CN110061764B - 基于noma和中继技术的协作d2d传输方案 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方案，其D2D发送端复用与其相邻的蜂窝用户的频谱资源，提高了整个蜂窝系统的频带利用率，同时减轻了对相邻小区蜂窝用户的干扰。由于频率复用蜂窝用户对D2D造成的干扰问题可以使用SIC解决，提高了D2D用户的吞吐量。针对D2D对受距离限制不能直接通信或直接通信质量较差的问题，采用蜂窝用户充当D2D中继的方法转发D2D发送端的数据，有效的提高了D2D的吞吐量。针对作为中继的蜂窝用户不能向基站传输信息的问题，采用基于NOMA的协作传输方案。保证了蜂窝用户的通信质量。

Description

基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方案

技术领域

本发明涉及一种非正交多址（NOMA）技术的D2D通信，更具体地涉及一种基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方案，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着多媒体业务需求的急剧增长，频谱资源短缺成为限制移动通信发展的一个瓶颈。设备到设备的通信（D2D，Device-to-Device）作为5G通信的关键技术之一，和传统的通过基站进行信息传输的蜂窝通信不同，它能够使移动设备在信息传输时不经过基站直接进行信息的交互。如图1所示，它通过复用蜂窝用户频谱资源的方式能够有效的提高频谱效率，降低传输时延并扩大基站覆盖范围，同时也提高了蜂窝通信系统的吞吐量。

D2D在基站的控制下进行直接通信，在通信时，D2D对可以共享蜂窝用户的频谱资源也可以使用专用的频谱资源进行通信。通常D2D有三种通信模式，分别是专用模式、蜂窝模式和复用模式，其中复用模式是D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源进行直接通信，这种模式大大提高了频谱的利用效率，但是会对蜂窝用户产生干扰，图2是小区间上行链路干扰模型图。传统的频谱复用为了降低D2D用户和蜂窝用户的相互干扰，通常D2D对复用距离D2D较远的蜂窝用户的频谱，这种复用方式虽然减少了D2D对本小区蜂窝用户的干扰，但是有可能对相邻小区的蜂窝用户造成干扰。如图2所示，D2D对复用本小区蜂窝用户CUE1的频谱资源，同时小区B里的蜂窝用户CUE3采用的同样的频率进行传输，这样D2D在信息传输时不仅对本小区的蜂窝用户造成干扰也对相邻小区造成了干扰。对此，采用复用与D2D用户较近的蜂窝用户CUE3的频谱可以解决D2D用户对小区干扰的问题，这是因为蜂窝用户CUE3距离小区B比较近，在小区B中不允许使用小区A中蜂窝用户的资源。对于D2D用户与蜂窝用户距离较近同时又资源复用所带来的严重相互干扰问题，采用非正交多址（NOMA）技术可以有效的解决。

NOMA技术在相同的时频资源上叠加多个用户的数据，通过功率分配来区别不同的用户信号。图3是两用户下行链路单载波NOMA通信模型图，基站以功率P_S发送用户1和用户2的叠加信号，CUE1为远端用户（信道条件差），基站分配的发送功率较大；CUE2为近端用户（信道条件好），基站分配的发送功率较小，即(1-α)P_S>αP_S（α为功率分配因子）。在接收端远端用户CUE1通过将近端用户CUE2的信号作为干扰解出自己的信号，近端用户CUE2先解码CUE1的信号再通过连续干扰消除（SIC）解码得到所需信号。NOMA技术通过在功率域区分不同的信号保证了蜂窝用户服务质量（QoS），同时提高了频谱资源的利用率。

D2D通信因其短距离直接通信的优点能促进新型移动应用和业务模型的发展，然而当D2D对用户处于蜂窝边缘同时又由于距离较远不能够直接通信或直接通信质量较差时，即使通过基站传输信息由于距离较远损耗过大使得通信建立失败，这极大的影响了蜂窝系统的性能，由此引入了蜂窝用户充当中继的技术。如图4所示，基于蜂窝用户充当中继的通信方案可以保证D2D对的通信质量，整体提高了蜂窝系统的服务性能。

蜂窝用户通过充当中继保证了D2D对的正常通信，但是蜂窝用户在充当中继的过程中牺牲了自己的通信，纯粹的进行信息的转发。针对该问题本发明提出了一种协作传输的思想，即充当中继的蜂窝用户发送NOMA叠加信号，该NOMA信号由两部分组成，一部本是蜂窝用户发送给基站的信息，另外一部分是D2D用户的信息。在基站接收端把低功率D2D信号当作干扰解出蜂窝用户的信号，D2D接收端使用连续干扰消除（SIC）解出D2D信号，由此充当中继的蜂窝用户的信息传输问题得到解决。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方案，以提高整个蜂窝系统的频带利用率、减轻对相邻小区蜂窝用户的干扰，并解决D2D对受距离限制不能直接通信或直接通信质量较差的问题，还能够解决中继的蜂窝用户不能向基站传输信息的问题。

本发明提供一种基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方案，包括以下步骤：

步骤1、蜂窝用户CUE1向基站BS发送信号S₁，同时D2D发送端复用邻近蜂窝用户CUE1的频谱资源向中继蜂窝用户CUE2发送信号S_D；

步骤2、基站BS处收到信号S₁+S_D，把S_D当作干扰解出蜂窝用户CUE1的信号S₁，完成蜂窝用户CUE1和基站BS的上行链路通信；

步骤3、中继蜂窝用户CUE2处收到的信号也是S₁+S_D，中继蜂窝用户CUE2首先把信号S_D当作干扰解出高功率信号S₁，之后利用连续干扰消除解出信号S_D，完成D2D发送端到中继蜂窝用户CUE2的信息传输；

步骤4、中继蜂窝用户CUE2向基站BS和D2D接收端发送叠加信号S₂+S_D；

步骤5、基站BS收到中继蜂窝用户CUE2发送的叠加信号S₂+S_D，基站BS在信息解码时把信号S_D当作干扰解出信号S₂，完成中继蜂窝用户CUE2到基站BS的信息传输；

步骤6、D2D接收端收到CUE2发送的叠加信号S₂+S_D，在信息解码时D2D接收端首先把信号S_D当作干扰解出信号S₂，之后利用连续干扰消除解出信号S_D，完成D2D发送端与D2D接收端之间的信息传输。

作为本发明的进一步技术方案，步骤1中蜂窝用户CUE1以功率P₁向基站BS发送信号S₁，D2D发送端以功率P_D向中继蜂窝用户CUE2发送信号S_D。

进一步的，蜂窝用户CUE1到基站BS的距离大于D2D发送端到基站BS的距离，P₁>P_D。

进一步的，步骤4中中继蜂窝用户CUE2以功率P₂向基站BS和D2D接收端发送叠加信号S₂+S_D，其中信号S₂的发送功率是αP₂，信号SD的发送功率是（1-α）P₂，α为功率分配因子。

进一步的，中继蜂窝用户CUE2到基站BS的距离大于中继蜂窝用户CUE2到D2D接收端的距离，αP₂>(1-α)P₂。

进一步的，系统帧结构被划分成奇偶交替且等长的时隙，普通蜂窝用户CUE在所有时隙与基站BS保持上行链路数据通信，D2D发送端在奇数时隙发送信号，中继蜂窝用户CUE2在奇数时隙接收D2D发送端发来的信号，在偶数时隙发送叠加信号。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：首先，D2D发送端非正交的复用相邻边缘蜂窝用户的频谱资源提高了频谱的利用效率，降低了对相邻小区的干扰；其次，通过选择蜂窝用户充当D2D对的中继有效的解决了D2D通信因距离限制致使通信受挫的问题；最后，基于NOMA的协作通信传输方案解决了普通蜂窝中继在一个时隙能只能转发D2D用户数据的问题。该方案使用NOMA技术并利用蜂窝用户充当D2D中继在作为中继的蜂窝用户自身的通信质量不受影响的前提下，大大提高了D2D的通信质量。

附图说明

图1是LTE系统下的D2D通信链路图；

图2是小区间上行干扰模型图；

图3是两用户下行链路单载波NOMA通信场景图；

图4是蜂窝用户充当中继的D2D通信场景图；

图5是系统信息传输调度帧结构示意图；

图6是基于NOMA和中继技术的D2D协作传输方案场景图；

图7是基于NOMA和中继技术的D2D一般模型图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、提出的技术方案和有益效果更佳清晰，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实施例提出的基于NOMA和中继技术的D2D协作传输方案是针对单个小区通信场景，如图6所示，小区内存在多个协作传输用户组。为了便于说明，针对一个协作传输组一般通信场景，如图7所示，小区内包含一个基站BS，两个蜂窝用户CUE1和CUE2以及一对D2D用户D2D_T（D2D发送端）和D2D_R（D2D接收端）。蜂窝用户和D2D用户均位于小区边缘，D2D_T和D2D_R受距离限制不能直接通信，蜂窝用户CUE2作为中继接收D2D_T的信息并转发给D2D_R，同时，D2D_T复用CUE1的频谱资源进行上行链路数据传输。如图5所示，系统帧结构被划分成奇偶交替且等长的时隙，普通蜂窝用户CUE在所有时隙与基站BS保持上行链路数据通信，D2D发送端在奇数时隙发送信号，中继蜂窝用户CUE2在偶数时隙发送信号。图中粗线条表示奇数时隙的信息传输，细线条表示偶数时隙的信息传输；实线代表有用的信号信息，虚线代表干扰信息。下面以系统在两个时隙的数据传输为例来说明本方案的过程。

1．奇数时隙

步骤1：蜂窝用户CUE1以功率P₁向基站发送信号S₁，同时D2D发送端复用蜂窝用户CUE1的频谱资源以功率P_D向中继CUE2发送信号S_D，由于蜂窝用户CUE1距离基站较远信道条件较差，因此CUE1的发送功率较大，D2D_T与CUE2的距离较近信道条件较好，D2D_T的发送功率较小，即P₁>P_D。

步骤2：在基站BS处收到的信号是S₁+S_D，S₁是大功率信号，S_D是小功率信号，通过把小功率信号S_D当作干扰解出蜂窝用户CUE1的信号S₁，完成了蜂窝用户CUE1和基站BS的上行链路通信。

步骤3：在中继CUE2处收到的信号也是S₁+S_D，由于S₁信号的功率大于S_D信号的功率，中继首先把信号S_D当作干扰解出高功率信号S₁，之后利用连续干扰消除（SIC）解出信号S_D，完成了D2D_T到中继CUE2的信息传输。

2．偶数时隙

步骤1：中继CUE2以功率P₂发送叠加信号S₂+S_D，S₂是中继CUE2发送给基站BS的信号，S_D是中继CUE2转发给D2D_R的信号，其中信号S₂的发送功率是αP₂，信号S_D的发送功率是（1-α）P₂，α为功率分配因子。由于CUE2到基站距离较远，CUE2到D2D_R距离较近，因此信号S₂的功率应该大于信号S_D的功率，即αP₂>(1-α)P₂。

步骤2：基站BS收到CUE2发送的叠加信号S₂+S_D，基站在信息解码时把低功率信号S_D当作干扰解出中继蜂窝用户发送的信号S₂，完成了中继蜂窝用户CUE2到基站BS的信息传输。

步骤3：同样，D2D_R处也收到了CUE2发送的叠加信号S₂+S_D，在信息解码时D2D_R首先把信号S_D当作干扰解出高功率信号S₂，之后利用连续干扰消除（SIC）解出低功率信号S_D，至此完成了D2D对间的信息传输。

本发明的技术效果为：

1)D2D发送端复用与其相邻的蜂窝用户的频谱资源，提高了整个蜂窝系统的频带利用率，同时减轻了对相邻小区蜂窝用户的干扰。由于频率复用蜂窝用户对D2D造成的干扰问题可以使用SIC解决，提高了D2D用户的吞吐量。

2）针对D2D对受距离限制不能直接通信或直接通信质量较差的问题，采用蜂窝用户充当D2D中继的方法转发D2D发送端的数据，有效的提高了D2D的吞吐量。

3）针对作为中继的蜂窝用户不能向基站传输信息的问题，采用基于NOMA的协作传输方案，保证了蜂窝用户的通信质量。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方法，其特征在于，该方法适用于单个小区通信场景，蜂窝用户和D2D用户均位于小区边缘，D2D发送端和D2D接收端受距离不能直接通信，系统帧结构被划分为奇偶交替且等长的时隙，普通蜂窝用户CUE在所有时隙与基站BS保持上行链路数据通信，D2D发送端在奇数时隙发送信号，中继蜂窝用户CUE2在偶数时隙发送信号，该方法包括以下步骤：

步骤1、蜂窝用户CUE1向基站BS发送信号S₁，同时D2D发送端复用邻近蜂窝用户CUE1的频谱资源向中继蜂窝用户CUE2发送信号S_D；

步骤2、基站BS处收到信号S₁+S_D，把S_D当作干扰解出蜂窝用户CUE1的信号S₁，完成蜂窝用户CUE1和基站BS的上行链路通信；

步骤3、中继蜂窝用户CUE2处收到的信号也是S₁+S_D，中继蜂窝用户CUE2首先把信号S_D当作干扰解出高功率信号S₁，之后利用连续干扰消除解出信号S_D，完成D2D发送端到中继蜂窝用户CUE2的信息传输；

步骤4、中继蜂窝用户CUE2向基站BS和D2D接收端发送叠加信号S₂+S_D；

步骤5、基站BS收到中继蜂窝用户CUE2发送的叠加信号S₂+S_D，基站BS在信息解码时把信号S_D当作干扰解出信号S₂，完成中继蜂窝用户CUE2到基站BS的信息传输；

步骤6、D2D接收端收到CUE2发送的叠加信号S₂+S_D，在信息解码时D2D接收端首先把信号S_D当作干扰解出信号S₂，之后利用连续干扰消除解出信号S_D，完成D2D发送端与D2D接收端之间的信息传输。

2.根据权利要求1所述的基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方法，其特征在于：步骤1中蜂窝用户CUE1以功率P₁向基站BS发送信号S₁，D2D 发送端以功率P_D向中继蜂窝用户CUE2发送信号S_D。

3.根据权利要求2所述的基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方法，其特征在于：蜂窝用户CUE1到基站BS的距离大于D2D发送端到基站BS的距离，P₁＞P_D。

4.根据权利要求1所述的基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方法，其特征在于：步骤4中中继蜂窝用户CUE2以功率P₂向基站BS和D2D接收端发送叠加信号S₂+S_D，其中信号S₂的发送功率是αP₂，信号SD的发送功率是(1-α)P₂，α为功率分配因子。

5.根据权利要求4所述的基于NOMA和中继技术的协作D2D传输方法，其特征在于：中继蜂窝用户CUE2到基站BS的距离大于中继蜂窝用户CUE2到D2D接收端的距离，αP₂＞(1-α)P₂。

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