，假设每个时隙上单频频率资源为N_F个，小时隙的个数为k，基站首先为前N_F个设备直接分配频率资源，这些设备将在t₀时刻开始发送信号，剩下的每个设备将分配到一个小时隙，假设UE的数量n≤N_F+k，设备将在该小时隙上检测整个带宽上所有N_F个单频上的能量，选择能量最小V_min的那个单频资源，并将其能量与阈值V_th比较。若V_min<V_th，则设备选择这个单频资源，并在该小时隙结束之前发送发现信号；若V_min>V_th，则表示设备本周期发送失败。

进一步，作为优选，所述频率的选择进一步包括：当发现地点在基站未覆盖的区域，假设每个时隙上单频频率资源为N_F个，小时隙的个数为k，，确定好时隙后，UE将从k个小时隙中随机选择一个，并在该小时隙上检测整个带宽上所有N_F个单频上的能量，若能量小于阈值V_th的单频资源的数量N_th≥4，设备将从N_th个资源中选择一个资源，作为发送资源；若N_th=3，设备将以一定的概率P₃从其中选择一个资源，以1-P₃的概率不选择资源，标志发送失败；若N_th=2，设备将以一定的概率P₂从其中选择一个资源，以1-P₂的概率不选择资源，标志发送失败；依此类推N_th=1时，相应的概率分别为P₁；若N_th=0，则UE发送失败。其中，0<P₁<P₂<P₃<1。

本发明的有益效果:

本发明通过采用更为灵活的资源分配的方式，使得设备发现可以在设备数量极为稠密、一般、稀疏等多个环境下有效的进行。

（1）设备数量极为稠密时，设备发现过程能够正常进行，资源的复用度得到合理的控制，不引起严重的干扰和碰撞，一定时间内发现的设备达到可观的数量。

（2）设备数量极为稀疏时可以有效提高资源块的利用率，并期望有一个简短的发现周期，使得设备在短时间内多次发送发现信号，这样发现的速度大大加快，发现的精确度也会随之增加。

（3）对于资源分配采用了基于FDM和半双工的设计所带来的问题，提出了一个简单易行的解决方法：先进行时域资源的分配，再根据贪婪算法原理选择频域资源。

（4）对于新加入到网络中的设备，不需要先进行一个周期的能量检测监，并等到新的发现周期的开始后才能发送发现信号，可以立即进入发现信号的发送阶段。

（5）对于资源分配，提出一种更易实现的贪婪选择式的方式，使得设备并不需要检测多个时隙上的各资源块上的能量，只需要检测一个时隙上的各资源块的能量。这样降低了实现复杂度，节省了资源。

（6）支持发送发现信号的资源单位不连续分布，即发送发现信号的时隙之间插入正常的LTE系统的信令和业务的发送，使得终端设备可以及时与基站进行同步的校正，这样可以解决时隙偏移带来的发送信号冲突的问题。也使得我们的方法既适用于FDD系统，也适用于TDD系统。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1蜂窝网络下的D2D通信。

图2设备发现到通信的过程。

图3FlashLinQ的信道结构图。

图4PDRID对应资源的跳变方式。

图5发现周期为1秒时的示意图。

图6发现周期为2秒时的示意图。

图7UE随机选择时隙示意图。

图8每个时隙的详细结构示意图，

图9整个算法的流程图。

图10实施例中的信道结构。

具体实施方式

参照图1-10对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

针对现有设备发现算法中存在的一些缺陷，本发明提出了一种新的、更为灵活的设备发现方法。

本发明基于以下的基本假设：

1）进行设备发现的功能是使用了LTE系统的上行资源，并且系统为设备的发现分配了固定的信道资源供发现使用。

2）如果设备都是在eNB的覆盖范围之内，则这些设备可以和eNB在时隙上保持一致。不在eNB的覆盖范围之内的UE可以通过GPS等进行同步。

3）本发明假设设备是静止或者低速运动状态（最多每小时3公里），不考虑中速及高速运动状态。

4）为了提高发现的概率，发现信号会进行周期性的发送。

5）eNB不负责为UE分配资源，UE自主的选择可用资源。

6）设备的发现过程不是某一群设备只被某一个设备发现，而是这群设备之间彼此发现的过程。

7）允许设备进行资源复用，即允许不同设备在相同时隙相同频率资源上发送各自的发现信号。在本发明中提出的两个UE复用相同时频资源的时，是假设这两个UE之间的距离足够远，已经基本上不具有发现和被发现的可能性。

1.时频资源结构设计：

假设系统为设备发现分配了专属的固定的信道资源。本发明规定，信道中的每1秒都会抽取出一定时间长度的资源供发现设备使用。信道资源可以连续分布，也可以离散的分布。但不管是连续分布还是离散分布，这些资源的位置是预先设定好的，且被所有UE所知道。其他资源可以用作D2D通信使用或者正常的LTE系统使用。

为了提高发现的概率，UE周期性的多次发送发现信号。如图5中，UE i每1秒都要从所有可用资源里选择一个资源来发送发现信号，其发现周期为1秒。图6中，UE i每2秒从所有可用资源里选择一个发送发现信号，其发现周期为2秒。

同时，可以发现，当发送周期变长时，可用的资源数量也变多了。如图5-6中，周期为2时每个周期的可用资源是周期为1时的两倍。所以，依据此原理，我们可以根据网络中UE数量来调整发现周期，以达到调整发现资源的数量的目的。

这里，我们不明确指定所使用的总的频率带宽是多少，可以根据实际应用灵活设定。

网络中的所有UE都要在每个周期上所有可用资源中选择一个。具体的选择方法是，先随机选择一个时隙，然后在该时隙上以贪婪算法来选择频率。如图8所示，总的资源共有N_T个时隙，整个频带被划分成N_F的单频资源。假设绿色部分便是是UE随机选择的一个时隙。然后，UE将从该时隙中的N_F个单频资源里依贪婪的方式选择其中一个单频资源。

为了实现贪婪算法，时隙经过了特别的设计。每个资源在时隙上又做了更细的划分。每个时隙的前一小部分又分成若干小的时隙。分配到该时隙的所有UE都将从k个小时隙中选择一个小时隙，并检测所有整个频带上N_F个资源上的能量。根据检测到的各频率上的能量的结果，以一定的方式选择其中的一个单频资源。

小时隙的长度为检测能量所需的最小时间，表示为t_d（通常取几个OFDM符号的长度），共有k个小时隙。发送信号所需最小时间为t_t，则一个时隙的长度可以设置为：t=kt_d+t_t，考虑到与LTE系统时隙兼容的情况，应该取t为0.5个时隙的整倍数。且通常kt_d<t_t。单频资源带宽的选取：为了与LTE系统兼容可以取180KHz，为了与FlashLinQ兼容可以取90KHz，实际上带宽可以取45KHz或者更小。

2.发现过程描述：

如图9所示：

S1、开始状态。系统默认是工作在某一预定的周期上（如8秒）。且UE已经知道发现使用的总的资源的位置。

S2、时隙的选择。设备将按照先进行时隙的选择，再进行频率的选择的原则来确定发送使用的资源。时隙的选择按照基站覆盖与否分为两种情形，option1：地点在基站覆盖的区域；option2：地点在基站无法覆盖到的区域，或者基站覆盖但基站完全不负责发现的过程。Option1：对于基站可以覆盖的区域，原则上UE从所有时隙上随机的选择一个时隙，且UE将选择好的时隙上报基站，基站可以协调选择情况，使得最后每个时隙上分配的UE数量大致相等。

Option2：UE从所有时隙上完全随机的选择一个时隙。

这样，所有设备就被平均的分配到了各个时隙，接下来设备将在确定好的时隙上选择单频资源。

S3、频率资源的选择。选择频率资源是依照贪婪的方式。仍然按照基站的覆盖情况分为两种情况。以其中一个时隙上的选择过程为例。Option1：基站首先为前N_F个设备直接分配频率资源，也即前N_F个设备将直接得到一个单频资源。这些设备将在t₀时刻开始发送信号。剩下的每个设备将分配到一个小时隙（假设UE的数量n≤N_F+k），设备将在该小时隙上检测整个带宽上所有N_F个单频上的能量，选择能量最小（表示为V_min）的那个单频资源，并将其能量与阈值V_th比较。若V_min<V_th，则设备选择这个单频资源，并在该小时隙结束之前发送发现信号，如分配到小时隙3，则将在时间t₃之前开始发送发现信号；若V_min>V_th，则表示设备本周期发送失败。

Option2：确定好时隙后，UE将从k个小时隙中随机选择一个，并在该小时隙上检测整个带宽上所有N_F个单频上的能量。若能量小于阈值V_th的单频资源的数量N_th≥4，设备将从N_th个资源中选择一个资源，作为发送资源；若N_th=3，设备将以一定的概率P₃从其中选择一个资源，以1-P₃的概率不选择资源，标志发送失败；若N_th=2，设备将以一定的概率P₂从其中选择一个资源，以1-P₂的概率不选择资源，标志发送失败；依此类推N_th=1时，相应的概率分别为P₁；若N_th=0，则UE发送失败。其中，0<P₁<P₂<P₃<1。

由于设备进行频率资源的选择时，只从自身的角度选择最佳资源，所以称之为贪婪算法。

发送周期的自动切换。S4、若UE连续多个周期发送失败，则表明网络中UE数量较多，资源紧张、复用度较高。由于更长的发送周期拥有更多的发送资源，因此规定，S5、S7、当UE连续3个周期发送失败后将会把周期延长（如从8秒延长到16秒）。同样，S9、若UE连续3个周期发送成功，则相应的会把周期缩短（如4秒），S8、否则，保持原来发现周期。

S10、UE在其他资源上接收其他UE发送的发现信号。

S11、结束。

3.半双工和接收机灵敏度问题。由于半双工问题的存在，使得在某个时隙的某个频率上进行发送的UE将无法检测到该时隙上其他频率上的发现信号。无线设备的RF前端具有有限的动态范围，当接收到的两个不同频率信号的信号强度相差较大，较弱的信号可能会被较强的信号所“湮没”。

在本发明中，每个周期随机选择时隙很好的解决了这两个问题。在本周期处于同一时隙的两个UE，在下一周期又将会各自随机选择时隙，二者再次处于同一时隙的概率为1/N_T，在下下个周期的概率为(1/N_T)²。(N_T为一个周内的时隙数量)

4.为了与FlashLinQ进行比较，我们下面举以具体例子来说明发明的优势。

带宽为1.4M，每秒抽取30个时隙作为可用的发现资源，每个时隙15个单频资源。这样每秒共有450的发现资源。

如图10所示，定义三种设备发现的场景：

a)设备稀疏场景：需要发现的设备大概在1800个左右，甚至更少

b)一般场景：需要发现的设备大概在3600个左右；

c)设备稠密场景：这个场景对应于大型集会的场合，如音乐会现场或者运动场，需要发现的设备数量为7200个左右；

相应的，我们设置了3种周期：

a)T1=4秒，共有1800个发现资源

b)T2=8秒，共有3600个发现资源c)T3=16秒，共有7200个发现资源

3种周期可以随着网络中UE的数量的变化自动切换，来减少冲突和碰撞的概率，提高资源的利用率和设备发现的速度和成功率。为了适应更多的场景，我们可以设置更多的周期，（如周期为1秒时，只有450个资源，以适应更为稀疏的场景）。因此，相较于FlashLinQ，我们的方法更灵活，可以适用于不同的应用场景。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种D2D通信系统中自主设备发现方法，发现资源由等间隔时隙资源和等间隔单频频率资源组成，时隙资源周期性出现，其特征在于，包括以下步骤：

UE在其他资源上接收其他UE发送的发现信号。

2.如权利要求1所述一种D2D通信系统中自主设备发现方法，其特征在于，所述时隙的选择进一步包括：当发现地点在基站可以覆盖的区域，UE从所有时隙上随机的选择一个时隙，且UE将选择好的时隙上报基站，基站协调选择情况，使得最后每个时隙上分配的UE数量大致相等。

3.如权利要求1所述一种D2D通信系统中自主设备发现方法，其特征在于，所述时隙的选择进一步包括：当发现地点在基站未覆盖的区域，UE从所有时隙上完全随机的选择一个时隙。

4.如权利要求1所述一种D2D通信系统中自主设备发现方法，其特征在于，所述频率的选择进一步包括：当发现地点在基站可以覆盖的区域，假设每个时隙上单频频率资源为N_F个，小时隙的个数为k，基站首先为前N_F个设备直接分配频率资源，这些设备将在t₀时刻开始发送信号，剩下的每个设备将分配到一个小时隙，假设UE的数量n≤N_F+k，设备将在该小时隙上检测整个带宽上所有N_F个单频上的能量，选择能量最小V_min的那个单频资源，并将其能量与阈值V_th比较。若V_min<V_th，则设备选择这个单频资源，并在该小时隙结束之前发送发现信号；若V_min>V_th，则表示设备本周期发送失败。

5.如权利要求1所述一种D2D通信系统中自主设备发现方法，其特征在于，所述频率的选择进一步包括：当发现地点在基站未覆盖的区域，假设每个时隙上单频频率资源为N_F个，小时隙的个数为k，，确定好时隙后，UE将从k个小时隙中随机选择一个，并在该小时隙上检测整个带宽上所有N_F个单频上的能量，若能量小于阈值V_th的单频资源的数量N_th≥4，设备将从N_th个资源中选择一个资源，作为发送资源；若N_th=3，设备将以一定的概率P₃从其中选择一个资源，以1-P₃的概率不选择资源，标志发送失败；若N_th=2，设备将以一定的概率P₂从其中选择一个资源，以1-P₂的概率不选择资源，标志发送失败；依此类推N_th=1时，相应的概率分别为P₁；若N_th=0，则UE发送失败。其中，0<P₁<P₂<P₃<1。