CN104244265A - 多天线场景下d2d通信与蜂窝通信共存的通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法及系统，为改善现有通信质量差/频谱利用率低等问题而设计。所述方法进行蜂窝通信包括：步骤A1：基站和D2D发送端均向蜂窝用户和D2D接收端发送训练序列；步骤A2：蜂窝用户以及D2D接收端均利用训练序列进行信道状态估计，将得到的信道状态信息反馈至基站；步骤A3：基站接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；步骤A4：基站采用第一预编码矩阵将蜂窝信号限制在第一空间维度上并发送蜂窝信号；步骤A5：蜂窝用户从第一空间维度上接收蜂窝信号，具有频带利用率高，通信容量大等优点。

Description

多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法及系统。

背景技术

宏蜂窝通信，用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线信道进行通信，且任意两个终端之间的通信均是通过基站进行中继的，两终端之间不直接通信。

D2D（Device-to-Device）通信技术是终端之间通过复用蜂窝小区的频率资源直接进行通信。

蜂窝通信与D2D通信相结合使用，使得频谱资源的利用率提高了。引入D2D通信后，由基站为蜂窝通信分配其所需的频率资源，基站可以为其分配专用资源(即与蜂窝用户的所用频率正交)，这样虽然不会引入干扰，但与我们提高频谱利用率的初衷相悖。由于频率资源的稀缺，我们通常讨论另外一种情况——非正交资源分配，即基站为D2D用户分配与蜂窝用户相同的频率资源，这样必然带来了同频干扰的问题，故如何在提高频谱资源利用率的同时，保证通信质量，成为蜂窝通信与D2D通信相结合的通信方法及系统中急需解决的一个问题。

发明内容

（一）发明目的

为解决上述问题，本发明旨在提供一种既能提高频谱资源利用率的且能保证良好的通信质量的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法及系统。

（二）技术方案

为达上述目的，本发明多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，进行所述蜂窝通信包括以下步骤：

步骤A1：基站和D2D发送端均向蜂窝用户和D2D接收端发送训练序列；

步骤A2：蜂窝用户以及D2D接收端，均利用训练序列进行信道状态估计，将得到的信道状态信息反馈至基站；

步骤A3：基站接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

步骤A4：基站采用第一预编码矩阵，将蜂窝信号限制在第一空间维度上并发送蜂窝信号；

步骤A5：蜂窝用户从第一空间维度上接收蜂窝信号。

优选地，

进行所述D2D通信包括以下步骤：

步骤B1：基站将空间维度划分结果发送至D2D发送端以及D2D接收端；

步骤B2：D2D发送端以及D2D接收端接收所述空间维度划分结果；

步骤B3：D2D发送端利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

步骤B4：D2D接收端接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

优选地，在所述步骤A3中进行空间维度划分时，第一空间维度的划分优先级高于第二空间维度。

优选地，所述步骤A3中还包括基站根据信道状态信息对蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配，并将D2D通信的发送功率分配结果发送至所述D2D发送端;

所述步骤A4中根据所述功率分配结果发送蜂窝信号；

所述步骤B3中根据所述功率分配结果发送D2D信号。

优选地，基站通过下列公式进行蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配：

$\arg \underset{P_1,P_2}{\max }T(P_1,P_2)$

s.t.

Trace(V₁P₁V₁ ^H)≤p_1,max

Trace(V₂P₂V₂ ^H)≤p_2,max

C₁(P₁)≥R_1,min

C₂(P₂)≥R_2,min

T(P₁,P₂)=C₁(P₁)+C₂(P₂)

其中，P₁为蜂窝信号功率分配矩阵，P₂为D2D信号功率分配矩阵；V₁为第一预编码矩阵，V₁ ^H为第一预编码矩阵的转置，V₂为第二预编码矩阵，V₂ ^H为第二预编码矩阵的转置；p_1,max为蜂窝信号的最大功率，p_2,max为D2D信号的最大功率；C₁为蜂窝通信信道的信道容量，C₂为D2D通信信道的信道容量；R_1,min为预设的蜂窝通信的最小传输速率，R_2,min为预设的D2D通信的最小传输速率。

为达上述目的，本发明多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，进行D2D通信包括以下步骤：

步骤B1：基站和D2D发送端均向蜂窝用户和D2D接收端发送训练序列；

步骤B2：蜂窝用户以及D2D接收端均利用训练序列进行信道状态估计，将得到的信道状态信息反馈至基站；

步骤B3：基站接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

步骤B4：基站将空间维度划分结果发送到D2D发送端、D2D接收端；

步骤B5：D2D发送端接收所述空间维度划分结果，利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

步骤B6：D2D接收端接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

为达上述目的，本发明多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统，包括基站、蜂窝用户、D2D发送端以及D2D接收端，包括：

第一训练序列发送单元位于基站，分别向蜂窝用户以及D2D接收端发送训练序列；

第二训练序列发送单元位于D2D发送端，分别向蜂窝用户以及D2D接收端发送训练序列；

第一信道状态信息估计单元位于蜂窝用户端，接收并根据所述训练序列进行信道状态估计，并反馈至所述基站；

第二信道状态信息估计单元位于D2D接收端，接收并根据所述训练序列进行信道状态估计，并反馈至所述基站；

无线网络控制器位于基站，接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

第一信号发送单元，位于基站，利用第一编预码矩阵将蜂窝信号限制在第一空间维度上并发送所述蜂窝信号。；

蜂窝信号接收单元，位于蜂窝用户端，从第一空间维度上接收蜂窝信号。

进一步地，

空间维度划分结果发送单元位于基站，用以向D2D发送端、D2D接收端发送空间维度划分结果；

空间维度划分结果接收单元位于D2D发送端、D2D接收端，接收所述空间维度划分结果；

第二信号发送单元位于D2D通信发送端，利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

D2D信号接收单元位于D2D接收端，接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

进一步地，在所述基站进行空间维度划分时，第一空间维度的划分优先级高于第二空间维度。

进一步地，

所述基站还包括功率分配单元；

所述功率分配单元根据信道状态信息对蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配，并将D2D通信的发送功率分配结果发送至所述D2D发送端；

所述第一信号发送单元根据所述功率分配结果发送蜂窝信号；

所述第二信号发送单元根据所述功率分配结果发送D2D信号；

其中，所述功率分配单元通过下列公式进行蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配：

$\arg \underset{P_1,P_2}{\max }T(P_1,P_2)$

s.t.

Trace(V₁P₁V₁ ^H)≤p_1,max

Trace(V₂P₂V₂ ^H)≤p_2,max

C₁(P₁)≥R_1,min

C₂(P₂)≥R_2,min

T(P₁,P₂)=C₁(P₁)+C₂(P₂)

其中，P₁为蜂窝信号功率分配矩阵，P₂为D2D信号功率分配矩阵；V₁为第一预编码矩阵，V₁ ^H为第一预编码矩阵的转置，V₂为第二预编码矩阵，V₂ ^H为第二预编码矩阵的转置；p_1,max为蜂窝信号的最大功率，p_2,max为D2D信号的最大功率；C₁为蜂窝通信信道的信道容量，C₂为D2D通信信道的信道容量；R_1,min为预设的蜂窝通信的最小传输速率，R_2,min为预设的D2D通信的最小传输速率。

（三）本发明多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法及系统的有益效果：

首先，由于采用干扰对齐技术，将空间维度分为两个相互独立的子空间，D2D信号完全限制在第二空间维度，避免了其对第一空间维度上的蜂窝信号干扰，从而保证了蜂窝通信的通信质量不因D2D通信的引入而降低。同时，D2D通信通过复用蜂窝通信小区内的频带资源，提高了频谱资源的利用率。

其次，本发明多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法及系统，还对蜂窝信号以及D2D信号的功率分配算法进行了改进，使得系统容量最大化，且避免了蜂窝通信和D2D通信对功率的争夺，达到优化通信系统地目的。同时，分别限定了蜂窝通信和D2D通信的最小传输速率，从而能保证在通信的时刻，不会产生因为蜂窝通信的存在导致D2D信号的中断。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的蜂窝通信的流程图；

图2为本发明实施例二所述的D2D通信的流程图；

图3为本发明实施例所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统结构示意图；

图4为图3所示多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及实施例对本发明多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法做进一步的说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，进行所述蜂窝通信包括以下步骤：

步骤A1：基站和D2D发送端均向蜂窝用户和D2D接收端发送训练序列；

步骤A2：蜂窝用户以及D2D接收端，均利用训练序列进行信道状态估计，将得到的信道状态信息反馈至基站；

步骤A3：基站接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

步骤A4：基站采用第一预编码矩阵，将蜂窝信号限制在第一空间维度上并发送蜂窝信号；

步骤A5：蜂窝用户从第一空间维度上接收蜂窝信号。

在本实施例中所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法为在传统的蜂窝通信小区，共享蜂窝通信的下行时频资源实现D2D通信，这样将导致既有下行的蜂窝信号又有D2D信号的时候，D2D信号对蜂窝通信中的接收端形成干扰。为了解决这个问题，本实施例中，采用干扰对齐技术，使蜂窝通信以及D2D通信的信号位于两个互补交叠的空间维度上，避免了D2D信号对第一空间维度内的蜂窝信号的干扰，即能使蜂窝用户获得纯净的蜂窝信号。干扰对齐技术在含有D2D通信的场景下应用，在实现了频带复用的同时，达到了避免同频干扰的效果，且实现方法简单可行。

在具体的实施过程中，速搜步骤A5还包括了采用蜂窝通信接收滤波矩阵实现信道的对角化，优化空间维度，从而使接收的蜂窝信号的信号质量更好。

实施例二：

本实施例是在实施例一的基础上的进一步的改进，具体如图2所示，本实施例多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，在进行蜂窝通信的同时，还进行所述D2D通信。所述D2D通信包括以下步骤：

步骤B1：基站将空间维度划分结果发送至D2D发送端以及D2D接收端；

步骤B2：D2D发送端以及D2D接收端接收所述空间维度划分结果；

步骤B3：D2D发送端利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

步骤B4：D2D接收端接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

D2D通信是通信端之间是不经过基站的直接通信，在蜂窝小区内尤其是宏蜂窝小区内复用基站的下行频带进行通信时会造成对蜂窝通信的同频干扰，相反的蜂窝通信也会造成D2D通信的同频干扰。为了解决这个问题，在本实施例中，在D2D接收端，可以采用将接收到的蜂窝信号与加性噪声一起视为有色高斯噪声，采用信号处理的方法将有色高斯噪声进行白化处理，从而提取D2D信号。通过本实施例的在实施例一的基础上的进一步实施，使得小区内同频的D2D通信与蜂窝通信不仅实现了同频共享，提高了频带的利用率，提高了通信系统的容量，同时保证同频干扰小，通信质量好。

下面以一个具体的实例对本实施例所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法进行进一步的阐述：

如图3-图4所示，蜂窝通信链路链路(BS基站→UE1终端1)，与BS与UE1采用同频通信的D2D通信链路(UE2终端2→UE3终端3)；

所述BS与UE2发射天线数均为N_t，UE1与UE3接收天线数N_r均为N。

蜂窝通信终端UE1接收到的信号y₁为

$\underset{N\×1}{y_1}=\underset{N\×N}{H_{11}}\underset{N\×m_1}{V_1}\underset{m_1\×1}{s_1}+\underset{N\×N}{H_{21}}\underset{N{\×m}_2}{V_2}\underset{m_2\×1}{s_2}+\underset{N\×1}{n_1}---\left(1\right)$

D2D通信终端UE3接收到信号y₂表示为：

$\underset{N\×1}{y_2}=\underset{N\×N}{H_{22}}\underset{N\×m_2}{V_2}\underset{m_2\×1}{s_2}+\underset{N\×N}{H_{12}}\underset{N{\×m}_1}{V_1}\underset{m_1\×1}{s_1}+\underset{N\×1}{n_2}---\left(2\right)$

s₁为蜂窝下行链路发送的信号即BS发送的信号，s₂为D2D通信的发送端发送的信号；n₁、n₂代表零均值、协方差矩阵为σ²I_N的高斯白噪声，V₁为第一预编码矩阵，V₂为第二预编码矩阵。H₁₁为BS到UE1之间的信道传输矩阵、H₁₂为UE2到UE1之间的信道传输矩阵、H₂₁为BS到UE3之间的信道传输矩阵、H₂₂为UE2到UE3之间的信且均为满秩矩阵。

BS发送信号s₁经过线性预编码矩阵即第一预编码矩阵V₁的处理后发送；在接收端UE1，接收信号y₁经过线性后处理矩阵F即所述第一滤波矩阵的滤波r₁=F₁y₁。得到了期望的蜂窝信号r₁。

UE3发送信号s₂经过第二预编码矩阵V₂的处理后发送，在接收端UE3，接收信号y₁，蜂窝通信对D2D通信的同频干扰和加性噪声的影响可被视为一种有色高斯噪声。令F₂=Q^-1/2，可以使得这一有色噪声白噪声化。此时D2D接收端接收到的信号可以表示如下：

r₂=F₂y₂=Q^-1/2H₂₂V₂s₂+n'₂(3)

在式(3)中，n′₂=Q^-1/2(H₂₁V₁s₁+n₂)是均值为0，其协方差矩阵与单位矩阵成正比的高斯白噪声过程。从而UE3通过上述处理后得到期望的D2D信号r₂。其中，图3中虚线箭头均表示的是干扰。

上述描述为本实施例中，D2D通信端采用将蜂窝信号的同频干扰视作是有色噪声的一种接收方法的实施方式。

通常蜂窝通信中，不同链路之间所采用的频带是正交的，从而可以保证良好的通信效果，不存在同频干扰，同样的D2D通信与不同的蜂窝用户进行频率复用即采用不同频率的载波，从而D2D通信不同用户之间也不存在同频干扰，从而上述实例中的描述可任务是本实施例所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法的其中一种数学抽象。

在具体的实现过程中，蜂窝通信是主要的通信，D2D通信仅作为蜂窝通信的补充来扩充通信容量，故在进行同频复用的时候，首先应满足蜂窝通信，故作为本实施例的进一步的改进，在所述步骤A3中进行空间维度划分时，第一空间维度的划分优先级高于第二空间维度。将第一空间维度的划分优先级设置的高于第二空间维度的划分优先级，则空间维度划分时首先满足了蜂窝通信用户的，将空间维度中剩余的部分设置成第二空间维度用于D2D通信，这样通过划分优先级的设置保证了蜂窝用户的通信资源。

实施例三：

在现有技术中，还存在一个问题就是，D2D通信和蜂窝通信的功率分配的问题，现有的做法有以下两种：

第一种：D2D通信与蜂窝通信在功率分配上是对等的，不分优先级的，这样两种是以竞争关系争夺功率，将导致竞争弱者存在通信不能实现或通信中断的问题；

第二种：蜂窝通信的等级高于D2D通信，保证蜂窝通信最小传输速率的基础上，经进行功率分配，这种方法将极其容易导致蜂窝通信方法分配的功率占据了所有用于通信的功率，而使得D2D通信不能完成，从而与将D2D通信引入蜂窝通信中，提高频带利用率的初衷相违背。

为了解决上述问题，本实施例在实施例一或实施例二的基础上，所述步骤A3中还包括基站根据信道状态信息对蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配，并将D2D通信的发送功率分配结果发送至所述D2D发送端;

所述步骤A4中根据所述功率分配结果发送蜂窝信号；

所述步骤B3中根据所述功率分配结果发送D2D信号。

在具体的实现的过程中，所述功率分配的方法有多种，以下是一种优选实施方式：

所述D2D通信与所述蜂窝通信发送信号的功率分配通过下列公式求解：

$\arg \underset{P_1,P_2}{\max }T(P_1,P_2)---\left(4\right)$

s.t.

Trace(V₁P₁V₁ ^H)≤p_1,max(5)

Trace(V₂P₂V₂ ^H)≤p_2,max(6)

C₁(P₁)≥R_1,min(7)

C₂(P₂)≥R_2,min(8)

T(P₁,P₂)=C₁(P₁)+C₂(P₂)(9)

其中，P₁为蜂窝信号功率分配矩阵，P₂为D2D信号功率分配矩阵，V₂为第二预编码矩阵，V₂ ^H为第二预编码矩阵的转置；p_1,max为蜂窝信号的最大功率，p_2,max为D2D信号的最大功率；C₁为蜂窝通信信道的信道容量，C₂为D2D通信信道的信道容量；R_1,min为预设的蜂窝通信的最小传输速率，R_2,min为预设的D2D通信的最小传输速率。

以下是在上述基础，以基于实施例中实例中所述的通信系统，进行的详细的计算，求解出的是最佳的蜂窝通信发送信号的功率和D2D通信中D2D信号的发送功率。

1.C₁可以进一步化简为

$C_1={\log }_2|I_N+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{H}_{11}{V}_1{P}_1{V_1}^H{H}_{11}^H|$

$={\log }_2|I_N+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\Λ}}_1{P}_1{\mathrm{\Λ}}_1^H|---\left(10\right)$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2[1+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{p}_{1,n}{\left({\mathrm{\λ}}_{H_{11},n}\right)}^2]$

2.对于C₂，设K定义为Q^-1/2H₂₂V₂则。它的奇异值分解(SVD)为其中U_K∈C^N×N以及都是酉矩阵，的主对角线有着m₂个非零奇异值，设其主对角线上的元素为λ_K,1,...,。则

$C_2={\log }_2|I_N+Q^{-1/2}{H}_{22}{V}_2{P}_2{V_2}^H{H}_{22}^H{Q}^{-1/2}|$ (A1)

$={\log }_2|I_N+{\mathrm{\Λ}}_K{V}_K^H{P}_2{V}_K{\mathrm{\Λ}}_K^H|$

定义大小为m₂×m₂的对角阵定义为则有

$C_2={\log }_2|I_N+{\mathrm{\Λ}}_K{V}_K^H{P}_2{V}_K{\mathrm{\Λ}}_K^H|$

$={\log }_2|I_N+{\mathrm{\Λ}}_K{\tilde{P}}_2{\mathrm{\Λ}}_K^H|$ (A2)

$=\underset{m=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2[1+{{\tilde{P}}_{2,m}\left({\mathrm{\λ}}_{K,m}\right)}^2]$

D2D链路的最大功率限制条件转变为Trace(V₂P₂V₂ ^H)≤p_2,max。

3.令n=1,...,N，其中ρ₁={ρ_1,n}，ρ_1,n∈{0,1}表征蜂窝链路对Λ₁传输空间的占用情况。当宏蜂窝链路发射机在Λ₁的第n个奇异值对应的传输空间发送数据时，ρ_1,n=1；反之，ρ_1,n=0。则式(4)可以重写为

$\arg \underset{{\mathrm{\ρ}}_1,{\tilde{P}}_1,{\tilde{P}}_2}{\max }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2[1+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\ρ}}_{1,n}{\tilde{p}}_{1,n}{\left({\mathrm{\λ}}_{H_{11},n}\right)}^2]+\underset{m=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2[1+{\tilde{p}}_{2,m}{\left({\mathrm{\λ}}_{K,m}\right)}^2]---\left(A3\right)$

s.t.

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{1,n}{\tilde{p}}_{1,n}\≤p_{1,\max }---\left(A3a\right)$

$\underset{m=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{p}}_{2,m}\≤p_{2,\max }---\left(A3b\right)$

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2[1+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\ρ}}_{1,n}{\tilde{p}}_{1,n}{\left({\mathrm{\λ}}_{H_{11},n}\right)}^2]\≥R_{1,\min }---\left(A3c\right)$

$\underset{m=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2[1+{\tilde{p}}_{2,m}{\left({\mathrm{\λ}}_{K,m}\right)}^2]\≥R_{2,\min }---\left(A3d\right)$

求解的 $\left(\begin{array}{cc}{H}_{11}& H_{12}\\ H_{21}& H_{22}\end{array}\right).$ 不同的ρ₁={ρ_1,n}，Λ_K不同，进而导致(λ_K,m)²不同。为了使问题简化，采取如下算法：

第一，按照升序，对ρ₁={ρ_1,n}的所有情况进行遍历（将ρ₁视为二进制数从{0,0,...,0,1}到{1,1,...,1,0}）；

第二，对特定的ρ₁={ρ_1,n}，(A1)中除了自变量和外，其他均为常数。计算对应λ_K,m。易证问题(A3)为凸优化问题。为了进一步简化，在求解目标函数T最大值时不考虑(A3c)、(A3d)，而是在求出对应最优功率分配后检验其是否满足(A3c)、(A3d)；

第三，对(A3)使用拉格朗日乘子法，可以得到

$L({\tilde{P}}_1{,\tilde{P}}_2,{\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2)=-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2\left[1+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\ρ}}_{1,n}{\tilde{p}}_{1,n}{\left({\mathrm{\λ}}_{H_{11},n}\right)}^2\right]-\underset{m=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{lo}{g}_2[1+{\tilde{p}}_{2,m}{\left({\mathrm{\λ}}_{K,m}\right)}^2]$ (A4)

$+{\mathrm{\μ}}_1(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{1,n}{\tilde{p}}_{1,n}-p_{1,\max })+{\mathrm{\μ}}_2(\underset{m=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{p}}_{2,m}-p_{2,\max })$

根据KKT条件，得

$\frac{\∂L}{\∂{\tilde{p}}_{1,n}}=0,\frac{\∂L}{\∂{\tilde{p}}_{2,m}}=0---\left(A5\right)$

解得

${\tilde{p}}_{1,n}={[\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_1\ln 2}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\left({\mathrm{\λ}}_{H_{11},n}\right)}^2}]}^{+}---\left(A6a\right)$

${\tilde{p}}_{2,m}={[\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_2\ln 2}-\frac{1}{{\left({\mathrm{\λ}}_{K,m}\right)}^2}]}^{+}---\left(A6b\right)$

由于ρ_1,n为0-1变量，在上述解中略去ρ_1,n。

采用次梯度算法，更新如下μ₁、μ₂

${\mathrm{\μ}}_1^{(i+1)}={\mathrm{\μ}}_1^{\left(i\right)}+{\mathrm{\α}}^{\left(i\right)}(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{1,n}{\tilde{p}}_{1,n}^{\left(i\right)}-p_{1,\max })---\left(A7a\right)$

${\mathrm{\μ}}_2^{(i+1)}={\mathrm{\μ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\α}}^{\left(i\right)}(\underset{m=1}{\overset{m_2}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{p}}_{2,m}^{\left(i\right)}-p_{2,\max })---\left(A7b\right)$

其中α⁽ⁱ⁾是第i次迭代的步长，为一取值很小的正数；

第四，检验最优功率分配是否满足(A3c)、(A3d)；

第五，遍历ρ₁={ρ_1,n}，最大T对应的以及ρ₁={ρ_1,n}即为所求最优功率分配及传输空间分配。此时可求第一预编码矩阵、第二预编码矩阵、第一滤波矩阵以及以及经算法合理推导得到的最优功率分配矩阵。

综合上述，本发明所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，具有通信质量好，蜂窝通信能有效的消除出D2D信号的干扰，频带利用率高，通信容量大等优点，保证了蜂窝通信和D2D通信均能正常，高效地进行信息的传输。

实施例四：

本实施例多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，进行D2D通信包括以下步骤：

步骤B1：基站和D2D发送端均向蜂窝用户和D2D接收端发送训练序列；

步骤B2：蜂窝用户以及D2D接收端均利用训练序列进行信道状态估计，将得到的信道状态信息反馈至基站；

步骤B3：基站接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

步骤B4：基站将空间维度划分结果发送到D2D发送端、D2D接收端；

步骤B5：D2D发送端接收所述空间维度划分结果，利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

步骤B6：D2D接收端接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

本实施例所述多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存方法，利用蜂窝用户传输的剩余维度传输D2D信号，D2D信号对蜂窝信号的同频干扰可以通过干扰对齐技术避免，提高了通信频带的利用率的同时，保证了通信质量。

下面结合说明书附图以及实施例对本发明多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统做进一步的说明。

实施例五：

本实施例一种多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统，包括基站、蜂窝用户、D2D发送端以及D2D接收端，包括：

第一训练序列发送单元位于基站，分别向蜂窝用户以及D2D接收端发送训练序列；

第二训练序列发送单元位于D2D发送端，分别向蜂窝用户以及D2D接收端发送训练序列；

第一信道状态信息估计单元位于蜂窝用户端，接收并根据所述训练序列进行信道状态估计，并反馈至所述基站；

第二信道状态信息估计单元位于D2D接收端，接收并根据所述训练序列进行信道状态估计，并反馈至所述基站；

无线网络控制器位于基站，接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

第一信号发送单元，位于基站，利用第一编预码矩阵将蜂窝信号限制在第一空间维度上并发送所述蜂窝信号。；

蜂窝信号接收单元，位于蜂窝用户端，从第一空间维度上接收蜂窝信号。

通常，所述无线网络控制器与第一信号发送单元，均为基站的处理单元，在具体的实施过程中，基站通过训练序列单元发送训练序列，再有无线网络控制器接收信道状态信息，且根据信道状态信息进行资源分配(空间维度资源以及频率资源)，并通过第一信号发送单元发送蜂窝信号；

第一信道估计单元和蜂窝信号接收单元，均为用户端的处理单元，在具体的实施过程中，蜂窝信号接收单元用以接收信号。第一信道估计单元利用接收到的训练序列进行信道状态信息估计，并将获取的信道状态信息反馈至基站。对于接收到的有用信号，采用第一滤波矩阵处理，从第一接收子空间提取蜂窝信号。蜂窝接收单元通常为移动通信终端，如手机、平板通过基站中继的通信设备。

在本实施例所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统中，D2D信号与蜂窝信号在不同的空间维度上进行通信，在D2D通信的发送端，通过增设一个用于干扰对齐的第一预处理矩阵，将D2D信号对齐到与蜂窝信号张成的子空间相独立的第二空间维度上，从而使D2D信号与蜂窝信号完全分离，避免了D2D通信对蜂窝通信的同频干扰。且D2D通信复用了蜂窝通信的频带，提高了频率的利用率。

实施例六:

本实施例在上一实施例的基础上，空间维度划分结果发送单元位于基站，用以向D2D发送端、D2D接收端发送空间维度划分结果；

空间维度划分结果接收单元位于D2D发送端、D2D接收端，接收所述空间维度划分结果；

第二信号发送单元位于D2D通信发送端，利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

D2D信号接收单元位于D2D接收端，接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

在本实施例中的D2D信号接收单元上，通过将第一空间维度上的蜂窝信号视作有色高斯噪声，采用滤波矩阵降其白化，简便的实现了D2D信号的接收。

进一步地，作为本实施例的进一步改进，为了优先保证蜂窝通信的通信质量，优先分配用于蜂窝通信的第一空间维度的分配，故在所述基站进行空间维度划分时，第一空间维度的划分优先级高于第二空间维度。

实施例七：

10、根据权利要求7、8或9所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统，其特征在于，

所述基站还包括功率分配单元；

所述功率分配单元根据信道状态信息对蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配，并将D2D通信的发送功率分配结果发送至所述D2D发送端；

所述第一信号发送单元根据所述功率分配结果发送蜂窝信号；

所述第二信号发送单元根据所述功率分配结果发送D2D信号；

其中，所述功率分配单元通过下列公式进行蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配：

$\arg \underset{P_1,P_2}{\max }T(P_1,P_2)$

s.t.

Trace(V₁P₁V₁ ^H)≤p_1,max

Trace(V₂P₂V₂ ^H)≤p_2,max

C₁(P₁)≥R_1,min

C₂(P₂)≥R_2,min

T(P₁,P₂)=C₁(P₁)+C₂(P₂)

其中，P₁为蜂窝信号功率分配矩阵，P₂为D2D信号功率分配矩阵；V₁为第一预编码矩阵，V₁ ^H为第一预编码矩阵的转置，V₂为第二预编码矩阵，V₂ ^H为第二预编码矩阵的转置；p_1,max为蜂窝信号的最大功率，p_2,max为D2D信号的最大功率；C₁为蜂窝通信信道的信道容量，C₂为D2D通信信道的信道容量；R_1,min为预设的蜂窝通信的最小传输速率，R_2,min为预设的D2D通信的最小传输速率。

本实施例所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统，与传统的包含D2D通信的系统相比，由于对D2D信号采用了空间干扰对齐技术，从而很容易地避免了其对蜂窝用户造成的干扰，在上述的基础上，再通过合理的功率分配，使得D2D通信以及蜂窝通信都得到合理的输入协方差矩阵，在保证通信顺利进行的同时，实现通信系统的信道容量最大化。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，其特征在于，进行所述蜂窝通信包括以下步骤：

步骤A1：基站和D2D发送端均向蜂窝用户和D2D接收端发送训练序列；

步骤A2：蜂窝用户以及D2D接收端，均利用训练序列进行信道状态估计，将得到的信道状态信息反馈至基站；

步骤A3：基站接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

步骤A4：基站采用第一预编码矩阵，将蜂窝信号限制在第一空间维度上并发送蜂窝信号；

步骤A5：蜂窝用户从第一空间维度上接收蜂窝信号。

2.根据权利要求1所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，其特征在于，

进行所述D2D通信包括以下步骤：

步骤B1：基站将空间维度划分结果发送至D2D发送端以及D2D接收端；

步骤B2：D2D发送端以及D2D接收端接收所述空间维度划分结果；

步骤B3：D2D发送端利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

步骤B4：D2D接收端接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

3.根据权利要求2所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，其特征在于，在所述步骤A3中进行空间维度划分时，第一空间维度的划分优先级高于第二空间维度。

4.根据权利要求3所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，其特征在于，所述步骤A3中还包括基站根据信道状态信息对蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配，并将D2D通信的发送功率分配结果发送至所述D2D发送端;

所述步骤A4中根据所述功率分配结果发送蜂窝信号；

所述步骤B3中根据所述功率分配结果发送D2D信号。

5.根据权利要求4所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，其特征在于，基站通过下列公式进行蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配：

$\arg \underset{P_1,P_2}{\max }T(P_1,P_2)$

s.t.

Trace(V₁P₁V₁ ^H)≤p_1,max

Trace(V₂P₂V₂ ^H)≤p_2,max

C₁(P₁)≥R_1,min

C₂(P₂)≥R_2,min

T(P₁,P₂)=C₁(P₁)+C₂(P₂)

其中，P₁为蜂窝信号功率分配矩阵，P₂为D2D信号功率分配矩阵；V₁为第一预编码矩阵，V₁ ^H为第一预编码矩阵的转置，V₂为第二预编码矩阵，V₂ ^H为第二预编码矩阵的转置；p_1,max为蜂窝信号的最大功率，p_2,max为D2D信号的最大功率；C₁为蜂窝通信信道的信道容量，C₂为D2D通信信道的信道容量；R_1,min为预设的蜂窝通信的最小传输速率，R_2,min为预设的D2D通信的最小传输速率。

6.一种多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信方法，其特征在于，进行D2D通信包括以下步骤：

步骤B1：基站和D2D发送端均向蜂窝用户和D2D接收端发送训练序列；

步骤B2：蜂窝用户以及D2D接收端均利用训练序列进行信道状态估计，将得到的信道状态信息反馈至基站；

步骤B3：基站接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

步骤B4：基站将空间维度划分结果发送到D2D发送端、D2D接收端；

步骤B5：D2D发送端接收所述空间维度划分结果，利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

步骤B6：D2D接收端接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

7.一种多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统，包括基站、蜂窝用户、D2D发送端以及D2D接收端，其特征在于，包括：

第一训练序列发送单元位于基站，分别向蜂窝用户以及D2D接收端发送训练序列；

第二训练序列发送单元位于D2D发送端，分别向蜂窝用户以及D2D接收端发送训练序列；

第一信道状态信息估计单元位于蜂窝用户端，接收并根据所述训练序列进行信道状态估计，并反馈至所述基站；

第二信道状态信息估计单元位于D2D接收端，接收并根据所述训练序列进行信道状态估计，并反馈至所述基站；

无线网络控制器位于基站，接收并根据所述信道状态信息，将空间维度分为用以蜂窝通信的第一空间维度以及用以D2D通信且与所述第一空间维度互不交叠的第二空间维度；

第一信号发送单元，位于基站，利用第一编预码矩阵将蜂窝信号限制在第一空间维度上并发送所述蜂窝信号。；

蜂窝信号接收单元，位于蜂窝用户端，从第一空间维度上接收蜂窝信号。

8.根据权利要求7所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统，其特征在于，

空间维度划分结果发送单元位于基站，用以向D2D发送端、D2D接收端发送空间维度划分结果；

空间维度划分结果接收单元位于D2D发送端、D2D接收端，接收所述空间维度划分结果；

第二信号发送单元位于D2D通信发送端，利用第二预编码矩阵将D2D信号限制在第二空间维度上并发送所述D2D信号；

D2D信号接收单元位于D2D接收端，接收信号，将同频带上第一空间维度上的蜂窝信号和加性噪声共同视作有色高斯噪声，利用滤波矩阵将有色高斯噪声白化，提取D2D信号。

9.根据权利要求7或8所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统，其特征在于，在所述基站进行空间维度划分时，第一空间维度的划分优先级高于第二空间维度。

10.根据权利要求7、8或9所述的多天线场景下D2D通信与蜂窝通信共存的通信系统，其特征在于，

所述基站还包括功率分配单元；

所述功率分配单元根据信道状态信息对蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配，并将D2D通信的发送功率分配结果发送至所述D2D发送端；

所述第一信号发送单元根据所述功率分配结果发送蜂窝信号；

所述第二信号发送单元根据所述功率分配结果发送D2D信号；

其中，所述功率分配单元通过下列公式进行蜂窝通信以及D2D通信的发送功率的分配：

$\arg \underset{P_1,P_2}{\max }T(P_1,P_2)$

s.t.

Trace(V₁P₁V₁ ^H)≤p_1,max

Trace(V₂P₂V₂ ^H)≤p_2,max

C₁(P₁)≥R_1,min

C₂(P₂)≥R_2,min

T(P₁,P₂)=C₁(P₁)+C₂(P₂)

其中，P₁为蜂窝信号功率分配矩阵，P₂为D2D信号功率分配矩阵；V₁为第一预编码矩阵，V₁ ^H为第一预编码矩阵的转置，V₂为第二预编码矩阵，V₂ ^H为第二预编码矩阵的转置；p_1,max为蜂窝信号的最大功率，p_2,max为D2D信号的最大功率；C₁为蜂窝通信信道的信道容量，C₂为D2D通信信道的信道容量；R_1,min为预设的蜂窝通信的最小传输速率，R_2,min为预设的D2D通信的最小传输速率。