CN105119858B - 协作式d2d传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法，该协作式D2D传输系统包括一个基站BS、两个D2D用户D1和D2以及一个蜂窝用户CU，该策略的实现方法如下：首先，在各节点旋转信号星座图并对信道相位信息进行预补偿，充分利用复信号同相分量和正交分量之间固有的正交性以实现无干扰传输，从而完全消除了误码平台；在此基础上，以最大化最小平方欧氏距离为目标，对星座旋转角度进行优化设计，有效降低了蜂窝通信和D2D通信的误符号率。仿真结果表明，与传统的叠加编码策略和协作双向传输策略相比，所提出的策略能够使系统的误符号率降低两个数量级。
Description
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法。
背景技术：
随着移动多媒体、社交网络、车联网等新型应用的不断涌现，用户对通信系统服务质量的要求也与日俱增。然而，传统的蜂窝通信技术依赖于集中式的网络架构，移动设备必须通过基站实现通信。在设备数量众多、服务请求巨大的情况下，这种单一的通信模式会显著增加基站负荷并造成网络拥塞。为此，终端直通(Device-to-Device,D2D)技术应运而生。在D2D系统中，距离较近的移动设备可以直接进行点对点传输，而不必经由基站中转，从而有效实现了蜂窝网络数据的分流，并且提升了系统的频谱效率，扩大了网络的覆盖范围。由于上述优势，D2D技术已受到学术界和工业界的普遍关注，被认为是下一代蜂窝网络的关键技术之一。
在支持D2D通信的蜂窝系统中，设备间的直通链路与蜂窝用户间的传输链路共享相同的频谱，因此，如何实现有效的干扰管理对于提升D2D通信的性能至关重要。已有的干扰管理方案主要采用资源分配和信号处理技术来消除或减弱干扰的影响；而通过建立协作机制，可以进一步缓解蜂窝链路和D2D链路之间的相互干扰并提升系统性能。这就是协作式D2D传输的基本思想。在该传输模式中，D2D系统的发射机充当蜂窝链路的中继节点，辅助蜂窝系统完成端到端信息传输，以此获得频谱机会。作为这一思想的实例化，Shalmashi等人提出了一种基于叠加编码的协作D2D策略，在该策略中，D2D发射机采取叠加编码的方式同时发送自身数据和蜂窝用户数据。为了更为充分地利用传输机会，Ma Chuan等人给出了一种改进型协作方案，使得D2D发射机可以只对部分蜂窝信号进行中继转发。上述两种策略的不足之处在于：受限于中继传输的双跳特性和节点半双工约束，D2D传输和蜂窝传输的频谱效率都难于提升。为了克服这一缺陷，Pei Yiyang等人提出了一种高谱效的协作双向传输策略，使得一对D2D设备之间能够建立双向连接，同时其中一个D2D用户作为中继来实现蜂窝用户之间的双向信息传递。
尽管上述协作双向传输策略具有较高的频谱效率，但系统的误码性能却不尽如人意。在该策略的传输框架下，任一终端接收到的信号都包含自身所需信号和发送给其他用户的信号，因此系统是干扰受限的，这会造成严重的误码平台，从而导致系统的误符号率无法随信噪比的升高而下降。根据调研，目前还没有相关工作解决协作式D2D传输系统中的这一问题。
发明内容：
本发明的目的是为了消除误码平台，提供了一种协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法。通过旋转信号星座图并利用复信号同相分量和正交分量之间固有的正交性，该策略能够同时为蜂窝通信和D2D通信构造无干扰的传输链路，从而完全避免干扰，并消除误码平台。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法，该协作式D2D传输系统包括一个基站BS、两个D2D用户D1和D2以及一个蜂窝用户CU，包括以下步骤：
1)在每次传输开始之前，基站BS、两个D2D用户以及蜂窝用户CU信号星座点均首先经过信号星座旋转操作后再进行发送；
2)协作式D2D传输系统中的D2D子系统和蜂窝子系统之间的每次协作传输由两个阶段构成；其中，在第一阶段，基站BS、蜂窝用户CU、D2D用户D2分别发送各自的信号至D2D用户D1；在第二阶段，D2D用户D1转发由基站BS和蜂窝用户CU信号组合而成的复合信号，实现蜂窝用户CU和基站BS之间的双向信息传递；与此同时，D2D用户D1将自身的信号传输至D2D用户D2；最后基站BS、蜂窝用户CU及D2D用户D2均采用最大似然准则完成对信号的检测和信息的获取。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，信号星座旋转角度θ的设计准则如下：
式中：表示发送信号星座点之间的最小平方欧氏距离。
本发明进一步的改进在于，对于基站BS或蜂窝用户CU，定义为其中xC和分别表示基站BS或蜂窝用户CU经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点；对于D2D用户D1或D2，定义为其中xD和表示D2D用户D1或D2经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点。
本发明进一步的改进在于，星座旋转准则的设计依据如下：
令u∈x表示原始的信号星座，则旋转后的信号星座表示为x＝ejθu，其中θ为旋转角度，它的取值首先使得旋转后的星座集合中任意两个不同星座点的同相分量以及正交分量均不相同，即：对任何星座点索引号i≠k，均有
式中：表示旋转后的星座集合中的任意两个星座点；
显然，满足上述条件的θ不唯一，因此，从中选出能够最优化系统误码性能的旋转角度；为此，首先考虑蜂窝用户的误符号率SEP，根据联合界，将CU→BS链路的SEP上界表示为
式中：表示原始的信号星座的取值集合，表示集合的势，xC和表示基站BS或蜂窝用户CU经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点，Q(x)表示高斯Q函数，γ(CU→BS)表示CU→BS链路的接收信噪比，表示随机变量γ(CU→BS)的概率密度函数，t表示积分变量，定义为
同样地，D1→D2链路的SEP上界表示为
式中：表示原始的信号星座的取值集合，表示集合的势，t表示积分变量，Q(x)表示高斯Q函数，表示D1→D2链路的接收信噪比，表示随机变量的概率密度函数(probability density function,PDF)，定义为其中xD和表示D2D用户D1或D2经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点；
上述结果表明，为了降低链路i→j的误符号率，发射节点i选择能够使最小平方距离最大化的旋转角度。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，在第一阶段，基站BS发送信号蜂窝用户CU发送信号以及D2D用户D2发送信号至D2D用户D1，其中：xB、xC、分别表示基站BS、蜂窝用户CU、D2D用户D2的经信号星座旋转之后的复星座点；P表示基站BS、蜂窝用户CU、D2D用户D2的发射功率；hB1表示基站BS和D2D用户D1之间的信道系数，hC1表示蜂窝用户CU和D2D用户D1之间的信道系数，h12表示D2D用户D1和D2之间的信道系数；∠hB1、∠hC1、∠h12分别表示hB1、hC1、h12的相位；D2D用户D1接收到的信号为：
其中，表示第一阶段D1节点处的信道加性噪声；D1提取的虚部并利用最大似然准则估计再根据公式(2)给出的旋转后的星座与它的实或虚分量之间的一一对应关系确定从而获得D2D用户D2的信息；
在检测的同时，D1提取的实部从而得到
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，第二阶段的实现过程如下：在第二阶段，D2D用户D1发送如下形式的信号：
式中：是功率归一化因子，是D2D用户D1发送给D2D用户D2的数据，的定义如公式(6)所示；这样，D2D用户D2接收到的信号表示为
式中，h12表示D2D用户D1和D2之间的信道系数，表示第二阶段D2D用户D2处的信道加性噪声；为了实现对的检测，D2D用户D2首先对接收信号进行匹配滤波，然后提取所得信号的虚部以构造如下的判决统计量：
根据公式(9)和公式(2)，D2D用户D2完成的最大似然检测，从而恢复出；
基站BS的接收信号表示为
与D2所完成的操作类似，BS首先用乘以接收信号然后提取实部以获得如下判决统计量：
式中：BS从中减去以完成自干扰消除，得到：
基于公式(12)，基站BS利用最大似然准则完成对的检测，再根据公式(2)给出的旋转后的星座与它的实或虚分量之间的一一对应关系以确定xC，从而获得蜂窝用户CU的信息；
蜂窝用户CU所完成的信号检测过程与上述给出的基站BS所完成的信号检测过程相同。
本发明所提出的基于星座旋转的干扰避免方法具有如下优点：
首先，通过采用星座旋转技术，该策略能够同时为蜂窝链路和D2D链路提供无干扰的传输条件，从而完全消除了误码平台，降低了系统的误符号率。
其次，该策略所引入的唯一额外开销来是星座旋转操作，而根据上面的说明可知，星座旋转角度只与系统所采用的调制方式有关，因此，旋转星座图所造成的开销可以忽略不计。这就意味着，所提出的策略具有很低的实现复杂度，从而非常适合应用于D2D通信系统。
附图说明：
图1为系统模型示意图；
图2为CU→BS传输链路的误符号率曲线；
图3为D1→D2传输的误符号率曲线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法，该协作式D2D传输系统包括一个基站BS，一个蜂窝用户CU，以及2个D2D用户(分别记为D1和D2)。基站BS和蜂窝用户CU之间有双向通信的需求，但是由于它们相距较远或受到障碍物遮挡，因此无法直接建立双向传输链路。而D2D用户D1和D2是两个距离很近的用户设备，它们希望利用终端直通技术来实现双向信息交互。为了满足D2D用户D1和D2之间的通信需求，基站BS允许D2D设备对复用蜂窝网的频谱；作为回报，D2D设备对中的一台设备须充当中继来完成基站BS和蜂窝用户CU之间的双向传输。不失一般性，假设D2D用户D1作为中继节点。假设所有节点都配置单副天线，且工作于半双工模式。令每个节点的发射功率为P，将每个接收机处的加性噪声表示为零均值、方差为N0的复高斯随机变量。
在所提策略中，所有节点的信号星座点均首先经过旋转操作后再进行发送，旋转的具体方式如下：
令表示原始的信号星座，则旋转后的信号可表示为x＝ejθu，其中θ为旋转角度，它的取值首先应使得旋转后的星座集合中任意两个不同星座点的同相分量(以及正交分量)均不相同。即：对任何i≠k，均有
其中表示旋转后的星座集合中的任意两个星座点。显然，满足上述条件的θ不唯一，因此，我们希望从中选出能够最优化系统误码性能的旋转角度。为此，首先考虑蜂窝用户的误符号率(symbol error probability,SEP)，根据联合界，将CU→BS链路的SEP上界表示为
式中：表示原始的信号星座的取值集合，表示集合的势，xC和表示基站BS或蜂窝用户CU经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点，Q(x)表示高斯Q函数，γ(CU→BS)表示CU→BS链路的接收信噪比，表示随机变量γ(CU→BS)的概率密度函数(probability density function,PDF)，t表示积分变量，定义为
同样地，D1→D2链路的SEP上界表示为
式中：表示原始的信号星座的取值集合，表示集合的势，t表示积分变量，Q(x)表示高斯Q函数，表示D1→D2链路的接收信噪比，表示随机变量的概率密度函数(probability density function,PDF)，定义为其中xD和表示D2D用户D1或D2经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点；
上述结果表明，为了降低链路i→j的误符号率，发射节点(节点i)应当选择能够使最小平方距离最大化的旋转角度，即旋转角度应按照公式(1)中所给出的准则进行设计。
通过对蜂窝用户和D2D用户误符号率的上界进行理论分析可得，对任意发射节点来说，均应当选择能够使最小平方距离最大化的旋转角度，即旋转角度应满足：
式中：表示发送信号星座点之间的最小平方欧氏距离。对于基站BS或蜂窝用户CU，定义为其中xC和表示基站BS或蜂窝用户CU经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点；对于D2D用户D1或D2，定义为其中xD和表示D2D用户D1或D2经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点。
D2D系统和蜂窝系统之间的每次协作(即：每个协作周期)由两个阶段构成。在第一阶段，基站BS、蜂窝用户CU、D2D用户D2分别发送各自的信号至D2D用户D1。在第二阶段，D2D用户D1转发由基站BS和蜂窝用户CU信息组合而成的信号，从而实现蜂窝用户之间的双向信息传递；与此同时，D2D用户D1也将自身的信号传输至D2D用户D2。
在第一阶段，基站BS发送其中xB表示基站BS端经旋转之后的复星座点。这里假设星座点实部的平均功率进行了归一化，即：该假设在下面的讨论中也成立。与之类似，蜂窝用户CU和D2D用户D2发送的信号分别表示为和这样，D2D用户D1接收到的信号为：
式中：表示第一阶段D1节点处的信道加性噪声。在下面的叙述中，我们使用表示第m个阶段节点n处的信道噪声。D2D用户D1提取的虚部并利用最大似然准则估计根据星座旋转角度设计准则，旋转后的星座与它的实(虚)分量之间存在一一对应关系，因此可以完全由恢复，从而D2D用户D1能够获得D2D用户D2的信息。在检测的同时，D1提取的实部从而得到
在第二阶段，D2D用户D1需要转发基站BS和蜂窝用户CU的消息以完成蜂窝用户之间的双向通信；与此同时，它也需要将自身的信息传输至D2D用户D2。为此，我们设计D2D用户D1发送的信号具有如下形式：
式中：是功率归一化因子，是D2D用户D1发送给D2D用户D2的数据。这样，D2D用户D2接收到的信号可以表示为
为了实现对的检测，D2D用户D2首先对接收信号进行匹配滤波，然后提取所得信号的虚部以构造如下的判决统计量：
基于公式(9)，D2D用户D2可以完成的最大似然检测，从而恢复出
基站BS端的接收信号可以表示为
与D2D用户D2所完成的操作类似，基站BS首先用乘以接收信号然后提取实部以获得如下判决统计量：
式中：由于是前一阶段基站BS发送的信号，基站BS可以先从中减去以完成自干扰消除，然后再基于如公式(12)所示的剩余部分检测(等价于检测xC)：
与上述分析类似，蜂窝用户CU端的接收信号可以表示为：
基于该接收信号，xB能够被恢复出来。由于蜂窝用户CU与基站BS所完成的信号检测过程基本一致，因此我们省略具体的细节。
为了验证本发明所提出的策略的性能，我们进行了如下的计算机仿真：
在仿真中，我们假设所有节点都分布在二维平面。不失一般性，假设基站BS、蜂窝用户CU、两个D2D用户D1和D2分别位于(0,0)、(1,1)、(0.5,0.5)、(1,0)。节点间的信道系数服从复高斯随机分布模型，即：假设其中dij是节点i和j之间的距离，η＝3是路径损耗指数。除非特别说明，在下面的仿真中各节点均采用QPSK作为调制方式。根据公式(1)可以计算出，此时各节点的星座旋转角度均应选取为26.56°。为了与已有策略进行对比，这里考虑两种基准策略，分别是“叠加编码策略”和“协作双向传输策略”。需要指出的是，叠加编码策略是一种单向的传输方案，而协作双向传输策略和本发明所提策略都是双向传输方案。因此，为了做到公平的对比(即：几种策略都在同一频谱效率的条件下进行对比)，我们假设在叠加编码策略中各节点使用16QAM的调制方式。
图2给出了蜂窝用户误符号率的仿真结果(即：CU→BS的传输)。从图2可以看出，两种基准策略都存在明显的误码平台，也就是说，系统的误符号率不会随信噪比的升高而下降。这是由这两种策略的干扰受限特性所造成的。与之相对，本发明所提出的策略由于能够完全地避免干扰，因此系统的SEP将随着SNR的升高而迅速下降。
图3绘制了D2D用户(即：D1→D2链路)的SEP曲线。正如所预期的那样，协作双向传输策略的SEP不会随SNR的升高而改善。与协作双向传输策略相比，叠加编码策略在中高信噪比时能够获得显著的性能增益，这是因为叠加编码策略允许D2D接收机(也就是D2)在第一阶段译码蜂窝用户CU的信号，这样在第二阶段结束时D2D用户D2就能够首先将蜂窝用户CU的信号消去，然后再解码自身数据，从而削弱了蜂窝用户干扰的影响。然而，与本发明所提策略相比，叠加编码策略仍然体现出明显的性能劣势，这是由于在叠加编码策略中，D2D用户D2在第一阶段的译码有可能发生错误，从而导致第二阶段结束时D2D用户D2的干扰消除不成功。与叠加编码策略和协作双向传输策略不同，本发明所提策略通过使用星座旋转技术以达到完全避免干扰的目的，因此在几种对比方案中具有最佳的性能。
Claims (4)
1.协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法，其特征在于，该协作式D2D传输系统包括一个基站BS、两个D2D用户D1和D2以及一个蜂窝用户CU，包括以下步骤：
1)在每次传输开始之前，基站BS、两个D2D用户以及蜂窝用户CU信号星座点均首先经过信号星座旋转操作后再进行发送；其中，信号星座旋转角度θ的设计准则如下：
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式中：表示发送信号星座点之间的最小平方欧氏距离；
对于基站BS或蜂窝用户CU，定义为其中xC和分别表示基站BS或蜂窝用户CU经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点；对于D2D用户D1或D2，定义为其中xD和表示D2D用户D1或D2经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点；其中，记号表示取实部，即：表示xC的实部，表示的实部，表示xD的实部，表示的实部；
2)协作式D2D传输系统中的D2D子系统和蜂窝子系统之间的每次协作传输由两个阶段构成；其中，在第一阶段，基站BS、蜂窝用户CU、D2D用户D2分别发送各自的信号至D2D用户D1；在第二阶段，D2D用户D1转发由基站BS和蜂窝用户CU信号组合而成的复合信号，实现蜂窝用户CU和基站BS之间的双向信息传递；与此同时，D2D用户D1将自身的信号传输至D2D用户D2；最后基站BS、蜂窝用户CU及D2D用户D2均采用最大似然准则完成对信号的检测和信息的获取。
2.根据权利要求1所述的协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法，其特征在于，星座旋转准则的设计依据如下：
令表示原始的信号星座，则旋转后的信号星座表示为x＝ejθu，其中θ为旋转角度，它的取值首先使得旋转后的星座集合中任意两个不同星座点的同相分量以及正交分量均不相同，即：对任何星座点索引号i≠k，均有
式中：表示旋转后的星座集合中的任意两个星座点，表示xi的虚部，表示xk的虚部；
显然，满足上述条件的θ不唯一，因此，从中选出能够最优化系统误码性能的旋转角度；为此，首先考虑蜂窝用户的误符号率SEP，根据联合界，将CU→BS链路的SEP上界表示为
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式中：表示原始的信号星座的取值集合，表示集合的势，xC和表示基站BS或蜂窝用户CU经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点，Q(x)表示高斯Q函数，γ(CU→BS)表示CU→BS链路的接收信噪比，表示随机变量γ(CU→BS)的概率密度函数，t表示积分变量，定义为
同样地，D1→D2链路的SEP上界表示为
<mrow>
<msubsup>
<mi>P</mi>
<mi>E</mi>
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<mo>(</mo>
<mi>C</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
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</mrow>
</mrow>
式中：表示原始的信号星座的取值集合，表示集合的势，t表示积分变量，Q(x)表示高斯Q函数，表示D1→D2链路的接收信噪比，表示随机变量的概率密度函数(probability density function,PDF)，定义为其中xD和表示D2D用户D1或D2经信号星座旋转之后的任意两个信号星座点；
上述结果表明，为了降低链路i→j的误符号率，发射节点i选择能够使最小平方距离最大化的旋转角度。
3.根据权利要求2所述的协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法，其特征在于，步骤2)中，在第一阶段，基站BS发送信号蜂窝用户CU发送信号以及D2D用户D2发送信号至D2D用户D1，其中：xB、xC、分别表示基站BS、蜂窝用户CU、D2D用户D2的经信号星座旋转之后的复星座点；P表示基站BS、蜂窝用户CU、D2D用户D2的发射功率；hB1表示基站BS和D2D用户D1之间的信道系数，hC1表示蜂窝用户CU和D2D用户D1之间的信道系数，h12表示D2D用户D1和D2之间的信道系数；∠hB1、∠hC1、∠h12分别表示hB1、hC1、h12的相位；D2D用户D1接收到的信号为：
其中，表示第一阶段D1节点处的信道加性噪声；D1提取的虚部并利用最大似然准则估计再根据公式(2)给出的旋转后的星座与它的实或虚分量之间的一一对应关系确定从而获得D2D用户D2的信息；
在检测的同时，D1提取的实部从而得到
4.根据权利要求2所述的协作式D2D传输系统中基于星座旋转的干扰避免方法，其特征在于，步骤2)中，第二阶段的实现过程如下：在第二阶段，D2D用户D1发送如下形式的信号：
式中：是功率归一化因子，是D2D用户D1发送给D2D用户D2的数据，的定义如公式(6)所示；这样，D2D用户D2接收到的信号表示为
<mrow>
<msubsup>
<mi>y</mi>
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<mi>D</mi>
<mn>2</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
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<mi>D</mi>
<mn>2</mn>
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</msubsup>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，h12表示D2D用户D1和D2之间的信道系数，表示第二阶段D2D用户D2处的信道加性噪声；为了实现对的检测，D2D用户D2首先对接收信号进行匹配滤波，然后提取所得信号的虚部以构造如下的判决统计量：
根据公式(9)和公式(2)，D2D用户D2完成的最大似然检测，从而恢复出
基站BS的接收信号表示为
<mrow>
<msubsup>
<mi>y</mi>
<mrow>
<mi>B</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
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<mo>=</mo>
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<mi>h</mi>
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<mi>B</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
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<msubsup>
<mi>x</mi>
<msub>
<mi>D</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mi>r</mi>
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<mo>+</mo>
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<mi>B</mi>
<mi>S</mi>
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<mn>2</mn>
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</msubsup>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>10</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
与D2所完成的操作类似，BS首先用乘以接收信号然后提取实部以获得如下判决统计量：
式中：BS从中减去以完成自干扰消除，得到：
基于公式(12)，基站BS利用最大似然准则完成对的检测，再根据公式(2)给出的旋转后的星座与它的实或虚分量之间的一一对应关系以确定xC，从而获得蜂窝用户CU的信息；
蜂窝用户CU所完成的信号检测过程与上述给出的基站BS所完成的信号检测过程相同。
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