CN103796192A - 单源单宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在直通单源单宿中继通信系统中的跨层优化设计方法，该方法包括资源分配和数据传输两个部分，单源单宿是指通信由一个发送源端直通用户向一个接收宿端用户发送数据的情况。资源分配过程是指直通用户在建立通信链路之前需要向基站申请频率资源的过程，基站需要根据申请用户的地理位置、传输环境、业务的数据类型等判决该如何向该直通用户分配理想的频率资源，在保证直通链路通信的有效性和可靠性的同时，不影响蜂窝系统的正常运行。数据传输过程是指在直通用户获得频率资源之后，如何使用该资源进行高效通信的过程。该过程中我们采用自适应编码调制和混合自动重传相结合的方式进行链路通信。

Description

单源单宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法

技术领域

本发明涉及计算机通信技术领域，特别涉及一种单源单宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法。

背景技术

传统蜂窝系统中引入直通技术（D2D）可以克服IMT-Advanced系统中随着无线多媒体业务发展带来的以基站为中心的小区业务提供模式在适应本地业务发展方面的局限性，D2D技术能够改善网络结构、增强覆盖、提高系统容量。

但是，D2D技术的提出带来新的问题：需要基站协助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通信的功率和距离受限。

为了解决D2D中的问题，需要有效的机制提高D2D的资源利用率，包括给D2D用户分配合理的资源和一旦分配资源D2D用户必须高效利用资源两个内容。本发明能够很好地解决上面的问题。距离的限制可以通过中继的辅助，一方面可以增强D2D链路性能，提升系统容量，另一方面可降低D2D发射方功率，降低对蜂窝用户干扰。自适应编码调制和混合自动请求重传结合方案可以很好地解决高效性问题。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直通单源单宿中继通信系统中的跨层优化设计方法，该方法能够增强D2D链路性能，提升系统资源利用率，并且能够降低D2D发射方功率，降低对蜂窝用户干扰，通过跨层设计和中继辅助将带来更大性能提升。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明是一种直通单源单宿中继通信系统中的跨层优化设计方法，该方法为实现多对单源单宿D2D对空闲竞争时的中继分配方法，适用于下一代蜂窝系统，该方法提出了使用跨层设计的资源分配和利用问题。

方法流程：

本发明提供了一种直通单源单宿中继通信系统中的跨层优化设计方法，该方法为基于蜂窝系统的单源单宿中继实现方法，其包括如下步骤：

（1）通信场景（如图1所示）：

直通蜂窝用户的发端记为Dt，接收端记为Dr，中继记为R。如果Dr在Dt的有效通信距离内，两者可以直接建立通信链路；如果Dr不在Dt的有效通信距离内，Dt需要通过中继R与Dr进行通信，此时Dt和R构成了一对D2D通信；R和Dr也构成了一对D2D通信，R复用蜂窝用户的频率资源。图中实箭头表示D2D用户之间的通信链路，虚箭头表示D2D通信链路建立之前，与基站取得联系获取通信信道资源的链路。

D2D用户有两种情形，一种是用户设备跟蜂窝用户设备相同，可以使用蜂窝系统中各个频点发射信号，但是没有被分配蜂窝系统资源；另一种是用户本身就是蜂窝用户，已经分配了信道资源，可以转发信号，具有中继节点功能。在此，我们针对第一种用户进行讨论；

在本发明中，我们主要关注边缘D2D通信场景。D2D用户的发射功率很低，通信距离很短，不足以向较远距离的基站发送信号，除基站附近的D2D用户外，需要通过与附近的蜂窝用户通信的方式与基站取得联系；

D2D用户在接收信号的同时可以转发信号给其他D2D用户；

（2）基站对直通用户的资源分配流程如下（如图2所示）：

步骤一：D2D发送端首先在CCCH上广播发送会话请求；

步骤二：如果在其有效通信范围内存在愿意帮助D2D用户转发信号的蜂窝用户，那么该蜂窝用户就向D2D的发送端回复一个确认信号，同时将D2D的请求发给基站

步骤三：基站监测直通用户附近用户的CCCH上的信息，并根据信息测量附近存在的干扰状况；

步骤四：基站在接收到该请求后，根据跨层优化的准则为D2D用户分配可用的频率等资源，并通过CCCH通知D2D发送端；

步骤五：D2D发送端根据基站分配的资源进行通信；

步骤六：如果D2D发送端没有收到接收端的确认信息，则根据基站的分配信息，向对应的蜂窝用户发出中继请求，如果收到确认信息，则D2D成功建立通信链路。

（3）资源分配过程的跨层优化准则

设计原则：

1、通信链路必须能够满足直通用户的用户需求，包括业务类型、数据传输速率、可允许的错误概率参数；

2、在申请资源分配时，直通用户有效通信范围内的蜂窝用户愿意为直通用户向基站转发信息；在中继链路建立过程中，蜂窝用户愿意并且能够为直通用户转发数据。

根据以上原则，在基站处，需要综合考虑各个链路流量、链路费用、链路传输环境、功率损耗、传输可靠性方面的问题，为此定义效用函数Φ(P_d)如下：

$\mathrm{\Φ}\left(P_d\right)=r_d{P}_d+(x_{{\mathrm{dtc}}_i}+x_{c_i\mathrm{dr}}){\mathrm{\β}}_{{\mathrm{dc}}_i}---\left(1\right)$

其中，符号P_d表示直通用户发送端的功率，

表示直通用户发送端到其有效通信范围内的第i个蜂窝用户c_i的距离，表示直通用户发送端到c_i用户的衰落路径损耗，r_d表示直通用户的数据传输速率，

表示直通用户发送端与c_i用户建立链路传输单位比特数据所需要的费用，同时假设该费用与c_i用户向直通链路接收端转发数据的链路上的费用相同，α表示直通用户发送端到c_i用户的路径损耗。

在基站处通过对效用函数进行优化得到所需要的资源分配策略，优化方法如下：

$\begin{array}{cccc}\min \mathrm{imize}& & \mathrm{\Φ}\left(P_d\right)& \\ \mathrm{subject}& \mathrm{to}& x_{c_{i}s}+x_{c_i\mathrm{dr}}-x_{\mathrm{dt}{c}_i}\≤x_{\max c_i}& \left(a\right)\\ & & r_{c_i}{P}_{c_i}+r_d{P}_{c_i\mathrm{dr}}\≤r_{\max c_i}{P}_{\max c_i}& \left(b\right)\\ & & x_{c_{i}s}\≤r_{c_i},x_{c_i\mathrm{dr}}\≤r_d,x_{{\mathrm{dtc}}_i}\≤r_d& \left(c\right)\\ & & P_{\min c_i}\≤P_{c_i}\≤P_{\max c_i},P_{\min d}\≤P_d\≤P_{\max d}& \left(d\right)\\ & & {\left|h_{c_i{d}_r}\right|}^2{d}_{c_i{d}_r}^{-\mathrm{\α}}{P}_{c_i\mathrm{dr}}\≥{\mathrm{I\γ}}_{\mathrm{drth}}& \left(e\right)\end{array}---\left(2\right)$

公式中符号

表示c_i用户到基站链路上的流量，

表示c_i用户转发给直通的接收端用户Dr的流量，

表示直通通信的发送端用户Dt发送给c_i用户的流量，

表示c_i用户的最大节点流量，表示蜂窝用户的数据传输速率，表示c_i用户的单位比特的发送功率，r_d表示直通用户的数据传输速率，

表示c_i用户向Dr用户发送单位比特数据的功率，

表示c_i用户的最大单位比特发送功率，

表示c_i用户的最小单位比特发送功率，P_mind表示Dt用户的最小单位比特发送功率，P_maxd表示Dt用户的最大单位比特发送功率，

表示c_i用户到Dr用户的信道衰落因子，

表示c_i用户到Dr用户的距离，I表示直通用户接收端的干扰功率，γ_drth表示Dr用户正确接收信号的接收信噪比（SINR）门限值。

公式中条件（2.a）是对节点流量进行约束，表明对在直通用户有效通信距离内的任意蜂窝用户而言，从该用户出流入的流量，即直通用户发给蜂窝用户的流量，与蜂窝用户向基站发送自己数据的流量，和向直通的接收端用户转发的数据流量之和应该不大于蜂窝用户的最大节点流量。

公式中的条件（2.b）是对c_i用户发送功率的限制，c_i用户发送

比特数据的总功率和转发直通用户r_d比特数据的总功率之和不能超过c_i用户发送自身最大比特数据的最大发送总功率。

公式中条件（2.c）是对链路上的流量和链路上的数据传输速率的限制，流量应该小于数据传输速率；

公式中条件（2.d）是对c_i用户和直通用户发送单位比特数据功率的限制，两者都不能低于最低功率也不能高于最高功率限制。

公式中条件（2.e）是对中继链路上的传输条件进行限制，中继链路上的SINR值必须满足在直通用户的接收端能够被正确解码的条件。

不需要中继的情况，优化方法如下：

$\begin{array}{cccc}\min \mathrm{imize}& & \mathrm{\Φ}\left(P_d\right)=r_d{P}_d& \\ \mathrm{subject}& \mathrm{to}& P_{\min d}\≤P_d\≤P_{\max d}& \left(a\right)\\ & & \frac{d_{d2d}^{-\mathrm{\α}}{\left|h_{d2d}\right|}^2{P}_d}{d_{c_i\mathrm{dr}}^{-\mathrm{\α}}{\left|h_{c_i\mathrm{dr}}\right|}^2{P}_{c_i}+N_0}\≥{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{drth}}& \left(b\right)\end{array}---\left(3\right)$

公式中符号d_d2d表示Dt和Dr用户之间的距离，h_d2d表示Dt和Dr用户之间的通信链路的衰落路径损耗，

表示c_i用户到Dr用户之间的距离，

表示c_i用户到Dr用户之间的通信链路的衰落路径损耗，N₀表示高斯噪声功率。

公式中条件（3.b）是对不需要中继转发的直通通信的Dr用户的信号信道噪声比的限制，在Dr用户端要保证使用c_i用户频率资源的通信链路不会对Dr用户的接收产生有害干扰；

（4）直通用户高效使用资源的流程如下（如图3所示）：

步骤一：直通用户获得基站分配的最优信道；

步骤二：直通用户向其直通通信的接收端发送发送数据的请求；

步骤三：直通用户发送端等待接收端的确认信息，如果D2D发送端没有收到接收端的确认信息，则根据基站的分配信息，向对应的蜂窝用户发出中继请求，如果收到确认信息，则D2D成功建立通信链路；

步骤四：如果直通用户收到接收端的确认信号，直通发送端开始向接收端发送数据，首先根据当前检测的SINR值选择相应的AMC方案，根据相应的方案对数据进行调整编码，发送数据；

步骤五：直通用户发送端等待接收端是否正确接收到信号的确认信息，如果正确接收，判断数据是否传输完毕，如果传输完毕则释放信道，否则，继续传输剩余数据；

步骤六：如果发送端没有收到接收端的ACK，则发送端启动HARQ机制，判断是否超过最大重传次数，如果没有则重新发送数据，直到达到最大传输次数，如果在没有达到最大传输次数时就已经收到ACK，则进入步骤五，否则结束HARQ，重新估价SINR；

步骤七：重新估计SINR，如果SINR值没变，说明该信道不适合直通传输，直到通用户重新向基站申请可用资源；如果SINR值改变，则直通用户发送端根据变化的SINR值，调整AMC方案，继续使用该信道发送数据，进入步骤四的循环，直到数据传输结束。

有益效果：

1、本发明提高了蜂窝系统的资源利用率、系统吞吐量，扩大了系统容量和小区的覆盖范围。

2、本发明提高了在同一区域D2D通信的有效性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的直通单源单宿中继通信场景图。

图2是本发明采用的基站对直通用户的资源分配流程图。

图3是本发明的直通用户采用AMC和HARH结合方案使用资源的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

（1）基站对直通用户的资源分配流程如下（如图2所示）：

步骤一：D2D发送端首先在CCCH上广播发送会话请求；

步骤二：如果在其有效通信范围内存在愿意帮助D2D用户转发信号的蜂窝用户，那么该蜂窝用户就向D2D的发送端回复一个确认信号，同时将D2D的请求发给基站

步骤三：基站监测直通用户附近用户的CCCH上的信息，并根据信息测量附近存在的干扰状况；

步骤四：基站在接收到该请求后，根据跨层优化的准则为D2D用户分配可用的频率等资源，并通过CCCH通知D2D发送端；

步骤五：D2D发送端根据基站分配的资源进行通信；

步骤六：如果D2D发送端没有收到接收端的确认信息，则根据基站的分配信息，向对应的蜂窝用户发出中继请求，如果收到确认信息，则D2D成功建立通信链路。

（2）资源分配过程的跨层优化准则

设计原则：

1、通信链路必须能够满足直通用户的用户需求，包括业务类型、数据传输速率、可允许的错误概率参数；

2、在申请资源分配时，直通用户有效通信范围内的蜂窝用户愿意为直通用户向基站转发信息；在中继链路建立过程中，蜂窝用户愿意并且能够为直通用户转发数据。

根据以上原则，在基站处，需要综合考虑各个链路流量、链路费用、链路传输环境、功率损耗、传输可靠性方面的问题，为此定义效用函数Φ(P_d)如下：

$\mathrm{\Φ}\left(P_d\right)=r_d{\left|h_{d{c}_i}\right|}^2{d}_{{\mathrm{dc}}_i}^{-\mathrm{\α}}{P}_d+r_d{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{dc}}_i}---\left(1\right)$

其中，符号P_d表示直通用户发送端的功率，

表示直通用户发送端到其有效通信范围内的第i个蜂窝用户c_i的距离，

表示直通用户发送端到c_i用户的衰落路径损耗，r_d表示直通用户的数据传输速率，

表示直通用户发送端与c_i用户建立链路传输单位比特数据所需要的费用，α表示直通用户发送端到c_i用户的路径损耗。

在基站处通过对效用函数进行优化得到所需要的资源分配策略，优化方法如下：

公式中符号

表示c_i用户到基站链路上的流量，

表示c_i用户转发给直通的接收端用户Dr的流量，

表示直通通信的发送端用户Dt发送给c_i用户的流量，

表示c_i用户的最大节点流量，

表示蜂窝用户的数据传输速率，

表示c_i用户的单位比特的发送功率，r_d表示直通用户的数据传输速率，

表示c_i用户向Dr用户发送单位比特数据的功率，

表示c_i用户的最大单位比特发送功率，

表示c_i用户的最小单位比特发送功率，P_mind表示Dt用户的最小单位比特发送功率，P_maxd表示Dt用户的最大单位比特发送功率，d_d2d表示Dt和Dr用户之间的距离，h_d2d表示Dt和Dr用户之间的通信链路的衰落路径损耗，表示c_i用户到Dr用户之间的距离，表示c_i用户到Dr用户之间的通信链路的衰落路径损耗，N₀是高斯噪声功率，γ_drth表示Dr用户的接收信噪比（SINR）门限。

公式中条件（2.a）是对节点流量进行约束，表明对在直通用户有效通信距离内的任意蜂窝用户而言，从该用户出流入的流量，即直通用户发给蜂窝用户的流量，与蜂窝用户向基站发送自己数据的流量，和向直通的接收端用户转发的数据流量之和应该不大于蜂窝用户的最大节点流量。

公式中的条件（2.b）是对c_i用户发送功率的限制，c_i用户发送

比特数据的总功率和转发直通用户r_d比特数据的总功率之和不能超过c_i用户发送自身最大比特数据的最大发送总功率。

公式中条件（2.c）是对c_i用户和直通用户发送单位比特数据功率的限制，两者都不能低于最低功率也不能高于最高功率限制。

公式中条件（2.d）是对不需要中继转发的直通通信的Dr用户的信号信道噪声比的限制，在Dr用户端要保证使用c_i用户频率资源的通信链路不会对Dr用户的接收产生有害干扰。

（3）直通用户高效使用资源的流程如下（如图3所示）：

步骤302：直通用户获得基站分配的最优信道；

步骤304：直通用户向其直通通信的接收端发送发送数据的请求；

步骤306：直通用户发送端等待接收端的确认信息，如果D2D发送端没有收到接收端的确认信息，则转向步骤324，如果收到确认信息，转向步骤308；

步骤308：向接收端用户发送建立连接请求，建立通信链路；

步骤310：如果直通用户收到接收端的确认信号，直通发送端开始向接收端发送数据，首先根据当前检测的SINR值选择相应的AMC方案，根据相应的方案对数据进行调整编码；

步骤312：发送数据；

步骤314：直通用户发送端等待接收端是否正确接收到信号的确认信息，如果正确接收，转向步骤318，否则转向步骤316；

步骤316：如果发送端没有收到接收端的ACK，则发送端启动HARQ机制，判断是否超过最大重传次数，如果没有则转向步骤312，直到达到最大传输次数，如果在没有达到最大传输次数时就已经收到ACK，则进入步骤312，否则结束HARQ，转向步骤320；

步骤318：判断数据是否传输完毕，如果传输完毕则转向步骤326，否则，转向步骤312；

步骤320：重新估价SINR；

步骤322：判断SINR是否变化，如果SINR值没变，说明该信道不适合直通传输，转向步骤302，直通用户重新向基站申请可用资源，如果SINR值改变，则转向步骤310，直通用户发送端根据变化的SINR值，调整AMC方案，继续使用该信道发送数据，直到数据传输结束；

步骤324：根据基站的分配信息，向对应的蜂窝用户发出中继请求；

步骤326：释放信道。

Claims (3)

1.一种单源单宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）基站对直通用户（D2D）的资源分配流程，包括如下步骤：

步骤一：D2D发送端首先在前向公共控制信道（CCCH）上广播发送会话请求；

步骤二：如果在其有效通信范围内存在愿意帮助D2D用户转发信号的蜂窝用户，那么该蜂窝用户就向D2D的发送端回复一个确认信号，同时将D2D的请求发给基站

步骤三：基站监测直通用户附近用户的CCCH上的信息，并根据信息测量附近存在的干扰状况；

步骤四：基站在接收到该请求后，根据跨层优化的准则为D2D用户分配可用的频率等资源，并通过CCCH通知D2D发送端；

步骤五：D2D发送端根据基站分配的资源进行通信；

步骤六：如果D2D发送端没有收到接收端的确认信息，则根据基站的分配信息，向对应的蜂窝用户发出中继请求，如果收到确认信息，则D2D成功建立通信链路；

（2）资源分配过程的跨层优化准则；

（3）直通用户实现高效传输的流程，包括如下步骤：

步骤一：直通用户获得基站分配的最优信道；

步骤二：直通用户向其直通通信的接收端发送发送数据的请求；

步骤三：直通用户发送端等待接收端的确认信息，如果D2D发送端没有收到接收端的确认信息，则转向步骤十二，如果收到确认信息，转向步骤四；

步骤四：向接收端用户发送建立连接请求，建立通信链路；

步骤五：如果直通用户收到接收端的确认信号，直通发送端开始向接收端发送数据，首先根据当前检测的信号干扰噪声比（SINR）值选择相应的自适应调制编码（AMC）方案，根据相应的方案对数据进行调整编码；

步骤六：发送数据；

步骤七：直通用户发送端等待接收端是否正确接收到信号的确认信息，如果正确接收，转向步骤九，否则转向步骤八；

步骤八：如果发送端没有收到接收端的确认（ACK），则发送端启动混合自动请求重传（HARQ）机制，判断是否超过最大重传次数，如果没有则转向步骤六，直到达到最大传输次数，如果在没有达到最大传输次数时就已经收到ACK，则进入步骤六，否则结束HARQ，转向步骤十；

步骤九：判断数据是否传输完毕，如果传输完毕则转向步骤十三，否则，转向步骤六；

步骤十：重新估价SINR；

步骤十一：判断SINR是否变化，如果SINR值没变，说明该信道不适合直通传输，转向步骤一，直通用户重新向基站申请可用资源，如果SINR值改变，则转向步骤五，直通用户发送端根据变化的SINR值，调整AMC方案，继续使用该信道发送数据，直到数据传输结束；

步骤十二：根据基站的分配信息，向对应的蜂窝用户发出中继请求；

步骤十三：释放信道。

2.根据权利要求1所述的一种单源单宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法，其特征在于，所述方法中的资源分配过程的跨层优化准则包括：

1、通信链路必须能够满足直通用户的用户需求，包括业务类型、数据传输速率、可允许的错误概率参数；

2、在申请资源分配时，直通用户有效通信范围内的蜂窝用户愿意为直通用户向基站转发信息；在中继链路建立过程中，蜂窝用户愿意并且能够为直通用户转发数据；

根据以上原则，在基站处，需要综合考虑各个链路流量、链路费用、链路传输环境、功率损耗、传输可靠性方面的问题，为此定义效用函数Φ(P_d)如下：

$\mathrm{\Φ}\left(P_d\right)=r_d{\left|h_{d{c}_i}\right|}^2{d}_{{\mathrm{dc}}_i}^{-\mathrm{\α}}{P}_d+r_d{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{dc}}_i}---\left(1\right)$

其中，符号P_d表示直通用户发送端的功率，

表示直通用户发送端到其有效通信范围内的第i个蜂窝用户c_i的距离，

表示直通用户发送端到c_i用户的衰落路径损耗，r_d表示直通用户的数据传输速率，

表示直通用户发送端与c_i用户建立链路传输单位比特数据所需要的费用，α表示直通用户发送端到c_i用户的路径损耗；

在基站处通过对效用函数进行优化得到所需要的资源分配策略，优化方法如下：

公式中符号

表示c_i用户到基站链路上的流量，

表示c_i用户转发给直通的接收端用户Dr的流量，

表示直通通信的发送端用户Dt发送给c_i用户的流量，

表示c_i用户的最大节点流量，

表示蜂窝用户的数据传输速率，

表示c_i用户的单位比特的发送功率，r_d表示直通用户的数据传输速率，

表示c_i用户向Dr用户发送单位比特数据的功率，表示c_i用户的最大单位比特发送功率，表示c_i用户的最小单位比特发送功率，P_mind表示Dt用户的最小单位比特发送功率，P_maxd表示Dt用户的最大单位比特发送功率，d_d2d表示Dt和Dr用户之间的距离，h_d2d表示Dt和Dr用户之间的通信链路的衰落路径损耗，表示c_i用户到Dr用户之间的距离，

表示c_i用户到Dr用户之间的通信链路的衰落路径损耗，N₀是高斯噪声功率，γ_drth表示Dr用户的接收信噪比门限。

3.根据权利要求2所述的一种单源单宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法，其特征在于，所述方法的公式中条件包括：

公式中条件（2.a）是对节点流量进行约束，表明对在直通用户有效通信距离内的任意蜂窝用户而言，从该用户出流入的流量，即直通用户发给蜂窝用户的流量，与蜂窝用户向基站发送自己数据的流量，和向直通的接收端用户转发的数据流量之和应该不大于蜂窝用户的最大节点流量；

公式中的条件（2.b）是对c_i用户发送功率的限制，c_i用户发送

比特数据的总功率和转发直通用户r_d比特数据的总功率之和不能超过c_i用户发送自身最大比特数据的最大发送总功率；

公式中条件（2.c）是对c_i用户和直通用户发送单位比特数据功率的限制，两者都不能低于最低功率也不能高于最高功率限制；

公式中条件（2.d）是对不需要中继转发的直通通信的Dr用户的信号信道噪声比的限制，在Dr用户端要保证使用c_i用户频率资源的通信链路不会对Dr用户的接收产生有害干扰。

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