CN103716853B

CN103716853B - 一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法

Info

Publication number: CN103716853B
Application number: CN201310498570.3A
Authority: CN
Inventors: 邵世祥; 夏伟成; 孙君
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: CN103716853A

Abstract

本发明公开了一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法，首先估算出目的节点D的接收信噪比，判断是否需要引入中继，然后计算出各个中继对基站的干扰，并按照优先级对所有中继进行排序，最后根据中继排序，依次取出中继，判断其是否为可选中继，从而得到可选中继集合。本发明方法提出了几种D2D通信系统中的中继选择方案以适应不同的系统环境要求，并且对碰撞概率做了优化，可使D2D通信系统能够在不影响蜂窝通信的基础上达到最佳性能。

Description

一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法

技术领域

本发明属于中继通信领域，涉及一种中继选择方法。

背景技术

近年来，移动通信的发展迅速，5G以下的带宽已经十分拥挤，对频带资源的重复利用显得尤为迫切。在蜂窝网络的基础上，引进D2D（Device-to-Device）通信可以很好的增加频带资源的利用率，减缓基站的负载。但是和蜂窝网络中遇到的问题（边缘用户服务的可靠性较差）一样，D2D通信中也存在着类似问题。所以可以将中继加入D2D通信中，提高D2D通信的覆盖范围，得到更稳定的服务。在一个蜂窝网络中会存在很多空闲移动终端，选用哪些终端作为中继关系到整个系统的性能，而不同的中继选择策略又有各自的优缺点。

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。由于D2D通信终端的是复用传统蜂窝通信的频带资源，所以D2D通信网络与蜂窝网络构成了混合网络，在中继选择时必须要考虑终端用户对基站的干扰。此外接收端的信噪比你随着所复用的蜂窝频谱资源的变化而变化，所以我们也需要考虑如何在不同的蜂窝频带资源中选择一个最佳的频带。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种应用于下一代蜂窝系统中、可使D2D通信系统能够在不影响蜂窝通信的基础上达到最佳性能的终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法。

技术方案：本发明的终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法，包括如下步骤：

1）根据源节点S与目的节点D之间的链路质量信息，估算出目的节点D的接收信噪比，若目的节点D的接收信噪比大于或等于该目的节点正确解码所需的信噪比，则不需要引入中继，进入步骤5），否则需要引入中继，进入步骤2）；

2）估算出各个中继R与目的节点D之间的链路质量信息，从而确定利用各个中继转发时目的节点D的接收信噪比，同时按照下式计算出各个中继对基站的干扰：

I_RiB＝P_i|h_RiB|²，其中P_i是第i个中继的发射功率，h_RiB是第i个中继与基站之间的链路质量信息，i表示第i个中继；

3）按照优先级对所有中继进行排序，具体流程为；

首先确定中继优先级排序选择标准：在视距传播场景下，用距离选择标准，在其他场景下，若用户需要最好服务质量，则采用只考虑性噪比的选择标准，否则采用同时考虑信噪比和剩余能量的选择标准；

然后根据确定的中继优先级排序选择标准，对所有中继进行排序；

4）按照步骤3）中确定的中继排序，依次取出中继，判断其是否为可选中继，最终得到可选中继集合，具体流程为：

41）按照下式计算第i个中继的累积干扰Ii：

若第i-1个中继为可选中继，则I_i=I_i-1+I_RiB，若第i-1个中继不是可选中继，则I_i=I_i-1，其中累积干扰初值I₀=0；

42）若I_i>I_therd,，则该中继不是可选中继，否则该中继为可选中继，从而将其添加到可选中继集合；其中I_therd是基站的干扰阈值；

43）若i＜N，则令i=i+1后返回步骤41），否则进入步骤5），其中N为中继总数；

5）结束本方法流程。

本发明方法的步骤3）中，同时考虑信噪比和剩余能量的选择标准为按照下式计算得到的比较因子，从大到小对中继进行排序，比较因子越大则表明优先级越高：

其中E_i是第i个中继的剩余能量，E是各个中继的初始能量，ε是剩余能量与目的节点接收信噪比的权衡因子，SNR_i是第i个中继提供的信噪比。

下面对不同的中继选择进行分析：

（1）因为最后衡量的标准就是接收SNR，性能最好的是SNR选择方案。如图3所示，随着发送功率的增大，多中继SNR选择方案（这里的SNR是同时考虑接受信噪比以及发送干扰）的性能接近于最优单中继，这是因为在低发送功率区域，每个中继对基站的干扰比较小，可有多个中继参与协作，所以前者性能优于后者，但是随着发送功率的增大，干扰增大，参与协作的中继数目在降低，多中继的优势降低。距离选择方案的性能要低于SNR选择方案，因为链路的质量服从瑞利分布，某一时刻距离最短不能保证信道质量最优。同时考虑SNR与网络寿命的选择方案性能要优于距离选方案，而且在低发射功率区域两者的性能都优于单中继，但是在高发射功率区域，它们的性能都差于单中继选择方案，因为当达到饱和功率，可参与协作的中继数目降低了。多中继的优势就削弱了，且这个单中继在选择时是假设忽略了对基站的干扰影响，所以这个单中继从SNR方面来说是所有节点中最优的。在对通信质量的要求非常严格，对时延要求不太严格，且转发的数据量较少的场景下，应当选用SNR选择方案。

（2）网络寿命定义为：从系统开始到网络中出现一个中继其剩余能量为0所经过的时间。三种方案下网络寿命随着发射功率的增大都在逐渐降低。

同时考虑SNR与网络寿命选择方案的网络寿命是最大的（在发射功率大于40时，寿命几乎是其他两种方案的两倍）。SNR选择方案的寿命要高于距离选择方案，这是采用距离选择方案时，一旦可选中继集合确定了。由于各个中继的距离信息不会改变，所以距离较近的每次都参与中继，导致“最优”节点能量最先耗尽，从而影响了整个网络的寿命；而SNR选择方案每次选择时都会考虑链路的具体信息，距离最短性能不一定最优，每次选择时都与具体链路质量相关。所以整个网络寿命较距离选择方案而言更具优势。所以在对网络寿命比较关注的情况下，同时考虑SNR与网络寿命的方案应优先考虑。

本发明D2D中继通信场景下，在保证D2D通信链路通信质量的同时不能干扰到正常的蜂窝通信，所以在中继选择过程中必须考虑中继对基站的干扰，且由于通信场景的不同，不同的中继方案有其适用的环境，为此本发明提出了几种中继选择方法并进行适用场景分析。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1）在中继选择过程中考虑不同的判决条件（距离，信噪比以及剩余能量），每种判决条件都有其适用范围，同时考虑不同判决条件以及终端对蜂窝系统的干扰，可以得到不同场景下的最佳中继选择方案。即中继选择方案不唯一，根据具体的情况自适应地调整中继选择方案，而传统中继选择方案唯一确定。

使用信噪比选择方法性能要比距离选择法要好，在对通信质量的要求非常严格，对时延要求不太严格，且转发的数据量较少的场景下，应当选用SNR选择方案。

从复杂度上来讲，距离选择方法要优于信噪比选择方法，因为信噪比选择方法先要进行中继信道质量估计，而距离选择方法实施简单。所以在对系统时延非常敏感，并且中继时常需要移动的场景或者是会议室场景距离选择方案更加合适。在会议室场景下，相当于很多中继所处的环境非常相似，信道质量的好坏与完全可以由距离的远近来衡量。

以上这两种方法都未考虑整个系统的网络寿命，为此本发明又提出网络寿命选择方法，在中继选择时同时考虑中继节点的剩余能量，这种方法性能略低于信噪比选择方法，但增加了整个系统的寿命，对于像D2D这样能量受限的通信系统非常适用。

2）与传统中继选择方案不同的是在D2D通信系统模型下中继对基站将会产生干扰，所以本发明采用的中继选择方案在选择过程考虑了中继对基站的干扰。

3）待中继选择完成之后本发明对中继所复用的资源进行了优化，进一步提升了整个系统的性能。

4）最后分析了中继选择过程中的碰撞概率，并对分布式中继选择方案中的定时器初值做了优化，从而进一步减少了碰撞概率。

附图说明

图1为本发明方法的系统模型图。

图2为本发明方法的流程图。

图3为本发明方法各中继方案目的节点接收信噪比对比图。

图4为本发明方法各中继方案网络寿命对比图。

图5为本发明方法资源调度前后对比图。

图6为本发明方法定时器优化前后碰撞概率对比图。

具体实施方式

本发明考虑的是单一场景下有N个空闲用户（N个空闲用户可以作为潜在的中继），一对D2D用户（假设发送端为S，接收端为D），以及M个蜂窝用户（他们的资源可以被D2D用户复用）。系统模型如图1所示。D2D用户可以复用上行资源也可以复用下行资源。表1列出了不同的干扰情况。

D2D网络中继通信的干扰建模：

（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向R发送信号，R会受到蜂窝用户C上行信号的干扰，基站会收到S-UE信号的干扰。在第二跳时隙内，R向D发送信号，基站会受到R发送信号的干扰，D会收到C的干扰。

（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向R发送信号，R会受到基站下行信号的干扰，蜂窝用户会收到S信号的干扰。在第二跳时隙内，R向D发送信号，蜂窝用户会受到R发送信号的干扰，D会收到基站下行干扰。

本发明采用的复用方式：

复用上行资源要比复用下行资源更好，首先，复用上行资源D2D的干扰来自蜂窝用户，而复用下行资源时干扰来自基站，基站的发送功率比蜂窝用户要大，造成的干扰也更大。其次复用下行资源比复用上行资源更加复杂，因为前者受到的是移动台的干扰，而移动台可能处于小区的任何位置。本发明中假设D2D之间复用的蜂窝用户的上行资源。

D2D用户之间每一次通信包含两个阶段，即广播阶段和多址接入阶段。在第一阶段，S向各个中继发送信号，假设发送的信号是x，并且其能量归一化为1，发送能量为P_S，如果第i个中继被选中，并且这个中继复用的是第j个蜂窝用户的资源，那么第i中继所接收到的信号为：

其中n₀是白噪声，服从均值为0，方差为N₀的复高斯随机变量，|h_SRi|是瑞利随机变量，方差为其中d_SRi是S与第i个中继Ri的距离，α是路径衰落指数。同样可得到，第i个中继到目的端的信号为：

其中P_i是第i个中继的发送功率。j是蜂窝用户对目的端的干扰

若S与D直接通信，那么D端的接收信号为：

若S与D是中继辅助下的通信，可以得到目的端的接收信号为：

其中：

利用最大比合并可以得到目的端的接收信噪比为：

本发明方法的中继选择过程：

1）源节点S向目的节点D发送一段信号，设为RTS。利用接收到的RTS，目的端可以估计SD之间的链路质量信息h_SD，|h_SD|是瑞利随机变量，方差为其中d_SD是发送端S与接收端D之间的距离。如果SNR_SD＞γT，则S与D直接进行通信无需经过中继，进入步骤5）。如果SNR_SD＜γ_T，S向其他各个中继发送一个标志信号ROR（re quest of relay），表明本次通信需要引入中继，进入步骤2）；

2）接收到ROR信号的同时，各个中继R_i可以估算出S与他们之间的链路质量h_SRi，|h_SRi|是瑞利随机变量，方差为进一步可得各个中继所能提供的信噪比为

由于D2D复用蜂窝用户的上行资源，必定会对基站产生干扰，用类似方法估计各个中继对基站的干扰为：

I_RiB＝P_i|h_RiB|² （7）

3）按照优先级对所有中继进行排序，具体流程为；

41）按照下式计算第i个中继的累积干扰Ii：

若第i-1个中继为可选中继，则I_i=I_i-1+I_RiB，若第i-1个中继不是可选中继，则I_i=I_i-1，其中累积干扰初值I0=0；

42）若I_i＞I_therd，则该中继不是可选中继，否则该中继为可选中继，从而将其添加到可选中继集合；其中I_therd是基站的干扰阈值；

5）结束本方法流程。

本发明方法步骤3）中的三种不同排序标准具体说明如下：

1、按照各中继节点到目的端的信噪比大小排序

中继选择的比较函数为：

按照f_i的大小将各个中继由高到低排序，即利用设定定时器的方法进行排序，即为每个中继R_i设定一个定时器，定时时长为

其中λ是一个以时间为单位的常数。

由（9）可以知道，信道质量越好，|h_RiD|²越大，T_i越小，T_i越小定时时长越小，优先提前选出。

2、同时考虑网络寿命与各中继所能提供的信噪比大小

如果某个中继在上一次被选为中继，那么它有很大可能在下一次中继选择时仍旧成为中继，由于过度充当中继，这个移动终端电量会过早消耗殆尽。为此，在中继选择时要兼顾中继所能提供的信噪比大小整个网络的使用寿命。在这里我们定义整个系统的网络寿命为所有用户都可以正常工作的时间。现给出一个中继方法的比较式：

其中，E_i是第i个中继的剩余能量，E是每个中继的初始能量，ε是能量与信噪比之间的权衡因子（取值范围是0～1），

SNR_i是第i个中继到目的节点的链路质量信息。

定义中继选择的比较因子为：

与方法1类似，为每个中继设定一个定时器，其定时时长为：μ_i越大的用户，T_i越小，中继性能越好，定时时长越小，越早提前选出。

剩余能量的计算：设初始时每个中继节点的能量为E，设当前参与中继的节点集合为Φ₁，将集合中所有中继节点能量改为E-E_send，E_send为每次参与中继协作所消耗的能量，为了比较的公平性这里假设每次消耗能量相等。

3、按照各中继节点到目的端的距离大小排序

直接估算出各中继到目的端的距离大小，距离越小的优先级越高。

中继选择的比较函数的定义与式（8）相同，但是将式子中有关信道状态信息项都替换成距离信息。得到比较函数为：

中继优化

1）对复用资源的选择。由于D2D是复用蜂窝用户的资源，当中继选择完成以后，为了进一步减少蜂窝用户对D2D用户的干扰，有必要对C2中所选的中继所复用的资源进行优化，方法如下：由D向M个蜂窝用户发送一个测试信号，从而估算出D与M个蜂窝用户的信道质量。目的节点在接收第中继节点转发的信号时会收到来自蜂窝用户的干扰，为了减少蜂窝用户和D2D之间的相互干扰，必须减小|h_CD|²，所以要选出与目的节点D之间信道质量最差的蜂窝用户，那么各个中继就复用该蜂窝用户的资源。

2）由前面可知，中继选择过程采用分布方式（为各中继设定定时器），每个中继发送信号也需要接收信号，假设工作模式转换的时间最大为c，设最优中继的定时初始值为t₁，次优中继的定时器初始值为t₂，如果t₁+c＞t₂，则有可能发生碰撞，所谓碰撞即是指将不是最优中继的节点误判为最优中继的概率。假设Y_j＝λ/h_j，Y₁＜Y₂＜...＜Y_M。则有：

其中：F(t)＝cdf_Ti(t)＝Pr(T_i≤t)，f(t)＝pdf_Ti(t)。 (14)

现在仅对方案1的碰撞概率进行分析，且为了简化分析，在分析碰撞概率时我们忽略了中继对基站的干扰。加入扭曲函数f₁(T_i)＝(T_i)^2/α会减小碰撞概率，现将扭曲函数带入式子(14)得到：

在多中继情况下，碰撞概率为：

D2D直通链路中继触发条件：

在进行中继选择之前，首先要判断S与D是否需要经过中继转发。根据式（3），可以得到直接发送时目的端的接收信噪比为：假设系统能够正确解码所需的信噪比是γ_T。如果SNR_SD＞γ_T，则S与D直接进行通信无需经过中继。如果SNR_SD＜γ_T，则需要进行中继选择。

D2D通信系统的限制条件：

由于D2D通信频带与蜂窝用户的通信频带相同且本发明采用的复用上行资源，所以D2D中继用户的干扰必须在基站的干扰阈值之内。假设中继用户的发送功率为P_Ri,中继R_i可以估算出S与他们之间的链路质量h_RiB，|h_RiB|是瑞利随机变量，方差为。d_RiB是中继与基站的距离，对于所有参加通信的中继必须满足：，其中n是参与转发的中继个数，γ_T是基站的干扰阈值。

表1D2D通信复用蜂窝资源时引入的干扰

Claims

1.一种终端直通通信系统中的自适应多中继选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据源节点S与目的节点D之间的链路质量信息，估算出目的节点D的接收信噪比，若目的节点D的接收信噪比大于或等于该目的节点正确解码所需的信噪比，则不需要引入中继，进入步骤5)，否则需要引入中继，进入步骤2)；

2)估算出各个中继R与目的节点D之间的链路质量信息，从而确定利用各个中继转发时目的节点D的接收信噪比，第i个中继所能提供的信噪比为

{SNR}_{i} = \frac{P_{s} P_{i} | h_{S R i} h_{R i D} |^{2}}{1 + P_{s} | h_{S R i} |^{2} + P_{i} | h_{R i D} |^{2}};

其中P_S为发送端S的发送能量，P_i是第i个中继的发射功率，h_SRi是发送端与第i个中继之间的链路质量信息，h_RiD第i个中继与基站之间的链路质量信息；

同时按照下式计算出第i个中继对基站的干扰：

3)按照优先级对所有中继进行排序，具体流程为：

首先确定中继优先级排序选择标准：在视距传播场景下，用距离选择标准；

在其他场景下，若用户需要最好服务质量，则采用只考虑信噪比的选择标准，按照各中继节点到目的端的信噪比大小排序时中继选择的比较函数为：

f_{i} = \frac{{SNR}_{i}}{I_{R i B}};

其中SNR_i是第i个中继提供的信噪比，I_RiB是第i个中继对基站的干扰；

否则采用同时考虑信噪比和剩余能量的选择标准，同时考虑信噪比和剩余能量的选择标准为按照下式计算得到的比较因子，从大到小对中继进行排序，比较因子越大则表明优先级越高：

f_{i} = \frac{ϵ {(\frac{E_{i}}{E})}^{1 / 2} + (1 - ϵ) (1 - 2^{- 0.1 * {SNR}_{i}})}{P_{i} | h_{R i B} |^{2}}

其中E_i是第i个中继的剩余能量，E是各个中继的初始能量，ε是剩余能量与目的节点接收信噪比的权衡因子，SNR_i是第i个中继提供的信噪比，P_i是第i个中继的发射功率，h_RiB是第i个中继与基站之间的链路质量信息；

4)按照所述步骤3)中确定的中继排序，依次取出中继，判断其是否为可选中继，最终得到可选中继集合，具体流程为：

41)按照下式计算第i个中继的累积干扰I_i：

若第i-1个中继为可选中继，则I_i＝I_i-1+I_RiB，若第i-1个中继不是可选中继，则I_i＝I_i-1，其中累积干扰初值I₀＝0；

42)若I_i>I_therd,，则该中继不是可选中继，否则该中继为可选中继，从而将其添加到可选中继集合；其中I_therd是基站的干扰阈值；

43)若i＜N，则令i＝i+1后返回步骤41)，否则进入步骤5)，其中N为中继总数；

5)结束本方法流程。