CN103825688A - 直通蜂窝系统中基于harq技术的跨层设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直通蜂窝系统中基于HARQ技术的跨层设计方法，该方法包括：在LTE-Advanced网络中引入D2D通信技术构成一个混合网络，D2D通信复用蜂窝系统的上行链路资源，同时考虑蜂窝用户和D2D用户之间的干扰；在D2D用户通信的过程中，设计一种跨层方法提高通信的交互性，即将数据链路层的混合自动请求重传（HARQ）技术和物理层的自适应调制编码（AMC）技术相结合，以达到满足系统预先设定的误包率和时延等性能的要求；把TypeI、TypeII、TypeIII三种不同类型的HARQ技术分别应用于D2D通信的跨层设计中，将没有引入HARQ技术的通信作为比较的标准，进行吞吐量的性能比较；HARQ技术的引入提高了D2D通信链路的吞吐量，同时也改善了整个系统的性能。

Description

直通蜂窝系统中基于HARQ技术的跨层设计方法

技术领域

本发明涉及计算机通信技术领域，特别涉及一种终端直通蜂窝系统中基于HARQ技术的跨层设计方法。

背景技术

目前，由于蜂窝通信系统以基站为中心的小区覆盖和业务提供方式本身所存在的局限性，所以在通信中存在覆盖和容量等方面的问题。而D2D（Device-to-Device)，即终端直通技术使得邻近的终端可以在近距离范围内通过直接链路进行数据传输，不需要通过中心节点（基站）进行转发，具有低成本、灵活性，可以带来较高的频谱利用率，缓解基站负载，减小系统干扰，以更好的适应本地数据业务。HARQ技术，即混合自动请求重传技术，是将前向纠错和自动请求重传联合，恢复出错信息，增加系统错误修复性能。HARQ合并技术在LTE蜂窝通信中被广泛应用，因此可以考虑在D2D通信中引入该技术，用以保证D2D通信的传输成功率，提升D2D通信的质量，进而提升整个蜂窝网络的整体性能。跨层设计可以提高信息的交互性，使原来不相邻的各层之间也可以互相通信或相邻的两层通过以前没有的接口进行通信，考虑不同层间不同协议的交互，将各个子层的特性参数协调融合。

现有的文献都是把HARQ技术和跨层设计应用在蜂窝系统中，没有考虑对其在直通蜂窝混合网络中的研究。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终端直通蜂窝系统中基于HARQ技术的跨层设计方法，该方法对D2D通信链路的吞吐量增益有很大的提升，进而能够提高整个蜂窝直通网络的吞吐量性能，而且HARQ技术的引入对D2D对之间传输信息的可靠性有所提高，特别是对那些信道质量差的D2D用户有很大帮助。此外，通过对四种情形的比较，可以看出性能越优的HARQ类型对吞吐量的提高越有利。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：本发明是一种在D2D通信中使用HARQ技术进行跨层设计的方法，该方法实现了数据链路层的HARQ技术和物理层的AMC技术的相结合，提高了信息传输的交互性，该方法同时将三种类型的HARQ技术Type-I、Type-II、Type-III分别应用在跨层设计中，通过分析比较实现系统吞吐量的最大化。

方法流程：

本发明提供了一种终端直通蜂窝系统中基于HARQ技术的跨层设计方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：假设单小区蜂窝直通系统，其中有一个基站，N个蜂窝用户和N个D2D对，每个D2D对复用其中一个蜂窝用户的上行资源。D2D用户的发送会对基站接收来自蜂窝用户的信息造成干扰，同时蜂窝用户的发送会对D2D用户的接收造成干扰。

步骤2：由于在实际通信中往往要受到时延的限制，所以HARQ传输的最大次数是受限的，设为N_remax。

步骤3：如果在达到最大传输次数后数据包仍然是有错的，那么该包将会被丢弃，称为丢包。因此，需要在数据链路层预先设定一个可接受的误包率P_loss。

步骤4：在物理层，接收端会根据信干噪比（SINR）信息来确定当前接收到的数据包是否满足数据要求。所以，根据N_remax和P_loss，可以设计相应的AMC和HARQ来满足数据链路层的误包率和时延要求。

步骤5：根据数据链路层的P_loss，在物理层的每个传输模式中都有一个误包上限，用P_n表示，则可以得到：

$P_n^{N_{\mathrm{re}\max }+1}\≤P_{\mathrm{loss}},$ 即

$P_n\≤P_{\mathrm{loss}}^{1/(N_{\mathrm{re}\max }+1)}:=P_{t\arg \mathrm{et}}$

因此，在物理层设计出AMC方案满足上式的误包率并在数据链路层执行N_remax的限制，那么就可以得到同时满足时延和系统性能的跨层设计。

步骤6：将P_target和物理层的SINR_target信息形成一种映射关系，那么P_target就成为数据链路层和物理层间传递信息的关键参数，它将数据链路层的误包和时延约束传递给物理层，来决定当前传输的数据包是否被正确接收。

其中，本发明在D2D通信中应用了三种类型的HARQ技术。HARQ-I型HARQ是在接收端如果有错则放弃错误分组的数据，并向发送端请求重传与上一帧相同的数据包。HARQ-II类型中，接收端对已传的错误分组并不丢弃，而是与接收到的重传分组组合进行译码，而且重传数据不能单独译码，只能与先前传的数据合并后才能被解码。HARQ-III型是HARQ-II型的改进，各个数据包既可以单独译码，也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。

本发明中如果在D2D用户接收端的SINR小于预先设定的目标SINR，则意味着此次传输的误包率要高于目标误包率，所以需要重传请求。通过记录HARQ不同的进程信息来实现重传，D2D用户接收端在接收数据时，通过计算当前SINR信息来确定是否需要进行重传，HARQ技术的实现过程包括如下步骤：

步骤1：D2D接收端将当前接收到的SINR和预先设定的目标SINR_target进行比较，如果SINR小于SINR_target，转步骤二，否则，转步骤五。

步骤2：系统收到反馈的重传信息时，会记录当前SINR值、重传次数以及传输模式等级，作为下一次重传的参考数据。

步骤3：如果重传次数已经达到最大重传次数，则将所有的数据清零，此数据包被丢弃，传输下一个新的数据包；如果没有达到最大重传次数，则转步骤四。

步骤4：根据三种类型HARQ不同的重传内容，会分别得到相应的合并SINR，将此合并信干噪比SINR再一次和目标SINR_target进行比较，转步骤一。

步骤5：数据包成功传输，将所有数据清零，准备传输下一个新的数据包。

有益效果：

1、本发明对D2D通信链路的吞吐量增益有了很大的提升，进而提高了整个蜂窝直通网络的吞吐量性能。

2、本发明引入HARQ技术，对D2D对之间传输信息的可靠性更好地提高。

附图说明

图1为本发明D2D通信链路吞吐量CDF性能示意图。

图2为本发明D2D通信加入不同的HARQ前后吞吐量差值CDF性能示意图。

图3为本发明基站吞吐量CDF性能示意图。

图4为本发明小区内总吞吐量CDF性能示意图。

图5为本发明的蜂窝直通系统应用场景示意图。

图6为本发明跨层结构图。

图7为本发明方法流程图。

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。

实施例一

如图5、图6和图7所示，本发明应用D2D用户复用蜂窝用户上行链路资源的情形，并且考虑到它们之间的相互干扰。在LTE-A网络中，通常用HARQ技术来保证数据传输的可靠性，用跨层技术来提高系统性能，所以本发明考虑同时把HARQ技术和跨层设计引入到D2D通信中进一步提升整个系统的吞吐量。图5为单小区蜂窝直通系统，其中有一个基站，N个蜂窝用户和N个D2D对，每个D2D对复用其中一个蜂窝用户的上行资源。D2D用户的发送会对基站接收来自蜂窝用户的信息造成干扰，同时蜂窝用户的发送会对D2D用户的接收造成干扰。

在基站和D2D接收端的接收信号分别用

和

表示。则

$y_{C_i}=h_{C_{i}B}\sqrt{P_{C_i}{d}_{C_{i}B}^{-\mathrm{\α}}}{x}_{C_i}+h_{S_{i}B}\sqrt{P_{S_i}{d}_{S_{i}B}^{-\mathrm{\α}}}{x}_{S_i}+n_{C_i}$

$y_{D_i}=h_{S_i{D}_i}\sqrt{P_{D_i}{d}_{S_i{D}_i}^{-\mathrm{\α}}}{x}_{S_i}+h_{C_i{D}_i}\sqrt{P_{C_i}{d}_{C_i{D}_i}^{-\mathrm{\α}}}{x}_{C_i}+n_{D_i}$

可得到相应的信干噪比：

${\mathrm{\γ}}_{C_i}=\frac{{\left|h_{C_{i}B}\right|}^2{P}_{C_i}{d}_{C_{i}B}^{-\mathrm{\α}}}{{\left|h_{S_{i}B}\right|}^2{P}_{S_i}{d}_{S_{i}B}^{-\mathrm{\α}}+N_{C_i}}$

${\mathrm{\γ}}_{D_i}=\frac{{\left|h_{S_i{D}_i}\right|}^2{P}_{S_i}{d}_{S_i{D}_i}^{-\mathrm{\α}}}{{\left|h_{C_i{D}_i}\right|}^2{P}_{C_i}{d}_{C_i{D}_i}^{-\mathrm{\α}}+N_{D_i}}$

为简化分析，将信道相关系数设为1，即仅考虑路损的情形，则上式可化简为：

${\mathrm{\γ}}_{C_i}=\frac{P_{C_i}{d}_{C_{i}B}^{-\mathrm{\α}}}{P_{D_i}{d}_{S_{i}B}^{-\mathrm{\α}}+N_{C_i}}$

${\mathrm{\γ}}_{D_i}=\frac{P_{D_i}{d}_{S_i{D}_i}^{-\mathrm{\α}}}{P_{C_i}{d}_{C_i\mathrm{Di}}^{-\mathrm{\α}}+N_{D_i}}$

因此，在基站和D2D用户接收端的吞吐量可表示为：

$R_{C_i}=W{\log }_2(1+\frac{P_{C_i}{d}_{C_{i}B}^{-\mathrm{\α}}}{P_{D_i}{d}_{S_{i}B}^{-\mathrm{\α}}+N_{C_i}})=W{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{C_i})$

$R_{D_i}=W{\log }_2(1+\frac{P_{D_i}{d}_{S_i{D}_i}^{-\mathrm{\α}}}{P_{C_i}{d}_{C_i\mathrm{Di}}^{-\mathrm{\α}}+N_{D_i}})=W{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{D_i})$

整个系统的吞吐量为：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{sum}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\∑}}{R}_{C_i}+\underset{i=1}{\overset{N}{\∑}}{R}_{D_i}\\ =W\underset{i=1}{\overset{N}{\∑}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{C_i})+W\underset{i=1}{\overset{N}{\∑}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{D_i})\end{array}$

由于D2D通信采用与IMT-Advanced蜂窝通信相同的物理层传输技术，并与IMT-Advanced蜂窝网络在物理层上保持基本同步，所以D2D通信的跨层结构如图6所示。

本发明提出的基于HARQ技术的跨层设计方法包括如下步骤：

步骤1：假设单小区蜂窝直通系统，其中有一个基站，N个蜂窝用户和N个D2D对，每个D2D对复用其中一个蜂窝用户的上行资源。D2D用户的发送会对基站接收来自蜂窝用户的信息造成干扰，同时蜂窝用户的发送会对D2D用户的接收造成干扰。

步骤2：由于在实际通信中往往要受到时延的限制，所以HARQ传输的最大次数是受限的，设为N_remax。

步骤3：如果在达到最大传输次数后数据包仍然是有错的，那么该包将会被丢弃，称为丢包。因此，需要在数据链路层预先设定一个可接受的误包率P_loss。

步骤4：在物理层，接收端会根据信干噪比（SINR）信息来确定当前接收到的数据包是否满足数据要求。所以，根据N_remax和P_loss，可以设计相应的AMC和HARQ来满足数据链路层的误包率和时延要求。

步骤5：根据数据链路层的P_loss，在物理层的每个传输模式中都有一个误包上限，用P_n表示，则可以得到：

$P_n^{N_{\mathrm{re}\max }+1}\≤P_{\mathrm{loss}},$ 即

$P_n\≤P_{\mathrm{loss}}^{1/(N_{\mathrm{re}\max }+1)}:=P_{t\arg \mathrm{et}}$

因此，在物理层设计出AMC方案满足上式的误包率并在数据链路层执行N_remax的限制，那么就可以得到同时满足时延和系统性能的跨层设计。

步骤6：将P_target和物理层的SINR_target信息形成一种映射关系，那么P_target就成为数据链路层和物理层间传递信息的关键参数，它将数据链路层的误包和时延约束传递给物理层，来决定当前传输的数据包是否被正确接收。

其中，本发明在D2D通信中应用了三种类型的HARQ技术。HARQ-I型HARQ是在接收端如果有错则放弃错误分组的数据，并向发送端请求重传与上一帧相同的数据包。HARQ-II类型中，接收端对已传的错误分组并不丢弃，而是与接收到的重传分组组合进行译码，而且重传数据不能单独译码，只能与先前传的数据合并后才能被解码。HARQ-III型是HARQ-II型的改进，各个数据包既可以单独译码，也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。

本发明中如果在D2D用户接收端的SINR小于预先设定的目标SINR，则意味着此次传输的误包率要高于目标误包率，所以需要重传请求。通过记录HARQ不同的进程信息来实现重传，D2D用户接收端在接收数据时，通过计算当前SINR信息来确定是否需要进行重传，HARQ技术的实现过程包括如下步骤：

步骤1：D2D接收端将当前接收到的SINR和预先设定的目标SINR_target进行比较，如果SINR小于SINR_target，转步骤二，否则，转步骤五。

步骤2：系统收到反馈的重传信息时，会记录当前SINR值、重传次数以及传输模式等级，作为下一次重传的参考数据。

步骤3：如果重传次数已经达到最大重传次数，则将所有的数据清零，此数据包被丢弃，传输下一个新的数据包；如果没有达到最大重传次数，则转步骤四。

步骤4：根据三种类型HARQ不同的重传内容，会分别得到相应的合并SINR，将此合并信干噪比SINR再一次和目标SINR_target进行比较，转步骤一。

步骤5：数据包成功传输，将所有数据清零，准备传输下一个新的数据包。

实施例二

如图1、图2、图3和图4所示，本发明在仿真时主要从吞吐量的角度对系统性能进行分析，将三种不同类型的HARQ应用于跨层设计中，同时，为了分析在D2D通信中加入不同的HARQ机制对系统的影响，把没有加入HARQ的情形也进行了比较。

图1给出了D2D通信链路吞吐量CDF性能。可以看出吞吐量值在介于170和220之间时，加入HARQ机制后的D2D通信用户要比没加入HARQ机制的用户数少很多，这说明有一部分低吞吐量的用户在加入HARQ后的吞吐量得到了提升。此外，在三种HARQ类型的比较中，Type-IIIHARQ的性能最好。所以，加入HARQ机制对于那些信道质量确实很差的通信链路是很有帮助的。

同时，图2展示了加入不同的HARQ前后的吞吐量差值的CDF曲线。红色曲线是Type1HARQ和没加入HARQ的前后差值，蓝色曲线是Type2HARQ和Type1HARQ的前后差值，绿色曲线是Type3HARQ和Type2HARQ的前后差值。由这三条曲线可以看出，大约有一半以上的用户在加入HARQ机制后吞吐量得到了提升。

从图3我们可以发现HARQ机制的引入并没有对基站的吞吐量造成影响。这是因为是否在D2D通信中加入HARQ机制，D2D用户对基站所造成的干扰是不变的，所以，这四组的数据是一样的。

图4是小区内总吞吐量的CDF曲线，可以看出，虽然HARQ机制对基站的吞吐量没有影响，但是对于整个系统来说，它提高了系统的总吞吐量，也就是提升了系统的总体性能。

Claims (3)

1.一种直通蜂窝系统中基于HARQ技术的跨层设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：假设单小区蜂窝直通系统，其中有一个基站，N个蜂窝用户和N个D2D对，每个D2D对复用其中一个蜂窝用户的上行资源；D2D用户的发送会对基站接收来自蜂窝用户的信息造成干扰，同时蜂窝用户的发送会对D2D用户的接收造成干扰；

步骤2：由于在实际通信中往往要受到时延的限制，所以HARQ传输的最大次数是受限的，设为N_remax；

步骤3：如果在达到最大传输次数后数据包仍然是有错的，那么该包将会被丢弃，称为丢包；因此，需要在数据链路层预先设定一个可接受的误包率P_loss；

步骤4：在物理层，接收端会根据信干噪比（SINR）信息来确定当前接收到的数据包是否满足数据要求；所以，根据N_remax和P_loss，设计相应的AMC和HARQ来满足数据链路层的误包率和时延要求；

步骤5：根据数据链路层的P_loss，在物理层的每个传输模式中都有一个误包上限，用P_n表示，则得到：

$P_n^{N_{\mathrm{re}\max }+1}\≤P_{\mathrm{loss}},$ 即

$P_n\≤P_{\mathrm{loss}}^{1/(N_{\mathrm{re}\max }+1)}:=P_{t\arg \mathrm{et}}$

在物理层设计出AMC方案满足上式的误包率并在数据链路层执行N_remax的限制，得到同时满足时延和系统性能的跨层设计；

步骤6：将P_target和物理层的SINR_target信息形成一种映射关系，那么P_target就成为数据链路层和物理层间传递信息的关键参数，它将数据链路层的误包和时延约束传递给物理层，来决定当前传输的数据包是否被正确接收。

2.根据权利要求1所述的一种直通蜂窝系统中基于HARQ技术的跨层设计方法，其特征在于，所述方法在D2D通信中应用了三种类型的HARQ技术，包括：

HARQ-I型HARQ是在接收端如果有错则放弃错误分组的数据，并向发送端请求重传与上一帧相同的数据包；HARQ-II类型中，接收端对已传的错误分组并不丢弃，而是与接收到的重传分组组合进行译码，而且重传数据不能单独译码，只能与先前传的数据合并后才能被解码；HARQ-III型是HARQ-II型的改进，各个数据包单独译码，或合成为一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。

3.根据权利要求1所述的一种直通蜂窝系统中基于HARQ技术的跨层设计方法，其特征在于，所述方法是通过记录HARQ不同的进程信息来实现重传，D2D用户接收端在接收数据时，通过计算当前SINR信息来确定是否需要进行重传，HARQ技术的实现过程包括如下步骤：

步骤1：D2D接收端将当前接收到的SINR和预先设定的目标SINR_target进行比较，如果SINR小于SINR_target，转步骤1，否则，转步骤五；

步骤2：系统收到反馈的重传信息时，会记录当前SINR值、重传次数以及传输模式等级，作为下一次重传的参考数据；

步骤3：如果重传次数已经达到最大重传次数，则将所有的数据清零，此数据包被丢弃，传输下一个新的数据包；如果没有达到最大重传次数，则转步骤4；

步骤4：根据三种类型HARQ不同的重传内容，会分别得到相应的合并SINR，将此合并信干噪比SINR再一次和目标SINR_target进行比较，转步骤1；

步骤5：数据包成功传输，将所有数据清零，准备传输下一个新的数据包。

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