CN103701563B - 一种基于网络编码的终端直通通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的终端直通通信方法，D2D的一个用户向基站发出会话请求，基站搜索会话对象的位置；并判断两个D2D的用户满足终端直通通信的条件，基站将较远蜂窝用户的资源分配给D2D用户复用使用，基站对D2D用户处于D2D通信的边缘距离分配中继节点，通过中继节点采用3个时隙的网络编码方式复用一个频谱资源完成D2D通信。有效的提高系统容量和减少中断概率。

Description

一种基于网络编码的终端直通通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于网络编码的终端直通通信方法。蜂窝小区中D2D通信系统下引入网络编码技术的性能分析。主要分析D2D系统在引入网络编码技术下的系统容量和中断概率，属于无线通信技术领域。

背景技术

虽然D2D通信用来协助蜂窝通信，可以提高了蜂窝系统了性能，但是由于D2D通信是复用与一个蜂窝用户的资源，所以在D2D通信时会受到蜂窝用户的干扰。传统的D2D通信方式无法解决此类问题，在传统D2D通信方式的基础之上本方案引入网络编码技术可以很好的解决蜂窝用户和D2D用户之间的干扰问题。

现有技术中，申请号为：201210333431.0，发明名称为：基于网络编码和中继的D2D通信系统及其实现方法，申请日为：2012.09.11，申请公布号为：CN102843217.A。该申请文件中并没有强调编码的实现方法，也没有具体证明出引入网络编码后的优势。

发明内容

技术问题：本发明的目的是通过在D2D系统下引入网络编码技术，尤其是三个时隙的网络编码技术，可以减少蜂窝用户对D2D用户间的干扰，改善D2D系统性能。

本发明的技术方案具体说明如下：

在蜂窝移动通信系统(IMT-Advanced)中，一对蜂窝用户要进行数据交换，利用空闲移动终端作为中继，协助蜂窝用户进行D2D通信。一对终端直通蜂窝用户的一端为A，另一端为B，中继为R。利用网络中的中继节点R不仅作为传输节点使用，而是对接收到的信息数据进行编码操作之后再进行转发。本发明技术方案包括以下步骤：

步骤1：发起用户A欲与接收用户B进行通信，向小区基站eNodeB发出会话请求；小区基站eNodeB接收到发起用户A的信号，发出应答信号，同意了发起用户A的会话请求，并开始搜索会话对象接收用户B的位置；

步骤2：当小区基站eNodeB搜索到接收用户B的位置，发现接收用户B是同处在一个小区中；小区基站eNodeB判断发起用户A与接收用户B之间是否满足终端直通通信的条件：

若不满足条件，则采用传统蜂窝模式通信；

若满足条件，则采用终端直通通信模式，即发起用户A和接收用户B进行终端直通通信；

步骤3：小区基站eNodeB为给发起用户A和接收用户B分配通信资源，小区基站eNodeB经过搜索将与发起用户A和接收用户B距离较远蜂窝用户C_UE的资源分配给发起用户A和接收用户B，小区基站eNodeB决定复用蜂窝用户C_UE的资源块给用户A和用户B之间采用D2D通信；

步骤4：小区基站eNodeB判断发起用户A和接收用户B处于D2D通信的边缘距离，小区基站eNodeB通过中继选择策略选择最优中继R，并发送中继R的位置给发起用户A和接收用户B，辅助发起用户A和接收用户B之间的直通通信；

步骤5：在发起用户A和接收用户B进行通信时，通过中继R来进行转发，在中继R处进行网络编码传输数据；

步骤6：发起用户A和接收用户B确认通信过程完成，分别向小区基站eNodeB发出结束会话的请求，会话过程结束。

本发明的有益效果是提出了在D2D系统下引入网络编码技术的通信传输方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、有效的提高了D2D系统的容量。

2、有效的降低了D2D系统的中断概率。

附图说明

图1是本发明的场景示意图。

图2是本发明的流程示意图。

图3是本发明的复用相同资源3个时隙的网络编码方式示意图。

图4是复用相同资源2个时隙的网络编码方式示意图。

图5是复用不同资源的网络编码方式的示意图。

图6是D2D-NC和蜂窝模式的系统容量对比图。

图7是单天线D2D-NC和蜂窝模式的中断概率对比图。

图8是多天线下D2D-NC的中断概率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明所述的有关术语：

小区基站eNodeB主要完成D2D通信的控制以及资源的分配。

中继用户R是指：在D2D通信中进行网络编码的用户。

发起用户A是指：D2D通信的发起方。

接收用户B是指：D2D通信的接收方。

蜂窝用户C_UE是指：被复用资源的蜂窝用户。

如图1所示是本发明的D2D中应用网络编码场景示意图。在一个单小区间内(六边形区域),包括了一个基站eNodeB，一对D2D用户A和B，一个中继R以及一个蜂窝用户C_UE，蜂窝用户C_UE的资源被D2D对所复用。所有的节点都是单天线并且工作在半双工的模式下，其中用户A和B在D2D工作模式下通过中继R交换信息，该图描述了D2D用户和中继复用蜂窝用户上行资源时的干扰情况，在信息交换的过程中接收信号的一端会受到蜂窝用户C_UE的干扰，在用户A发送信号给中继R接收时，因为复用了蜂窝用户C_UE的资源，中继R会受到来自C_UE的干扰。

如图2所示是本发明的流程示意图，其流程顺序自上而下。包括以下步骤：

步骤1：用户A欲与用户B发起通信，向基站eNodeB发出会话请求，基站eNodeB接收到用户A的信号，发出应答信号，同意用户A的会话请求，并开始搜索会话对象用户B的位置。

步骤2：当基站eNodeB搜索到用户B的位置，并且用户B也是在同一个小区中，开始判断用户A与用户B之间是否满足D2D通信的条件：若不满足则采用传统蜂窝模式通信；若满足则采用D2D通信模式。

用户A与用户B之间满足D2D通信的条件是指：小区基站eNodeB根据信号的反馈来判断蜂窝用户相对于发起用户A和接收用户B的距离，小区基站eNodeB判断发起用户A和接收用户B处于D2D通信的距离之内，一般约100米以内，则发起用户A和接收用户B间的D2D通信采用D2D通信。

步骤3：基站eNodeB开始分配资源给用户A和用户B之间通信，经过搜索蜂窝用户C_UE离用户A和用户B的距离较远，干扰比较小，所以基站eNodeB决定复用蜂窝用户C_UE的资源块给用户A和用户B之间采用D2D通信。

蜂窝用户C_UE离用户A和用户B的距离较远是指：小区基站eNodeB开始搜索小区内正在通话的蜂窝用户，并根据信号的反馈来判断蜂窝用户相对于发起用户A和接收用户B的距离，并选取距离最远的蜂窝用户C_UE,将蜂窝用户C_UE的资源复用于发起用户A和接收用户B间的D2D通信。

步骤:4：基站eNodeB判断用户A和用户B处于D2D通信的边缘距离，即D2D通信的最大通信距离，传统的D2D通信模式可能容易产生掉话等一些故障，为了很好的让用户A和用户B之间使用D2D通信，基站寻找合适的中继R用来辅助用户A和B之间的D2D通信，在用户A和用户B之间基站eNodeB通过中继选择策略选择最优中继R来辅助用户A和用户B之间的通信，并发送中继R的位置给用户A和用户B。

用户A和用户B处于D2D通信的边缘距离是指：D2D通信的最大通信距离，一般约100米左右。

中继选择策略选择最优中继R，即通过寻找符合某些条件的中继R，比如信噪比，使用寿命等来选择最优的中继R。

步骤5：在用户A和用户B进行通信时，将会通过中继R来进行转发，此时用户A和用户B之间的D2D通信过程变成了用户A和中继R以及用户B和中继R的2个独立D2D的通信过程，并且在中继R处进行网络编码过程，中继节点R不再仅仅单纯作为传输节点来使用，而是对接收到的信息数据进行网络编码操作之后再进行转发。

在中继R进行网络编码采用三个时隙编码方式。

步骤6：用户A和B确认通信过程完成，分别向基站eNodeB发出结束会话的请求，整个会话过程结束。

在D2D应用网络编码时，首先要考虑到在D2D环境中对于蜂窝资源的利用并且噪声的干扰以及解码的可能性，为此本发明采用复用相同的频谱资源的3个时隙网络编码方式。如图3所示。

采用如图3所示是本发明的复用相同资源3个时隙的网络编码方式示意图，其过程是：

1)A发送信息到中继R，在中继R的接收信号为：

y_r＝h_arx_a+h_crx_c+n₀ (1)

其中：

h_ar是指发起用户A发送信息到中继R之间的信道状态信息。

h_cr是指蜂窝用户C_UE发送信息到中继R之间的信道状态信息。

n₀是指中继R接收到的噪声。

此时在中继处接收到x_a以及x_c2个信号，对信号进行解码得出信号

2)B发送信息到中继R，在中继R的接收信号为：

y_r＝h_brx_b+h_crx_c+n₀ (2)

其中：

h_br是指接收用户B发送信息到中继R之间的信道状态信息。

h_cr是指蜂窝用户C_UE发送信息到中继R之间的信道状态信息。

n₀是指中继R接收到的噪声。

同理此时在中继处接收到x_b以及x_c2个信号，对信号进行解码得出信号

需要在中继设置一个缓冲区保存信号就可以将2个信号进行编码处理从而得出新的信号：

3)R发送编码信号x_r给A和B，在D2D用户A和B分别可以接收到信号：

y_a＝h_rax_r+h_cax_c+n₀ (3)

y_b＝h_rbx_r+h_cbx_c+n₀ (4)

其中：

h_ra是指中继R发送信息到发起用户A之间的信道状态信息。

h_ca是指蜂窝用户C_UE发送信息到发起用户A之间的信道状态信息。

h_rb是指中继R发送信息到接收用户B之间的信道状态信息。

h_cb是指蜂窝用户C_UE发送信息到接收用户B之间的信道状态信息。

n₀是指发起用户A和接收用户B接收到的噪声。

从而得出解码信号由于在D2D用户A拥有信号x_a的信息，因此可以在D2D用户A自解码出x_b信号，即

同理在D2D用户B处也可以得出信号x_a的信号，从而完成信息的交换。

而采用2个时隙时，不利于对信号完成解码的过程，并且大大增加了误码的产生。如图4所示是复用相同资源2个时隙的网络编码方式示意图，当D2D对复用蜂窝系统中的1个相同的蜂窝资源时，由于复用的是相同的蜂窝资源，从而可以实现中继R的同时接收和发送信息，完成整个信息交换的过程仅仅只需要2个时隙，如图4中1、2所标示，从而避免由于时隙过多无法提升系统容量。并且仅复用一个蜂窝资源，就只会产生一个干扰，为系统性能的提升提供的可能性。

然而当对系统进行分析时，发现在中继R处的接收信号为：

y_r＝h_arx_a+h_brx_b+h_crx_c+n₀

其中：

h_ar是指发起用户A发送信息到中继R之间的信道状态信息。

h_br是指接收用户B发送信息到中继R之间的信道状态信息。

h_cr是指蜂窝用户C_UE发送信息到中继R之间的信道状态信息。

n₀是指中继R接收到的噪声。

可以发现在中继处会接收到x_a，x_b以及x_c3个信号，这不利于对信号完成解码的过程，并且大大增加了误码的产生。

在复用不同频谱时，会产生更多的干扰，不利于系统性能的提升。如图5所示是复用不同资源的网络编码方式的示意图，当D2D对复用蜂窝系统中的2个不同的蜂窝资源时，由于复用的是不同的蜂窝资源，从而无法实现中继R的同时接收和发送信息，完成整个信息交换的过程需要4个时隙，如图5中的1、2、3、4所标示，从而导致时隙过多无法提升系统容量。并且多复用一个蜂窝资源，就会额外产生一个干扰，复用不同的频谱资源会产生更多的干扰，不利于系统性能的提升。

本发明有益效果分析

当采用网络编码的方式时，第一个时隙用户A向中继R发送信息，同时中继R会受到蜂窝用户C_UE的干扰以及自己本身的噪声干扰。则可以得出在中继R的接收信号为：

Y_R＝H_ARX_A++H_CRX_C+N_R (5)

其中：

H_AR是指发起用户A发送信息到中继R之间的信道状态信息。

H_CR是指蜂窝用户C_UE发送信息到中继R之间的信道状态信息。

N_R是指中继R接收到的噪声。

同理可以知道在第二个时隙中继R的接收信号为：

Y_R＝H_BRX_A++H_CRX_C+N_R (6)

其中：

H_BR是指接收用户B发送信息到中继R之间的信道状态信息。

H_CR是指蜂窝用户C_UE发送信息到中继R之间的信道状态信息。

N_R是指中继R接收到的噪声。

在第三个时隙时，中继R对接收到的信息进行网络编码并转发,则A和B接收到从R的信息分别：

Y_A＝H_RAX_R++H_CAX_C+N_A (7)

Y_B＝H_RBX_R++H_CBX_C+N_B (8)

其中：

H_RA是指中继R发送信息到发起用户A之间的信道状态信息。

H_CA是指蜂窝用户C_UE发送信息到发起用户A之间的信道状态信息。

H_RB是指中继R发送信息到接收用户B之间的信道状态信息。

H_CB是指蜂窝用户C_UE发送信息到接收用户B之间的信道状态信息。

N_A是指发起用户A接收到的噪声。

N_B是指接收用户B接收到的噪声。

可以得出整个系统的容量，定义系统的容量为在一个时隙中系统的吞吐量，即

由式(7)可以知道则可以得出A端的容量为：

其中：

M是天线数

I_M是指M维的方阵。

R_R是指中继R的速率。

是指噪声的速率。

H_RA是指中继R发送信息到发起用户A之间的信道状态信息。

H_CA是指蜂窝用户C_UE发送信息到发起用户A之间的信道状态信息。

ε是指中继R的发射功率和蜂窝用户C_UE的发送功率比率。

同理可以得出B端的容量为：

其中：

I_M是指M维的方阵。

ε是指中继R的发射功率和蜂窝用户C_UE的发送功率比率。

H_RB是指中继R发送信息到接收用户B之间的信道状态信息。

H_CB是指蜂窝用户C_UE发送信息到接收用户B之间的信道状态信息。

因此可以知道总系统容量为其中ε代表功率分配因子，即

假定系统的传输速率为R，并且假设系统中断为源点A,B任意一个中断，由于A和B的中断概率是相互独立的，则：

其中：

r_A是指发送用户A的信噪比。

r_B是指接收用户B的信噪比。

由式(11)可以知道，系统的中断概率我们可以简化为分别求出A和B的中断概率，则：

其中：

||H_RA||²是指中继R发送信息到发起用户A之间的信道状态信息矩阵的模。

||H_CA||²是指蜂窝用户C_UE发送信息到发起用户A之间的信道状态信息矩阵的模。

N₀是指噪声功率。

是指蜂窝用户C_UE发送信息到发起用户A之间的信道状态信息的方差。

通过运算可以得出：

其中：

同理可以得出：

其中：

其中：

是指蜂窝用户C_UE发送信息到发起用户A之间的信道状态信息的方差。

是指中继R发送信息到发起用户A之间的信道状态信息的方差。

是指蜂窝用户C_UE发送信息到接收用户B之间的信道状态信息的方差。

是指中继R发送信息到接收用户B之间的信道状态信息的方差。

由式(11)可以得出系统的中断概率。

为了进一步证明本文所推导的公式，本文在MATLAB环境下进行了仿真，仿真结果如图所示，进一步证明了我们的结论是正确的。

图6是D2D-NC和蜂窝模式的系统容量对比图。TR是指在传统模式下的系统容量，M＝1,2,3分别为在单天线，双天线和三天线情况下的系统容量，可以看出引入网络编码后的D2D通信容量远高于传统模式下的系统容量。

图7是单天线D2D-NC和蜂窝模式的中断概率对比图。其中D2D-NC代表在网络编码下的D2D通信系统的中断概率，D2D-NC-theory代表理论上的中断概率，D2D-NO-NC代表了未引入网络编码下的D2D通信系统中断概率，可以看出在理论上的中断概率与本文所验证的相符合，且远低与未引入网络编码的系统中断概率。

图8是多天线下D2D-NC的中断概率对比图。伴随着天线数的增加，可以进一步减少系统中断概率。

Claims (2)

1.一种基于网络编码的终端直通通信方法，在蜂窝小区内，一对用户(A、B)通过小区基站(eNodeB)和一个中继用户(R)建立两者之间的直接通信，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：发起用户(A)欲与接收用户(B)进行通信，向小区基站(eNodeB)发出会话请求；小区基站(eNodeB)接收到发起用户(A)的请求信号，发出应答信号，并搜索会话对象接收用户(B)的位置；

步骤2：当小区基站(eNodeB)搜索到接收用户(B)的位置，并且接收用户(B)是同处在一个小区中；小区基站(eNodeB)判断发起用户(A)与接收用户(B)之间是否满足终端直通通信的条件：

若不满足条件，则采用传统蜂窝模式通信；

若满足条件，则采用终端直通通信模式，即发起用户(A)和接收用户(B)进行终端直通通信；

用户(A)与用户(B)之间满足D2D通信的条件是指：小区基站(eNodeB)根据信号的反馈来判断蜂窝用户相对于发起用户(A)和接收用户(B)的距离，小区基站(eNodeB)判断发起用户(A)和接收用户(B)处于D2D通信的距离之内，发起用户(A)和接收用户(B)间的D2D通信；

步骤3：小区基站(eNodeB)为发起用户(A)和接收用户(B)分配通信资源，小区基站(eNodeB)搜索小区内正在通话的蜂窝用户，并分配距离最远的蜂窝用户(C_UE)的资源复用于发起用户(A)和接收用户(B)间的D2D通信；

步骤4：小区基站(eNodeB)判断发起用户(A)和接收用户(B)处于D2D通信的边缘距离，小区基站(eNodeB)通过中继选择策略选择最优中继(R)，并发送中继(R)的位置给发起用户(A)和接收用户(B)，辅助发起用户(A)和接收用户(B)之间的直通通信；用户(A)和用户(B)处于D2D通信的边缘距离是指D2D通信的最大通信距离；中继选择策略选择最优中继(R)，是通过信噪比、使用寿命来选择最优的中继(R)；

步骤5：在发起用户(A)和接收用户(B)进行通信时，通过中继(R)来进行转发，在中继(R)处进行网络编码后，再进行数据的传输；网络编码采用三个时隙的网络编码方式；

步骤6：发起用户(A)和接收用户(B)确认通信过程完成，分别向小区基站(eNodeB)发出结束会话的请求，会话过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的终端直通通信方法，其特征在于所述的三个时隙的网络编码方式复用一个相同的网络频谱资源，其网络编码流程是：

第一个时隙：发起用户(A)发送信息到中继(R)，中继(R)的接收信号为：

y_r＝h_arx_a+h_crx_c+n₀ (1)

其中：h_ar是发起用户(A)发送信息到中继(R)之间的信道状态信息；h_cr是蜂窝用户(C_UE)发送信息到中继(R)之间的信道状态信息；n₀是中继(R)接收到的噪声；

此时在中继(R)处接收到x_a、x_c2个信号，对信号进行解码得出信号将信号保存在中继(R)处的一个缓冲区中；

第二个时隙：接收用户(B)发送信息到中继(R)，中继(R)的接收信号为：

y_r＝h_brx_b+h_crx_c+n₀ (2)

其中：h_br是接收用户(B)发送信息到中继(R)之间的信道状态信息；h_cr是蜂窝用户(C_UE)发送信息到中继(R)之间的信道状态信息；n₀是中继(R)接收到的噪声；

此时在中继(R)处接收到x_b、x_c2个信号，对信号进行解码得出信号

由和中继(R)处缓冲区中的信号进行编码处理，得出编码信号x_r：

第三个时隙：中继(R)发送编码信号x_r给发起用户(A)和接收用户(B)，在发起用户(A)和接收用户(B)处分别接收到信号：

y_a＝h_rax_r+h_cax_c+n₀ (3)

y_b＝h_rbx_r+h_cbx_c+n₀ (4)

其中：h_ra是中继(R)发送信息到发起用户(A)之间的信道状态信息；h_ca是蜂窝用户(C_UE)发送信息到发起用户(A)之间的信道状态信息；h_rb是中继(R)发送信息到接收用户(B)之间的信道状态信息；h_cb是蜂窝用户(C_UE)发送信息到接收用户(B)之间的信道状态信息；n₀是发起用户(A)和接收用户(B)接收到的噪声；

得出解码信号由于在发起用户(A)拥有信号x_a的信息，在发起用户(A)处自解码出x_b信号，即

在接收用户(B)处自解码出信号x_a的信息，从而完成信息的交换。