CN103607750A - 下一代蜂窝系统中基于终端直通通信的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

在下一代蜂窝网络中与D2D共存网络中使用中继技术能够降低系统功耗、提高系统容量、提高D2D通信的可靠性以及减小基站通信负担，而中继选择方法对系统的整体性能会造成较大影响。在D2D直通链路信道状况随着用户位置、传输特性发生变化时，为了保障通信不发生间断，引入中继链路进行转接。根据链路可靠性限制条件、共存干扰限制条件以及发射功率限制条件等限制触发中继模式，根据距离限制初步判断，然后按照选择域分级次序逐级选择，最优化系统容量性能或者功耗性能，完成中继选择过程。

Description

下一代蜂窝系统中基于终端直通通信的中继选择方法

技术领域

本发明利用了下一代蜂窝系统中使用终端直通通信技术时对频谱利用时的空间分隔性，通过考虑不同距离下直通用户复用蜂窝用户频谱资源对蜂窝系统造成的聚合干扰，利用下一代蜂窝系统中用户地理位置可知性，通过各用户的半分布式协作方式简化系统内整体信令交互，适用于共存系统。

背景技术

D2D（Device-to-Device）通信，即终端直通通信，是一种在系统控制下允许邻近的终端在近距离范围内使用蜂窝频谱资源通过直连链路进行数据传输的新型技术。在蜂窝系统中使用D2D通信技术时，蜂窝通信网络与D2D通信网络构成了混合网络，系统中不仅存在传统的蜂窝基站、蜂窝用户，也存在进行的直连和转接的D2D用户，这种网络的融合已经引起了广泛的关注和研究，如Mesh网中的兼容和通信流程等研究。

在蜂窝通信与D2D直通通信共存的网络中，随着用户位置、传输特性的变化，需要通信的D2D对之间的信道增益也随时在发生变化。如果在已经建立连接的D2D对完成通信之前，信道衰落无法满足系统通信速率的需求，那么为了保障通信不发生间断，需要进行一定的处理。一种解决的思路是通过D2D通信的模式切换，将用户由D2D直接通信模式切换到蜂窝模式，再为上下行链路各自进行资源分配，但是这种方法会给基站带来一定额外负担，在负荷较重时会造成通信的中断，而额外的信令交互会给通信双方造成一定的时延，影响系统性能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种下一代蜂窝系统中基于终端直通通信的中继选择方法，使得系统能尽量保证D2D用户服务不发生中断的同时减少对蜂窝系统用户通信的影响降低给基站造成的负担。

技术方案：本发明是一种下一代蜂窝系统中基于终端直通通信的中继选择方法，终端直通链路信道状况随着用户位置、传输特性发生变化时,为了保障通信不发生间断，引入中继链路进行转接，根据链路可靠性限制条件、共存干扰限制条件以及发射功率限制条件的限制，不满足链路传输需求的源通信节点向基站eNodeB发送中继通信模式请求并进行通信模式切换相关的信令交互，从而触发中继通信模式，源通信节点根据链路性能计算出相应的距离限制，通过终端计算出相应的服务质量QoS保障的区域，简称为通信域；先筛选出通信域中的节点作为候选中继节点，从而降低候选中继节点数目；然后在通信域中，根据链路质量计算出选择域分级次序，在广播中继选择参考信号时，备选中继节点按照A₁到A₂再到A₃的分级次序进行回复，源节点优先选择高优先级的节点，从而实现逐级选择；然后由源节点进行本地判断，向最优中继节点发送中继请求，中继节点向目的节点发送中继通信参考信令，源节点成功收到确认信息后与基站eNodeB进行信令交互，建立完整的通信流程，完成中继选择过程。

源通信节点根据链路性能计算出相应的距离限制的方法为：对于跳数为l的路径，距离d_SD限制为： $d_2^{\mathrm{lb}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)<d_{\mathrm{SD}}<d_2^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right),$

其中，两跳中继链路距离下限

两跳中继距离上限

计算中间参数κ＝2π²/(αsin(2π/α))，β₁表示信干噪比，

表示服务质量需求参数，d_SD表示源节点到目的节点之间距离，

和

分别表示两条中继距离的上限和下限，к为计算中间参数，α表示路径损耗系数，λ_t是D2D用户发射端作为干扰节点的密度。

终端计算出相应的服务质量QoS保障的区域的方法为：对于跳数为l的路径，则通信质量保障域A公式表达式为： $d_{\mathrm{RD}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)d_{\mathrm{SR}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)$

其中d_RD和d_SR分别表示中继到宿节点和预案节点到中继节点间的距离，R表示中继节点，A表示通信质量保障域。

根据链路质量计算出选择分级次序的方法为：对于跳数为l的路径，服务质量QoS需求参数为

一跳中继距离上限比较其与源节点S、中继节点R和目的节点S之间的距离，得出三个区域， $\{R\&Element;A_1|d_{\mathrm{RD}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right),d_{\mathrm{SR}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)\},\{R\&Element;A_2|d_{\mathrm{RD}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)$ 或 $d_{\mathrm{SR}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)\},$

或

中继选择优先级为：A₁＞A₂＞A₃；

其中，A₁,A₂,A₃分别表示三个等级的通信质量保障域。

有益效果：本发明提出了基于区域限制的半分布式中继选择策略，通过距离判定和选择域分级的引入，降低了参与中继选择过程的节点数目，提高了D2D用户通信中的中端性能，并且通过半分布式的交互过程，使得算法不仅能提高中继搜索的效率，而且能有效地减低对蜂窝系统性能的影响。

附图说明

图1是D2D中应用中继的场景示意图。

图2是基于区域限制的半分布式中继选择流程示意图。

图3是中继选择域分级示意图。

具体实施方式

本发明是一种蜂窝用户与D2D用户共存时D2D用户的中继选择方法，适用于下一代蜂窝系统。这种基于区域限制的半分布式中继选择策略包括D2D直通链路触发中继选择的条件、中继节点基于距离的半分布式基本判定、中继选择区域的分级界定以及中继选择以及信令交互过程。

基于区域限制的快速中继选择通信流程如下：

步骤一：蜂窝通信与D2D通信混合系统中，源设备S-UE与目的设备D-UE直通通信，若通信过程中满足中继模式的触发条件，则执行步骤二；

步骤二：初始化中继模式，S-UE根据S-UE到D-UE的距离、服务质量QoS需求参量计算出中继通信的上下界距离需求，若不满足条件，执行步骤三，否则执行步骤四；

步骤三：S-UE向D-UE发起通信请求，将D2D通信转为蜂窝通信模式，中继选择过程结束；

步骤四：S-UE计算出中继选择域，并向该区域内中继节点广播中继请求；

步骤五：成功接收中继请求消息，且位于中继域内的空闲用户记作集合C1，根据收到的中继请求消息向S-UE返回接收中继请求消息ACK；

步骤六：S-UE接收到中继请求消息ACK，根据选出条件符合中继选择需求的候选中继集合，记作C2，向C2终端广播中继请求，若C2中不存在合适的中继节点，则扩大中继选择区域，向下一级的中继选择区域中进行选择，转回步骤四，若所有中继选择区域搜索完成未发现适合中继，转向步骤三；

步骤七：C2中终端接收到2次中继请求后向D-UE发送中继请求消息；

步骤八：D-UE接收到中继请求消息后，向S-UE返回各第二跳中继的链路状况；

步骤九：S-UE根据两次中继请求消息返回的各候选中继的链路状况，根据各个节点的链路质量或计算出的能耗值进行排序，选出最优中继节点R-UE，向R-UE发送中继请求消息；

步骤十：R-UE接收到中继选择请求消息，向D-UE发送中继请求消息，建立链路，进行通信，中继选择过程完成。

D2D网络中继通信的系统模型

考虑LTE-A蜂窝系统单小区的情况，系统中包括蜂窝用户（C-UE）、源D2D用户（S-UE）和目的用户（D-UE），以及空闲用户（I-UE），蜂窝小区中总用户数目为N_total，正在使用蜂窝通信服务的用户数目为N_c，即激活状态的蜂窝用户数目为N_c，系统中的D2D对数为N_D，即系统中D2D直通用户设备数目为2N_D，其余用户设备处于空闲状态，数目为N_I＝N_total-N_c-2N_D。将系统中蜂窝状态、D2D源用户、目的用户和空闲状态的用户集合分别记作C_TUE,C_SUE,C_DUE和C_IUE。源与目的D2D用户之间一一对应形成通信对，且与蜂窝用户之间共享蜂窝用户资源。

当c_SUE,i到c_DUE,i之间的D2D对直接链路无法满足QoS需求时，考虑在空闲用户中进行中继选择，若此时系统允许其可以从最多K个候选用户中选择，并且只能选择一个中继用户R-UE进行通信，则该K个候选用户构成集合C_RUE,i。

在二维平面中分别用S，D，R表示S-UE、D-UE和R-UE的位置。对于节点i，j，从i到j的距离为d_ij＝|i-j|。将系统中的中继节点表示为一个密度为λ_r的标记的泊松点过程，φ_r＝{R,G_SR,G_RD}，其中G_ij表示节点i,j之间的信道衰落。而复用相同频率的D2D用户发射端作为干扰节点，为密度为λ_t的泊松点过程。

在通信过程中，假设每个R-UE使用单天线传输和接收信号。假设所有用户设备受到相同的最大传输功率限制，各信道衰落独立同分布，则接收到的SINR可以表示为β＝Gd^-α/I_t。其中，d^-α表示路径损耗，I_t表示信道衰落的聚合干扰，α＞2为路径损耗指数。假设所有链路衰落服从均值为单位值的指数分布，且各个用户之间的分布相互独立。

D2D网络中继通信的干扰建模

在蜂窝通信与D2D通信共存网络中引入中继时，假设通信链路使原有频谱资源，即复用的蜂窝频谱资源，和小区内使用该蜂窝资源的用户之间存在相互干扰。将两跳中继链路分为两个时隙，第一个时隙传输S-UE到R-UE数据，第二个时隙传输R-UE到D-UE数据。

（1）复用蜂窝上行资源

当引入D2D中继用户复用本小区蜂窝上行资源时两种通信技术间的干扰包含两个方面，即蜂窝链路对D2D链路的干扰和D2D链路对蜂窝链路的干扰两个部分。在第一跳时隙内，S-UE向R-UE发送信号，R-UE会受到蜂窝用户C-UE上行信号的干扰，蜂窝接收端eNodeB会收到S-UE信号的干扰。在第二跳时隙内，R-UE向D-UE发送信号，蜂窝接收端eNodeB会受到R-UE发送信号的干扰，D-UE会收到C-UE的干扰。

D2D通信对中的S-UE为发送端，D-UE为接收端，R-UE为中继节点，S-UE到D-UE、R-UE之间的距离分别为d_SD,d_SR，R-UE到D-UE之间的距离为d_RD，S-UE发送信号x_S至R-UE，然后R-UE发送信号x_R至D-UE。蜂窝用户C-UE到eNB距离d_CB，发送信号x_C至eNB。而蜂窝用户C-UE到R-UE和D-UE距离分别为d_CR,d_CD。第一跳时隙在D2DR-UE处接收到的信号为

$y_R=h_{\mathrm{SR}}\sqrt{P_S{d}_{\mathrm{SR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{x}_S+h_{\mathrm{CR}}\sqrt{P_C{d}_{\mathrm{CR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{x}_C+n_0$

其中，P_S和P_C分别为D2DS-UE和C-UE的发送功率，x_D和x_C采用单位功率。α为路损因子，h_CR和h_SR分别为C-UE到R-UE以及S-UE到R-UE的衰落系数。n₀为加性白高斯噪声，服从分布Ν(0,N₀)。因此在D2DR-UE处的信干噪比为

${\mathrm{\&gamma;}}_{R,\mathrm{ul}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{SR}}\right|}^2{P}_S{d}_{\mathrm{SR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{CR}}\right|}^2{P}_C{d}_{\mathrm{CR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}$

参考香农公式，可以获得第一跳链路对应的吞吐量为：

$R_{\mathrm{SR},\mathrm{ul}}=B\log (1+\frac{{\left|h_{\mathrm{SR}}\right|}^2{P}_S{d}_{\mathrm{SR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{CR}}\right|}^2{P}_C{d}_{\mathrm{CR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0})$

同样地，第二跳时隙在D2DD-UE处的信干噪比为

${\mathrm{\&gamma;}}_{D,\mathrm{ul}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{RD}}\right|}^2{P}_R{d}_{\mathrm{RD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{CD}}\right|}^2{P}_C{d}_{\mathrm{CD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}$

其吞吐量对应为

$R_{\mathrm{RD},\mathrm{ul}}=B\log (1+\frac{{\left|h_{\mathrm{RD}}\right|}^2{P}_R{d}_{\mathrm{SR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{CD}}\right|}^2{P}_C{d}_{\mathrm{CD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0})$

其中，P_R为D2DR-UE发送功率，d_RD,d_CD分别为R-UE和蜂窝用户C-UE到D-UE的距离，h_RD和h_CD分别为R-UE以及C-UE到D-UE的衰落系数。

则中继链路的吞吐量为两跳中继链路中较小的值，即

R_Relay,ul=min(R_SR,ul,R_RD,ul)

（2）复用蜂窝下行资源

当引入D2D中继用户复用本小区蜂窝下行资源时两种通信技术间的干扰也包含蜂窝链路对D2D链路的干扰和D2D链路对蜂窝链路的干扰两个部分。假设原有系统中，一个蜂窝用户资源最多由一对D2D对共用。在第一跳时隙内，S-UE向R-UE发送信号，R-UE会受到eNodeB下行信号的干扰，蜂窝接收端C-UE会收到S-UE信号的干扰。在第二跳时隙内，R-UE向D-UE发送信号，蜂窝接收端C-UE会受到R-UE发送信号的干扰，D-UE会收到eNodeB下行干扰。复用蜂窝下行资源时，第一跳D2DR-UE处的信干噪比为

${\mathrm{\&gamma;}}_{R,\mathrm{dl}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{SR}}\right|}^2{P}_S{d}_{\mathrm{SR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{BR}}\right|}^2{P}_B{d}_{\mathrm{BR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}$

第二跳时隙在D2DD-UE处的信干噪比为

${\mathrm{\&gamma;}}_{D,\mathrm{dl}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{RD}}\right|}^2{P}_R{d}_{\mathrm{RD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{BD}}\right|}^2{P}_B{d}_{\mathrm{BD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}$

中继链路的吞吐量为

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{Relay},\mathrm{dl}}=\min (R_{\mathrm{SR}},R_{\mathrm{RD}})\\ =B1+(1+\min (\frac{{\left|h_{\mathrm{SR}}\right|}^2{P}_S{d}_{\mathrm{SR}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{BD}}\right|}^2{P}_B{d}_{\mathrm{BD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0},\frac{{\left|h_{\mathrm{RD}}\right|}^2{P}_R{d}_{\mathrm{RD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{CD}}\right|}^2{P}_C{d}_{\mathrm{CD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}))\end{array}$

而复用下行频谱资源时，D2D链路会对蜂窝用户造成干扰，在t时刻接收到的信号为

$y_{R,t}=h_{\mathrm{BC}}\sqrt{P_B{d}_{\mathrm{BC}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{x}_B+h_{\mathrm{SC}}\sqrt{P_S{d}_{\mathrm{SC}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{x}_S{x}_{1,t}++h_{\mathrm{RC}}\sqrt{P_R{d}_{\mathrm{RC}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{x}_R{x}_{2,t}\left(t\right){+n}_0$

其中，x_1,t,x_2,t分别为第一跳、第二跳中继的时隙的标识，且满足

x_1,t+x_2,t＝1

x_1,t,x_2,t∈{1,0}

则D2D中继辅助网络中，复用蜂窝下行网络时，蜂窝用户信干噪比为

${\mathrm{\&gamma;}}_{C,\mathrm{dl}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{BC}}\right|}^2{P}_B{d}_{\mathrm{BC}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{SC}}\right|}^2{P}_S{d}_{\mathrm{SC}}^{-\mathrm{\&alpha;}}{x}_{1,t}+{\left|h_{\mathrm{RC}}\right|}^2{P}_R{d}_{\mathrm{RC}}^{-\mathrm{\&alpha;}}{x}_{2,t}+N_0}$

D2D直通链路中继触发条件

针对D2D中继系统的应用场景，给出以下中继模式初始化条件：

（1）链路可靠性限制条件

当采用终端直通模式的D2D对之间链路质量下降，首先可以通过增大其发射功率，满足接收端的信干噪比需求，但是当需要的发射功率大于终端发射功率门限值时，即其源到宿端的链路损耗PL_SD满足PL_SD＞PL_Th时，S-UE发起中继选择过程。其中PL_Th为路径损耗的门限值，即初始化条件为

${\mathrm{\&gamma;}}_{D,\mathrm{dl}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{SD}}\right|}^2{P}_{D\_\max }{d}_{\mathrm{SD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{BD}}\right|}^2{P}_B{d}_{\mathrm{BD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}<{\mathrm{\&gamma;}}_{D\_\mathrm{Th}}$

或者

${\mathrm{\&gamma;}}_{D,\mathrm{ul}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{SD}}\right|}^2{P}_{D\_\max }{d}_{\mathrm{SD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{CD}}\right|}^2{P}_C{d}_{\mathrm{CD}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}<{\mathrm{\&gamma;}}_{D\_\mathrm{Th}}$

（2）共存干扰限制条件

当D2D对之间链路质量下降，需要提高D2D用户的发射功率时，如果在D2D发射端的功率仍小于终端发射功率门限值时，D2D对通信对使用同样频谱资源的蜂窝用户干扰已经超过干扰容许值I_{C_Th}，那么基站通过控制信道触发D2D对启动中继模式选择和功率控制过程，尝试将D2D直通模式转化为中继通信模式，即初始化条件为

${\mathrm{\&gamma;}}_{C,\mathrm{dl}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{BC}}\right|}^2{P}_B{d}_{\mathrm{BC}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{SC}}\right|}^2{P}_S{d}_{\mathrm{SC}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}<{\mathrm{\&gamma;}}_{C\_\mathrm{Th}}$

或

${\mathrm{\&gamma;}}_{B,\mathrm{ul}}=\frac{{\left|h_{\mathrm{CB}}\right|}^2{P}_C{d}_{\mathrm{CB}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{{\left|h_{\mathrm{SB}}\right|}^2{P}_D{d}_{\mathrm{SB}}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0}<{\mathrm{\&gamma;}}_{B\_\mathrm{Th}}$

（3）发射功率限制条件

如果维持直通链路性能的发射功率与通过中继进行转接的链路总的发射功率相比，直通链路条件下功率大很多，则选择进行中继转接。D2D通信对之间的距离d_SD在单跳中继通信范围内时，若其发射功率比系统内D2D平均发射功率大太多，则考虑使用中继进行转接，即D2D直通链路满足条件为

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{SD}}<d_2^{\mathrm{lb}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)\\ \frac{P_{\mathrm{SD}}}{{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{D2D}}>k_{\mathrm{Th}}\end{array}\right.$

考虑使用中继节点。其中k_Th为大于1的常数，由系统预先确定，

为系统内直通用户发射功率的均值。

以上三种中继方式的切换条件中，考虑到系统正常工作、用户正常通信的需求，前两个中只要有一条满足，则该D2D对通过事件触发进入D2D中继选择模式，而后者则为可选条件，

仅在功率敏感性的情况下以系统总功率最小为目标时需要满足。

中继选择基于距离的基本判定条件

若仅考虑基于距离的路径损耗，则可以根据中继分布的位置计算出一定的中继选择区域Α，该区域的面积可以表示为源到目标节点间距离r₀和QoS参数的函数。定义两跳中继距离的上界为恰好存在中继选择区域时源到目的节点间距，即：

$d_2^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)=\min \{d:|A^{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}\left(d\right)|=0\}$

对于靠近D-UE的S-UE来说，如果存在信道质量满足需求的直通链路，则可以不通过中继转接。仅从链路的信干噪比参数分析，直接链路存在最大距离限制，即两跳中继的下界值

对于l跳的路径，如果SINR为β_l，QoS需求参数为

则直接传输的距离可以表示为

的函数，直接传输距离的上界定义为：

$d_2^{\mathrm{lb}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)=\max \{d:\mathrm{Pr}(\frac{{\mathrm{Gd}}^{-\mathrm{\&alpha;}}}{I_t}<{\mathrm{\&beta;}}_1)\&le;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\}$

根据D2D直通链路中继触发条件，在链路可靠性条件下，基站只需要根据源到目的节点之间的距离d_SD，以及根据系统环境计算出的距离上下界，判定是否需要使用中继，即当d_SD满足以下要求，则适宜考虑使用D2D中继进行转接：

$d_2^{\mathrm{lb}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)<d_{\mathrm{SD}}<d_2^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)$

其中，

$d_2^{\mathrm{lb}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)={\left(\frac{\ln {(1-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}})}^{-1}}{\mathrm{\&kappa;}{\mathrm{\&lambda;}}_t{{\mathrm{\&beta;}}_1}^{\frac{2}{\mathrm{\&alpha;}}}}\right)}^{\frac{1}{2}}$

$d_2^{\mathrm{lb}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)={\left(\frac{\ln \sqrt{1-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}}{\mathrm{\&kappa;}{\mathrm{\&lambda;}}_t{{\mathrm{\&beta;}}_2}^{\frac{2}{\mathrm{\&alpha;}}}}\right)}^{\frac{1}{2}}$

κ＝2π²/(αsin(2π/α))

中继选择域分级界定

中继选择区域如图3所示，将搜索区域划分为多个中继选择域，在中继选择时，按照A1、A2、A3的分级顺序进行搜索，可以减少不必要的节点搜索过程。而在中继选择区域Α1内进行选择时，其链路质量能提供的通信质量也能最大概率满足通信需求，其次是第二级选择域，再次是第三级。在进行中继节点搜索时，由于场景需要，蜂窝系统中的基站发起先在1级搜索域内进行中继搜索，然后是2级，当系统中中继节点数目较小时，可能还需要在第三级域中搜索。而系统中中继节点数目较大时，则可以仅在第一级中搜索。通过这种中继选择域的划分，可以降低搜索的复杂度和时延。

中继选择的模型建立

根据中继模式启动条件的不同，对于满足D2D直通链路中继触发条件的D2D对c_SUE,i-c_DUE,i，在K个候选中继用户组成的集合C_RUE,i中选择最优中继，其选择标准如下：

（1）基于容量最优化的模型

在C_RUE,i的K个候选中继中，选择第k个用户，使得源到目的节点之间整体链路损耗最小，在满足中继链路质量、蜂窝链路质量标准的前提下，使中继链路的吞吐量最大，即：

$\max \left\{\underset{k\&Element;C_{\mathrm{RUE},i}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_k{R}_{\mathrm{relay},i,k}\right\}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&gamma;}}_{R_{i,k},{\mathrm{\&gamma;}}_D>{\mathrm{\&gamma;}}_{D\_\mathrm{Th}}}\\ {\mathrm{\&gamma;}}_C>{\mathrm{\&gamma;}}_{C\_\mathrm{Th}}\\ {\mathrm{\&gamma;}}_B>{\mathrm{\&gamma;}}_{B\_\mathrm{Th}}\\ R_{i,k}\&Element;C_{\mathrm{RUE},i}\\ \underset{k\&Element;C_{\mathrm{RUE},i}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_k=1\\ x_k\&Element;\left\{\mathrm{0,1}\right\}\end{array}\right.$

其中，R_relay,i,k为第i对D2D对第k个可用中继能为中继链路提供的吞吐量，x_k为中继选择标识，0和1分别表示不选择和选择第k个中继节点。

（2）基于能量损耗的模型

若中继启动标准中加入了功率限制条件，则对于功耗敏感性系统，在C_RUE,i的K个候选中继中，选择合适的中继链路，用户使得系统总的能耗最小，且满足对蜂窝系统的干扰小于门限值限制，即：

$\min .\underset{k\&Element;C_{\mathrm{RUE},i}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_k(p_{{\mathrm{SR}}_k}+p_{R_{k}D})$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&gamma;}}_{R_{i,k},{\mathrm{\&gamma;}}_D>{\mathrm{\&gamma;}}_{D\_\mathrm{Th}}}\\ {\mathrm{\&gamma;}}_C>{\mathrm{\&gamma;}}_{C\_\mathrm{Th}}\\ {\mathrm{\&gamma;}}_B>{\mathrm{\&gamma;}}_{B\_\mathrm{Th}}\\ R_{i,k}\&Element;C_{\mathrm{RUE},i}\\ \underset{k\&Element;C_{\mathrm{RUE},i}}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_k=1\\ x_k\&Element;\left\{\mathrm{0,1}\right\}\end{array}\right..$

Claims (4)

1.一种下一代蜂窝系统中基于终端直通通信的中继选择方法，其特征在于，终端直通链路信道状况随着用户位置、传输特性发生变化时,为了保障通信不发生间断，引入中继链路进行转接，根据链路可靠性限制条件、共存干扰限制条件以及发射功率限制条件的限制，不满足链路传输需求的源通信节点向基站eNodeB发送中继通信模式请求并进行通信模式切换相关的信令交互，从而触发中继通信模式，源通信节点根据链路性能计算出相应的距离限制，通过终端计算出相应的服务质量QoS保障的区域，简称为通信域；先筛选出通信域中的节点作为候选中继节点，从而降低候选中继节点数目；然后在通信域中，根据链路质量计算出选择域分级次序，在广播中继选择参考信号时，备选中继节点按照A₁到A₂再到A₃的分级次序进行回复，源节点优先选择高优先级的节点，从而实现逐级选择；然后由源节点进行本地判断，向最优中继节点发送中继请求，中继节点向目的节点发送中继通信参考信令，源节点成功收到确认信息后与基站eNodeB进行信令交互，建立完整的通信流程，完成中继选择过程。

2.如权利要求1所述的下一代蜂窝系统中基于终端直通通信的中继选择方法，其特征在于，源通信节点根据链路性能计算出相应的距离限制的方法为：对于跳数为l的路径，距离d_SD限制为： $d_2^{\mathrm{lb}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)<d_{\mathrm{SD}}<d_2^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right),$

其中，两跳中继链路距离下限

两跳中继距离上限

计算中间参数κ＝2π²/(αsin(2π/α))，β₁表示信干噪比，

表示服务质量需求参数，d_SD表示源节点到目的节点之间距离，和

分别表示两条中继距离的上限和下限，к为计算中间参数，α表示路径损耗系数，λ_t是D2D用户发射端作为干扰节点的密度。

3.如权利要求1所述的下一代蜂窝系统中基于终端直通通信的中继选择方法，其特征在于，终端计算出相应的服务质量QoS保障的区域的方法为：对于跳数为l的路径，则通信质量保障域A公式表达式为： $d_{\mathrm{RD}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)d_{\mathrm{SR}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)$

其中d_RD和d_SR分别表示中继到宿节点和预案节点到中继节点间的距离，R表示中继节点，A表示通信质量保障域。

4.如权利要求1所述的下一代蜂窝系统中基于终端直通通信的中继选择方法，其特征在于，根据链路质量计算出选择分级次序的方法为：对于跳数为l的路径，服务质量QoS需求参数为

一跳中继距离上限比较其与源节点S、中继节点R和目的节点S之间的距离，得出三个区域， $\{R\&Element;A_1|d_{\mathrm{RD}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right),d_{\mathrm{SR}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)\},\{R\&Element;A_2|d_{\mathrm{AD}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)$ 或 $d_{\mathrm{SR}}<d_1^{\mathrm{ub}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}\right)\},$ 或

中继选择优先级为：A₁＞A₂＞A₃；

其中，A₁,A₂,A₃分别表示三个等级的通信质量保障域。

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