CN108540265B - 基于网络编码的d2d干扰消除和协作转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法，当两对D2D用户复用同一个蜂窝用户的上行链路频谱资源时，首先在两个D2D的发送端将要发送的D2D信号与接收到的蜂窝信号进行网络编码，并且为每个D2D发送端分配复数域网络编码系数，然后将该系数与网络编码信号相乘后发送到两个D2D接收端，在接收端使用最大似然检测可以恢复出网络编码信号，又可以根据该网络编码信号与D2D接收端获得的蜂窝信号的先验信息恢复出D2D信号。本发明消除了蜂窝链路对D2D通信的干扰并且消除了D2D用户对之间的干扰，并采用协作转发的方式，使得本发明方法在消除干扰的同时，每个D2D接收端都能两次获得D2D信号，提高了链路可靠性。

Description

基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法。

背景技术

由于多媒体业务需求的急剧增长，频谱资源短缺成为移动通信面临的挑战。在传统蜂窝网络中，不允许用户之间直接通信。通信过程由基站转接分为2个阶段：发射机到基站，即上行链路；基站到接收机，即下行链路。这种集中式工作方式便于对资源和干扰的管理与控制，但资源利用效率低。2008年高通公司首次提出D2D通信技术，即设备到设备(Device-to-Device)之间直接通信的技术，作为3GPP长期演进(LTE)研究项目中的关键技术，D2D通信可以有效地提高网络容量和频谱利用率。近来，华为、爱立信等也一直致力于此项技术的研究。D2D通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区频谱资源进行直接通信的新技术。它不同于WiFi、Zigbe、蓝牙等短距离通信，在D2D通信中使用了合法的频段，使得数据传输更加安全。此外，蓝牙需要用户手动配对才能实现通信，WLAN在通信之前需要对接入点(AP)进行用户自定义设置，而D2D通信无需上述过程，提供了更好的用户体验。然而由于D2D通信与蜂窝通信共享频谱资源，必然带来D2D通信与蜂窝通信之间的相互干扰。

当蜂窝小区内通信用户较多，频谱资源短缺时，D2D通信可通过复用蜂窝用户的频谱资源来提高频谱效率，复用方式分为复用蜂窝上行链路频谱资源和复用蜂窝下行链路频谱资源。现有的技术主要研究的场景是单对D2D用户复用一个蜂窝用户的频谱资源，当多对D2D用户复用同一个蜂窝用户的上行链路频谱资源时，虽然可以进一步提高频谱资源利用率，但同时也会带来干扰问题，不仅是蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，还存在D2D对之间的干扰。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法，用以消除两对D2D用户复用同一蜂窝用户的上行链路频谱资源时，蜂窝用户对D2D通信造成的干扰，以及D2D用户对之间的干扰，在提高频谱资源利用效率的前提下，提高传输的可靠性。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法，在蜂窝用户向基站发送信号x_CUE的过程中，两对D2D用户复用蜂窝用户的上行链路频谱资源发送D2D信号；记所述的两对D2D用户中的第一对D2D用户对的发送端为第一用户，接收端为第二用户；第二对D2D用户对的发送端为第三用户，接收端为第四用户；所述的方法包括以下步骤：

步骤1，蜂窝用户向基站发送信号x_CUE，由于两对D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源，第一用户、第二用户、第三用户、第四用户在同一时隙均能接收到蜂窝用户的信号x_CUE，并将所述的信号x_CUE进行信号检测以得到检测信号

步骤2，第一用户将要发送的D2D信号x_D1与所述的检测信号

进行网络编码，得到第一网络编码信号

第三用户将要发送的D2D信号x_D2与所述的检测信号

进行网络编码，得到第二网络编码信号

基站为所述的第一用户分配网络编码系数θ₁，然后将网络编码系数θ₁与所述第一网络编码信号

相乘后得到第一发送信号，并将第一发送信号发送给第二用户；

基站为所述的第三用户分配网络编码系数θ₂，然后将网络编码系数θ₂与所述第二网络编码信号相乘后得到第二发送信号，并将第二发送信号发送给第四用户；

由于两对D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源，在同频同时隙传输情况下，第二用户也会接收到第二发送信号，第四用户也会接收到第一发送信号；

第二用户、第四用户对接收到的第一发送信号、第二发送信号进行检测，得到D2D信号x_D1和D2D信号x_D2。

进一步地，所述的方法还包括：

步骤3，第二用户将步骤2获得的D2D信号x_D1和D2D信号x_D2进行网络编码后获得网络编码信号

将该网络编码信号

发送给第四用户；第四用户接收到网络编码信号

后，根据步骤2得到的D2D信号x_D1可再次获得x_D2；

第四用户将步骤2获得的D2D信号x_D1和D2D信号x_D2进行网络编码后获得网络编码信号

将该网络编码信号

发送到第二用户；第二用户接收到网络编码信号

后，根据步骤2得到的D2D信号x_D2可再次获得x_D1。

进一步地，步骤1和步骤2中所述的信号检测的方法为最大似然检测法。

进一步地，所述的网络编码系数θ₁、网络编码系数θ₂均为复数域的网络编码系数，且满足：

θ_i＝e^{jπ(4p-1)(i-1)/(2n)}

上式中，n表示D2D用户对数，此处取值为2；i＝1或2，p＝1或2，j为虚数单位。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

1、为了进一步提高蜂窝频谱资源利用率，两对距离较近的D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源进行D2D通信，但必然会带来蜂窝用户对D2D用户的干扰，在D2D发送端对蜂窝干扰信号和要发送的D2D信号进行网络编码，然后在D2D接收端根据得到的网络编码信号和蜂窝信号，可以恢复出D2D信号，消除蜂窝用户对D2D用户的干扰。

2、由于两对距离较近的D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源进行D2D通信，两对D2D用户之间也会存在干扰，通过在两个D2D发送端分配复数域网络编码系数，可以消除D2D用户对之间的干扰，在D2D接收端正确恢复D2D信号。并且通过在D2D接收端之间的协作转发可以进一步提高传输可靠性。

附图说明

图1为蜂窝网络中D2D通信模型，在一个蜂窝小区中，两对D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源进行D2D通信，在图1中BS表示基站，CUE表示蜂窝用户，DT1(第一用户)和DT2表示两对D2D用户的发送端(第三用户)，DR1(第二用户)和DR2(第四用户)表示两对D2D用户的接收端，由于两对D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源进行D2D通信，当D2D发送端向D2D接收端发送信号时，D2D接收端就会接收到蜂窝用户发送的干扰蜂窝信号，且两对距离较近的D2D用户的接收端也会接收到彼此的干扰。

图2为基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法的流程图。

具体实施方式

当单个蜂窝小区内部用户数较多时，频谱资源紧缺，两个距离较近的D2D用户可以复用同一个蜂窝用户上行链路的频谱资源以提高频谱利用率。通过在D2D发送端对干扰蜂窝信号和D2D用户的D2D信号进行网络编码，并且为每个D2D发送端分配复数域网络编码系数，可以在D2D接收端采用最大似然检测恢复出相应的D2D信号，消除干扰。并且通过距离较近的D2D接收端之间的中继转发，可以进一步提高传输可靠性。

如图1所示的网络场景，本实施例选取一个蜂窝小区中距离基站较远的两对D2D用户和一个蜂窝用户，所选取的两对需要进行通信的D2D用户需要满足D2D通信的条件，即距离较近，可以进行近距离直接通信，且所选取的用户需要具有D2D通信的功能。之所以选择距离基站较远的D2D对，是因为若距离基站较近，则D2D发送端也会对基站造成干扰，使得干扰情况更加复杂，影响蜂窝通信质量。若选择距离基站较远的D2D对，由于D2D用户之间的距离较近，D2D发送端使用较小的发送功率就可以进行通信，不会对基站造成干扰。蜂窝用户为某一个与基站进行通信的用户。

若多对D2D用户复用同一蜂窝用户上行链路的频谱资源时，可以更加有效地提高频谱资源利用率和系统吞吐量，但其分析情况较为复杂，本实施例只给出两对D2D对复用一个蜂窝上行链路频谱资源的情况。

本发明的具体步骤如下：

一种基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法，所述的方法中，两对D2D用户复用同一蜂窝用户的上行链路资源，即两个D2D用户与一个蜂窝用户的上行链路使用相同的频谱资源进行通信，由于使用同一频谱，两个D2D用户均会受到蜂窝用户所发送的信号的干扰，且两个D2D用户之间也会相互干扰。为了便于表述，记所述的两对D2D用户中的第一对D2D用户对的发送端为第一用户DT1，接收端为第二用户DR1；第二对D2D用户对的发送端DT2为第三用户，接收端为第四用户DR2；所述的方法包括以下步骤：

步骤1，蜂窝用户向基站发送信号x_CUE(干扰信号)，当第一用户、第三用户复用所述蜂窝用户的上行链路的频谱资源分别发送D2D信号x_D1和x_D2给第二用户和第四用户时，由于同频干扰，第一用户、第二用户、第三用户、第四用户均会接收到干扰蜂窝信号x_CUE；基站、第一用户、第二用户、第三用户、第四用户各自接收到的信号可以表示为：

y_CUE-BS＝h_CUE-BSx_CUE+n_CUE-BS

y_CUE-DTi＝h_CUE-DTix_CUE+n_CUE-DTi

y_CUE-DRi＝h_CUE-DRix_CUE+n_CUE-DRi

上面三式中，y_CUE-BS为基站接收到的信号，y_CUE-DTi为第一用户、第三用户接收到的信号，y_CUE-DRi为第二用户、第四用户接收到的信号，h_CUE-BS、h_CUE-DTi、h_CUE-DRi均为各自的信道衰落系数，例如h_CUE-BS是指蜂窝用户和基站BS间的信道衰落系数，n_CUE-BS、n_CUE-DTi、n_CUE-DRi均为均值为0，方差为N₀的高斯白噪声，其中CUE表示蜂窝用户，BS表示基站，DT_i(i＝1,2)表示两对D2D用户的发送端，即第一用户、第三用户；DR_i(i＝1,2)表示两对D2D用户的接收端，即第二用户、第四用户。

第一用户、第二用户、第三用户、第四用户使用最大似然检测法对接收到的信号进行信号检测以得到检测信号

并将所述的检测信号

进行存储，目的是为下一个步骤两对D2D用户的发送端的进一步传输和接收端的干扰消除。

所述的第一用户、第二用户、第三用户、第四用户指代第一用户、第二用户、第三用户、第四用户的通信设备，例如手机。

步骤2，第一对D2D用户的发送端第一用户将要发送的D2D信号x_D1与所述的检测信号

进行网络编码，得到第一网络编码信号

同样地，第二对D2D用户的发送端第三用户将要发送的D2D信号x_D2与所述的检测信号

进行网络编码，得到第二网络编码信号

由于第一对D2D用户、第二对D2D用户复用同一蜂窝用户上行链路的频谱资源，两个D2D发送端同时向D2D接收端发送各自的网络编码信号，会存在D2D用户对之间的干扰，为了避免D2D用户对之间的干扰，使用复数域网络编码进行同频同时隙传输，在接收端使用最大似然检测可以正确恢复接收到的信号。具体地：

基站为所述的第一对D2D用户的发送端第一用户分配网络编码系数θ₁，然后将网络编码系数θ₁与所述第一网络编码信号

相乘后得到第一发送信号，并将第一发送信号发送给第一对D2D用户的接收端第二用户；

同样地，基站为所述的第二对D2D用户的发送端第三用户分配网络编码系数θ₂，然后将网络编码系数θ₂与所述第二网络编码信号相乘后得到第二发送信号，并将第二发送信号发送给第二对D2D用户的接收端第四用户。

由于两对D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源，在同频同时隙传输情况下，第二用户也接收到所述的第二发送信号，而第四用户也接收到了所述的第一发送信号；

上述的第一对D2D用户的接收端第二用户、第二对D2D用户的接收端第四用户接收到的信号分别表示为：

上面两式中，h_DT1-DR1、h_DT2-DR1、h_DT1-DR2、h_DT2-DR2为信道衰落系数，例如h_DT1-DR1即表示第一用户和第二用户之间的信道衰落系数；n_DR1、n_DR2是均值为0，方差为N₀的高斯白噪声。

在本方案中，复数域网络编码系数θ^T＝[θ₁θ₂...θ_n]需要满足如下条件：

当n＝2^k时，θ_i＝e^{jπ(4p-1)(i-1)/(2n)}；当n＝3×2^k时，对任意的p＝1,2,…,n，θ_i＝e^{j π(6p-1)(i-1)/(3n)}，其中k为自然数，n表示D2D用户对的个数，i＝1,2,...,n。

本实施例中，有两个用户对，即n取值为2，则网络编码系数θ^T＝[θ₁θ₂]，且满足：

θ_i＝e^{jπ(4p-1)(i-1)/(2n)}

上式中，n表示D2D用户个数，此处取值为2；i＝1或2，p＝1或2，j为虚数单位。

第一对D2D用户的接收端第二用户、第二对D2D用户的接收端第四用户对接收到的信号y_DR1、y_DR2进行检测，均可以获得第一网络编码信号

和第二网络编码信号

根据获得的第一网络编码信号

和和第二网络编码信号

以及步骤1得到的检测信号

第一对D2D用户的接收端第二用户可以获得D2D信号x_D1以及D2D信号x_D2，其中x_D1的计算方式为

x_D2的计算方式为

同理，按照同样的方法可在第二对D2D用户的接收端第四用户处获得D2D信号x_D1以及D2D信号x_D2。注：本方案中所述的网络编码采用异或运算的编码方式，即

表示异或运算。

在步骤2使用网络编码的方法消除了蜂窝信号对D2D接收端的同频干扰，同时由于为两个D2D发送端分配了复数域网络编码系数，也避免了D2D对之间的干扰，使得D2D接收端可以正确恢复同时接收到的两个D2D信号。

为了进一步增加信号传输的可靠性，本发明方法还可以包括：

步骤3，第一对D2D用户的接收端第二用户将步骤2获得的D2D信号x_D1和D2D信号x_D2进行网络编码后获得网络编码信号

将该网络编码信号

发送给第二对D2D用户的接收端第四用户；第四用户接收到网络编码信号

后，根据步骤2得到的D2D信号x_D1可再次获得x_D2；

同理，第二对D2D用户的接收端第四用户将步骤2获得的D2D信号x_D1和D2D信号x_D2进行网络编码后获得网络编码信号

将该网络编码信号

发送到第一对D2D用户的接收端第二用户；第二用户接收到网络编码信号

后，根据步骤2得到的D2D信号x_D2可再次获得x_D1。

步骤三使用协作中继的方法，将一个D2D接收端作为另一个D2D接收端的中继，通过网络编码转发可以在每个D2D接收端再次获得D2D信号，即每个D2D接收端都可以通过两条独立链路获得信号，即D2D接收端可以两次接收到所需的D2D信号，增加传输可靠性。

当D2D对复用蜂窝用户上行链路频谱资源不使用上述的干扰消除和编码协作中继方法时，蜂窝用户CUE通过蜂窝上行链路向基站发送信号x_CUE的同时，D2D发送端DT也使用该频谱向D2D接收端DR发送信号x_D，因为在同频同时隙传输，D2D接收端在接收到信号x_D的同时，也会接收到蜂窝用户发送的干扰信号x_CUE，因此在D2D接收端的信干噪比较小，D2D接收端的中断概率较大，D2D通信容易发生中断。

对于基于网络编码的干扰消除和协作转发方法，首先从D2D发送端到D2D接收端的链路中，在D2D发送端对蜂窝干扰信号和D2D信号进行了网络编码操作，又在D2D接收端对蜂窝信号进行了消除，达到消除蜂窝信号干扰的目的。对于距离较近的两对D2D用户，在D2D发送端为每个D2D用户分配了复数域网络编码系数，因此在D2D接收端可以正确恢复接收到的两个网络编码信号，消除了D2D对之间的干扰。根据两个D2D接收端正确检测出来的两个D2D信号，对其进行网络编码操作后互为中继进行编码转发，根据接收到的网络编码信号与自身检测出的D2D信号可以再次获得所需的D2D信号。与不进行干扰消除的D2D传输方案相比，此方法提高了D2D接收端的信干噪比，并且降低了D2D接收端的中断概率，增加了D2D链路的可达速率。

Claims (3)

1.基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法，其特征在于，在蜂窝用户向基站发送信号x_CUE的过程中，两对D2D用户复用蜂窝用户的上行链路频谱资源发送D2D信号；记所述的两对D2D用户中的第一对D2D用户对的发送端为第一用户，接收端为第二用户；第二对D2D用户对的发送端为第三用户，接收端为第四用户；所述的方法包括以下步骤：

步骤1，蜂窝用户向基站发送信号x_CUE，由于两对D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源，第一用户、第二用户、第三用户、第四用户在同一时隙均能接收到蜂窝用户的信号x_CUE，并将所述的信号x_CUE进行信号检测以得到检测信号

步骤2，第一用户将要发送的D2D信号x_D1与所述的检测信号

进行网络编码，得到第一网络编码信号

第三用户将要发送的D2D信号x_D2与所述的检测信号

进行网络编码，得到第二网络编码信号

基站为所述的第一用户分配网络编码系数θ₁，然后将网络编码系数θ₁与所述第一网络编码信号

相乘后得到第一发送信号，并将第一发送信号发送给第二用户；

基站为所述的第三用户分配网络编码系数θ₂，然后将网络编码系数θ₂与所述第二网络编码信号相乘后得到第二发送信号，并将第二发送信号发送给第四用户；

由于两对D2D用户复用同一蜂窝上行链路频谱资源，第二用户也会接收到第二发送信号，第四用户也会接收到第一发送信号；

第二用户、第四用户对接收到的第一发送信号、第二发送信号进行信号检测，得到D2D信号x_D1和D2D信号x_D2；

所述的方法还包括：

步骤3，第二用户将步骤2获得的D2D信号x_D1和D2D信号x_D2进行网络编码后获得网络编码信号

将该网络编码信号

发送给第四用户；第四用户接收到网络编码信号

后，根据步骤2得到的D2D信号x_D1可再次获得x_D2；

第四用户将步骤2获得的D2D信号x_D1和D2D信号x_D2进行网络编码后获得网络编码信号

将该网络编码信号

发送到第二用户；第二用户接收到网络编码信号

后，根据步骤2得到的D2D信号x_D2可再次获得x_D1。

2.如权利要求1所述的基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法，其特征在于，步骤1和步骤2中所述的信号检测的方法为最大似然检测法。

3.如权利要求1所述的基于网络编码的D2D干扰消除和协作转发方法，其特征在于，所述的网络编码系数θ₁、网络编码系数θ₂均为复数域的网络编码系数，且满足：

θ_i＝e^{jπ(4p-1)(i-1)/(2n)}

上式中，n表示D2D用户对数，此处取值为2；i＝1或2，p＝1或2，j为虚数单位。

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