CN106535284A

CN106535284A - 一种基于全双工中继的d2d通信中的功率控制方法

Info

Publication number: CN106535284A
Application number: CN201611136987.5A
Authority: CN
Inventors: 杨鲲; 王茹; 赵力强; 卢小峰
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: CN106535284B

Abstract

本发明公开了一种基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，蜂窝网基站B分配给每条D2D链路和蜂窝链路相互正交的时频资源；当终端S和终端D希望采用D2D方式进行通信时，基站B为该D2D链路选择一个合适的全双工解码转发中继R，然后基站B在保证终端S和中继R的发射功率不超过最大值的情况下，通过功率控制条件比较基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率和直连D2D链路的最大能量效率，选择能效高的方式进行通信；本发明有利于提高频谱利用率、扩大D2D技术的适用范围、更大程度上卸载基站的负担，还兼顾了传输速率和功率消耗之间的平衡，使D2D链路的通信方式选择更加灵活，更符合实际通信系统中绿色通信的要求。

Description

一种基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，主要涉及D2D中继通信中的功率控制，具体是一种基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，适用于蜂窝网络中基于全双工中继的无线通信技术领域。

背景技术

近年来，移动通信标准化组织3GPP-LTE关注和研究一种全新的短距离数据传输技术，即终端直通技术。终端直通(以下简称D2D)通信是指邻近的终端可以直接进行数据传输而不需要通过基站进行转发的通信方式。D2D技术的短距离和直连通信方式具有高数据速率、低传输延迟和低功耗等优势；利用网络中数量庞大且分布广泛的通信终端以及D2D链路的短距离通信特点，可以实现频谱资源的有效利用，获得资源空分复用增益，拓展网络的覆盖范围。

无线中继作为一种抗无线信道多径衰落技术，被广泛用于提高蜂窝网络的服务质量，扩展蜂窝小区的覆盖范围。在下一代移动通信技术的研究过程中，中继技术是D2D通信中的另一个重要的问题，D2D中继是指将具备D2D通信功能的终端作为中继，辅助D2D终端和基站之间的通信或辅助两个D2D终端之间的通信。

随着绿色通信概念的提出，能耗问题成为未来无线通信系统的一个重要性能评估指标。尤其无线移动终端(比如移动手机)需要的服务越来越多，这将导致移动终端电池待机时间和寿命的缩短。如何建立一个低能耗、低污染同时又满足用户高速率需求的无线通信网络成为通信领域的一种实际而迫切的需求。

文献1：W.Dan,W.Jinlong,R.Hu,C.Yueming,and Z.Liang,“Energy-EfficientResource Sharing for Mobile Device-to-Device Multimedia Communications,”IEEETransactions on Vehicular Technology,vol.63,no.5,pp.2093-2103,2014.提出了一种D2D用户复用蜂窝用户上行频谱资源的场景，在满足系统最小传输速率的情况下，通过最大化系统的能量效率来控制各个用户的发射功率。然而，文献1中的D2D通信采用的是直连通信的方式，限制了D2D通信适用的范围。如果D2D用户之间的信道衰落比较大，仍然采用直连D2D通信的话，系统的性能很有可能就会下降。

文献2：T.Riihonen,S.Werner,and R.Wichman,“Hybrid Full-Duplex/Half-Duplex Relaying with Transmit Power Adaptation,”IEEE Transactions on WirelessCommunications,vol.10,no.9,pp.3074-3085,2011.提出了一种通信链路中的中继工作模式选择方案，通过最大化通信链路的频谱效率，来确定两个无线用户之间是直连通信、经过半双工中继通信还是经过全双工中继通信。

文献3：李方健,“D2D通信系统中的最优中继选择及功率分配策略研究,”重庆邮电大学学报(自然科学版),no.05,pp.605-610,2014.阐述了半双工放大转发双向中继协助的D2D通信方案，在满足蜂窝系统所受干扰小于一定门限值的约束下最大化D2D链路的吞吐量。

在文献2和文献3中，系统性能的提升不仅仅是依靠引入无线中继节点也是依靠增加系统的能量消耗获得的，这与当前提倡的建立绿色通信系统即低能耗的移动通信系统发展趋势是相违背的。

随着人们对通信速率和通信质量的要求越来越高以及绿色通信概念的提出，如何提高通信系统的能量效率是需要进一步研究解决的问题。现有基于蜂窝网络的D2D通信系统中的功率分配过程中，仍然存在高速率需求与低功耗目标不能折中、能量利用率比较低的问题。所以，有必要研究在信道衰落较大的D2D用户间引入中继，如何获得更高的能量效率、更大程度上卸载基站的负担的资源分配问题。

发明内容：

针对上述技术问题的不足之处，本发明提出了一种高能效的蜂窝网络中基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法。

本发明是一种基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，其中涉及到采用集中式控制的蜂窝网基站B、D2D终端S、D2D中继R和D2D终端D，在单小区蜂窝网络中存在多个D2D中继；基站B分配给每条D2D链路和传统的蜂窝链路相互正交的时频资源；D2D链路的建立、释放以及功率的控制都由集中式的基站B负责；其特征在于，中继R工作于全双工模式，并且采用解码转发协议对接收到的信息进行处理，具体步骤包括：

步骤1：D2D终端向基站发送通信请求，当终端S需要传输信息给终端D，终端S通过蜂窝网控制信道向蜂窝网基站B发送“与终端D进行D2D通信”的请求；

步骤2：基站为D2D通信终端选择中继，基站B收到来自于终端S的请求后，根据终端S和终端D的具体位置，为终端S和终端D之间的通信选择一个中继R；

步骤3：中继特征，中继R工作于全双工模式，且采用解码转发协议对接收到的信息进行处理；

步骤4：基站发送获得信道状态请求，基站B通过蜂窝网控制信道向中继R、终端D发送“获得链路S→R、R→D、S→D的信道状态，以及中继R处的自干扰消除能力”指令；

步骤5：终端D和中继R向基站反馈信道状态，中继R、终端D收到基站B发来的指令以后，中继R将估测到的两个信道状态信息反馈给基站B，分别为链路S→R的信道状态信息h_SR、中继R处的自干扰的消除能力h_LI；终端D将估测到的两个信道状态信息反馈给基站B，分别为链路R→D的信道状态信息h_RD、链路S→D的信道状态信息h_SD；

步骤6：基站获得所需信噪比，基站B通过公式计算终端S与中继R的信道噪声比η_SR，通过公式计算中继R处的自干扰消除能力与噪声的比值η_LI，通过公式计算中继R与终端D、终端S与终端D的信道噪声比η_RD、η_SD；式中，终端S、中继R、终端D的加性高斯白噪声功率均为σ²；

步骤7：基站建立功率控制条件，基站B在保证终端S处的发射功率p_S和中继R处的发射功率p_R不超过最大值的情况下，通过最大化基于全双工中继的D2D链路的能量效率，建立基于全双工中继的D2D通信的联合功率控制条件；通过最大化直连D2D链路的能量效率，建立直连D2D通信的功率控制条件；

步骤8：基站获得最优的功率控制，基站B根据基于全双工中继的D2D通信的联合功率控制条件，求解基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率和最优发射功率基站B根据直连D2D通信的功率控制条件，求解直连D2D链路的最大能量效率和最优发射功率

步骤9：基站比较两种模式的D2D通信性能，基站B比较基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率和直连D2D链路的最大能量效率如果基站B通过专用控制信道通知终端S以发射功率进行基于全双工中继的通信，通知中继R以发射功率辅助终端S和终端D的通信；如果基站B通过专用控制信道通知终端S以发射功率进行直连通信，通知中继R不参与通信；

步骤10：D2D终端进行通信，若终端S、中继R和终端D接收到“进行基于全双工中继的D2D通信”的控制信息，则终端S以发射功率将信息发送给中继R，中继R采用解码转发协议对接收到的信息进行处理，然后再以发射功率将处理后的信息转发给终端D，完成功率优化后的基于全双工中继的D2D通信；若终端S、终端D接收到“进行直连D2D通信”的控制信息，则终端S以发射功率将信息发送给终端D，完成功率优化后的直连D2D通信。

能量效率作为绿色通信系统的一个重要性能指标，指的是通信系统中单位功耗下实现的传输速率。本发明通过最大化能量效率获得最优的功率控制结果，在系统传输速率和功率消耗之间达到一个很好的平衡，提高能量利用率，适合能量受限的无线移动终端。并且将基于全双工中继的D2D通信性能与直连D2D通信的性能进行比较，为两个将要通信的D2D终端选择能量效率更高的通信方式进行通信，更符合实际通信系统中绿色通信的要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的功率控制方法，是一种基于全双工中继的D2D通信中高能效的功率控制方法。通过采用本发明的功率控制方法，获得的有益效果如下：

1.D2D终端进行直连通信时，限制了D2D通信适用的范围，如果D2D用户之间的信道衰落比较大，仍然采用直连D2D通信的话，系统的性能很有可能就会下降；本发明在信道衰落比较大的两个D2D通信终端间引入中继，不但能够提高D2D用户设备之间的传输可靠性和系统容量，还可以拓展D2D技术的适用范围、能够更大程度上卸载基站的负担；

2.中继工作在半双工模式时，中继对信息的接收和发送需要发生在不同的时隙或者不同的频带上，限制了频谱利用率的提高；本发明引入工作在全双工模式的中继，使信息的发送和接收发生在相同的时频资源内，当全双工中继处的自干扰能够得到有效的抑制时，更有利于提高蜂窝网络的频谱利用率；

3.在基于全双工中继的D2D通信系统中，传输速率的提高往往是以增大功率消耗为代价的，无法在高速率需求与低功耗目标之间进行折中，不利于能量受限的无线终端的使用时间；本发明对D2D链路发送端和中继端的发送功率进行联合优化，在不超过终端最大发射功率的限制下，分别最大化基于全双工中继的D2D链路的能量效率和直连D2D链路的能量效率，为将要通信的两个D2D终端选择能量效率更高的通信方式进行通信。这种做法不但兼顾了传输速率和功率消耗之间的平衡，而且通信方式选择更加灵活，更符合实际通信系统中绿色通信的要求。

附图说明：

图1是本发明蜂窝网络中基于全双工中继的D2D通信示意图；

图2是本发明的功率控制方案流程图；

图3是本发明中随着链路S→R的信道噪声比η_SR和链路R→D的信道噪声比η_RD的变化，终端D所获得的能量效率增益示意图；

图4是本发明中随着链路S→R的信道噪声比η_SR和链路R→D的信道噪声比η_RD的变化，终端S的最优发射功率示意图；

图5是本发明中随着链路S→R的信道噪声比η_SR和链路R→D的信道噪声比η_RD的变化，中继R的最优发射功率示意图；

图6是本发明中随着链路S→R的信道噪声比η_SR的变化，在中继R具有不同的自干扰噪声比η_LI时，终端D所获得的能量效率增益示意图；

图7是本发明中随着链路R→D的信道噪声比η_RD的变化，在中继R具有不同的自干扰噪声比η_LI时，终端D所获得的能量效率增益示意图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明详细描述：

随着人们对通信速率和通信质量的要求越来越高，频谱资源势必会越来越紧张，传统蜂窝网络中基站的负担也将会变得越来越大。若两个终端可以进行D2D通信，则可以在一定程度上卸载基站的负担，但是D2D技术的短距离通信特点又限制了D2D的适用范围，从而不能更大程度上卸载基站的负担。有人提出通过将半双工中继引入D2D通信中，可以扩展D2D技术的适用范围，但是半双工中继对信息的接收和发送需要发生在不同的时隙或者不同的频带上，限制了频谱利用率的提高。D2D链路通信速率和通信质量的提高往往是以增加功率能量为代价的。因此，本发明展开了旨在减少D2D无线终端功率消耗的同时获得尽可能高的通信速率的研究。

实施例1

为此，本发明提出一种基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法。参见图1，本发明的功率控制方法中涉及到采用集中式控制的蜂窝网基站B、D2D终端S、D2D中继R和D2D终端D，并且在单小区蜂窝网络中存在多个D2D中继。基站B分配给每条D2D链路和传统的蜂窝链路相互正交的时频资源，并且D2D链路的建立、释放以及功率的控制都由集中式的基站B负责。参见图2，本发明的中继R工作于全双工模式，并且采用解码转发协议对接收到的信息进行处理，具体步骤包括：

步骤1：蜂窝小区内的D2D终端向所在蜂窝小区基站发送通信请求：当某个蜂窝小区内的D2D终端S需要传输信息给同蜂窝小区内的D2D终端D时，终端S通过蜂窝网控制信道向该蜂窝小区内的基站B发送“与终端D进行D2D通信”的请求。

步骤2：集中式控制基站为D2D通信终端选择中继：基站B收到来自于终端S的请求后，根据终端S和终端D的具体位置，为终端S和终端D之间的通信选择一个中继R。此处选择的中继R并非一定要辅助终端S和终端D之间的通信，终端S和终端D之间的通信具体是要进行基于中继R的D2D通信还是要进行直连D2D通信，基站B还需要根据两种通信方式能够获得的最大能量效率做进一步的判断。

步骤3：中继特征：本发明中中继R工作于全双工模式，且采用解码转发协议对接收到的信息进行处理。当中继工作于全双工模式时，中继R对信息的接收和发送发生在相同的时隙、相同的频谱资源内；因此，中继R在接收有用信息(即终端S发出的信息)的同时，还会接收到自干扰(即中继R在同一时刻发送出去的信息)。所以，为了保证中继R能从接收到的信息(包括有用信息和自干扰)中成功的将有用信息提取出来，中继R需要具有良好的自干扰消除能力。目前自干扰消除方法主要有三种：天线抑制方法、模拟干扰消除方法、数字干扰消除方法，现有的设备能够将此三种方法结合起来，已经可以实现高达100dB的干扰消除能力。

步骤4：基站发送获得信道状态请求：基站B通过蜂窝网控制信道向中继R发送“获得链路S→R的信道状态信息，以及中继R处的自干扰消除能力”指令；基站B通过蜂窝网控制信道向终端D发送“获得链路R→D、S→D的信道状态信息”指令。

步骤5：用户向基站反馈信道状态，中继R、终端D收到基站B发来的指令以后，中继R将估测到的两个信道状态信息反馈给基站B，分别为链路S→R的信道状态信息h_SR、中继R处的自干扰的消除能力h_LI；终端D将估测到的两个信道状态信息反馈给基站B，分别为链路R→D的信道状态信息h_RD、链路S→D的信道状态信息h_SD。

步骤6：基站获得所需信噪比：基站B通过公式计算终端S与中继R的信道噪声比η_SR，通过公式计算中继R处的自干扰消除能力与噪声的比值η_LI，通过公式计算中继R与终端D、终端S与终端D的信道噪声比η_RD、η_SD。加性高斯白噪声功率与接收端接收到的信息所占的带宽成正比，根据同频同时全双工中继的特点，可以知道：终端S调制信息所占的带宽和中继R调制信息所占的带宽是相等的；所以，终端R和终端D处的加性高斯白噪声功率相同，用σ²表示。

步骤7：基站建立功率控制条件：通信系统中的能量效率是指单位功耗下能够实现的传输速率(即通信速率与通信过程中全部功耗的比值)，全部功耗不但需要考虑发射功率还需要考虑电路功率。基站B在保证终端S处的发射功率p_S和中继R处的发射功率p_R不超过最大值的情况下，通过最大化基于全双工中继的D2D链路的能量效率，建立基于全双工中继的D2D通信的联合功率控制条件；通过最大化直连D2D链路的能量效率，建立直连D2D通信的功率控制条件。本发明中的最大化能量效率，可以在传输速率与功率消耗之间达到一个很好的折中，有利于延长能量受限的无线终端的使用时间。

步骤8：基站获得最大能量效率和最优发射功率：基站B根据基于全双工中继的D2D通信的联合功率控制条件，采用非线性分式规划和拉格朗日凸规划理论求解基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率终端S的最优发射功率中继R的最优发射功率基站B根据直连D2D通信的功率控制条件，采用非线性分式规划和拉格朗日凸规划理论求解直连D2D链路的最大能量效率和终端S的最优发射功率本发明中基于能量效率的功率控制方法，目标函数是非线性分式函数，通过采用非线性分式规划将分式规划转换成整式凸规划；然后结合拉格朗日凸规划理论即可获得最大能量效率和最优发射功率。

步骤9：基站比较两种方式的D2D通信性能并决定采用何种通信方式：基站B比较基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率和直连D2D链路的最大能量效率如果基站B通过专用控制信道通知终端S以发射功率进行基于全双工中继的通信，通知中继R以发射功率辅助终端S和终端D的通信；如果基站B通过专用控制信道通知终端S以发射功率进行直连通信，通知中继R不参与通信。

针对不同的信道状态，基于全双工中继的D2D通信的性能并不是始终优于直连D2D通信的性能。所以，本发明中将两种方式的D2D通信性能进行比较，选择性能好的方式进行通信，更符合通信系统的实际要求。

步骤10：D2D终端进行通信：若终端S、中继R和终端D接收到“进行基于全双工中继的D2D通信”的控制信息，则终端S以发射功率将信息发送给中继R，中继R采用解码转发协议对接收到的信息进行处理，然后再以发射功率将处理后的信息转发给终端D，完成功率优化后的基于全双工中继的D2D通信。若终端S、终端D接收到“进行直连D2D通信”的控制信息，则终端S以发射功率将信息发送给终端D，完成功率优化后的直连D2D通信。

本发明通过在信道衰落比较大的两个D2D通信终端间引入中继，使D2D接收端能够获得更好的服务质量，并且能够更大程度上卸载基站的负担。让中继工作在全双工模式，使信息的发送和接收发生在相同的时频资源内，如果全双工中继处的自干扰能够得到有效的抑制，更有利于提高蜂窝网络的频谱利用率。对D2D链路发送端和中继端的发送功率进行优化，在不超过最大发射功率的限制下，分别最大化基于全双工中继的D2D链路的能量效率和直连D2D链路的能量效率，使将要进行D2D通信的两个终端选择能量效率高的方式进行传输，从而兼顾了传输速率和功率消耗之间的平衡。

实施例2

基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法同实施例1。由于D2D技术的短距离通信特点，如果将要通信的两个D2D终端间的信道衰落比较大，仍然进行直连D2D通信的话，会严重影响D2D接收端接收信息的质量。通过在两个D2D通信终端间引入中继，可以提高接收端接收信息的质量。在单小区蜂窝网络中可能会存在多个可用的全双工中继。

本发明在步骤2中，基站B收到终端S的请求以后，先确定终端S和终端D的具体位置，然后再确定终端S和终端D的连线的中点所在位置，最后寻找距离该中点最近的中继作为D2D通信链路S→D的协作中继。

实施例3

基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法同实施例1-2。步骤3中，中继R装配有两只独立的天线，分别负责接收信息和转发信息。当中继R工作于全双工模式时，中继R在相同的频谱资源内同时发送和接收数据。这时中继R转发出去的信息将会对中继R接收到的有用信息造成干扰(称为自干扰)，因此为了保证中继R处得到较高的信干噪比，中继R需要具备良好的自干扰消除能力。

常见的中继转发协议包括放大转发和解码转发。其中放大转发是指D2D中继接收到信号后简单地将信号放大，然后发送给接收端。解码转发是指中继接收到信号后进行完全译码，如果接收正确，则重新编码，然后再向接收端转发该信息。对于中继接收到的信号，如果接收到的干扰和噪声相对于期望信号比较小，则可以选择放大转发协议；如果接收到的干扰和噪声相对于期望信号比较大，就需要选择解码转发协议。本发明中全双工中继R在接收信息的同时，噪声和自干扰都有可能使中继R接收到错误的信息；因此，本发明中中继R选择解码转发协议对接收到的信息进行处理，去掉了信道衰落和噪声的不利影响。

实施例4

基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法同实施例1-3。步骤7中，基站B在保证终端S处的发射功率p_S和中继R处的发射功率p_R不超过最大值的情况下，通过最大化基于全双工中继的D2D链路的能量效率，建立基于全双工中继的D2D通信的联合功率控制条件：

约束条件为：0≤p_S≤p_max，0≤p_R≤p_max

此处建立的基于全双工中继的D2D通信的功率控制条件也可称作基于全双工中继的D2D通信的功率优化模型。其中E_SRD表示基于全双工解码转发中继的D2D链路的能量效率，即单位能量功耗下基于全双工中继的D2D链路可以达到的传输速率，γ_SRD表示基于全双工解码转发中继的D2D链路的联合信干噪比；解码转发协议的调制和编码机制是由两跳链路(终端S到中继R为第一跳链路，中继R到终端D为第二跳链路)中信干噪比小的一跳链路决定的，并且中继R在接收有用信息的同时会受到自干扰，终端D在接收中继R转发过来的信息的同时会受到终端S的干扰；所以，基于全双工解码转发中继的D2D链路的联合信干噪比定义为p_SRD表示基于全双工解码转发中继的D2D链路在传输信息过程中消耗的总功率，包括终端S的发射功率p_S、中继R的发射功率p_R、终端S和中继R和终端D的电路功率p_cir，所以α表示各个终端处功率放大器的漏极效率。

基站B在保证终端S处的发射功率p_S不超过最大值的情况下，通过最大化中直连D2D链路的能量效率，建立直连D2D通信的功率控制条件：

约束条件为：0≤p_S≤p_max

此处建立的直连D2D通信的功率控制条件也可称作直连D2D通信的功率优化模型。其中E_SD表示直连D2D链路的能量效率，即单位功率消耗下直连D2D链路可以成功传输的比特数，γ_SD＝p_Sη_SD表示直连D2D链路的联合信干噪比。p_SD表示直连D2D链路在传输信息过程中消耗的总功率，包括终端S的发射功率p_S、终端S和终端D的电路功率p_cir，所以α表示各个终端处功率放大器的漏极效率。

本发明中通过最大化D2D通信链路的能量效率来控制终端S和中继R的发射功率，有效提高了通信系统中的能量利用率，适合能量受限的无线移动终端，并且也符合绿色通信的要求。

实施例5

基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法同实施例1-4。步骤8中，基站B根据基于全双工中继的D2D通信的联合功率控制条件，求解基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率和最优发射功率和具体是：当且仅当时，能够取得最大值即maxE_SRD表示为其中然而目标函数E_SRD是关于p_S的非线性非凸分式规划函数；要求解上述问题，需要结合非线性分式规划和拉格朗日理论。首先，利用非线性分式规划将目标函数E_SRD转换为其中容易证明函数U_SRD是关于p_S的凸函数，然后再利用拉格朗日理论求解函数U_SRD，获得和然后将和带入更新继续求解U_SRD的最小值，直到U_SRD＝0，此时对应的即为终端S的最优发射功率再将带入公式求得中继R的最优发射功率进而获得基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率

基站B根据直连D2D通信的功率控制条件，结合非线性分式规划和拉格朗日理论获得直连D2D链路的最大能量效率和最优发射功率求解和的过程与基于全双工中继的D2D链路的过程类似，不再赘述。

下面结合附图，给出一个具体完整的例子，对本发明进一步描述。

实施例6

基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法同实施例1-5。

参见图1，本发明中基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，由集中式控制的基站B、D2D终端S、D2D终端D、全双工解码转发中继R组成。基站B分配给D2D通信链路和传统的蜂窝通信链路相互正交的时频资源。两个通信终端之间进行传统的蜂窝通信时必须经过基站的转发；而采用D2D通信的两个终端可以进行直连D2D通信，也可以在中继的协助下进行基于全双工中继的D2D通信。终端S、终端D均为配置一支天线的时域半双工移动终端，即信息的发送和接收必须在不同的时隙进行。全双工中继R为配置两只独立天线的时频域全双工终端，两只天线分别负责信息的发送和接收，且信息的发送和接收发生在相同的时隙、相同的子载波上。当终端S和终端D希望采用D2D方式进行通信时，采用集中式控制的基站B为该通信对选择一个合适的全双工终端作为该D2D链路的协作中继R。然后基站B在保证终端S的发射功率和中继R的发射功率不超过最大值的情况下，通过比较基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率和直连D2D链路的最大能量效率，来决定终端S和终端D之间是进行基于全双工中继的D2D通信还是直连D2D通信。

下面通过仿真结果对本发明结果进一步说明。

实施例7

基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法同实施例1-6。本发明进行了能量效率与信道状态关系的仿真实验，下面介绍具体的仿真环境、参数以及实验性能。

仿真是采用如图1所示的蜂窝网控制下的基于全双工中继的D2D通信系统，终端S在全双工中继R的协助下与终端D进行D2D通信，且基站B负责蜂窝系统中的资源分配以及链路的建立、链路的释放等控制过程。仿真参数预设如下表所示：

表1：能量效率与信道状态关系仿真参数设置

参数	数值
		D2D链路的带宽W	180kHz
每个终端允许的最大发射功率p_max	0.2W
		每个终端的电路消耗功率p_cir	0.1W
功率放大器漏极效率α	0.38
		终端S到终端D的信道噪声比η_SD	-5dB
中继R的自干扰消除能力与噪声比值η_LI	10dB

在仿真中，为了体现本发明中引入全双工中继的优越性，与无中继情况下的直连D2D通信能够获得的最大能量效率进行对比。

本发明中，定义终端D获得的能量效率增益为：基于全双工中继的D2D链路所获得的最大能量效率与直连D2D链路所获得的最大能量效率之差，即

在表1参数设置下，终端S与终端D进行直连D2D通信时，通过仿真获得的最大能量效率为2.1926×10⁴bits/J。

在表1参数设置下，采用本发明提供的功率控制方案，图3给出了终端D获得的能量效率增益随η_SR和η_RD变化的关系示意图。图中可见，本发明能量效率增益随η_RD的增加而明显增大，随η_SR的增加而轻微减小。当η_SR一定时，η_RD的变化将明显影响能量效率增益，并且当η_RD较大时，本发明基于全双工中继的D2D链路能够获得的能量效率高于直连D2D链路，效果较好。

在表1参数设置下，采用本发明提供的功率控制方案，图4和图5分别给出了终端S和中继R处的功率控制结果和图中可见，η_RD主要影响终端S的最优发射功率并且中继R到终端D的信道越好(即η_RD越大)就越小；η_SR主要影响中继R的最优发射功率并且终端S到中继R的信道越好(即η_SR越大)就越小。无论η_SR和η_RD如何变化，中继R的发射功率都不宜太大。这是因为中继R在接收来自于终端S的信息的同时还会收到自己在同一时间发出的信息(即自干扰)，如果p_R过大，在自干扰消除能力受限的情况下，将会对中继接收到的信息造成很大的干扰，从而严重影响该通信链路的吞吐量。

实施例8

基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法同实施例1-7。本发明进行了能量效率与中继自干扰消除能力关系的仿真实验，下面介绍具体的仿真环境、参数以及实验性能。

仿真是采用如图1所示的蜂窝网控制下的基于全双工中继的D2D通信系统，终端S在全双工中继R的协助下与终端D进行D2D通信，且基站B负责蜂窝系统中的资源分配以及链路的建立、释放等控制过程。仿真参数预设如下表所示：

表2：能量效率与自干扰消除能力关系仿真参数设置

参数	数值
		D2D链路的带宽W	180kHz
每个终端允许的最大发射功率p_max	0.2W
		每个终端的电路消耗功率p_cir	0.1W
功率放大器漏极效率α	0.38
		终端S到终端D的信道噪声比η_SD	-5dB
中继R的自干扰消除能力与噪声比值η_LI	{0,5,10,15}dB

在表2参数设置下，终端S与终端D进行直连D2D通信时，通过仿真获得的最大能量效率为2.1926×10⁴bits/J。

在表2参数设置下，采用本发明提供的功率控制方案，在中继R到终端D的信道噪声比为η_RD＝10dB时，图6给出了中继R的自干扰消除能力与噪声比值η_LI不同的情况下，终端D获得的能量效率增益随η_SR变化的关系示意图。图中可见，在η_RD＝10dB、η_LI≤10dB、1dB≤η_SR≤20dB时，本发明基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率优于直连D2D链路的最大能量效率；在η_RD＝10dB、η_LI＝15dB、η_SR≥13dB时，直连D2D链路的最大能量效率由于本发明基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率，这主要是由于中继R的自干扰消除能力受限。可见，基于全双工中继的D2D链路的性能并不是在任何情况下都优于直连D2D链路的性能；当中继R具有较好的自干扰消除能力(即η_LI较小)时，采用基于全双工中继的D2D通信方式更能提高能量的利用率。

在表2参数设置下，采用本发明提供的功率控制方案，在终端S到中继R的信道噪声比为η_SR＝10dB时，图7给出了中继R的自干扰消除能力与噪声比值η_LI不同的情况下，终端D获得的能量效率增益随η_RD变化的关系示意图。图中可见，在η_SR＝10dB、0dB≤η_LI≤15dB、η_RD≥2dB时，本发明基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率优于直连D2D链路的最大能量效率。

从图6和图7可见，当η_SR和η_RD固定不变时，终端D获得的能量效率增益随着中继R处的自干扰消除能力的增强(即η_LI的减小)而增大。这是因为中继的自干扰消除能力越强，中继接收有用信息时的干扰就越小，就越有助于提高D2D链路的能量效率。

本发明以单小区蜂窝网络为例，提供了一种基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法。但是本方法不仅限于单小区蜂窝网络中，当两个距离较近的D2D通信终端在相邻的两个蜂窝小区时，D2D发送端所在蜂窝小区内的基站仍然采用本发明基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法来确定D2D链路的通信方式以及终端的最优发射功率，然后将获得的控制信息分享给D2D接收端所在蜂窝小区的基站即可。

简而言之，本发明提供的一种基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，适用于无线通信技术领域。涉及集中式控制的蜂窝网基站B、D2D终端S、中继R和D2D终端D，基站B分配给每条D2D链路和传统的蜂窝链路相互正交的时频资源。在信道衰落较大的终端S和终端D之间引入中继，不但可以扩大D2D技术的适用范围，还可以更大程度上卸载基站的负担；中继R工作于全双工模式，采用解码转发协议，更有利于提高蜂窝网络的频谱资源利用率；在不超过各个终端的允许最大发射功率的同时，通过最大化基于全双工中继的D2D链路的能量效率和直连D2D链路的能量效率，来确定是选用基于全双工中继的D2D通信还是直连D2D通信，从而兼顾了链路传输速率和功率消耗之间的平衡，使D2D链路的通信方式选择更加灵活，更符合下一代无线通信系统对绿色通信的要求。

Claims

1.一种基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，其中涉及到采用集中式控制的蜂窝网基站B、D2D终端S、D2D中继R和D2D终端D，在单小区蜂窝网络中存在多个D2D中继；基站B分配给每条D2D链路和传统的蜂窝链路相互正交的时频资源；D2D链路的建立、释放以及功率的控制都由集中式的基站B负责；其特征在于，中继R工作于全双工模式，并且采用解码转发协议对接收到的信息进行处理，具体步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，其特征在于：步骤2中，基站B根据终端S和终端D的具体位置，先确定终端S和终端D的连线的中点所在位置，然后寻找距离该中点最近的中继作为D2D通信链路S→D的协作中继。

3.根据权利要求1所述的基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，其特征在于：步骤3中，中继R装配有两只独立的天线，分别负责接收信息和转发信息，当中继R工作于全双工模式时，中继R在相同的频谱资源内同时发送和接收数据；中继R采用解码转发协议是指中继R接收到信号后进行完全译码，如果接收正确，则重新编码，然后再向接收端转发该信息。

4.根据权利要求1所述的基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，其特征在于：步骤7中，基站B在保证终端S处的发射功率p_S和中继R处的发射功率p_R不超过最大值的情况下，通过最大化基于全双工中继的D2D链路的能量效率，建立基于全双工中继的D2D通信的联合功率控制条件：

(p_{S}^{o p t 1}, p_{R}^{o p t}) = \arg \underset{p_{S}, p_{R}}{m a x} E_{S R D}

约束条件为：0≤p_S≤p_max，0≤p_R≤p_max

其中E_SRD表示全双工解码转发中继协助的D2D链路的能量效率，即单位能量消耗下基于全双工中继的D2D链路可以成功传输的比特数，

(p_{S}^{o p t 2}) = \arg \underset{p_{S}}{m a x} E_{S D}

约束条件为：0≤p_S≤p_max

其中E_SD表示直连D2D链路的能量效率，即单位能量消耗下直连D2D链路可以成功传输的比特数，

上式中，p_max表示终端S和中继R处允许的最大发射功率，W表示基站B分配给D2D链路的带宽，p_cir表示各个终端处的电路功耗，α表示各个终端处功率放大器的漏极效率。

5.根据权利要求1所述的基于全双工中继的D2D通信中的功率控制方法，其特征在于：步骤8中，基站B根据基于全双工中继的D2D通信的联合功率控制条件，求解基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率和最优发射功率和具体是当且仅当时，能够取得最大值即maxE_SRD表示为其中然后结合非线性分式规划和拉格朗日对偶理论先求得终端S的最优发射功率再将带入公式求得中继R的最优发射功率进而获得基于全双工中继的D2D链路的最大能量效率

基站B根据直连D2D通信的功率控制条件，结合非线性分式规划和拉格朗日对偶理论获得直连D2D链路的最大能量效率和最优发射功率