CN104838371B - 基于稀疏多维扩频的终端协作的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了系统和方法实施例以实现具有提高的频谱效率、减少的IVI和虚拟全双工操作模式的高效直连移动通信(DMC)和基于终端的组的设备到设备(D2D)通信。实施例包括用于D2D通信的分布式机制，该机制使一个或多个UE(CUE)能够使用有限的额外信令开销和相对简单的实施方案帮助一个或多个目标UE(TUE)。该机制包括未授权多维复用方案，该方案在时域、频域和/或空间域上使用低密度扩频(LDS)以实现多个半双工终端或UE之间的数据转发，同时允许UE在虚拟全双工模式下进行操作。

Description

基于稀疏多维扩频的终端协作的系统和方法
本申请要求于2013年3月15日递交的名称为“基于稀疏多维扩频的终端协作的系统和方法(System and Method for Terminal Cooperation Based on Sparse Multi-Dimensional Spreading)”、专利申请号为61/791,830的美国临时专利申请案；于2012年12月14日递交的名称为“基于二维低密度扩频的直连移动通信(DMC)的系统和方法(Systemand Method for Direct Mobile Communications(DMC)Based on Two-Dimensional LowDensity Spreading)”、专利申请号为61/737,643的美国临时专利申请案；以及于2013年4月12日递交的名称为“基于稀疏多维扩频的终端协作的系统和方法(System and Methodfor Terminal Cooperation Based on Sparse Multi-Dimensional Spreading)”、专利申请号为13/862,168的美国非临时专利申请案的在先申请优先权，这些在先申请的内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及无线通信领域，以及在具体实施例中，涉及一种基于二维低密度扩频的设备到设备(D2D)通信的系统和方法。
背景技术
直连移动通信(DMC)和蜂窝控制的设备到设备(D2D)通信在下一代无线网络中预期会发挥重要作用。通过DMC，网络与终端组或用户设备(UE)组进行通信，下文将终端组或用户设备组称作虚拟多点(ViMP)节点而不是单独的终端。通过终端侧协作(UE之间)的网络虚拟化预期会成为蜂窝标准的一部分，例如3GPP LTE-A和IEEE 802.16m的未来版本。ViMP节点由从/向网络接收/发送数据的一个或多个目标用户设备(TUE)和一个或多个帮助TUE与网络进行通信的协作UE(CUE)组成。当前的使能DMC系统依赖于调度和UE分组的组合，以实现频谱重用和减少由于ViMP节点内的DMC造成的从其它ViMP节点(UE组)产生的干扰。ViMP节点之间的干扰称作ViMP间干扰(IVI)。当前系统还允许半双工UE操作但不允许全双工操作模式。需要一种提高频谱效率、减少IVI和允许虚拟全双工操作模式的用于DMC(或D2D)通信的有效方案。
发明内容
结合一个实施例，一种支持基于用户设备(UE)组的通信的方法包括在UE处为多个协作UE(CUE)接收多个数据流，所述多个数据流通过使用时域稀疏扩频的时域扩频复用共享时域信道资源。
在另一实施例中，一种支持基于UE组的通信的方法包括在UE处对数据流进行编码和映射；使用频域扩频在频域信道资源上对所述数据流进行扩频；以及将所述数据流发送到目标UE(TUE)。
在另一实施例中，一种支持基于UE组的通信的UE包括处理器和存储由所述处理器执行的程序的计算机可读存储介质。所述程序包括为多个协作UE(CUE)接收多个数据流的指令，所述多个数据流通过空间域扩频复用共享空间域信道资源。
在又一实施例中，一种支持基于UE组的通信的UE包括处理器和存储由所述处理器执行的程序的计算机可读存储介质。所述程序包括在UE处对数据流进行编码和映射的指令；使用频域扩频在频域信道资源上、使用时域扩频在时域信道资源上和使用空间域扩频在空间域信道资源上中的至少一种方式对所述数据流进行扩频的指令；以及将所述数据流发送到目标UE(TUE)的指令。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：
图1示出了根据当前系统的调度和UE分组的组合的方案；
图2示出了与协作UE通信的BS；
图3示出了具有UE协作的D2D通信；
图4示出了使用LDS-OFDM的D2D传输方案的实施例；
图5示出了用于二维低密度扩频(LDS)复用的实施例方案；
图6示出了可用于实施各种实施例的处理系统。
具体实施方式
下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供可在各种具体上下文中体现的许多适用的发明性概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
图1示出了在当前无线或蜂窝系统中所使用的调度和UE分组的组合的方案100。在现有系统中，每个小区中的数据包的目标UE(TUE)被划分为两个不同的组。例如，彼此靠近的TUE被放置在不同组中。按顺序完成与每组关联的ViMP节点内的D2D传输。对TUE进行分组的目的是为了确保每时每刻都使用整个频谱，以及进一步减少IVI。在每个连续时隙或时间段处，这些组切换频带以进行发送或接收。
图2示出了与协作UE组通信的基站(BS)210的方案200。UE协作提供空间、时间和频率分集。终端和UE侧的协作分集还增加了抗衰落和抗干扰的鲁棒性。在方案200中，多个UE协作以形成一个或多个逻辑/虚拟多点(ViMP)节点230，例如在BS 210的覆盖范围或小区240。ViMP节点230充当单个分布式虚拟收发器，例如下行链路中的接收器和上行链路中的发射器。ViMP节点230可由一组一个或多个协作UE(CUE)225和一组一个或多个目标UE(TUE)220组成。CUE 225帮助TUE 220与BS 210或网络进行通信，例如以在下行链路上接收数据和在上行链路上发送数据。
下行链路ViMP接收包括两个阶段。在第一下行链路广播阶段，BS 210或网络使用ViMP无线网络临时标识(RNTI)向ViMP接收器(Rx)节点230广播数据包，RNTI是ViMP Rx节点230的标识。取决于ViMP协作场景(例如，容量增强、覆盖范围扩展或其它场景)，TUE 220和CUE 225可在该阶段监听数据。在第二D2D数据转发阶段，CUE 225向TUE 220转发某信息以帮助TUE 220对BS 210或网络在第一阶段广播的信息进行解码。第二阶段期间由CUE 225发送的信息取决于ViMP协作策略(例如，解码转发(DF)、放大转发(AF)、联合接收(JR)或其它策略)。
通常，当前系统中的UE仅在半双工模式下进行操作，在半双工模式下，UE每次发送或接收数据但无法同时发送和接收数据。因此，在ViMP接收的情况下，在任何给定的传输时间间隔，半双工CUE无法同时包括在下行链路接收和数据转发阶段中。此外，当D2D通信发生在与传统网络操作相同的频带中时，在ViMP接收的情况下会产生若干问题。例如，TUE 220可以接收来自不同CUE 225的帮助，从而在任何TUE 220处产生信号干扰。因此，需要一种在不产生大量开销成本的情况下实现来自多个CUE 225的传输的TUE220处的分隔的多接入(或复用)方案。另一问题是UE可能需要(在与不同其它UE通信的同时)同时充当CUE 225和TUE 220。即使UE可能会受到它们的双工能力的限制，但是这些UE可通过在逻辑或虚拟全双工模式下操作来同时充当TUE和CUE。在又一问题中，出于频谱效率目的，多个CUE 225可共享相同频带。因此，在数据转发期间需要处理来自不同ViMP节点230的D2D传输生成或导致的IVI干扰。
本文提供了系统和方法实施例以实现具有提高的频谱效率、减少的IVI和虚拟全双工操作模式的高效DMC和D2D通信。实施例包括用于D2D通信的分布式机制，该机制使多个CUE能够使用有限的额外信令开销和相对简单的实施方案帮助多个TUE。该机制包括未授权二维复用方案，该方案在时域、频域和/或空间域上使用低密度扩频(LDS)以实现，例如，在给定频带内多个半双工终端或UE之间的数据转发，同时允许UE在虚拟全双工模式下进行操作。
除了实现半双工CUE在虚拟全双工模式下进行操作以外，该机制还允许完全重用频谱以供最小化IVI的同时多个ViMP节点内的D2D数据转发。二维LDS复用方案的签名是特定于UE的，并且可以基于UE连接ID预指派或获得。如果签名是网络指派的，那么网络可通过广播信道或无线资源控制(RRC)信令告知终端指派的签名。本文中使用的术语“终端”和“UE”可互换，用来指可以与无线网络，例如通过BS，进行通信的任何设备。终端或UE的示例包括智能手机、台式电脑或任何其它的能够无线通信的移动或个人设备。
图3示出了具有UE协作的D2D通信的系统300。多个UE协作以形成充当单个分布式虚拟收发器的逻辑/虚拟多点(ViMP)节点330。术语“ViMP节点”在本文中还称为UE组或协作UE组。ViMP节点330包括一组目标UE(TUE)320和协作UE(CUE)325。CUE 325帮助TUE 320与无线网络(未示出)进行通信，例如以在下行链路上接收数据和在上行链路上发送数据。因此，ViMP节点330的UE可以在上行信道上联合发送数据或在下行信道上联合接收数据。在数据转发期间，TUE 320需要区分从不同的CUE 325接收到的信号。TUE 320还可充当彼此的CUE325。由于所有D2D传输共享相同的频带，因此可能存在源自其它ViMP节点(未示出)中的D2D传输的干扰或IVI。可使用近距离D2D传输以减少IVI的负面影响。然而，如果不同ViMP节点中的两个TUE足够接近，那么它们各自的ViMP节点会造成彼此的IVI。
图4示出了使用LDS-正交频分复用(OFDM)的D2D传输方案400的实施例。方案400可在系统300中实施以减少IVI。首先，使用低密度扩频(LDS)序列对多个CUE 425(CUE1到CUEk，其中k为整数)的数据流进行扩频。CUE 425可位于一个或多个ViMP节点。每个CUE 425的数据流可在编码器或映射块401处进行编码和映射，并且随后使用对应的LDS扩频器402进行扩频。接着，将所得的CUE 425的LDS序列(S1到Sk)乘以ViMP节点特定加扰序列，其效果为白化IVI(引入白噪声特征)。使用对应ViMP扰频器403加扰每个CUE 435的扩频数据流，并且随后使用OFDM调制器404进行调制。随后使用对应的无线信道发射器405在不同的子载波上发送所得的CUE 435的加扰序列(S0)。通过无线电发送的序列的组合在足够邻近度内，例如在CUE 435的相同ViMP节点内，由TUE 420的接收器接收。TUE420还可接收与TUE 420的其它ViMP节点中的CUE 425对应的数据。
在TUE 420处，接收到的序列组合还可包括附加噪声，例如加性高斯白噪声(AWGN)。接收到的序列组合通过OFDM解调器406解调，并且随后使用与发射器侧处的ViMP加扰器403中所使用的相同ViMP加扰序列在ViMP解扰器407处进行解扰。所得到的序列由LDS检测器408进行处理以将序列组合分为与不同CUE 425所对应的单独序列。例如，根据对应的ViMP RNTI分开每个虚拟多点(ViMP)无线节点的数据流，根据对应的UE连接ID分开每个CUE的数据流。随后每个序列由映射器和解码器409进行解码以获取CUE 425的原始数据流，例如，相同ViMP节点的或与TUE 420通信的CUE 425的原始数据流。
图5示出了用于时间和频率栅格上的二维LDS复用的实施例方案500。例如，方案500可用于将方案400中的不同CUE 425的数据流进行扩频或将系统300中的不同CUE325和TUE320的通信进行扩频。使用时域和频域中的LDS对流方案500中的数据流进行扩频。数据流通过频域LDS复用共享频域信道资源和通过时域LDS复用共享时域信道资源。时域扩频和频域扩频可彼此独立。相对于时域中的LDS，多个半双工UE 520可在相同ViMP节点内互相转发数据，例如UE 520同时充当TUE和CUE。因此，UE 520需要同时听和说。然而，半双工约束意味着需要将给定传输时间间隔(TTI)内的任何子载波上的接收信号替换为相同TTI内的子载波的发送信号。为了克服该约束，使用LDS时域序列对来自TUE的信号进行扩频。具体而言，引入时域LDS签名的传输关闭时隙(零或无传输时隙)以允许这些时隙处的数据接收，从而实现时域中的虚拟全双工操作。由于时域扩频的LDS，可以允许时域中的冲突并且仍可在预期接收器处恢复数据，例如使用具有线性复杂度的迭代消息传递算法(MPA)。TUE可在方案500的二维时频栅格上应用MPA以恢复相同ViMP节点内所有CUE转发的信号。
如上所述，时间和频率栅格上的未授权LDS方案包括多种益处。时间上的LDS允许虚拟全双工操作，从而克服了半双工UE约束。此外，频率上的LDS充当信道化码以允许多个CUE共享相同频带且无额外信令开销。签名是特定于UE的，并且可以基于UE连接ID预指派或获得。此外，使用ViMP特定扰码，这允许白化IVI的影响，从而允许不同UE的D2D通信共享相同频带而不造成严重干扰。此处的实施例可在具有D2D增强能力的任何无线蜂窝网络中实施，例如，无线蜂窝网络包括但不限于3GPP LTE、LTE-A和IEEE WiMAX。
图6是可以用于实施各种实施例的处理系统600的框图。特定设备可以利用所示的所有部件，或仅仅利用部件的子集，而集成水平可因设备而异。此外，设备可以包含部件的多个实例，如多个处理单元、处理器、存储器、发射器、接收器等等。处理系统600可以包括配备有一个或多个输入/输出设备的处理单元601，所述输入/输出设备包括扬声器、麦克风、鼠标、触摸屏、小键盘、键盘、打印机、显示器等等。处理单元601可包括中央处理单元(CPU)610、存储器620、大容量存储设备630、视频适配器640，以及连接到总线的I/O接口665。所述总线可以为任何类型的若干总线架构中的一个或多个，包括存储总线或者存储控制器、外设总线以及视频总线等等。
CPU 610可包括任意类型的电子数据处理器。存储器620可包括任意类型的系统存储器，例如静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、只读存储器(ROM)或其组合等等。在实施例中，存储器620可包括在开机时使用的ROM，以及在执行程序时使用的程序和数据存储器的DRAM。大容量存储设备630可包括用于存储数据、程序和其它信息的任意类型的存储设备，并使这些数据、程序和其它信息通过总线访问。大容量存储设备630可包括如下中的一种或多种：固态磁盘、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器等等。
视频适配器640和I/O接口665提供接口以将外部输入输出设备耦合到处理单元。如图所示，输入输出设备的示例包括耦合至视频适配器640的显示器660和耦合至I/O接口665的鼠标/键盘/打印机670的任意组合。其它设备可以耦合至处理单元601，可以利用附加的或更少的接口卡。例如，可使用串行接口卡(未示出)将串行接口提供给打印机。
处理单元601还包括一个或多个网络接口650，网络接口650可包括诸如以太网电缆等的有线链路，和/或到接入节点或者一个或多个网络680的无线链路。网络接口650允许处理单元601通过网络680与远程单元进行通信。例如，网络接口650可以通过一个或多个发射器/发射天线以及一个或多个接收器/接收天线提供无线通信。在一个实施例中，处理单元601耦合至局域网或广域网用于数据处理并与远程设备通信，远程设备可包括其它处理单元、互联网、远程存储设施等等。
虽然已详细地描述了本发明及其优点，但是应理解，可以在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种改变、替代和更改。此外，本发明的范围并不局限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组分、构件、方法和步骤的具体实施例。所属领域的一般技术人员可从本发明中轻易地了解，可根据本发明使用现有的或即将开发出的，具有与本文所描述的相应实施例实质相同的功能，或能够取得与所述实施例实质相同的结果的过程、机器、制造、物质组分、构件、方法或步骤。相应地，所附权利要求范围包括这些流程、机器、产品、合成物质、方式、方法、及步骤。

Claims (32)

1.一种支持基于用户设备UE组的通信的方法，其特征在于，所述方法包括：
在UE处从多个协作用户设备CUE接收多个数据流，所述多个数据流通过使用时域稀疏扩频的时域扩频复用免调度共享时域信道资源；
其中，所述UE和所述CUE用于半双工操作模式，并且时域稀疏扩频复用使能用于时域中虚拟全双工操作的所述UE和所述CUE。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据流进一步通过使用频域稀疏扩频的频域扩频复用共享频域信道资源。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述使用频域稀疏扩频的频域扩频复用是允许所述CUE使用有限的信令开销或无额外的信令开销共享相同频带的信道化码。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述数据流进一步通过使用空间域扩频的空间域扩频复用共享空间域信道资源。
5.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括：
使用正交频分复用OFDM解调对接收到的数据流进行解调；以及
对所述解调的数据流进行解扰以实现所述数据流中的虚拟多点ViMP间干扰IVI的白化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括通过多数据流检测器，根据对应的ViMP网络临时标识RNTI为每个ViMP无线节点分开加扰的数据流，并根据用于指派UE特定签名的对应UE连接标识ID为每个CUE分开加扰的数据流。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括为与所述UE通信的每个所述CUE解码和解映射分开的数据流。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括通过多数据流检测器，根据网络指派的和所述UE已知的UE特定签名分开加扰的数据流。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括使用消息传递算法恢复在相同时间间隔内发送的来自所述CUE的数据流。
10.一种支持基于用户设备UE组的通信的方法，其特征在于，所述方法包括：
在UE处对数据流进行编码和映射；
使用频域扩频在频域信道资源上对所述数据流进行免调度扩频；
使用时域扩频在时域信道资源上对所述数据流进行免调度扩频；以及
将所述数据流发送到目标用户设备TUE；
其中，所述UE和所述TUE用于半双工操作模式，并且时域稀疏扩频复用使能用于时域中虚拟全双工操作的所述UE和所述TUE。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，其中所述时域扩频是时域稀疏扩频。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括：
使用空间域扩频在空间域信道资源上对所述数据流进行进一步扩频；以及
在所述频域信道资源、所述时域信道资源和所述空间域信道资源上发送所述数据流。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述空间域扩频是空间域稀疏扩频。
14.根据权利要求11-13任一项所述的方法，其特征在于，所述时域扩频是时域稀疏扩频。
15.根据权利要求11-13任一项所述的方法，其特征在于，所述频域扩频和所述时域扩频是独立的。
16.根据权利要求11-13任一项所述的方法，其特征在于，所述时域扩频包括来自所述UE的具有零传输的传输关闭时隙。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括在所述传输关闭时隙期间接收来自一个或多个协作用户设备CUE的一个或多个数据流。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述频域扩频是频率域稀疏扩频。
19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括在发送所述数据流之前，对所述数据流进行加扰，以实现来自其它UE发送的其它数据流的虚拟多点ViMP间干扰IVI的白化。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括在发送所述数据流之前，使用正交频分复用OFDM调制对所述加扰的数据流进行调制。
21.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括使用空间域扩频在空间域信道资源上对所述数据流进行进一步扩频，其中所述空间域扩频是空间域稀疏扩频。
22.一种支持基于用户设备UE组的通信的UE，其特征在于，所述UE包括：
处理器；以及
存储由所述处理器执行的程序的计算机可读存储介质，所述程序包括从多个协作用户设备CUE接收多个数据流的指令，所述多个数据流通过空间域扩频复用免调度共享空间域信道资源，所述CUE接收到的数据流进一步共享以下项中的至少一种：通过频域扩频复用共享频域信道资源和通过时域扩频复用共享时域信道资源；
其中，所述UE和所述CUE用于半双工操作模式，并且时域稀疏扩频复用使能用于时域中虚拟全双工操作的所述UE和所述CUE。
23.根据权利要求22所述的UE，其特征在于，所述UE是所述数据流的目标用户设备TUE。
24.根据权利要求22所述的UE，其特征在于，所述UE和至少一些所述CUE位于相同的虚拟多点ViMP节点中。
25.根据权利要求22-24任一项所述的UE，其特征在于，所述程序包括进一步的指令，用于根据网络指派的和通过广播信道或无线资源控制RRC信令向所述UE指示的所述数据流中的UE特定签名，分开不同CUE接收到的数据流。
26.根据权利要求22-24任一项所述的UE，其特征在于，所述程序包括进一步的指令，用于根据来源于所述数据流中的UE连接ID的UE特定签名，分开不同CUE接收到的数据流。
27.根据权利要求22-24任一项所述的UE，其特征在于，所述程序包括进一步的指令，用于根据位于相同ViMP节点中的所述UE和至少一些CUE之间的协商指派的UE特定签名，分开不同CUE接收到的数据流。
28.一种支持基于UE组的通信的用户设备UE，其特征在于，所述UE包括：
处理器；以及
存储由所述处理器执行的程序的计算机可读存储介质，所述程序包括指令，所述指令用于：
在UE处对数据流进行编码和映射；
通过使用频域扩频在频域信道资源上对所述数据流进行免调度扩频；
通过使用时域扩频在时域信道资源上对所述数据流进行免调度扩频；以及
将所述数据流发送到目标用户设备TUE；
其中，所述UE和所述TUE用于半双工操作模式，并且时域稀疏扩频复用使能用于时域中虚拟全双工操作的所述UE和所述TUE。
29.根据权利要求28所述的UE，其特征在于，所述频域扩频和时域扩频允许使用从其它UE发送到相同TUE的其它数据流复用所述数据流。
30.根据权利要求28所述的UE，其特征在于，所述频域扩频是频域稀疏扩频。
31.根据权利要求30所述的UE，其特征在于，所述频域稀疏扩频使UE能够在虚拟全双工模式下进行操作。
32.根据权利要求28-31任一项所述的UE，其特征在于，所述时域扩频是时域稀疏扩频。
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