CN104105158A - 一种基于d2d中继通信的中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于D2D中继通信的中继选择方法，基站根据当前蜂窝通信资源使用状况以及空闲用户分布情况，选出不满足能量效率条件的蜂窝通信用户作为需要中继协助的通信用户，根据能量效率条件以及容量限制条件将符合标准的空闲用户加入备选中继集合以便与需要中继协助的通信用户形成D2D通信对以协助其与基站之间的通信，同时根据干扰限制条件确定这些通信用户的发射功率范围，从而得到中继协助其通信的最大信干噪比，利用二分图的最佳匹配，为各用户分别选择对应的最佳中继，形成D2D通信对，实现通信用户与基站的两跳通信。本发明有效地提高系统的能量效率，降低通信用户的发射功率。

Description

一种基于D2D中继通信的中继选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于D2D中继通信的中继选择方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，移动通信系统在充分满足人们对语音通信需求的基础上，要为人们提供更加丰富多彩的数据宽带业务。如今第四代移动通信系统已经逐步商用，业界正投入更多的努力到下一代无线通信网络的发展中，例如3GPP的长期演进(LTE/LTE-Advanced)。随之而来的是人们越来越多的业务需求，如在线视频点播、本地资源共享等无线多媒体业务的增加。这就要求移动通信系统能够以更高的速率、更大的容量以及更好的服务质量(Quality of Service,QoS)来进行高速数据传输。

在传统的蜂窝通信网络中，任何两个移动终端之间进行通信都必须经由基站和核心网来完成。在日益增加的无线业务量以及频谱资源有限的网络中，这无疑为蜂窝网络中的基站带来了更多的负载，从而导致空中接口频谱使用效率低，基站发射功率高能量消耗高。如今的通信网络正快速地向多元化、多种无线接入技术共存的异构网络发展，同时也面临着更多挑战。于是，蜂窝移动通信终端直通(Device-to-Device communication，D2D)技术在这样的背景下应运而生。D2D技术可以直接、或在基站控制下，在继续保持通过基站进行通信的同时，与另一个终端直接进行数据通信。在蜂窝网络中引入该技术，不但能够有效提升频谱资源利用率，还能节省终端能量，这对于移动终端是十分必要的。

D2D通信技术由于其结构的特殊性，受限于移动终端的功率和能量等问题，已有的物理层技术在D2D通信中难以应用，故在某些特定的场景中，无法达到通信的要求。因此，D2D的传输能力及应用范围受到一定的限制。为了充分发挥D2D通信的优势，将D2D技术以及其他技术的结合显得尤为重要。结合中继技术的D2D链路应能保障直通终端的低功率发射，有效降低D2D接入链路与蜂窝链路之间的干扰，提升系统的整体传输效率。

基于这样的考虑，终端直通技术可以应用于基于非协作的中继转发系统中。这属于D2D通信链路的扩展应用场景，因为只要移动终端之间实现了数据的直接传输，便可将其定义为D2D通信。因此，考虑到D2D通信的应用场景，除了实现终端之间的直接通信以外，还可以基于终端实现基站与传统终端的通信方式。目前基于D2D技术的中继通信研究主要考虑的是最大化通信系统的传输容量，并未体现出D2D通信节能的优势。在实际通信场景中，移动终端受限于最大发射功率限制。另外，如何以最小的能量实现最大的传输容量是目前能量效率研究的热点问题。

发明内容

本发明的目的在于将D2D技术运用于中继通信当中，在考虑移动终端功率限制以及保证通信容量的基础上，提出一种蜂窝通信系统中将D2D技术引入中继通信时选择中继的基于D2D中继通信的中继选择方法，该方法是针对基于终端实现基站与传统终端通信的场景，以最大化通信系统的能量效率为目标的中继选择方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

1)建立由一个基站与若干蜂窝用户组成的单小区蜂窝通信网，各蜂窝用户配备单一全向天线；

2)基站通过获取小区内各通信用户的无线信道状况，判断各个通信用户的通信能量效率能否满足既定的服务要求以及当前蜂窝网的通信资源分配和空闲用户的分布情况；

3)根据收集到的信息，基站将不满足能量效率条件的通信用户选出作为需要中继协助的通信用户，根据干扰限制条件确定这些通信用户的发射功率范围，从而得到中继协助其通信的最大信干噪比；

4)基站根据能量效率条件以及容量限制条件判断空闲用户是否可以作为中继与需要中继协助的通信用户形成D2D通信对以协助其与基站之间的通信，将符合条件的空闲用户加入备选中继集合；

5)在为所有需要中继协助的通信用户确定备选中继后，以最大化通信系统的总能量效率为目标，利用二分图的最佳匹配，为各用户分别选择对应的最佳中继，形成D2D通信对；这样，中继将通信用户的数据通过解码转发向基站进行传输，实现通信用户与基站的两跳通信。

所述的步骤1)中，蜂窝用户包括通信用户以及空闲用户两种，通信用户和空闲用户随机分布在小区之内。

所述的步骤1)中，单小区蜂窝通信网是指通信用户通过基站进行数据传输，空闲用户不进行通信；其中，通信用户数目为N_A，空闲用户数目为N_I；考虑上行链路通信场景，通信用户采用正交的频谱资源进行通信，因此相互之间不会产生干扰。

所述的步骤2)中，能量效率u_n的定义为

$u_n=\frac{{\mathrm{\γ}}_n}{P_n+P_{\mathrm{cir}}}---\left(1\right)$

其中，γ_n为用户n通信时的信噪比/信干噪比，P_n为用户n的发射功率，P_cir为终端用户电路消耗的平均功率。

所述的步骤3)中，基站B将根据各通信用户上报的信息，以及当前蜂窝网的通信资源和空闲用户的分布情况，判断各通信用户是否满足能量效率条件；假设P₀代表初始发送功率，P_a代表经过距离d_a之后在接收端所测得的接收信号功率，信号传输路径只考虑大尺度衰落的影响，c是路径损耗常数，α是路径损耗指数，那么P_a可表示为：

P_a＝c(d_a)^-αP₀       (2)

其中，g_xy＝c(d_a)^-α为路径损耗；

当通信用户D不满足能量效率条件时，基站需要选择通信用户R作为中继与通信用户D建立D2D会话协助其与基站之间的通信，故需要选择中继的条件表示为

$u_D=\frac{\frac{P_D{g}_{\mathrm{DB}}}{N_0}}{P_D+P_{\mathrm{cir}}}<u_{\mathrm{th}}---\left(3\right)$

其中，P_D为通信用户D的发送功率，g_DB为通信用户D与基站B之间的路径损耗，u_th为系统的能量效率门限，N₀为加性高斯白噪声；

当通信用户D与中继R建立D2D通信时，需要复用其他蜂窝通信用户的频谱资源，这里假定复用上行链路频谱资源，则D2D链路与蜂窝链路之间存在相互干扰，故需要确定保证蜂窝用户正常通信的条件；

假设所有蜂窝通信用户均以最大发射功率进行通信，而P_D为通信用户D在进行D2D通信时的发射功率，系统的信干噪比门限为γ₀；当通信用户D与中继R之间通信时，通信用户D复用通信用户C的上行频谱资源来进行数据传输，此时为D2D通信模式；通信用户C的发射功率为P_C，信干噪比门限为γ_C，路径损耗为g_CB，为保证通信用户C的能量效率不低于系统设定的门限u_th，其能量效率需要满足

$u_C=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_C}{P_C+P_{\mathrm{cir}}}=\frac{\frac{P_C{g}_{\mathrm{CB}}}{P_D{g}_{\mathrm{DB}}+N_0}}{P_C+P_{\mathrm{cir}}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{th}}---\left(4\right)$

这样能够计算出通信用户D发射功率P_D的范围

$P_D\&le;\frac{P_C{g}_{\mathrm{CB}}-N_0{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})}{g_{\mathrm{DB}}{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})}---\left(5\right)$

根据上式，当P_D的值满足要求时，通信用户D进行D2D通信时对通信用户C产生的干扰不会超过通信用户C所能承受的门限；因此，为了使得D2D通信容量最大化，并保证通信用户C的通信质量时，通信用户D传输的最大信干噪比为即

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*}=\frac{[P_C{g}_{\mathrm{CB}}-N_0{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})]g_{\mathrm{DR}}}{g_{\mathrm{DB}}{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})(P_C{g}_{\mathrm{CR}}+N_0)}---\left(6\right)$

其中，g_DR为通信用户D与中继R之间的路径损耗，g_CR为通信用户C与中继R之间的路径损耗；

同时，被复用的通信用户C的通信能量效率成为：

$u_C^{*}=u_{\mathrm{th}}---\left(7\right).$

所述的步骤3)中，干扰限制条件是指当通信用户D复用其他蜂窝通信用户的频谱资源与中继R建立D2D通信时，需要限制D2D链路与蜂窝链路之间的相互干扰以保证蜂窝用户正常通信的条件，即被复用频谱资源的蜂窝用户在受到干扰时的能量效率不小于系统的能量效率门限。

所述的步骤4)中，能量效率条件是指通信用户D通过中继与基站B进行通信时与基站之间传输的能量效率不小于系统的能量效率门限；容量限制条件是指通信用户D通过中继与基站B进行通信时的传输容量受限于系统的最低容量门限，即不小于系统的最低容量；具体的：

首先通信用户R作为中继转发数据时，采用的时分双工通信模式，因此为保证基本的传输速率要求，该中继链路的通信容量大于系统所设定的最低门限，γ_R为通信用户R与基站进行通信的信干噪比，故中继协助通信链路的信干噪比应满足

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DRB}}=\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_0---\left(8\right)$

其次，通过中继转发时通信用户D与基站之间传输的能量效率大于等于系统的能量效率门限，P_R为通信用户R与基站进行通信时的发射功率，故中继协助通信链路的能量效率为：

$u_{\mathrm{DRB}}=\frac{\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}}{P_D+P_R+2P_{\mathrm{cir}}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{th}}---\left(9\right)$

因此，只有当式(8)和式(9)同时满足时，通信用户R才能成为通信用户D的一个备选中继，通过这两个条件为每个需要中继协助的通信用户确定备选中继集合。

所述的步骤5)中，假定各用户以最大功率传输数据，在一个时隙内信道增益保持不变，通信系统的总能量效率为：

$u_{\mathrm{sum}}=u_{\mathrm{CU}}^{\mathrm{sum}}+u_C^{\mathrm{sum}}+u_{D2D}^{\mathrm{sum}}---\left(10\right)$

其中，表示所有未共享频谱资源的蜂窝通信用户与基站之间的总传输能量效率，表示所有与D2D通信共享频谱资源的蜂窝通信用户与基站之间的总传输能量效率；表示所有通过中继协助的用户与基站通信的总传输能量效率；这里设定三种通信相互独立，即与D2D通信共享上行链路频谱资源的蜂窝通信用户不能成为终端用户的通信中继，反之亦然；因此，一个终端用户通过中继通信时，不会对其他用户的中继产生干扰；

这样，在各需要中继的通信用户的备选中继集合之中为其选择最佳的中继协助通信，使其在满足干扰限制之时，系统的通信能量效率最大

max u_sum      (11)

限制条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{CU}},P_C,P_R\&le;P_{\max }^{\mathrm{cell}}\\ P_D\&le;P_{\max }^{D2D}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，P_CU为未共享频谱资源的蜂窝通信用户的发射功率，为蜂窝通信的最大传输功率限制，为D2D通信的最大传输功率限制；

最佳中继选择问题归为二分图G＝(A,B；E)最佳权值匹配的问题，所有需要中继协助的终端用户以及相应的备选中继可以抽象为二分图中的顶点，并且相应地将这两组顶点定义为集合A和B；如果集合B中的一个元素是集合A中一个元素的备选中继，则他们之间在图中用一条边来连接，并且该边的权值为将边的集合定义为E，得到权值矩阵即能量效率矩阵：

$W\left(E\right)=\mathrm{\&Sigma;}\frac{\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}}{P_D+P_R+2P_{\mathrm{cir}}}---\left(13\right)$

其中，D∈A，R∈B；寻找D2D通信系统的最大能量效率，就等价于求得图G的二分图最佳匹配，利用匈牙利算法求得最优的中继分配方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对D2D技术扩展应用场景，根据当前蜂窝通信资源使用状况以及空闲用户分布情况，选出不满足能量效率条件的蜂窝通信用户作为需要中继协助的通信用户，根据能量效率条件以及容量限制条件将符合标准的空闲用户加入备选中继集合以便与需要中继协助的通信用户形成D2D通信对以协助其与基站之间的通信，同时根据干扰限制条件确定这些通信用户的发射功率范围，从而得到中继协助其通信的最大信干噪比，利用二分图的最佳匹配，为各用户分别选择对应的最佳中继，形成D2D通信对，实现通信用户与基站的两跳通信。本发明有效地提高系统的能量效率，降低通信用户的发射功率。

附图说明

图1为本发明所应用的实际场景；

图2为本发明基本模型；

图3为本发明中所应用的匈牙利算法流程图；

图4为采用本发明方法后通信系统能量效率；其中，(a)是采用最佳中继时、采用随机选择中继时以及不采用中继时的能效对比；(b)是采用不同中继数目时能效对比；

图5为采用本发明方法后通信用户的发射功率；其中，(a)是采用最佳中继时、采用随机选择中继时以及不采用中继时的发射功率对比；(b)是采用不同中继数目时发射功率对比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明通信场景如图1所示，基本通信模型如图2所示，具体步骤如下：

(1)建立单小区蜂窝通信网，由一个基站与若干蜂窝用户组成，各用户配备单一全向天线。蜂窝用户包括通信用户(active user)与空闲用户(idle user)两种，各用户随机分布在小区之内。

(2)基站通过获取小区内各通信用户的无线信道状况，判断各个通信用户的通信能量效率能否满足既定的服务要求以及当前蜂窝网的通信资源分配和空闲用户的分布情况。

(3)根据收集到的信息，基站将不满足能量效率条件的通信用户选出作为需要中继协助的通信用户，根据干扰限制条件确定这些通信用户的发射功率范围，从而得到中继协助其通信的最大信干噪比。

(4)基站根据能量效率条件以及容量限制条件判断空闲用户是否可以作为中继与需要中继协助的通信用户形成D2D通信对以协助其与基站之间的通信，将符合条件的空闲用户加入备选中继集合。

(5)在为所有需要中继协助的通信用户确定备选中继后，以最大化通信系统的总能量效率为目标，利用二分图的最佳匹配，为各用户分别选择对应的最佳中继，形成D2D通信对。这样，中继将通信用户的数据通过解码转发向基站进行传输，实现通信用户与基站的两跳通信。

所述步骤(1)中单小区蜂窝通信网是指通信用户通过基站进行数据传输，空闲用户不进行通信。其中通信用户数目为N_A，空闲用户数目为N_I。考虑上行链路通信场景，通信用户采用正交的频谱资源进行通信，因此相互之间不会产生干扰。

所述步骤(2)中能量效率的定义为

$u_n=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_n}{P_n+P_{\mathrm{cir}}}---\left(1\right)$

其中，γ_n为用户n通信时的信噪比/信干噪比，P_n为用户n的发射功率，P_cir为终端用户电路消耗的平均功率。

所述步骤(3)中，基站B将根据各通信用户上报的信息，以及当前蜂窝网的通信资源和空闲用户的分布情况，判断各通信用户是否满足能量效率条件。假设P₀代表初始发送功率，P_a代表经过距离d_a之后在接收端所测得的接收信号功率，信号传输路径只考虑大尺度衰落的影响，c是路径损耗常数，α是路径损耗指数，那么P_a可表示为

P_a＝c(d_a)^-αP₀       (2)

其中，g_xy＝c(d_a)^-α为路径损耗。

当通信用户D不满足能量效率条件时，基站需要选择合适的用户R作为中继与通信用户D建立D2D会话协助其与基站之间的通信，故需要选择中继的条件表示为

$u_D=\frac{\frac{P_D{g}_{\mathrm{DB}}}{N_0}}{P_D+P_{\mathrm{cir}}}<u_{\mathrm{th}}---\left(3\right)$

其中，P_D为D的发送功率，g_DB为D与B之间的路径损耗，u_th为系统的能量效率门限，N₀为加性高斯白噪声。

当通信用户D与中继R建立D2D通信时，需要复用其他蜂窝通信用户的频谱资源，这里假定复用上行链路频谱资源，则D2D链路与蜂窝链路之间存在相互干扰，故需要确定保证蜂窝用户正常通信的条件。

假设所有蜂窝通信用户均以最大发射功率进行通信，而P_D为通信用户D在进行D2D通信时的发射功率，系统的信干噪比门限为γ₀。当通信用户D与中继R之间通信时，D复用蜂窝通信用户C的上行频谱资源来进行数据传输，此时为D2D通信模式。C的发射功率为P_C，信干噪比门限为γ_C，路径损耗为g_CB，为保证用户C的能量效率不低于系统设定的门限u_th，其能量效率需要满足

$u_C=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_C}{P_C+P_{\mathrm{cir}}}=\frac{\frac{P_C{g}_{\mathrm{CB}}}{P_D{g}_{\mathrm{DB}}+N_0}}{P_C+P_{\mathrm{cir}}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{th}}---\left(4\right)$

这样可以计算出D用户发射功率P_D的范围

$P_D\&le;\frac{P_C{g}_{\mathrm{CB}}-N_0{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})}{g_{\mathrm{DB}}{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})}---\left(5\right)$

根据上式，当P_D的值满足要求时，D用户进行D2D通信时对C产生的干扰不会超过C所能承受的门限。因此，为了使得D2D通信容量最大化，并保证C用户的通信质量时，D用户传输的最大信干噪比为即

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*}=\frac{[P_C{g}_{\mathrm{CB}}-N_0{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})]g_{\mathrm{DR}}}{g_{\mathrm{DB}}{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})(P_C{g}_{\mathrm{CR}}+N_0)}---\left(6\right)$

其中，g_DR为通信用户D与中继R之间的路径损耗，g_CR为通信用户C与中继R之间的路径损耗。

同时，被复用的蜂窝用户C的通信能量效率成为

$u_C^{*}=u_{\mathrm{th}}---\left(7\right)$

所述步骤(4)中，首先R作为中继转发数据时，采用的时分双工通信模式，因此为保证基本的传输速率要求，该中继链路的通信容量应该大于系统所设定的最低门限，γ_R为R与基站进行通信的信干噪比，故中继协助通信链路的信干噪比应满足

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DRB}}=\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_0---\left(8\right)$

其次，通过中继转发时D与基站之间传输的能量效率需要大于等于系统的能量效率门限，P_R为R与基站进行通信时的发射功率，故中继协助通信链路的能量效率为

$u_{\mathrm{DRB}}=\frac{\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}}{P_D+P_R+2P_{\mathrm{cir}}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{th}}---\left(9\right)$

因此，只有当上述(8)(9)两式同时满足时，R才能成为D的一个备选中继，通过这两个条件为每个需要中继协助的通信用户确定备选中继集合。

所述步骤(5)中假定各用户以最大功率传输数据，在一个时隙内信道增益保持不变。通信系统的总能量效率为

$u_{\mathrm{sum}}=u_{\mathrm{CU}}^{\mathrm{sum}}+u_C^{\mathrm{sum}}+u_{D2D}^{\mathrm{sum}}---\left(10\right)$

其中，表示所有未共享频谱资源的蜂窝通信用户与基站之间的总传输能量效率，表示所有与D2D通信共享频谱资源的蜂窝通信用户与基站之间的总传输能量效率。表示所有通过中继协助的用户与基站通信的总传输能量效率。这里设定三种通信相互独立，即与D2D通信共享上行链路频谱资源的蜂窝通信用户不能成为终端用户的通信中继，反之亦然。因此，一个终端用户通过中继通信时，不会对其他用户的中继产生干扰。

这样，在各需要中继的通信用户的备选中继集合之中为其选择最佳的中继协助通信，使其在满足干扰限制之时，系统的通信能量效率最大

max u_sum          (11)

限制条件为

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{CU}},P_C,P_R\&le;P_{\max }^{\mathrm{cell}}\\ P_D\&le;P_{\max }^{D2D}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，P_CU为未共享频谱资源的蜂窝通信用户的发射功率，为蜂窝通信的最大传输功率限制，为D2D通信的最大传输功率限制。

最佳中继选择问题可以归为二分图G＝(A,B；E)最佳权值匹配的问题。所有需要中继协助的终端用户以及相应的备选中继可以抽象为二分图中的顶点，并且相应地将这两组顶点定义为集合A和B。如果集合B中的一个元素是集合A中一个元素的备选中继，则他们之间在图中用一条边来连接，并且该边的权值为将边的集合定义为E，则可以得到权值矩阵即能量效率矩阵：

$W\left(E\right)=\mathrm{\&Sigma;}\frac{\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}}{P_D+P_R+2P_{\mathrm{cir}}}---\left(13\right)$

其中，D∈A，R∈B。寻找D2D通信系统的最大能量效率，就等价于求得图G的二分图最佳匹配，如图3所示，这里利用匈牙利算法求得最优的中继分配方法。

本发明的原理：

图1中给出单小区D2D通信复用上行链路资源场景，由一个基站与若干蜂窝用户组成，各用户配备单一全向天线。蜂窝用户包括通信用户(active user)与空闲用户(idle user)两种，其中通信用户数目为N_A，空闲用户数目为N_I，各用户随机分布在小区之内。其中，通信用户采用正交的上行链路频谱资源进行通信，这样蜂窝用户通信不会引起相互之间的干扰。当正在通信的蜂窝用户链路质量较差，其通信性能指标不能达到系统的门限时，需要根据信道状况和系统资源分配等信息与空闲用户建立D2D通信链路，协助其转发数据。值得注意的是，D2D通信复用的是正常通信用户的上行频谱资源。这里定义，每条D2D链路最多可复用一个蜂窝用户的频谱资源，同时每个蜂窝用户的频谱资源在同一时刻最多也只能被一条D2D链路复用。

基于以上假设，参考具体实施步骤如下：

(1)建立如上述的单小区蜂窝通信网。

(2)定义能量效率为

$u_n=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_n}{P_n+P_{\mathrm{cir}}}---\left(1\right)$

其中，γ_n为用户n通信时的信噪比/信干噪比，P_n为用户n的发射功率，P_cir为终端用户电路消耗的平均功率。

基站通过获取小区内各通信用户的无线信道状况，判断各个通信用户的通信能量效率能否满足既定的服务要求以及当前蜂窝网的通信资源分配和空闲用户的分布情况。

(3)基站B将根据各通信用户上报的信息，以及当前蜂窝网的通信资源和空闲用户的分布情况，判断各通信用户是否满足能量效率条件。假设P₀代表初始发送功率，P_a代表经过距离d_a之后在接收端所测得的接收信号功率，信号传输路径只考虑大尺度衰落的影响，c是路径损耗常数，α是路径损耗指数，那么P_a可表示为

P_a＝c(d_a)^-αP₀     (2)

其中，g_xy＝c(d_a)^-α为路径损耗。

当通信用户D不满足能量效率条件时，基站需要选择合适的用户R作为中继与通信用户D建立D2D会话协助其与基站之间的通信，故需要选择中继的条件表示为

$u_D=\frac{\frac{P_D{g}_{\mathrm{DB}}}{N_0}}{P_D+P_{\mathrm{cir}}}<u_{\mathrm{th}}---\left(3\right)$

其中，P_D为D的发送功率，g_DB为D与B之间的路径损耗，u_th为系统的能量效率门限，N₀为加性高斯白噪声。

当通信用户D与中继R建立D2D通信时，需要复用其他蜂窝通信用户的频谱资源，这里假定复用上行链路频谱资源，则D2D链路与蜂窝链路之间存在相互干扰，故需要确定保证蜂窝用户正常通信的条件。

假设所有蜂窝通信用户均以最大发射功率进行通信，而P_D为通信用户D在进行D2D通信时的发射功率，系统的信干噪比门限为γ₀。当通信用户D与中继R之间通信时，D复用蜂窝通信用户C的上行频谱资源来进行数据传输，此时为D2D通信模式。C的发射功率为P_C，信干噪比门限为γ_C，路径损耗为g_CB，为保证用户C的能量效率不低于系统设定的门限u_th，其能量效率需要满足

$u_C=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_C}{P_C+P_{\mathrm{cir}}}=\frac{\frac{P_C{g}_{\mathrm{CB}}}{P_D{g}_{\mathrm{DB}}+N_0}}{P_C+P_{\mathrm{cir}}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{th}}---\left(4\right)$

这样可以计算出D用户发射功率P_D的范围

$P_D\&le;\frac{P_C{g}_{\mathrm{CB}}-N_0{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})}{g_{\mathrm{DB}}{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})}---\left(5\right)$

根据上式，当P_D的值满足要求时，D用户进行D2D通信时对C产生的干扰不会超过C所能承受的门限。因此，为了使得D2D通信容量最大化，并保证C用户的通信质量时，D用户传输的最大信干噪比为即

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*}=\frac{[P_C{g}_{\mathrm{CB}}-N_0{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})]g_{\mathrm{DR}}}{g_{\mathrm{DB}}{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})(P_C{g}_{\mathrm{CR}}+N_0)}---\left(6\right)$

其中，g_DR为通信用户D与中继R之间的路径损耗，g_CR为通信用户C与中继R之间的路径损耗。

同时，被复用的蜂窝用户C的通信能量效率成为

$u_C^{*}=u_{\mathrm{th}}---\left(7\right)$

(4)空闲用户能否成为一个通信用户的中继，其判断的标准分为两个部分。

首先，R作为中继转发数据时，采用的时分双工通信模式，因此为保证基本的传输速率要求，该中继链路的通信容量应该大于系统所设定的最低门限，γ_R为R与基站进行通信的信干噪比，故中继协助通信链路的信干噪比应满足

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DRB}}=\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_0---\left(8\right)$

其次，通过中继转发时D与基站之间传输的能量效率需要大于等于系统的能量效率门限，P_R为R与基站进行通信时的发射功率，故中继协助通信链路的能量效率为

$u_{\mathrm{DRB}}=\frac{\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}}{P_D+P_R+2P_{\mathrm{cir}}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{th}}---\left(9\right)$

因此，只有当上述(8)(9)两式同时满足时，R才能成为D的一个备选中继，将符合条件的所有空闲用户加入D的备选中继集合。通过这两个条件为每个需要中继协助的通信用户确定备选中继集合。

(5)在为所有需要中继协助的通信用户确定备选中继后，假定各用户以最大功率传输数据，在一个时隙内信道增益保持不变，则通信系统的总能量效率为

$u_{\mathrm{sum}}=u_{\mathrm{CU}}^{\mathrm{sum}}+u_C^{\mathrm{sum}}+u_{D2D}^{\mathrm{sum}}---\left(10\right)$

其中，表示所有未共享频谱资源的蜂窝通信用户与基站之间的总传输能量效率，表示所有与D2D通信共享频谱资源的蜂窝通信用户与基站之间的总传输能量效率。表示所有通过中继协助的用户与基站通信的总传输能量效率。这里设定三种通信相互独立，即与D2D通信共享上行链路频谱资源的蜂窝通信用户不能成为终端用户的通信中继，反之亦然。因此，一个终端用户通过中继通信时，不会对其他用户的中继产生干扰。

这样，在各需要中继的通信用户的备选中继集合之中为其选择最佳的中继协助通信，使其在满足干扰限制之时，系统的通信能量效率最大

max u_sum        (11)

限制条件为

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{CU}},P_C,P_R\&le;P_{\max }^{\mathrm{cell}}\\ P_D\&le;P_{\max }^{D2D}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，P_CU为未共享频谱资源的蜂窝通信用户的发射功率，为蜂窝通信的最大传输功率限制，为D2D通信的最大传输功率限制。

最佳中继选择问题可以归为二分图G＝(A,B；E)最佳权值匹配的问题。所有需要中继协助的终端用户以及相应的备选中继可以抽象为二分图中的顶点，并且相应地将这两组顶点定义为集合A和B。如果集合B中的一个元素是集合A中一个元素的备选中继，则他们之间在图中用一条边来连接，并且该边的权值为将边的集合定义为E，则可以得到权值矩阵即能量效率矩阵：

$W\left(E\right)=\mathrm{\&Sigma;}\frac{\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}}{P_D+P_R+2P_{\mathrm{cir}}}---\left(13\right)$

其中，D∈A，R∈B。寻找D2D通信系统的最大能量效率，就等价于求得图G的二分图最佳匹配，这里利用匈牙利算法求得最优的中继分配方法。

这样，中继将通信用户的数据通过解码转发向基站进行传输，实现通信用户与基站的两跳通信。

由图4和图5可以看出，在使用中继建立D2D通信链路协助通信用户与基站进行通信后，发端用户与中继用户相较于基站的距离大大减小，信道增益得到增大，故能够以较小的传输功率达到较大的传输速率，系统的能量效率有明显的提升，同时通信用户的发射功率大大地降低。其中，本发明方法中选择的是使得中继通信链路能效最大的中继，而随机选择中继只是随机选择能够满足链路能效要求的中继，因此对于能效的提升低于最佳中继。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于D2D中继通信的中继选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立由一个基站与若干蜂窝用户组成的单小区蜂窝通信网，各蜂窝用户配备单一全向天线；

2)基站通过获取小区内各通信用户的无线信道状况，判断各个通信用户的通信能量效率能否满足既定的服务要求以及当前蜂窝网的通信资源分配和空闲用户的分布情况；

3)根据收集到的信息，基站将不满足能量效率条件的通信用户选出作为需要中继协助的通信用户，根据干扰限制条件确定这些通信用户的发射功率范围，从而得到中继协助其通信的最大信干噪比；

4)基站根据能量效率条件以及容量限制条件判断空闲用户是否可以作为中继与需要中继协助的通信用户形成D2D通信对以协助其与基站之间的通信，将符合条件的空闲用户加入备选中继集合；

5)在为所有需要中继协助的通信用户确定备选中继后，以最大化通信系统的总能量效率为目标，利用二分图的最佳匹配，为各用户分别选择对应的最佳中继，形成D2D通信对；这样，中继将通信用户的数据通过解码转发向基站进行传输，实现通信用户与基站的两跳通信。

2.如权利要求1所述一种基于D2D中继通信的中继选择方法，其特征在于：所述的步骤1)中，蜂窝用户包括通信用户以及空闲用户两种，通信用户和空闲用户随机分布在小区之内。

3.如权利要求2所述一种基于D2D中继通信的中继选择方法，其特征在于：所述的步骤1)中，单小区蜂窝通信网是指通信用户通过基站进行数据传输，空闲用户不进行通信；其中，通信用户数目为N_A，空闲用户数目为N_I；考虑上行链路通信场景，通信用户采用正交的频谱资源进行通信，因此相互之间不会产生干扰。

4.如权利要求3所述一种基于D2D中继通信的中继选择方法，其特征在于：所述的步骤2)中，能量效率u_n的定义为

$u_n=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_n}{P_n+P_{\mathrm{cir}}}---\left(1\right)$

其中，γ_n为用户n通信时的信噪比/信干噪比，P_n为用户n的发射功率，P_cir为终端用户电路消耗的平均功率。

5.如权利要求4所述一种基于D2D中继通信的中继选择方法，其特征在于：所述的步骤3)中，基站B将根据各通信用户上报的信息，以及当前蜂窝网的通信资源和空闲用户的分布情况，判断各通信用户是否满足能量效率条件；假设P₀代表初始发送功率，P_a代表经过距离d_a之后在接收端所测得的接收信号功率，信号传输路径只考虑大尺度衰落的影响，c是路径损耗常数，α是路径损耗指数，那么P_a可表示为：

P_a＝c(d_a)^-αP₀       (2)

其中，g_xy＝c(d_a)^-α为路径损耗；

当通信用户D不满足能量效率条件时，基站需要选择通信用户R作为中继与通信用户D建立D2D会话协助其与基站之间的通信，故需要选择中继的条件表示为

$u_D=\frac{\frac{P_D{g}_{\mathrm{DB}}}{N_0}}{P_D+P_{\mathrm{cir}}}<u_{\mathrm{th}}---\left(3\right)$

其中，P_D为通信用户D的发送功率，g_DB为通信用户D与基站B之间的路径损耗，u_th为系统的能量效率门限，N₀为加性高斯白噪声；

当通信用户D与中继R建立D2D通信时，需要复用其他蜂窝通信用户的频谱资源，这里假定复用上行链路频谱资源，则D2D链路与蜂窝链路之间存在相互干扰，故需要确定保证蜂窝用户正常通信的条件；

假设所有蜂窝通信用户均以最大发射功率进行通信，而P_D为通信用户D在进行D2D通信时的发射功率，系统的信干噪比门限为γ₀；当通信用户D与中继R之间通信时，通信用户D复用通信用户C的上行频谱资源来进行数据传输，此时为D2D通信模式；通信用户C的发射功率为P_C，信干噪比门限为γ_C，路径损耗为g_CB，为保证通信用户C的能量效率不低于系统设定的门限u_th，其能量效率需要满足

$u_C=\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_C}{P_C+P_{\mathrm{cir}}}=\frac{\frac{P_C{g}_{\mathrm{CB}}}{P_D{g}_{\mathrm{DB}}+N_0}}{P_C+P_{\mathrm{cir}}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{th}}---\left(4\right)$

这样能够计算出通信用户D发射功率P_D的范围

$P_D\&le;\frac{P_C{g}_{\mathrm{CB}}-N_0{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})}{g_{\mathrm{DB}}{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})}---\left(5\right)$

根据上式，当P_D的值满足要求时，通信用户D进行D2D通信时对通信用户C产生的干扰不会超过通信用户C所能承受的门限；因此，为了使得D2D通信容量最大化，并保证通信用户C的通信质量时，通信用户D传输的最大信干噪比为即

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*}=\frac{[P_C{g}_{\mathrm{CB}}-N_0{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})]g_{\mathrm{DR}}}{g_{\mathrm{DB}}{u}_{\mathrm{th}}(P_C+P_{\mathrm{cir}})(P_C{g}_{\mathrm{CR}}+N_0)}---\left(6\right)$

其中，g_DR为通信用户D与中继R之间的路径损耗，g_CR为通信用户C与中继R之间的路径损耗；

同时，被复用的通信用户C的通信能量效率成为：

$u_C^{*}=u_{\mathrm{th}}---\left(7\right).$

6.如权利要求5所述一种基于D2D中继通信的中继选择方法，其特征在于：所述的步骤3)中，干扰限制条件是指当通信用户D复用其他蜂窝通信用户的频谱资源与中继R建立D2D通信时，需要限制D2D链路与蜂窝链路之间的相互干扰以保证蜂窝用户正常通信的条件，即被复用频谱资源的蜂窝用户在受到干扰时的能量效率不小于系统的能量效率门限。

7.如权利要求5所述一种基于D2D中继通信的中继选择方法，其特征在于：所述的步骤4)中，能量效率条件是指通信用户D通过中继与基站B进行通信时与基站之间传输的能量效率不小于系统的能量效率门限；容量限制条件是指通信用户D通过中继与基站B进行通信时的传输容量受限于系统的最低容量门限，即不小于系统的最低容量；具体的：

首先通信用户R作为中继转发数据时，采用的时分双工通信模式，因此为保证基本的传输速率要求，该中继链路的通信容量大于系统所设定的最低门限，γ_R为通信用户R与基站进行通信的信干噪比，故中继协助通信链路的信干噪比应满足

${\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DRB}}=\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_0---\left(8\right)$

其次，通过中继转发时通信用户D与基站之间传输的能量效率大于等于系统的能量效率门限，P_R为通信用户R与基站进行通信时的发射功率，故中继协助通信链路的能量效率为：

$u_{\mathrm{DRB}}=\frac{\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}}{P_D+P_R+2P_{\mathrm{cir}}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{th}}---\left(9\right)$

因此，只有当式(8)和式(9)同时满足时，通信用户R才能成为通信用户D的一个备选中继，通过这两个条件为每个需要中继协助的通信用户确定备选中继集合。

8.如权利要求2至7任意一项所述一种基于D2D中继通信的中继选择方法，其特征在于：所述的步骤5)中，假定各用户以最大功率传输数据，在一个时隙内信道增益保持不变，通信系统的总能量效率为：

$u_{\mathrm{sum}}=u_{\mathrm{CU}}^{\mathrm{sum}}+u_C^{\mathrm{sum}}+u_{D2D}^{\mathrm{sum}}---\left(10\right)$

其中，表示所有未共享频谱资源的蜂窝通信用户与基站之间的总传输能量效率，表示所有与D2D通信共享频谱资源的蜂窝通信用户与基站之间的总传输能量效率；表示所有通过中继协助的用户与基站通信的总传输能量效率；这里设定三种通信相互独立，即与D2D通信共享上行链路频谱资源的蜂窝通信用户不能成为终端用户的通信中继，反之亦然；因此，一个终端用户通过中继通信时，不会对其他用户的中继产生干扰；

这样，在各需要中继的通信用户的备选中继集合之中为其选择最佳的中继协助通信，使其在满足干扰限制之时，系统的通信能量效率最大

max u_sum        (11)

限制条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{CU}},P_C,P_R\&le;P_{\max }^{\mathrm{cell}}\\ P_D\&le;P_{\max }^{D2D}\end{array}\right.---\left(12\right)$

其中，P_CU为未共享频谱资源的蜂窝通信用户的发射功率，为蜂窝通信的最大传输功率限制，为D2D通信的最大传输功率限制；

最佳中继选择问题归为二分图G＝(A,B；E)最佳权值匹配的问题，所有需要中继协助的终端用户以及相应的备选中继可以抽象为二分图中的顶点，并且相应地将这两组顶点定义为集合A和B；如果集合B中的一个元素是集合A中一个元素的备选中继，则他们之间在图中用一条边来连接，并且该边的权值为将边的集合定义为E，得到权值矩阵即能量效率矩阵：

$W\left(E\right)=\mathrm{\&Sigma;}\frac{\min \{{\mathrm{\&gamma;}}_{\mathrm{DR}}^{*},{\mathrm{\&gamma;}}_R\}}{P_D+P_R+2P_{\mathrm{cir}}}---\left(13\right)$

其中，D∈A，R∈B；寻找D2D通信系统的最大能量效率，就等价于求得图G的二分图最佳匹配，利用匈牙利算法求得最优的中继分配方法。