CN103580814A - 一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，该方法利用终端直通技术之间的短距离特性可以获得较好的信道，并且具有较低的衰落，省去了基站为其转发数据的开销，本发明提出了D2D终端协作通信，利用通信终端周边的空闲用户作为其辅助天线，构成虚拟MIMO发送Alamouti空时码获取分集增益；由于体积功耗的限制，实际的终端想要集成多个天线是个困扰的问题；D2D技术的出现使得终端可以利用周边的用户构成虚拟天线阵列，由于终端与周边空闲用户的距离较近，因此可以获得较好的信道，使得信号如同从同一终端发射；同时在接收端，利用周边空闲用户构成接收阵列可以进一步提升系统性能。

Description

一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法

技术领域

本发明涉及计算机通信技术领域，特别涉及一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法。 

背景技术

Device-to-Device（D2D）通信技术是两个用户在通信的过程中建立直接链路而不需要经过基站转发的一种通信方式。D2D通信可以减轻基站因转发数据带来的负担，并且可以使D2D通信用户复用小区内传统蜂窝用户资源来提高资源利用率，从而达到整个小区吞吐量的提升。D2D技术的提出带来新的问题：D2D通信需要建立在基站控制基础之上，主叫用户本身无法发现被叫用户，因此需要基站协助，并且基站对其进行合适的资源分配；在基站分配给D2D与蜂窝相同资源时，被复用蜂窝用户由于与D2D通信占用相同的资源(时间或频率)，使得这两种通信之间存在相互干扰；用户设备的体积功耗限制使D2D通信的距离不能太大。MIMO技术可以获得分集增益，将MIMO技术应用到D2D通信中是下一代通信技术研究的一个重要方向。但实际应用中，手机由于功耗体积等问题只适合配备单天线。利用协作方式将多个空闲用户设备做中继构成虚拟MIMO可以获得分集增益。我们研究了将多中继协作的两种不同方法应用到D2D通信中时的系统性能。 

为了解决D2D中的问题如用户设备的体积功耗限制使D2D通信的距离不能太大，由于距离的限制使得D2D通信可以应用的场景少，本发明利用了D2D通信的短距离将周边用户作为自身的虚拟天线，能够很好地解决上面的问题。 

发明内容

本发明目的在于提供了一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，该方法利用D2D链路构建虚拟MIMO获取空间分集，根据协作节点能力内考虑两种不同的协作方式，使其进一步增强了性能，本发明给出了实现虚拟MIMO的详细方法以及信令流程。 

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明提供了一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，该方法是一种在蜂窝用户与D2D用户共存时，通信用户利用D2D链路构建虚拟MIMO通信簇以获取分集增益。发明包括了D2D虚拟MIMO建立信令流程，给出了在蜂窝系统下构建虚拟MIMO的实现方案。根据协作用户不同位置，对两种不同协作模式进行了分析，具有实际价值。 

蜂窝系统下基于D2D的虚拟MIMO通信建立的方法流程如下： 

步骤一：S向基站发起寻呼D的消息； 

步骤二：基站发现S、D位于同一区域（小区），基站广播D2D探测命令； 

步骤三：S广播D2D探测信令，D根据接收信号强弱反馈给S（假设Qos介于某个范围内，范围需要计算，不能满足条件）； 

步骤四：S周围空闲节点在S广播探测信号期间监听，判断是否能够作为S的协作节点，类似D周围空闲节点在D反馈信号期间监听； 

步骤五：当S、D发起协作请求信令时，最优空闲节点将会在簇内反馈接受请求信息； 

步骤六：S、D向基站发起D2D资源请求信息，基站根据情况分配合适的信道； 

步骤七：簇内建立同步并开始D2D通信。 

其中，本发明所述方法是利用D2D通信的短距离可靠特性将距离较近的用户构成虚拟MIMO阵列来获得分集增益的性能，通信分为三个阶段：(1)发送协作；(2)簇间通信；(3)接收协作。本发明根据发送簇能否解码分为解码转发（DF）及放大转发（AF）空时编码方法。 

本发明根据接收簇内对实际信号的接收情况的三种不同处理方式：(1)目的端正确解码，不需要协作；(2)目的端不能正确解码，协作端正确解码，则协作端将解码信号发送给目的端；(3)协作簇内均不能正确解码，则协作端将接收到的信号采用放大转发在目的端最大比合并。 

有益效果： 

1、本发明使得单个终端因体积功耗限制不能集成多天线的问题得到很好地解决，单个终端在协作用户的帮助下具备了多天线性能。 

2、本发明单天线设备具备了MIMO通信能力，对于提升因单个设备能力有很大地帮助，可以扩展下一代通信的业务。 

附图说明

图1为本发明虚拟MIMO通信模型图。 

图2为本发明Alamouti虚拟MIMO场景图。 

图3为本发明LTE下采用虚拟MIMO通信的信令流程图。 

图4为本发明理想的协作区域划分图。 

图5为本发明协作节点分布不同位置时目的端信噪比分布图。 

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明专利作进一步的详细说明。 

实施例一 

如图3所示，本发明提供了一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，该方法是一种在蜂窝用户与D2D用户共存时，通信用户利用D2D链路构建虚拟MIMO通信簇以获取分集 增益。发明包括了D2D虚拟MIMO建立信令流程，给出了在蜂窝系统下构建虚拟MIMO的实现方案。根据协作用户不同位置，对两种不同协作模式进行了分析，具有实际价值。 

蜂窝系统下基于D2D的虚拟MIMO通信建立的方法流程如下： 

步骤一：S向基站发起寻呼D的消息； 

步骤二：基站发现S、D位于同一区域（小区），基站广播D2D探测命令； 

步骤三：S广播D2D探测信令，D根据接收信号强弱反馈给S（假设Qos介于某个范围内，范围需要计算，不能满足条件）； 

步骤四：S周围空闲节点在S广播探测信号期间监听，判断是否能够作为S的协作节点，类似D周围空闲节点在D反馈信号期间监听； 

步骤五：当S、D发起协作请求信令时，最优空闲节点将会在簇内反馈接受请求信息； 

步骤六：S、D向基站发起D2D资源请求信息，基站根据情况分配合适的信道； 

步骤七：簇内建立同步并开始D2D通信。 

其中，本发明所述方法是利用D2D通信的短距离可靠特性将距离较近的用户构成虚拟MIMO阵列来获得分集增益的性能，通信分为三个阶段：(1)发送协作；(2)簇间通信；(3)接收协作。本发明根据发送簇能否解码分为解码转发（DF）及放大转发（AF）空时编码方法。 

本发明根据接收簇内对实际信号的接收情况的三种不同处理方式：(1)目的端正确解码，不需要协作；(2)目的端不能正确解码，协作端正确解码，则协作端将解码信号发送给目的端；(3)协作簇内均不能正确解码，则协作端将接收到的信号采用放大转发在目的端最大比合并。 

实施例二 

1、D2D虚拟MIMO模型 

图1为虚拟MIMO通信模型，图中S为会话请求方，D为目的方。S，D想要建立会话连接，但两者之间的直接链路不能满足通信要求（但是距离目标值差距不大）。在S，D的周围存在若干空闲用户。S与近距离空闲用户S1，S2……Sn构成发送虚天线阵列，我们称为发送簇，D与D1，D2……Dn构成接收天线阵列，接收簇。发送簇复用蜂窝用户C-UE1的资源，接收簇复用蜂窝用户C-UE2的资源。接收簇与发送簇使用专用的资源以减少干扰。 

2、簇间通信 

2.1基于解码的Alamouti虚拟MIMO通信 

收发簇之间采用正交的空时编码进行通信。我们对最简单的两发两收Alamouti收发方法进行研究,如图2所示，假设发送簇由S、S1构成，接收簇由D、D1构成。 

通信分为3个阶段： 

第一阶段，发送协作。S将要发的信息[s0,s1]发给协作节点S1。 

y₁＝h_ss1[s₀,s₁]+h_c1s_c1+n₀；(1) 

S1对其进行解码，S1端信噪比为 

${\mathrm{\γ}}_{s1}=\frac{{\left|h_{\mathrm{ss}1}\right|}^2{P}_{D2D_1}}{{\left|h_{c1}\right|}^2{P}_{c1}+N_0};---\left(2\right)$

第二阶段，簇间通信。S跟S1建立同步后向目的簇按照Almouti空时编码发信息。 

Alamouti空时编码如表2所示，发送分两个时隙。 

第三阶段，接收协作。D和D1单独解码， 

(1)若D能解码，则不需要D1的辅助， 

(2)若D解码失败，D1会将解码信号发给D， 

y_D＝h_D1D[s₀,s₁]+h_c2s_c2+n₀；(3) 

${\mathrm{\γ}}_D=\frac{{\left|h_{D1D}\right|}^2{P}_{D2D_2}}{{\left|h_{c2}\right|}^2{P}_{c2}+N_0};---\left(4\right)$

(3)若两者解码均失败，则D1将接收信号以AF方式转发给D，在D端进行最大比合并。 

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2=\frac{({\left|h_0\right|}^2+{\left|h_1\right|}^2)P_s}{N_0}+\frac{P_{D2D_2}{\left|h_{\mathrm{DD}1}\right|}^4{P}_s}{(\frac{N_0}{{\left|h_2\right|}^2+{\left|h_3\right|}^2}+P_s)(\frac{P_{{D2D}_2}{\left|h_{\mathrm{DD}1}\right|}^4{N}_0}{N_0+P_s({\left|h_2\right|}^2+{\left|h_3\right|}^2)}+{\left|h_{\mathrm{DD}1}\right|}^2(N_d+P_{c_2}{\left|h_{c_2}\right|}^2))};---\left(5\right)$

其中，r₀=h₀s₀+h₁s₁+n₀

$r_1=-h_0{s}_1^{*}+h_1{s}_0^{*}+n_1$

r₂=h₂s₀+h₃s₁+n₂       

$r_3={-h}_2{s}_1^{*}+h_3{s}_0^{*}+n_3$

在D端，解码信号 

${\tilde{s}}_0=h_0^{*}{r}_0+h_1{r}_1^{*}$

${\tilde{s}}_1=h_1^{*}{r}_0+h_0{r}_1^{*}$

在D1端类似。 

2.2基于放大转发的虚拟MIMO通信 

本发明上述是基于解码转发的虚拟MIMO通信方式以及在目的端合并的改进方法，当发 射簇协作节点无法解码时，如协作节点接收端信噪比小于解码门限，则采用DF方式无法工作。本发明采用AF方式的Alamoti空时虚拟MIMO通信。 

图4和图5显示了发射簇协作方式区域划分。在中心区域内，由于协作节点距离源节点较近，信道相对较好，因此能够正确解码。在外围紫色圆环区域，节点信道相对中心区域较弱，只能采用放大转发方式协助S构成虚拟MIMO。 

AF虚拟MIMO通信方式分为三个阶段 

第一阶段，发送协作。S将要发的信息[s1,s0*]发给协作节点S1。这一阶段S发射功率为PD2D1。 $y_{s1}=h_{\mathrm{ss}1}[s_1,s_0^{*}]+h_{c1}{s}_{c1}+n_0;$

由于在S1处信噪比较低

小于解码门限，或因协作节点能力限制，不具备解码功能。 

第二阶段，簇间通信。 

将s1端接收信号写为： $\begin{array}{c}{y}_0=h_{\mathrm{ss}1}{s}_1+h_{c1}{s}_{c1}+n_0\\ y_1=h_{\mathrm{ss}1}{s}_0^{*}+h_{c1}{s}_{c1}+n_0\end{array};$ 通信过程如下表。 

其中α为放大因子 $\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{sc}}}{P_{D2D_1{\left|h_{\mathrm{ssc}}\right|}^2+P_{c1}{\left|h_{c1}\right|}^2+N_0}}};$

目的端接收见表3。其中 

r₀=h₀s₀+h₁αy₀+n₀； 

$r_1=-h_0{s}_1^{*}+h_1{\mathrm{\αy}}_1+n_1;$

r₂=h₂s₀+h₃αy₀+n₂；     

$r_3=-h_2{s}_1^{*}+h_3{\mathrm{\αy}}_1+n_3.$

在D端，解码信号 

${\tilde{s}}_0=h_0^{*}{r}_0+{\mathrm{\αh}}_1{h}_{\mathrm{ssc}}{r}_1^{*}$

${\tilde{s}}_1=h_1^{*}{r}_0-\mathrm{\α}{h}_0{h}_{\mathrm{ssc}}{r}_1^{*}$

目的端信噪比为 

${\mathrm{\γ}}_D=\frac{{({\mathrm{\α}}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_{\mathrm{ssc}}\right|}^2+{\left|h_0\right|}^2)}^2{P}_s}{({\mathrm{\α}}^2{\left|h_0\right|}^2{\left|h_1\right|}^2{\left|h_{c1}\right|}^2+{\mathrm{\α}}^4{\left|h_1\right|}^4{\left|h_{\mathrm{ssc}}\right|}^2)P_{c1}+N};$

N＝α²|h₀|²|h₁|²N₀+α⁴|h1|⁴|h_ssc|²N1+|h₀|²N₂+α²|h₁|²|h_ssc|²N₃。 

如图4和图5所示，中间红色区域采用DF协作方式，外围蓝色区域采用AF协作方式。DF明显优于AF，但因为外围区域距离源节点较远，只能采用AF协作。在选择协作节点时，应当从近端开始选择，尽可能使用DF协作方式进行通信。在无法采用DF方式时，从靠近目的端一侧方向选择协作节点。图中可见AF方式存在三个区域。色块亮的区域，目的端信噪比越大。 

本发明涉及到的附表包括： 

资源1	C-UE1，发送簇
		资源2	C-UE2，接收簇
资源3	簇间通信

表1：频谱资源使用 

	终端S	终端S1
			时隙t	s0	s1
时隙t+T	-s1*	s0*

表2：Alamouti空时编码 

	终端D	终端D1
			时隙t	r0	r2
时隙t+T	r1	r3

表3：目的簇接收信号 

	终端S	终端S1
			时隙t	s0	αy0
时隙t+T	-s1*	αy1

表4：Alamouti空时编码。 

Claims (9)

1.一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法,其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一：S向基站发起寻呼D的消息；

步骤二：基站发现S、D位于同一区域，基站广播D2D探测命令；

步骤三：S广播D2D探测信令，D根据接收信号强弱反馈给S；

步骤四：S周围空闲节点在S广播探测信号期间监听，判断是否能够作为S的协作节点，类似D周围空闲节点在D反馈信号期间监听；

步骤五：当S、D发起协作请求信令时，最优空闲节点将会在簇内反馈接受请求信息；

步骤六：S、D向基站发起D2D资源请求信息，基站根据情况分配合适的信道；

步骤七：簇内建立同步并开始D2D通信。

2.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，其特征在于：所述方法步骤二中的同一区域为小区。

3.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，其特征在于：所述方法的步骤三包括：假设Qos介于某个范围内，范围需要计算，不能满足条件。

4.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，其特征在于：所述方法是蜂窝系统下基于D2D的虚拟MIMO通信方法。

5.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，其特征在于：所述方法是一种蜂窝用户与D2D用户共存的方法。

6.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，其特征在于，所述方法是利用D2D通信的短距离将距离较近的用户构成虚拟MIMO阵列。

7.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，其特征在于，所述方法的通信三个阶段为：(1)发送协作；(2)簇间通信；(3)接收协作。

8.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，其特征在于：所述方法根据发送簇能否解码分为解码转发及放大转发空时编码。

9.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通的虚拟多入多出通信方法，其特征在于，所述方法根据接收簇内对实际信号的接收情况的三种不同处理方式为：(1)目的端正确解码，不需要协作；(2)目的端不能正确解码，协作端正确解码，则协作端将解码信号发送给目的端；(3)协作簇内均不能正确解码，则协作端将接收到的信号采用放大转发在目的端最大比合并。

Images