CN103596241B - 一种基于终端直通通信的单中继通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于终端直通通信的单中继通信方法，该方法是通过中继自适应分等级，在宽带蜂窝移动通信系统中，一对蜂窝用户要进行终端直通，由于他们之间距离超过D2D通信有效距离，或者他们之间信道链路质量达不到要求，介于小区内存在大量的空闲的UE用户，利用空闲移动终端作为中继，协助一对蜂窝用户进行D2D通信；一对终端直通蜂窝用户的发端记为D2D_T，接收端记为D2DR，中继记为RUE；当D2DT和RUE进行通信时，D2DT复用小区中蜂窝用户和基站通信的频率资源，这时D2D_T和R_UE构成了一对D2D通信；当RUE和D2D_T进行通信时，RUE也复用蜂窝小区用户和基站通信的频率资源，这时R_UE和D2D_T构成一对D2D通信；D2D中继通信是把一对想要进行D2D通信的蜂窝用户分成两对D2D通信，是D2D_T‑R_UE和R_UE‑D2DR。

Description

一种基于终端直通通信的单中继通信方法

技术领域

本发明涉及计算机无线通信技术领域，特别涉及一种基于终端直通通信的单中继通信方法。

背景技术

蜂窝移动通信终端直通技术（D2D,Device-to-Device）是近几年移动通信领域新兴的一个研究课题。在传统的蜂窝移动通信系统中，两个移动终端之间的通信必须要通过基站的调度，通过基站处的调度器分配频谱资源和信道来进行通信。在引入D2D技术之后，系统中两个移动终端如果想要通信，未必就是通过基站转发而通信。D2D技术是一种终端到终端直通的通信方式，它被提出可以作为LTE系统的辅助通信方式，即可能在将来的移动通信系统下，大部分移动用户通过基站转发的方式通信，少量满足特定条件的移动用户通过终端直通的方式通信。

D2D通信技术的核心思想是，当两个移动终端距离很近时，它们可以直接通信，而不必经过基站的上下行链路转发通信。直通链路选择本小区里此刻空闲的其他蜂窝用户的资源，通过复用蜂窝用户的频谱资源实现终端直接通信。D2D直通适用于当两个移动终端距离较近且需要传输大量的视频流、媒体在线或者文件共享等情况，这类大容量内容下载如果可以直接通过D2D进行会避免造成基站的拥塞。

D2D通信作为蜂窝网络的补充，在某些通信场景下使得移动通信变得更高效、更方便。对于下一代蜂窝网络的通信需求，D2D通信的优势显而易见。随着D2D通信技术的进一步研究和深入，本发明相信它为蜂窝网络带来的性能改善将能更有效的促进满足未来LTE系统的需求，因此D2D通信技术的研究有着深远的意义。

但是，当有多对D2D用户要用中继来协作通信时，如何让每对D2D用户尽可能的选择到合适的中继，成为了亟待解决的重要问题。而本发明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通信的单中继通信方法，该方法是通过中继进行自适应分等级，解决了改善每对D2D用户都能选到适合中继的问题。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：在宽带蜂窝移动通信系统（IMT-Advanced）中，一对蜂窝用户要进行终端直通，但是由于他们之间的距离超过D2D通信的有效距离，或者他们之间的信道链路质量达不到要求，介于小区内存在大量的空闲的UE用户，利用空闲移动终端作为中继，协助一对蜂窝用户进行D2D通信。一对终端直通蜂窝用户的发端记为D2D_T，接收端记为D2D_R，中继记为R_UE。当D2D_T和R_UE进行通信时，D2D_T复用小区中蜂窝用户和基站通信的频率资源，这时D2D_T和R_UE构成了一对D2D通信；当R_UE和D2D_T进行通信时，R_UE也复用蜂窝小区用户和基站通信的频率资源（和D1的频率资源相同），这时R_UE和D2D_T构成一对D2D通信。D2D中继通信也就是把一对想要进行D2D通信的蜂窝用户分成两对D2D通信，是D2D_T-R_UE和R_UE-D2D_R。

方法流程：

本发明提供了一种基于终端直通通信的单中继通信方法，该方法为基于蜂窝系统的单中继实现方法，其包括如下步骤：

蜂窝系统下多中继通信建立流程如下（如图2所示）：

步骤一：用户D1欲与用户D2发起通信，向基站发出会话请求，基站接收到用户D1的信号，发出应答信号，并开始搜索用户D2的位置。

步骤二：基站搜索到用户D2的位置，开始判断用户D1与用户D2之间是否满足D2D通信的条件，若满足则采用D2D通信模式，用户D1和用户D2开始D2D通信。

步骤三：当用户D1与用户D2不满足D2D通信条件时，判断他们之间的通信是否满足速率的要求，如果满足就采用传统蜂窝模式通信；如果不满足，则采用中继辅助的方法来通信。

步骤四：若需要，源端广播RTS（Ready to send）信息，目的端广播CTS（Clear tosend），周围的空闲用户作为中继，根据接收到的信号RTS、CTS，报告给基站，基站决定参与中继的空闲用户。

步骤五：当确定参与通信的中继为R时，首先用户D1向中继R进发送信息，这时用户D1和中继R进行D2D单向通信，中继R接收到信息后再与用户D2进行D2D单向通信；当D2接收到信息后，再发送信息给中继R，中继R在把信息发送给用户D1。

步骤六：用户D1和D2确认通信过程完成，分别向基站发出结束会话的请求，基站然后结束中继R的工作状态，整个会话过程结束。

本发明上述步骤五中存在中继竞争时采用以下中继分配方法，当在通信密集场所，基站为中继请求的D2D通信用户分配合适的中继，分配方式基于将同时被多对D2D通信请求的空闲中继用户进行再次分配，分配的过程中，根据实际D2D通信需求的速率对中继进行自适应分配，选取中继的标准是：C^af或C^df≥C^th，其包括如下步骤：

步骤一：首先计算一对D2D用户之间的距离是否小于D2D通信的有效距离和它们之间的链路质量是否达到要求，如果其中一个不满足，那么就采用中继来协作它们通信。

步骤二：如果使用中继来协作通信，那么首先确定中继的通信模式。

步骤三：如果中继采用AF模式来通信，通过比较可以得出m的大小，最后从该等级中选择最优的中继来协作通信。

步骤四：如果中继采用DF模式来通信，通过比较可以得出m的大小，最后从该等级中选择最优的中继来协作通信。

有益效果：

1、本发明有效的提高了D2D总系统的速率和减少了D2D总系统的中断概率。

2、本发明可以减少多对D2D选择四周中继时的碰撞概率。

3、本发明可以合理和有效的利用中继资源。

附图说明

图1是本发明的基于中继的D2D通信原理图。

图2是本发明采用单中继的D2D通信流程图。

图3是本发明采用自适应分等级的选择中继流程图。

图4为本发明建立模型的示意图。

图5为DF模式时总速率随中继位置的变化仿真图。

图6为AF模式时总速率随中继位置的变化仿真图。

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4所示，本发明建立的模型中有K对D2D用户，和在其周围分布L个中继。每个D2D用户和蜂窝用户的天线数为M，中继的天线数为N，基站的接受天线数为I。

则D2D系统的接收端信号公式为：

第一时隙： $\begin{array}{c}{y}_{T_i{R}_j}=H_{D_i{R}_j}{x}_{T_i}+H_{C_i{R}_j}{x}_{C_i}+n_{R_j}\\ y_{T_i{D}_i}=H_{D_i{D}_i}{x}_{T_i}+H_{C_i{D}_i}{x}_{C_i}+n_{D_i}\end{array}---\left(1\right)$

第二时隙： $y_{R_j{D}_i}=H_{R_j{D}_i}{x}_{R_j}+H_{C_i{D}_i}{x}_{C_i}+n_{D_i}---\left(2\right)$

基站接收到的信号为： $y_{C_{i}B}=H_{C_{i}B}{x}_{C_i}+H_{R_{j}B}{x}_{R_j}+H_{T_{i}B}{x}_{T_i}+n_B---\left(3\right)$

其中i∈{1,2....K},j∈{1,2....L}。当中继采用AF模式时：当中继采用DF模式时，中继能正确解码。

由(1)、(2)、(3)可以得出D2D系统和蜂窝系统的速率公式，如下：

$C_{T_i{D}_i}=\log 2\left[\det (I_M+\frac{P_{T_i}}{M}{H}_{T_i{D}_i}^H{R}_{T_i{D}_i}^{-1}{H}_{T_i{D}_i})\right]$

$C^{\mathrm{af}}=\frac{1}{2}\log 2\left[\det (I_M+\frac{P_{T_i}}{M}{\left(H_{R_j{D}_i}{\mathrm{FH}}_{T_i{R}_j}\right)}^H{R}_{T_i{R}_j{D}_i}^{-1}\left(H_{R_j{D}_i}{\mathrm{FH}}_{T_i{R}_j}\right))\right]$

$C_{T_i{R}_j}=\log 2\left[\det (I_N+\frac{P_{T_i}}{M}{H}_{T_i{R}_j}^H{R}_{T_i{R}_j}^{-1}{H}_{T_i{R}_j})\right]---\left(4\right)$

$C_{R_j{D}_i}=\log 2\left[\det (I_M+\frac{P_{R_j}}{M}{H}_{R_j{D}_i}^H{R}_{R_j{D}_i}^{-1}{H}_{R_j{D}_i})\right]$

$C^{\mathrm{df}}=\frac{1}{2}\min (C_{T_i{R}_j},C_{R_j{D}_i})$

$C_{C_{i}B}=\log 2\left[\det (I_I+\frac{P_{C_i}}{M}{H}_{C_{i}B}^H{R}_{C_{i}B}^{-1}{H}_{C_{i}B})\right]$

其中，

$R_{T_i{D}_i}=\frac{P_{C_i}}{M}{H}_{C_i{D}_i}{H}_{C_i{D}_i}^H+{\mathrm{\σ}}^2{I}_M$

$R_{T_i{R}_j{D}_i}=\frac{P_{C_i}}{M}(\left(H_{R_j{D}_i}{\mathrm{FH}}_{C_i{R}_j}\right){\left(H_{R_j{D}_i}{\mathrm{FH}}_{C_i{R}_j}\right)}^H+H_{C_i{D}_i}{H}_{C_i{D}_i}^H)+{\mathrm{\σ}}^2(H_{R_j{D}_i}F{\left(H_{R_j{D}_i}F\right)}^H+I_M)$

$R_{T_i{R}_j}=\frac{P_{C_i}}{M}{H}_{C_i{R}_j}{H}_{C_i{R}_j}^H+{\mathrm{\σ}}^2{I}_N,R_{R_j{D}_i}=\frac{P_{C_i}}{M}{H}_{R_j{D}_i}{H}_{R_j{D}_i}^H+{\mathrm{\σ}}^2{I}_M$

$R_{C_{i}B}=\frac{P_{T_i}}{M}{H}_{T_{i}B}{H}_{T_{i}B}^H+\frac{P_{R_j}}{M}{H}_{R_{j}B}{H}_{R_{j}B}^H+{\mathrm{\σ}}^2{I}_I$

如图5和图6所示，本发明在计算系统总速率（C_D-R-D+C_CB）前提下，来分析中继的位置对系统总速率的影响。本发明通过仿真后可以得出随着天线数的增大，中继AF模式的系统总速率分布趋于圆，中继DF模式的系统总速率分布趋于椭圆。

中继自适应分等级的方案：

假设节点D2D_T的坐标为节点D2D_R的坐标为中继节点R的坐标为节点D2D_T和节点D2D_R之间的中点坐标为首先确定候选中继的区域，这里假设区域是圆心为半径为的圆。当该区域没有中继时，则不进行协同通信。其次，对上述区域进行分级。

一、中继AF模式的分等级方法

中继AF模式的分等级的步骤如下：

步骤1：把圆形的中继区域分成M1等级。

步骤2：等级1的区域是半径为ρ¹的圆内；等级2的区域是半径为ρ²和ρ¹的圆环内......等级M1的区域是半径为ρ^M1和ρ^M1-1的圆环内。

步骤3：根据中继AF模式时速率随中继位置变化的图可以得出圆半径的大小，如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}^m=\frac{m}{2M1}{d}_{T_i{D}_i},m=\mathrm{1,2},...,M1\\ {\mathrm{\ρ}}^m=0,m=0\end{array}\right.$

步骤4：根据步骤2和3来求解每个等级的总速率范围，可以得出：

$\left.\begin{array}{c}{d}_{T_i{R}_j}=\frac{d_{T_i{D}_i}}{2}+{\mathrm{\ρ}}^{m-1}\\ d_{R_j{D}_i}=\frac{d_{T_i{D}_i}}{2}-{\mathrm{\ρ}}^{m-1}\end{array}\right\}\⇒C_{\mathrm{AF}-\mathrm{ub}}^m$ $\left.\begin{array}{c}{d}_{T_i{R}_j}=\frac{d_{T_i{D}_i}}{2}+{\mathrm{\ρ}}^m\\ d_{R_j{D}_i}=\frac{d_{T_i{D}_i}}{2}-{\mathrm{\ρ}}^m\end{array}\right\}\⇒C_{\mathrm{AF}-\mathrm{lb}}^m$

二、中继DF模式的分等级方法

中继DF模式的分等级的步骤如下：

步骤1：把圆形的中继区域分成M1等级。

步骤2：等级1的区域是横长为a¹的椭圆内；等级2的区域是横长为a²和a¹的椭圆环内.....等级M1的区域是横长为a^M1和a^M1-1的椭圆环内。

步骤3：根据中继DF模式时速率随中继位置变化的图可以得出椭圆的横长和竖长的大小，如下：

$\left\{\begin{array}{c}{a}^m=\frac{m}{2M1}{d}_{S_i{D}_i},m=\mathrm{1,2},...,M1\\ a^m=0,m=0\\ b^m=\frac{a^m}{2}\end{array}\right.$

步骤4：根据上述步骤2和3来求解每个等级的总速率范围，可以得出：

$\left.\begin{array}{c}{d}_{T_i{R}_j}=\frac{d_{T_i{D}_i}}{2}-a^{m-1}\\ d_{R_j{D}_i}=\frac{d_{T_i{D}_i}}{2}+a^{m-1}\end{array}\right\}\⇒C_{\mathrm{DF}-\mathrm{ub}}^m$ $\left.\begin{array}{c}{d}_{T_i{R}_j}=\frac{d_{T_i{D}_i}}{2}-a^m\\ d_{R_j{D}_i}=\frac{d_{T_i{D}_i}}{2}+a^m\end{array}\right\}\⇒C_{\mathrm{DF}-\mathrm{lb}}^m$

三、采用中继自适应分级的D2D中继通信流程

本发明选取中继的标准是：C^af或C^df≥C^th。但是为了避免用户选择中继时产生冲突，本发明一般选择最适合的中继来通信；本发明采用中继分级的D2D中继通信流程如下：

步骤1：首先计算一对D2D用户之间的距离是否小于D2D通信的有效距离和它们之间的链路质量是否达到要求，如果其中一个不满足，那么就采用中继来协作它们通信。

步骤2：如果使用中继来协作通信，那么首先确定中继的通信模式。

步骤3：如果中继采用AF模式来通信，通过比较可以得出m的大小，最后从该等级中选择最优的中继来协作通信。

步骤4：如果中继采用DF模式来通信，通过比较可以得出m的大小，最后从该等级中选择最优的中继来协作通信。

实施例二

如图4所示，本发明是在宽带蜂窝移动通信系统（IMT-Advanced）中，一对蜂窝用户要进行终端直通，但是由于他们之间的距离超过D2D通信的有效距离，或者他们之间的信道链路质量达不到要求，介于小区内存在大量的空闲的UE用户，利用空闲移动终端作为中继，协助一对蜂窝用户进行D2D通信。一对终端直通蜂窝用户的发端记为D2D_T，接收端记为D2D_R，中继记为R_UE。当D2D_T和R_UE进行通信时，D2D_T复用小区中蜂窝用户和基站通信的频率资源，这时D2D_T和R_UE构成了一对D2D通信；当R_UE和D2D_T进行通信时，R_UE也复用蜂窝小区用户和基站通信的频率资源（和D1的频率资源相同），这时R_UE和D2D_T构成一对D2D通信。D2D中继通信也就是把一对想要进行D2D通信的蜂窝用户分成两对D2D通信，是D2D_T-R_UE和R_UE-D2D_R。

方法流程：

如图2所示，本发明提供了一种基于终端直通通信的单中继通信方法，该方法为基于蜂窝系统的单中继实现方法，其包括如下步骤：

步骤一：用户D1欲与用户D2发起通信，向基站发出会话请求，基站接收到用户D1的信号，发出应答信号，并开始搜索用户D2的位置。

步骤二：基站搜索到用户D2的位置，开始判断用户D1与用户D2之间是否满足D2D通信的条件，若满足则采用D2D通信模式，用户D1和用户D2开始D2D通信。

步骤三：当用户D1与用户D2不满足D2D通信条件时，判断他们之间的通信是否满足速率的要求，如果满足就采用传统蜂窝模式通信；如果不满足，则采用中继辅助的方法来通信。

步骤四：若需要，源端广播RTS（Ready to send）信息，目的端广播CTS（Clear tosend），周围的空闲用户作为中继，根据接收到的信号RTS、CTS，报告给基站，基站决定参与中继的空闲用户。

步骤五：当确定参与通信的中继为R时，首先用户D1向中继R进发送信息，这时用户D1和中继R进行D2D单向通信，中继R接收到信息后再与用户D2进行D2D单向通信；当D2接收到信息后，再发送信息给中继R，中继R在把信息发送给用户D1。

步骤六：用户D1和D2确认通信过程完成，分别向基站发出结束会话的请求，基站然后结束中继R的工作状态，整个会话过程结束。

本发明上述步骤五中存在中继竞争时采用以下中继分配方法，当在通信密集场所，基站为中继请求的D2D通信用户分配合适的中继，分配方式基于将同时被多对D2D通信请求的空闲中继用户进行再次分配，分配的过程中，根据实际D2D通信需求的速率对中继进行自适应分配，选取中继的标准是：C^af或C^df≥C^th，其包括如下步骤：

步骤一：首先计算一对D2D用户之间的距离是否小于D2D通信的有效距离和它们之间的链路质量是否达到要求，如果其中一个不满足，那么就采用中继来协作它们通信。

步骤二：如果使用中继来协作通信，那么首先确定中继的通信模式。

步骤三：如果中继采用AF模式来通信，通过比较可以得出m的大小，最后从该等级中选择最优的中继来协作通信。

步骤四：如果中继采用DF模式来通信，通过比较可以得出m的大小，最后从该等级中选择最优的中继来协作通信。

Claims (5)

1.一种基于终端直通通信的单中继通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：用户D1欲与用户D2发起通信，向基站发出会话请求，基站接收到用户D1的信号，发出应答信号，并开始搜索用户D2的位置；

步骤二：基站搜索到用户D2的位置，开始判断用户D1与用户D2之间是否满足D2D通信的条件，若满足则采用D2D通信模式，用户D1和用户D2开始D2D通信；

步骤三：当用户D1与用户D2不满足D2D通信条件时，判断他们之间的通信是否满足速率的要求，如果满足就采用传统蜂窝模式通信；如果不满足，则采用中继辅助的方法来通信；

步骤四：若需要，源端广播RTS(Ready to send)信息，目的端广播CTS(Clear tosend)，周围的空闲用户作为中继，根据接收到的信号RTS、CTS，报告给基站，基站决定参与中继的空闲用户；

步骤五：当确定参与通信的中继为R时，首先用户D1向中继R发送信息，这时用户D1和中继R进行D2D单向通信，中继R接收到信息后再与用户D2进行D2D单向通信；当D2接收到信息后，再发送信息给中继R，中继R把信息发送给用户D1；

步骤六：用户D1和D2确认通信过程完成，分别向基站发出结束会话的请求，基站然后结束中继R的工作状态，整个会话过程结束；

所述方法的步骤五中存在中继竞争时，采用以下中继分配方法，当在通信密集场所，基站为中继请求的D2D通信用户分配合适的中继，分配方式基于将同时被多对D2D通信请求的空闲中继用户进行再次分配，分配的过程中，根据实际D2D通信需求的速率对中继进行自适应分配，选取中继的标准是：C^af或C^df≥C^th，所述中继分配方法包括如下步骤：

步骤一：首先计算一对D2D用户之间的距离是否小于D2D通信的有效距离和它们之间的链路质量是否达到要求，如果其中一个不满足，那么就采用中继来协作它们通信；

步骤二：如果使用中继来协作通信，那么首先确定中继的通信模式；

步骤三：如果中继采用AF模式来通信，通过比较得出m的大小，最后从该等级中选择最优的中继来协作通信；

步骤四：如果中继采用DF模式来通信，通过比较得出m的大小，最后从该等级中选择最优的中继来协作通信；其中C^af表示中继采用AF模式来通信时的速率；C^df表示中继采用DF模式来通信时的速率；C^th表示中继通信系统的门限速率；表示共同构成中继采用AF模式来通信时第m等级的总速率范围；表示共同构成中继采用DF模式来通信时第m等级的总速率范围；m表示中继区域等级数。

2.根据权利要求1所述的一种基于终端直通通信的单中继通信方法，其特征在于：所述方法为基于蜂窝系统的单中继实现方法。

3.根据权利要求1所述的一种基于终端直通通信的单中继通信方法，其特征在于：所述方法根据中继的通信方式，分为中继AF模式的分等级方法和中继DF模式的分等级方法。

4.根据权利要求1所述的一种基于终端直通通信的单中继通信方法，其特征在于：中继AF模式的分等级方法是根据系统速率随中继位置呈圆形来分等级，最终得到中继每个等级区域的速率范围，然后根据需求的速率来选择中继。

5.根据权利要求1所述的一种基于终端直通通信的单中继通信方法，其特征在于：中继DF模式的分等级方法是根据系统速率随中继位置呈椭圆形来分等级，最终得到中继每个等级区域的速率范围，然后根据需求的速率来选择中继。