CN105591677B - 一种基于干扰对齐技术的d2d协作多点传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输方法，使多个D2D业务对能同时占用同一个“频率‑时隙”资源块。本发明首先利用蜂窝系统提供的时频同步和卫星定位方法确定实施干扰对齐的区域，并实现多个D2D业务对接收和发射终端的时、频同步。基站和接收终端测量多个D2D业务对发射终端依次发送的参考信号，并估计基站与发射终端之间以及D2D对发射终端和接收终端间信道状态信息。多个D2D业务对终端根据基站计算得到功率控制因子、发射端预编码矩阵和接收端干扰抑制矩阵在其指定的“频率‑时隙”资源块上实现基于干扰对齐技术的传输。在较好信噪比条件下，本发明与传统的频率、时隙正交复用方案相比，容量有明显提升。

Description

一种基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域的信息传输方法，具体地说，涉及一种基于干扰对齐技术的D2D(Device To Device)协作多点传输方法。

背景技术

目前，3GPP组织提出的LTE标准在技术和商用上取得了较大的进展。在LTE框架内，为了解决频谱资源有限这一问题，引入了如MIMO、Device 2 Device(D2D)等多种手段。

当一个有限区域内若干个终端之间交换数据时，经由基站eNodeB转发效率是较为低下的。如果终端能够将发射功率控制在一定阈值之内，则对小区内使用同一频段资源的基站和其他终端只造成有限的干扰，不影响其正常通信。此时，业务的发射终端和接收终端之间不通过基站而直接与其他终端交换信息，基站只负责资源调度，实现D2D(Device 2Device)业务传输，如图1所示。LTE提出的D2D概念具有普遍意义，其思路对其他类似采用基站作为中心节点的专网系统都是适用的。

现代无线通信系统的无线资源可以构建为一个“频率和时隙”的二维模型，例如OFDM的“载波”以及载波上的“时隙”。如果小区负载较轻时，D2D业务终端可以使用空闲的“频率-时隙”资源块，这样就避免了对正常业务的干扰。当小区负载较重时，D2D业务终端复用 已经分配的资源块。这时为了减小彼此的干扰，通常要求复用距离D2D业务终端较远终端使用的资源块。在资源分配的过程中，正常业务终端的资源分配是优先的。而无论是系统是“轻载”时使用空闲资源块，还是“重载”时复用正常业务终端持有的资源块，D2D都面临着缺乏资源、难以实现高速数据交换的难题。此外，当存在多个D2D发射终端和接收终端时，对个D2D对之间也需要分配不同的“频率-时隙”资源块，这进一步增加了在系统中应用的难度

干扰对齐技术作为解决无线通信系统中同频干扰的重要手段，可以有效地提高频谱效率，从而提高系统容量。干扰对齐技术实现的核心是设计一对预编码矩阵和干扰抑制矩阵，使网络中的接收机将来自非期望发射机的干扰信号对齐到同一子空间中，在接收端设置干扰抑制矩阵(把干扰信号迫零，获取期望信号)，实际上就是把干扰信道转化为多个并行的无干扰的复高斯信道(见图2的示意)。干扰对齐能实现非常可观的自由度增益(在很多情形下能实现信息论意义上的最优自由度)，以K用户干扰信道为例，干扰对齐能实现的每用户自由度为1/2(信息论最优)；作为对比，正交传输和干扰噪声化技术所能实现的每用户自由度分别为1/K和0。因此，在K值较大时干扰对齐具有非常可观的自由度增益与速率优势。根据研究，当收发均采用两根天线时，在信噪比足够大的情况下，3发3收，每个终端2天线干扰信道采用干扰对齐技术理论上可达到传统TDMA系统容量的1.5倍。

在D2D应用场景中，使用干扰对齐技术解决多个D2D业务对复用同一个资源块来实现容量提升是可行的。由于D2D系统的基站仍然负责资源调度，因此基站也可以作为多个D2D发端协同进行干扰 对齐预编码时“时钟同步”、“全局信道状态获取和分发”的执行者，从而避免了完全自组织模式下多个终端在物理层信号处理上精确协同的难题。本发明以LTE框架下的多天线MIMO系统为背景，针对现有D2D业务资源紧张、难以实现高速数据交换的问题，提出了一种基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输方法。

发明内容

要解决的技术问题：本发明为解决一定区域内D2D业务传输资源不足、速率有限的问题，针对现有技术方案的不足，为无线蜂窝系统的D2D业务提供一种基于资源复用的协作多点传输方法，该方法可有效提升区域内D2D业务系统的容量。

本发明所采取的技术方案为：

一种基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤1：蜂窝系统中基站确定实施干扰对齐的D2D业务区域，并保证多个D2D业务对终端的同步，其中D2D业务对终端包括发射终端和接收终端；

步骤2：多个D2D业务对的发射终端依次发射参考信号；

步骤3：基站通过测量多个D2D业务对发射终端的参考信号，得到每个D2D业务对发射终端到基站的信道估计；

步骤4：每个D2D业务对接收终端通过测量所有D2D发射终端发送的参考信号，估计得到接收终端和所有D2D对发射终端之间的信道状态信息，并反馈给基站；

步骤5：基站根据D2D业务对接收终端反馈的信道状态信息，计算基于干扰对齐技术实现信息传输需要的预编码矩阵和干扰抑制矩阵，将预编码矩阵发送给D2D业务对的发射终端，将干扰抑制矩阵发送给D2D业务对接收终端；

步骤6：基站确定D2D业务使用的频率\时隙资源块和功率控制因子，并发送给D2D业务对的发射终端；

步骤7：D2D业务对的发射终端根据功率控制因子和预编码矩阵信息在指定的频率\时隙资源块上实现基于干扰对齐技术的信息传输；

步骤8：D2D业务对的接收终端根据各自干扰抑制矩阵，完成信号的接收；

完成基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输。

本发明与现有技术相比，所取得的有益效果为：

本发明提出了一种基于干扰对齐技术的Device to Device(D2D)协作多点传输方法，可在提供较少复用资源的蜂窝网络区域内，利用干扰对齐技术使多个D2D业务对同时使用同一个“频率-时隙”资源块，从而提升D2D业务系统的容量。在信噪比较好的情况下，与TDMA时分复用传输相比，系统容量有明显提升。相比于现有的D2D案，本发明在少量增加信道测量和预编码信息传递开销的情况下，可有效地提升区域内D2D业务系统的容量。

附图说明

图1蜂窝网络中的D2D业务传输基本框架模型；

图2是用户干扰对齐技术实现示意图；

图3本发明的方法流程图；

图4本发明在理想信道环境下(即所有信道矩阵元素都服从独立同分布：H_kl(i,j)为均值为0、方差为的复高斯分布)，3个D2D业务对，每个终端两天线条件下，基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输方法与时分复用方法性能比较示意图。

图5本发明在信道为莱斯(Rician)衰落时，D2D发射端和接收端之间不同散射和直射LOS径能量比值kappa系数条件下，基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输方法与时分复用方法性能比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例子。

实施例中，以一个单载波传输系统作为例子。参与D2D传输的业务对有3个，且每个业务终端均配置2根天线，传输带宽10KHz，采用QPSK调制，信道编码采用卷积码，其码率为1/3，对应的码生成序列分别为g₀＝[1 3 3](oct)，g₁＝[1 7 1](oct)，g₂＝[1 6 5](oct)。信道解码将采用Viterbi算法及max-log-MAP算法。本发明也适用于D2D业务对大于3、每个终端配置天线数大于2以及采用如QAM调制、LDPC、Turbo编译码的情况。

基于干扰对齐技术的Device To Device协作多点传输过程如下：

步骤1：蜂窝系统中基站确定实施干扰对齐的D2D业务区域，并保证多个D2D业务对终端的同步，其中D2D业务对终端包括发射终端和接收终端；

实施例中，D2D业务终端利用GPS进行定位，将定位信息发送给基站，基站确定3个D2D业务对({UE_T1,UE_R1}、{UE_T2,UE_R2}、{UE_T3,UE_R3})所在的区域E；同时，区域E内各个D2D对{UE_T1,UE_R1}、{UE_T2,UE_R2}、{UE_T3,UE_R3}的发射终端UE_T1、UE_T2、UE_T1和接收终端UE_R1、UE_R2、UE_R3利用无线蜂窝系统提供的同步机制实现干扰对齐处理所需的时钟和频率同步。

步骤2：多个D2D业务对的发射终端依次发射参考信号；

实施例中，基站调度每个D2D业务对的发射终端UE_T1、UE_T2、UE_T3发送上行参考信号。

UE_Ti参考信号采用矩阵，其中SNR为发射功率值(本实施例中对噪声归一化)，Φ为酉矩阵，其维度为M×M。M为发射端天线数，本实施例中为2，每个D2D发射端和接收端均为2天线，一共3个D2D业务对。

步骤3：基站通过测量多个D2D业务对发射终端的参考信号，得到每个D2D业务对发射终端到基站的信道估计；

实施例中，基站通过测量D2D业务对发射端的参考信号，得到D2D业务对发射端到自身的信道估计。

基站采用最小均方误差估计MMSE算法从接收信号中估计出UE_Ti和自身之间信道矩阵本发明也适用于采用其他信道 估计算法，如最小二乘LS估计算法。

步骤4：每个D2D业务对接收终端通过测量所有D2D发射终端发送的参考信号，估计得到接收终端和所有D2D对发射终端之间的信道状态信息，并反馈给基站；

实施例中，D2D业务对的接收终端通过测量其相应发射终端发送的参考信号，估计得到信道状态信息，并反馈给基站。

D2D业务对的接收端UE_Rj采用MMSE算法从接收信号Y_j＝H_jiX_i+N中估计出UE_Ti和自身之间信道矩阵H_ji：

UE_Rj对H_ji进行5Bit精度量化后，发送给基站。本发明也适用于其他信道估计算法。

步骤5：基站根据D2D业务对接收终端反馈的信道状态信息，计算基于干扰对齐技术实现信息传输需要的预编码矩阵和干扰抑制矩阵，将预编码矩阵发送给D2D业务对的发射终端，将干扰抑制矩阵发送给D2D业务对接收终端；

本实施例中，基站根据D2D业务对接收端反馈的信道状态信息，计算基于干扰对齐技术实现信息传输需要的预编码矩阵和干扰抑制矩阵，并分别发送给D2D业务对的发射终端和接收终端。

基站根据采用的干扰对齐算法计算需要的预编码矩阵及干扰抑制矩阵，本实施例中采用直接对干扰对齐方程求闭式解的方法，即经 典干扰对齐算法实现各终端信号无干扰的传输。在经典干扰对齐算法中，需要对以下方程求解得到预编码矩阵W_i：

span(W₁)＝span(EW₁)

其中，假设e₁,e₂,...e_M为矩阵E的特征向量，则W₁可表示为矩阵E的任意M/2个特征向量，即D2D业务对发射端UE_T1使用的预编码矩阵W₁为：

W₁＝[e₁,e₂,...e_M/2]

D2D业务对发射端UE_T2使用的预编码矩阵W₂：

D2D业务对发射端UE_T3使用的预编码矩阵W₃：

D2D业务对接收端UE_T1的干扰抑制矩阵V₁满足：V₁(H₁₃W₃)^T＝0，V₁(H₁₂W₂)^T＝0，即为H₁₂W₂，H₁₃W₃张成空间的零向量。

同理，D2D业务对接收端UE_T2的干扰抑制矩阵V₂满足：V₂(H₂₃W₃)^T＝0，V₂(H₂₁W₁)^T＝0。

D2D业务对接收端UE_T3的干扰抑制矩阵V₃满足：V₃(H₃₁W₁)^T＝0，V₃(H₃₂W₂)^T＝0。

除本实施例采用的经典干扰对其算法，本发明也适用于如最小泄漏算法等其他干扰对齐算法。

步骤6：基站确定D2D业务使用的频率\时隙资源块和功率控制因子，并发送给D2D业务对的发射终端；

本实施例中，基站确定D2D业务的使用的频率\时隙资源块和功率控制因子，并发送给D2D业务对的发射终端。

假设各个业务对发射终端UE_Ti，发射功率P_i。蜂窝小区的干扰管理原则是即所有基站覆盖区域内终端(含D2D业务发射终端和其他常规业务发射终端)发射信号在基站天线处的功率是一致的，P为预设的功率阈值。P_K是第k个终端的发射功率，是第k个业务对发射终端到基站信道的响应。则功率控制因子B满足：

基站根据干扰为D2D业务对分配资源块，原则是该资源块上D2D业务和蜂窝内其他业务不造成干扰。本实施例中采用一种解决方案是不允许除区域E内各个D2D对{UE_T1,UE_R1}、{UE_T2,UE_R2}、{UE_T3,UE_R3}以外其他终端使用该资源块，但本发明也不局限于该方案。

步骤7：D2D业务对的发射终端根据功率控制因子和预编码矩阵信息在指定的频率\时隙资源块上实现基于干扰对齐技术的信息传输；

本实施例中，D2D业务对发射端UE_Ti发射信号X_i为需要传输的符号，实现基于干扰对齐技术的信息传输。

步骤8：D2D业务对的接收终端根据各自干扰抑制矩阵，完成信号的接收；

本实施例中，D2D业务对的接收终端UE_Ri根据各自干扰抑制矩阵，实现对信号的接收恢复。

D2D业务对第i个接收端的接收信号为：

其中，为来自其他D2D业务发射端的干扰，N为噪声。这里噪声还要考虑基站内不是区域E内D2D业务对的终端造成的干扰。由于第6步选择复用的业务终端时考虑了对D2D业务干扰最小，因此可将其视为噪声处理和进行评估。

利用干扰抑制接收矩阵实现对信号的接收恢复，即：

因为V_i(H_ikW_k)^T＝0,i≠k，可以看到如果信道估计是理想的，则来自于其他D2D业务对的干扰趋向于零。终端UE_Ri得到了期望的有用信号X_i。多个D2D业务对实现了同时的发送和接收。

完成基于干扰对齐技术的D2D业务协作多点传输。

图4是理想信道模型下，基于每个终端2天线，3个D2D业务对采用干扰对齐技术与采用TDMA传输两种方案的容量对比，其中既包括信道信息CSI估计是理想情况，也包括CSI存在估计误差的情形。

从图4中可以看出，采用干扰对齐所能实现的D2D业务速率随着信噪比上升，可逼近TDMA传输的1.5倍(包括理想CSI情形与估计CSI情形)。低信噪比时也有一定的容量增益。

图5是莱斯Ricean信道模型下，不同Rician系数Kappa条件下 于每个终端2天线，3个D2D业务对采用干扰对齐技术与采用TDMA传输两种方案的容量对比。可以看到，虽然与理想信道模型相比有了直射分量，采用干扰对齐技术仍然能够获得一定容量增益。

Claims (1)

1.一种基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤1：蜂窝系统中基站确定实施干扰对齐的D2D业务区域，并保证多个D2D业务对终端的同步，其中D2D业务对终端包括发射终端和接收终端；

步骤2：多个D2D业务对的发射终端依次发射参考信号；

步骤3：基站通过测量多个D2D业务对发射终端的参考信号，得到每个D2D业务对发射终端到基站的信道估计；

步骤4：每个D2D业务对接收终端通过测量所有D2D发射终端发送的参考信号，估计得到接收终端和所有D2D对发射终端之间的信道状态信息，并反馈给基站；

步骤5：基站根据D2D业务对接收终端反馈的信道状态信息，计算基于干扰对齐技术实现信息传输需要的预编码矩阵和干扰抑制矩阵，将预编码矩阵发送给D2D业务对的发射终端，将干扰抑制矩阵发送给D2D业务对接收终端；

步骤6：基站确定D2D业务使用的频率\时隙资源块和功率控制因子，并发送给D2D业务对的发射终端；

步骤7：D2D业务对的发射终端根据功率控制因子和预编码矩阵信息在指定的频率\时隙资源块上实现基于干扰对齐技术的信息传输；

步骤8：D2D业务对的接收终端根据各自干扰抑制矩阵，完成信号的接收；

完成基于干扰对齐技术的D2D协作多点传输。