CN106714248A - 一种基于d2d的虚拟mimo通信方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于D2D的虚拟MIMO通信方法、装置及系统，上述方法包括：基站根据覆盖区域内各UE上报的信息，建立各UE的邻近用户设备列表；当基站接收到第一UE发起的与第二UE的通信请求时，基站根据该第一UE的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一UE与该第二UE采用的通信模式；当基站确定该第一UE与该第二UE采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，基站根据协作用户设备选择策略确定第一UE的协作用户设备为第三UE，并为作为发送端的第一UE及作为协作用户设备的第三UE配置D2D通信资源。本发明用来解决现有技术中基于D2D的虚拟MIMO传输主要集中在通过虚拟MIMO获得增益上，没有协作用户选择的问题。

Description

一种基于D2D的虚拟MIMO通信方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于设备到设备(D2D，Device-to-Device)的虚拟多输入多输出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)通信方法、装置及系统。
背景技术
长期演进(LTE，Long Term Evolution)网络下的设备到设备(D2D，Device-to-Device)是一种在LTE网络辅助下使用授权频段的短距离直通技术，不仅可以提高频谱效率、提升系统容量，还可以减轻基站负荷、降低发射功率，特别是当用户设备(UE，User Equipment)位于小区边缘时，其收益更为显著。多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)技术可以通过多天线获得分集增益和复用增益，而为解决用户设备限制而产生的虚拟MIMO技术实现了将地理分布的天线进行统一处理以获得上述增益。若在LTE网络中将协作通信技术与D2D技术有机结合，即利用基站等蜂窝网络基础设施提供的服务和控制，允许用户设备间通过D2D通信实现虚拟MIMO传输，不但可以有效利用虚拟MIMO的分集增益，还可突破现有D2D通信的性能上限，实现D2D技术的进一步增强。在基于D2D的虚拟MIMO传输中，为了实现有效的协作传输，首先需要解决的就是协作伙伴的选择，即如何在备选协作用户设备集合中选择出合适的节点作为协作传输伙伴。协作伙伴的选择策略对于网络整体性能、系统复杂度、系统开销都会产生重要的影响。然而，现有技术主要集中在通过虚拟MIMO获得增益，没有提供合适的协作伙伴的选择方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于D2D的虚拟MIMO通信方法、装置及系统，用来解决现有技术中基于D2D的虚拟MIMO传输主要集中在通过虚拟MIMO获得增益上，没有协作用户选择的问题。
为了达到上述技术目的，本发明提供一种基于D2D的虚拟MIMO通信方法，包括：基站根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；当基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；当基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，且基站为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源。
进一步地，各用户设备的邻近用户设备列表包括：各用户设备的身份标识、各用户设备与基站间的信道质量指示(CQI)等级、各用户设备的邻近用户设备的身份标识以及各用户设备与邻近用户设备间的CQI等级。
进一步地，所述基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式，包括：
当该第二用户设备没有位于该第一用户设备的邻近用户设备列表时，所述基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用蜂窝通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级大于预设参数时，所述基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用D2D通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级小于或等于所述预设参数时，所述基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式。
进一步地，所述预设参数为所述基站根据邻近用户设备列表中各用户设备之间的CQI等级计算得到的用户设备平均CQI等级。
进一步地，所述基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，包括：
确定作为发送端的第一用户设备的邻近用户设备列表中邻近用户设备i的收益函数ui(t)，
其中，当t＝0时，ui(t)＝0，i为大于或等于1的整数，p为当前通信中继节点消耗的功率，常数tc＝1000，表示滑动窗口长度；
当存在收益函数为0的邻近用户设备时，估算收益函数为0的用户设备到作为接收端的第二用户设备所能达到的传输速率ri(t)，并选择其中传输速率最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，
其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))，γi(t)为信噪比；
当不存在收益函数为0的邻近用户设备时，计算各邻近用户设备的自适应加权系数ω(ui)、传输速率ri(t)以及自适应加权系数与传输速率的乘积ω(ui)ri(t)，并选择所述乘积最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))。
进一步地，所述基站为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源，包括：
所述基站向作为发送端的第一用户设备发送第一D2D调度信息，其中，所述第一D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
所述基站向作为发送端的第一用户设备以及作为协作用户设备的第三用户设备发送第二D2D调度信息，其中，所述第二D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备和作为协作用户设备的第三用户设备向作为接收端的第二用户设备发送数据包的调度信息。
本发明还提供一种基于D2D的虚拟MIMO通信方法，包括：基站根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；当基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；当基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，并为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源；作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包及控制信息，其中，所述控制信息为作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备根据所述基站配置的D2D通信资源通过空时编码协作发送数据包给作为接收端的第二用户设备。
本发明还提供一种基于D2D的虚拟MIMO通信装置，应用于基站，包括：邻近用户设备列表建立模块，用于根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；通信模式选择模块，用于当所述基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；处理模块，用于当所述通信模式选择模块确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，并为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源。
进一步地，各用户设备的邻近用户设备列表包括：各用户设备的身份标识、各用户设备与基站间的CQI等级、各用户设备的邻近用户设备的身份标识以及各用户设备与邻近用户设备间的CQI等级。
进一步地，所述通信模式选择模块，用于根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式，包括：
当该第二用户设备没有位于该第一用户设备的邻近用户设备列表时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用蜂窝通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级大于预设参数时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用D2D通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级小于或等于所述预设参数时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式。
进一步地，所述预设参数为所述基站根据邻近用户设备列表中各用户设备之间的CQI等级计算得到的用户设备平均CQI等级。
进一步地，所述处理模块，用于根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，包括：
确定作为发送端的第一用户设备的邻近用户设备列表中邻近用户设备i的收益函数ui(t)，
其中，当t＝0时，ui(t)＝0，i为大于或等于1的整数，p为当前通信中继节点消耗的功率，常数tc＝1000，表示滑动窗口长度；
当存在收益函数为0的邻近用户设备时，估算收益函数为0的用户设备到作为接收端的第二用户设备所能达到的传输速率ri(t)，并选择其中传输速率最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，
其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))，γi(t)为信噪比；
当不存在收益函数为0的邻近用户设备时，计算各邻近用户设备的自适应加权系数ω(ui)、传输速率ri(t)以及自适应加权系数与传输速率的乘积ω(ui)ri(t)，并选择所述乘积最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))。
进一步地，所述处理模块，用于为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源，包括：
向作为发送端的第一用户设备发送第一D2D调度信息，其中，所述第一D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
向作为发送端的第一用户设备以及作为协作用户设备的第三用户设备发送第二D2D调度信息，其中，所述第二D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备和作为协作用户设备的第三用户设备向作为接收端的第二用户设备发送数据包的调度信息。
本发明还提供一种基于D2D的虚拟MIMO通信系统，包括：如上所述的基站以及用户设备；其中，作为发送端的第一用户设备，用于向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包及控制信息，其中，所述控制信息为作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备，用于根据所述基站配置的D2D通信资源通过空时编码协作发送数据包给作为接收端的第二用户设备。
在本发明中，基站根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；当基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；当基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，且基站为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源。在本发明提供的基于D2D的虚拟MIMO通信中为作为发送端的用户设备选择协作用户设备。
进一步地，在协作用户设备的选择过程中，通过计算综合考虑传输速率与用户设备公平性的收益函数，为作为发送端的用户设备选择适合的协作用户设备共同完成传输。如此，通过本发明，在保证系统达到比较高的公平性情况下，通过利用协作用户设备累积消耗的功率建立“收益函数”得到一个自适应加权系数以动态地调整每个用户设备的优先级，从而保证系统的公平性一直维持在一个比较高的水平。同时，该协作用户设备选择策略兼顾了信道容量，在进行用户设备配对时尽量选择与目的用户设备间链路状况比较好的备选用户设备，并且只需要协作用户设备到目的用户设备之间的链路信息，所需信息较少，复杂度也较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于D2D的虚拟MIMO通信方法的流程图；
图2为本发明一具体实施例的应用场景示意图；
图3为本发明一具体实施例中协作用户设备选择过程的流程图；
图4为本发明实施例提供的基于D2D的虚拟MIMO通信装置的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的基于D2D的虚拟MIMO通信方法的流程图。如图1所示，本实施例提供的基于D2D的虚拟MIMO通信方法包括以下步骤：
步骤101：基站根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表。
其中，各用户设备的邻近用户设备列表包括：各用户设备的身份标识、各用户设备与基站间的信道质量指示(CQI，Channel Quality Indicator)等级、各用户设备的邻近用户设备的身份标识以及各用户设备与邻近用户设备间的CQI等级。
具体而言，用户设备进入小区后，通过Uu接口与基站取得同步；基站周期性与各用户设备建立联系，获取用户设备与基站间的信道状态信息；用户设备根据D2D用户设备发现规则，发现邻近用户设备，并上报给基站，基站建立每个用户设备的邻近用户设备列表。
步骤102：当基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式。
其中，基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式，包括：
当该第二用户设备没有位于该第一用户设备的邻近用户设备列表时，基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用蜂窝通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级大于预设参数时，基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用D2D通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级小于或等于所述预设参数时，基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式。
于一实施例中，所述预设参数为基站根据邻近用户设备列表中各用户设备之间的CQI等级计算得到的用户设备平均CQI等级。
具体而言，当基站确定第一用户设备与第二用户设备采用D2D通信模式时，基站根据邻近用户设备列表中的CQI等级，计算出最小发射功率；之后，基站在正在通信的蜂窝用户设备中，选择一个用户设备作为D2D通信的复用对象，该复用对象的选择标准为干扰和最小原则，之后，选出干扰和最小的蜂窝用户设备作为资源复用对象，进行通信。
步骤103：当基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，且基站为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源。
其中，基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，包括：
确定作为发送端的第一用户设备的邻近用户设备列表中邻近用户设备i的收益函数ui(t)，
其中，当t＝0时，ui(t)＝0，i为大于或等于1的整数，p为当前通信中继节点消耗的功率，常数tc＝1000，表示滑动窗口长度；
当存在收益函数为0的邻近用户设备时，估算收益函数为0的用户设备到作为接收端的第二用户设备所能达到的传输速率ri(t)，并选择其中传输速率最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，
其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))，γi(t)为信噪比；
当不存在收益函数为0的邻近用户设备时，计算各邻近用户设备的自适应加权系数ω(ui)、传输速率ri(t)以及自适应加权系数与传输速率的乘积ω(ui)ri(t)，并选择所述乘积最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))。
其中，所述基站为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源，包括：
所述基站向作为发送端的第一用户设备发送第一D2D调度信息，其中，所述第一D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
所述基站向作为发送端的第一用户设备以及作为协作用户设备的第三用户设备发送第二D2D调度信息，其中，所述第二D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备和作为协作用户设备的第三用户设备向作为接收端的第二用户设备发送数据包的调度信息。
此外，本发明实施例还提供一种基于D2D的虚拟MIMO通信方法，包括：
基站根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；
当基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；
当基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，并为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源；
作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包及控制信息，其中，所述控制信息为作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备根据所述基站配置的D2D通信资源通过空时编码协作发送数据包给作为接收端的第二用户设备。
具体而言，当基站确定第一用户设备与第二用户设备采用蜂窝通信模式或D2D通信模式，则按照传统蜂窝通信模式进行编码、调制、接收、检测等；当基站确定第一用户设备与第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式，则作为发送端的用户设备首先向协作用户设备发送数据包和控制信息，然后，作为发送端的用户设备和协作用户设备联合在调度的资源上通过空时分组编码协作发送数据包给作为接收端的用户设备。其中，控制信息为作为发送端的用户设备向协作用户设备发送数据包的调度信息。
以下通过具体实施例对本发明进行说明。
本实施例所使用的网络场景如图2所示。在单小区内，共有M个用户设备均在基站覆盖范围内，gij(i＝1…M，j＝1…M)表示用户设备(UE)之间的信道增益，hj(j＝1…M)表示用户设备与基站之间的信道增益。其中，M为大于1的整数。D2D通信及基于D2D的虚拟MIMO通信复用蜂窝上行资源。当前时刻，UE1以及UE2与基站间进行蜂窝通信，此时，UE3与UE4之间有相互通信的需求。通过以下步骤对本实施例进行详细说明。
步骤S1：用户设备进入小区后，通过Uu接口与基站取得同步；基站周期性与各用户设备建立联系，获取用户设备与基站之间的信道状态信息。
具体而言，当UE1加入网络时，UE1搜索小区主同步信号(PSS，PrimarySynchronization Signal)，选择一个UE1认为最好的小区实现符号同步，并根据主同步信号搜索辅同步信号(SSS，Secondary Synchronization Signal)，实现帧同步；UE1实现同步后，通过广播信道(BCH，Broadcast Channel)获得系统信息(如系统带宽、上下行配置信息、随机接入信道(RACH，RandomAccess Channel)参数、功率控制参数等)；获取小区信息后，UE1通过随机接入过程与小区建立链接；UE1周期性向基站上报信道状态信息(CSI，Channel State Information)。
步骤S2：入网同步后，用户设备进行周期性的邻近用户设备发现，每个用户设备周期性上传各自邻近用户设备的探测信息，基站形成各用户设备的邻近用户设备列表。
具体而言，基站为新入网用户设备分配用于邻近用户设备发现的初始时频资源块，在其后的周期根据规则跳变；
若UE1在基站配置的发现资源上检测到UE2等用户设备的邻近用户设备发现信号，则UE1根据其接收信号信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)判断其是否满足D2D通信要求，其中，满足D2D通信要求的条件是SNR门限，若满足条件则根据用户设备间的信道质量发现结果，通过所分配资源将产生的用户设备间的CQI等级信息通过上行信道上传至基站；其中，CQI量化标准如表1所示；
表1 CQI量化标准
基站根据用户设备的上报结果，形成包含用户设备间CQI等级的邻近用户设备列表，储存于基站，其格式例如表2所示。邻近用户设备列表包括：各用户设备身份标识、各用户设备与基站间的CQI等级、各用户设备的邻近用户设备的身份标识以及各用户设备与其邻近用户设备之间的CQI等级。
表2邻近用户设备列表
用户设备周期性上传自己的测量信息，以更新邻近用户设备列表；基站获得全网的邻近用户设备列表，基站在获知各用户设备间信道质量CQI等级后，计算全网用户设备平均CQI等级CQIave。
步骤S3：UE3向基站发起通信请求，其目的用户为UE4。
步骤S4：基站确定UE3与UE4之间的通信模式。
具体而言，基站接收到UE3的通信请求后，首先对UE3的邻近用户设备列表进行搜索，若UE4不位于UE3的邻近用户设备列表，则判定UE3与UE4间采用蜂窝通信模式；若UE4位于UE3的邻近用户设备列表，则判断UE3与UE4之间的CQI等级CQI34能否满足两者间的通信需求，例如，若CQI34＞CQIave，则UE3与UE4采用D2D通信模式；否则，即CQI34＜＝CQIave，则UE3与UE4采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式。
步骤S5：当基站确定UE3与UE4的通信模式后，为UE3及UE4分配以下通信资源：时频资源块、发射功率(及协作用户设备)。
具体而言，当UE3与UE4采用蜂窝通信模式时，基站为UE3及UE4分配空闲的正交的上下行时频资源块，根据h3与h4计算UE3及UE4满足服务质量(QoS，Quality of Service)要求的最小发射功率，并通过闭环功率控制方法，进行发射功率调整；
当UE3与UE4间采用D2D通信模式时，基站根据邻近用户设备列表中的CQI等级，计算出最小发射功率，并由基站配置D2D通信资源进行通信；
当UE3与UE4间采用基于D2D的虚拟MIMO通信时，基站需要分别为UE3和UE4计算二者分别为发送端时的协作用户设备。
于此，以UE3作为发送端为例，基站首先根据CQI34计算出UE3的最小发射功率，并以此作为进行虚拟MIMO通信时的功率限制条件。
基站从UE3的邻近用户设备列表中选择UEj(UEj此时为空闲用户设备，即没有D2D业务需求和蜂窝业务需求的用户设备)作为发送端的协作用户设备。
于此，协作用户设备的选择过程如图3所示，于此，以UE3为例参照图3对该过程进行说明：
步骤301：初始化“收益函数”ui(t)，(t＝0，i＝1，2，...，n)为0，其中，ui(t)表示UE3的邻近用户设备列表中的邻近用户设备i的收益函数；
步骤302：基站接收到UE3发起的协作通信请求；
步骤303：一次筛选，即对UE3的邻近用户设备列表中每个用户设备(备选用户设备集合U)的“收益函数”ui(t)进行判断，如果存在ui(t)等于0的用户设备，则执行步骤304：把该用户设备置于一次筛选的集合U0中，然后执行步骤305，否则，即备选用户设备集合U中不存在收益函数为0的用户设备，此时，执行步骤307；
步骤305：一次筛选的集合U0中的每个用户设备，根据信道估计情况估算该用户设备到目的用户设备(于此，如UE4)所能到达的传输速率ri(t)＝log2(1+γi(t))，其中，γi(t)为信噪比，然后，在步骤306，选择ri(t)最大的用户设备作为UE3的协作用户设备；用户设备J表示在集合U0中到目的用户设备的信噪比最大的用户设备，其中，γi(t)为集合U0中的用户设备到目的用户设备的信噪比；
步骤307：计算备选用户设备集合U中每个用户设备的传输速率ri(t)；
步骤308：计算备选用户设备集合U中每个用户设备的自适应加权系数并乘以该用户设备所估算的传输速率ri(t)，得到ω(ui)ri(t)；
步骤309：选择ω(ui)ri(t)最大的用户设备作为UE3的协作用户设备；
步骤310：更新“收益函数”ui(t)，其中，
其中，p是此次通信中继节点消耗的功率，常数tc＝1000，表示滑动窗口长度。
之后，基站通过CQI3j计算UE3与UEj的最小发射功率，同时结合上述得到的功率限制计算UE3和UEj向UE4发送信号时的发送功率。在基站配置D2D通信资源进行通信，即1)基站向UE3发送D2D调度信息，该D2D调度信息包括UE3向UEj发送数据包的时频资源；2)基站向UE3和UEj发送D2D调度信息，该D2D调度信息包括UE3和UEj协作通信向UE4发送数据包的时频资源。
步骤S6：进行传输。
具体而言，若UE3与UE4采用蜂窝通信或D2D通信模式，则按照传统蜂窝通信模式进行编码、调制、接收、检测等；
若UE3与UE4采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式，则首先UE3向UEj发送数据包以及控制信息，其中，所述控制信息为UE3向UEj发送数据包的调度信息；
对作为发送端的UE3以及作为协作用户设备的UEj进行空时编码，具体的编码规则如表3所示：
表3分布式Alamouti编码规则
其中，*表示共轭。
于此，UE4共收到以下两路信号：
其中，xk表示用户设备Uk发送的数据(于此，x3表示UE3发送的数据，xj表示UEj发送的数据)，zij表示用户设备Ui与用户设备Uj之间链路的高斯白噪声(于此，z34表示UE3与UE4之间链路的高斯白噪声，zj4表示UEj与UE4之间链路的高斯白噪声)，P表示发送端及协作用户设备(于此，为UE3与UEj)联合发送时的发送功率，为步骤S5中基站根据CQI34计算出的第二跳功率值，Ic表示由于复用蜂窝用户通信资源带来的干扰，gij表示用户设备间信道增益(于此，g34表示UE3与UE4间信道增益，gj4表示UEj与UE4间信道增益)。
图4为本发明实施例提供的基于D2D的虚拟MIMO通信装置的示意图。如图4所示，本实施例提供的基于D2D的虚拟MIMO通信装置，应用于基站，包括：邻近用户设备列表建立模块401、通信模式选择模块402以及处理模块403。
其中，邻近用户设备列表建立模块401，用于根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；通信模式选择模块402，用于当基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；处理模块403，用于当所述通信模式选择模块402确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，并为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源。
其中，各用户设备的邻近用户设备列表包括：各用户设备的身份标识、各用户设备与基站间的CQI等级、各用户设备的邻近用户设备的身份标识以及各用户设备与邻近用户设备间的CQI等级。
进一步地，所述通信模式选择模块402，用于根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式，包括：
当该第二用户设备没有位于该第一用户设备的邻近用户设备列表时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用蜂窝通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级大于预设参数时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用D2D通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级小于或等于所述预设参数时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式。
进一步地，所述预设参数为所述基站根据邻近用户设备列表中各用户设备之间的CQI等级计算得到的用户设备平均CQI等级。
进一步地，所述处理模块403，用于根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，包括：
确定作为发送端的第一用户设备的邻近用户设备列表中邻近用户设备i的收益函数ui(t)，
其中，当t＝0时，ui(t)＝0，i为大于或等于1的整数，p为当前通信中继节点消耗的功率，常数tc＝1000，表示滑动窗口长度；
当存在收益函数为0的邻近用户设备时，估算收益函数为0的用户设备到作为接收端的第二用户设备所能达到的传输速率ri(t)，并选择其中传输速率最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，
其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))，γi(t)为信噪比；
当不存在收益函数为0的邻近用户设备时，计算各邻近用户设备的自适应加权系数ω(ui)、传输速率ri(t)以及自适应加权系数与传输速率的乘积ω(ui)ri(t)，并选择所述乘积最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))。
进一步地，所述处理模块403，用于为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源，包括：
向作为发送端的第一用户设备发送第一D2D调度信息，其中，所述第一D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
向作为发送端的第一用户设备以及作为协作用户设备的第三用户设备发送第二D2D调度信息，其中，所述第二D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备和作为协作用户设备的第三用户设备向作为接收端的第二用户设备发送数据包的调度信息。
于实际应用中，上述模块的功能通过处理器执行存储在存储器中的程序/指令实现。然而，本发明对此并不限定。上述模块的功能还可以通过固件/逻辑电路/集成电路实现。
此外，本发明实施例还提供一种基于D2D的虚拟MIMO通信系统，包括：如图4所示的基站以及用户设备；其中，作为发送端的第一用户设备，用于向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包及控制信息，其中，所述控制信息为作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备，用于根据所述基站配置的D2D通信资源通过空时编码协作发送数据包给作为接收端的第二用户设备。
此外，上述装置及系统的具体处理流程同上述方法所述，故于此不再赘述。
综上所述，本实施例在用户设备完成入网同步和初始化后，通过进行邻近用户设备发现，为后续的通信模式选择和协作用户设备选择提供用户设备身份和链路质量等信息。在获取用户设备间信道状态信息后，基站为有通信需求的用户设备进行通信模式选择、资源分配。对于采用虚拟MIMO-D2D通信模式的用户设备，通过计算综合考虑传输速率与用户公平性的收益函数为其选择适合的协作用户设备共同完成传输，在保证信道容量的同时可提高系统公平性，实现高效的基于D2D的虚拟MIMO传输。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (14)

1.一种基于设备到设备D2D的虚拟多输入多输出MIMO通信方法，其特征在于，包括：
基站根据覆盖区域内各用户设备UE上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；
当所述基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，所述基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；
当所述基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，所述基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，且所述基站为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各用户设备的邻近用户设备列表包括：各用户设备的身份标识、各用户设备与基站间的信道质量指示CQI等级、各用户设备的邻近用户设备的身份标识以及各用户设备与邻近用户设备间的CQI等级。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式，包括：
当该第二用户设备没有位于该第一用户设备的邻近用户设备列表时，所述基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用蜂窝通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级大于预设参数时，所述基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用D2D通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级小于或等于所述预设参数时，所述基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设参数为所述基站根据邻近用户设备列表中各用户设备之间的CQI等级计算得到的用户设备平均CQI等级。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，包括：
确定作为发送端的第一用户设备的邻近用户设备列表中邻近用户设备i的收益函数ui(t)，
其中，当t＝0时，ui(t)＝0，i为大于或等于1的整数，p为当前通信中继节点消耗的功率，常数tc＝1000，表示滑动窗口长度；
当存在收益函数为0的邻近用户设备时，估算收益函数为0的用户设备到作为接收端的第二用户设备所能达到的传输速率ri(t)，并选择其中传输速率最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，
其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))，γi(t)为信噪比；
当不存在收益函数为0的邻近用户设备时，计算各邻近用户设备的自适应加权系数ω(ui)、传输速率ri(t)以及自适应加权系数与传输速率的乘积ω(ui)ri(t)，并选择所述乘积最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源，包括：
所述基站向作为发送端的第一用户设备发送第一D2D调度信息，其中，所述第一D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
所述基站向作为发送端的第一用户设备以及作为协作用户设备的第三用户设备发送第二D2D调度信息，其中，所述第二D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备和作为协作用户设备的第三用户设备向作为接收端的第二用户设备发送数据包的调度信息。
7.一种基于D2D的虚拟MIMO通信方法，其特征在于，包括：
基站根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；
当所述基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，所述基站根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；
当所述基站确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，所述基站根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，并为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源；
作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包及控制信息，其中，所述控制信息为作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备根据所述基站配置的D2D通信资源通过空时编码协作发送数据包给作为接收端的第二用户设备。
8.一种基于D2D的虚拟MIMO通信装置，应用于基站，其特征在于，包括：
邻近用户设备列表建立模块，用于根据覆盖区域内各用户设备上报的信息，建立各用户设备的邻近用户设备列表；
通信模式选择模块，用于当所述基站接收到第一用户设备发起的与第二用户设备的通信请求时，根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式；
处理模块，用于当所述通信模式选择模块确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式时，根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，并为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，各用户设备的邻近用户设备列表包括：各用户设备的身份标识、各用户设备与基站间的CQI等级、各用户设备的邻近用户设备的身份标识以及各用户设备与邻近用户设备间的CQI等级。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述通信模式选择模块，用于根据该第一用户设备的邻近用户设备列表以及通信模式选择策略确定该第一用户设备与该第二用户设备采用的通信模式，包括：
当该第二用户设备没有位于该第一用户设备的邻近用户设备列表时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用蜂窝通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级大于预设参数时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用D2D通信模式；
当该第二用户设备位于该第一用户设备的邻近用户设备列表，且该第一用户设备与该第二用户设备之间的CQI等级小于或等于所述预设参数时，确定该第一用户设备与该第二用户设备采用基于D2D的虚拟MIMO通信模式。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述预设参数为所述基站根据邻近用户设备列表中各用户设备之间的CQI等级计算得到的用户设备平均CQI等级。
12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述处理模块，用于根据协作用户设备选择策略确定第一用户设备的协作用户设备为第三用户设备，包括：
确定作为发送端的第一用户设备的邻近用户设备列表中邻近用户设备i的收益函数ui(t)，
其中，当t＝0时，ui(t)＝0，i为大于或等于1的整数，p为当前通信中继节点消耗的功率，常数tc＝1000，表示滑动窗口长度；
当存在收益函数为0的邻近用户设备时，估算收益函数为0的用户设备到作为接收端的第二用户设备所能达到的传输速率ri(t)，并选择其中传输速率最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，
其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))，γi(t)为信噪比；
当不存在收益函数为0的邻近用户设备时，计算各邻近用户设备的自适应加权系数ω(ui)、传输速率ri(t)以及自适应加权系数与传输速率的乘积ω(ui)ri(t)，并选择所述乘积最大的用户设备作为第一用户设备的协作用户设备，其中，ri(t)＝log2(1+γi(t))。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述处理模块，用于为作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备配置D2D通信资源，包括：
向作为发送端的第一用户设备发送第一D2D调度信息，其中，所述第一D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
向作为发送端的第一用户设备以及作为协作用户设备的第三用户设备发送第二D2D调度信息，其中，所述第二D2D调度信息包括作为发送端的第一用户设备和作为协作用户设备的第三用户设备向作为接收端的第二用户设备发送数据包的调度信息。
14.一种基于D2D的虚拟MIMO通信系统，其特征在于，包括：
如权利要求8至13任一项所述的基站以及用户设备；
其中，作为发送端的第一用户设备，用于向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包及控制信息，其中，所述控制信息为作为发送端的第一用户设备向作为协作用户设备的第三用户设备发送数据包的调度信息；
作为发送端的第一用户设备及作为协作用户设备的第三用户设备，用于根据所述基站配置的D2D通信资源通过空时编码协作发送数据包给作为接收端的第二用户设备。
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