CN110768759A - 一种混合双工中继辅助的d2d通信方法 - Google Patents

一种混合双工中继辅助的d2d通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了本发明提供了一种混合双工中继辅助的D2D通信方法，该方法包括以下五个步骤：建立系统模型；对传输子帧进行切割。在时隙1内，D2D辅助中继接收来自基站发送的蜂窝用户信号，同时发送D2D用户信号到D2D接收用户，实现全双工通信模式传输；在时隙2内，D2D中继停止接收来自基站的信号，仅由发射天线解码转发在时隙1内接收的蜂窝用户信号，实现半双工通信模式传输；分别在时隙1和时隙2内，对基站和D2D中继进行功率控制，保证基站和D2D中继以最优的发射功率进行信号传输。本发明在移动蜂窝通信技术资源管理领域由广泛的应用价值。

Description

一种混合双工中继辅助的D2D通信方法
技术领域
本发明涉及移动蜂窝通信技术资源管理领域，尤其是一种混合双工中继辅助的D2D通信模式及功率控制方法。
背景技术
随着互联网业务的快速发展，移动数据量呈现爆炸性增长，为了满足未来10到15年人们对于移动通信系统更快的传输速率、更多吞吐量的需求，在传统移动蜂窝网络中引入D2D(device-to-device，数据直通)技术。D2D通信是一种在基站控制下，通过复用蜂窝用户的信道资源，实现距离较近的移动设备直接进行通信的技术。不同于传统的移动蜂窝通信，D2D用户的数据传输不再通过基站的转发。相比用户到基站的传输距离，D2D通信的传输相对较短，路径损耗较小，因此在蜂窝网络中引入D2D可以获得更高的信道增益和更快的传输速率。尤其当用户处于小区边缘或者用户到基站的链路处于深度衰落的状态时，D2D带来的信道增益更加明显。同时，D2D用户可以通过复用蜂窝用户的信道资源接入蜂窝网络中，通过合适的信道分配和功率控制来满足D2D用户和蜂窝用户的服务质量要求。因此D2D通信可以节省信道资源，提高系统频谱效率和吞吐量。
当蜂窝用户处于小区边缘或者处于深度衰落的情况时，蜂窝用户自身的通信服务质量得不到保证，此时D2D用户不可以直接复用其信道资源。为了使得蜂窝用户的通信服务质量得到保证，同时在蜂窝系统中接入D2D用户，需要引入D2D中继辅助技术。通过将D2D的发射用户作为基站到蜂窝用户传输的中继，辅助蜂窝用户的传输，改善其数据传输质量。同时D2D用户通过复用被辅助蜂窝用户的信道资源，接入到蜂窝系统中。本发明主要涉及对移动蜂窝通信技术资源管理领域的研究，具体研究一种混合双工中继辅助的D2D通信模式及功率控制方法。
目前国内外学者都对D2D中继辅助技术进行了一定研究。在期刊《IEEETransactions on Wireless Communications》第8卷第10期中，由A.Pandharipande撰写的“Cooperative decode-and-forward relaying for secondary spectrum access”一文中，提出了一种基于半双工中继辅助的D2D通信模式，通过将一个子帧切割为两个正交的传输时隙，在第一个传输时隙内基站传输信号到D2D中继也即D2D发射端，在第二个传输时隙内，D2D中继产生一个由蜂窝用户信号和D2D用户信号的线性组合信号，分别传输给蜂窝用户和D2D接收端。线性组合信号的加权因子为D2D中继转发的蜂窝用户信号和D2D通信信号的发射功率。可以看出，蜂窝用户和D2D用户只能分别在一个时隙内传输，这使得半双工辅助模式的传输速率和频谱利用率相对较低。在期刊《IEEE Transactions on WirelessCommunications》第15卷第5期中，由Li.Q撰写的“Performance of Virtual Full-DuplexRelaying on Cooperative Multi-Path Relay Channels”一文中，针对半双工模式下D2D中继只能在不同时隙内分别收发，通过增加一个半双工中继节点，实现在两路半双工中继转发下同时收发的虚拟全双工传输。在期刊《IEEE Transactions on VehicularTechnology》第64卷第10期中，由G.Zhang撰写的“Power allocation for full-duplexrelaying-based D2D communication under laying cellular networks”一文中，提出了一种全双工中继辅助的D2D通信模式，通过在D2D中继配备两路天线实现D2D中继的同时收发。但是这种模式将产生中继端从发射天线到接收天线的回路干扰。桂林电子科技大学的陈宏滨等人在公开号为CN106535202A的专利中，提出了一种中继辅助非授权用户的半双工/全双工混合传输方法。其系统模型中包括一对授权用户发射端和接收端、一对非授权用户发射端和接收端，以及若干作为潜在中继的非授权用户。当非授权用户对采用全双工模式引起的对授权用户的干扰小于阈值时，采用全双工传输。反之采用半双工传输。这种混合双工的传输模式需要若干非授权用户作为潜在的中继节点，并且半双工/全双工模式只能在不同传输子帧间切换，而不是在每个传输时隙内实现切换。
发明内容
本发明的目的在于提出一种混合双工中继辅助的D2D通信模式及功率控制方法。在蜂窝用户处于小区边缘或者处于深度衰落状态，其自身的服务质量得不到保证时，D2D用户作为辅助中继帮助基站到蜂窝用户链路的数据传输，并且作为辅助中继的D2D用户在不同传输时隙内采用全双工和半双工的混合模式。同时D2D用户通过复用蜂窝用户的信道资源接入蜂窝小区，实现D2D用户之间的数据传输。本发明能够在保证蜂窝用户服务质量的同时，最大化D2D用户的传输速率。
本发明的技术方案是：一种混合双工中继辅助的D2D通信模式及功率控制方法，包括以下步骤：
步骤一：系统模型的建立。识别处于小区边缘或者深度衰落状态的蜂窝用户和待接入蜂窝小区的D2D用户对。其中D2D用户对包括D2D发射用户和D2D接收用户。D2D发射用户同时作为辅助中继来帮助蜂窝用户进行信号传输，其配备有一根发射天线和一根接收天线，可以实现同时收发信号。
步骤二：对传输子帧进行切割。将一个中继传输子帧切割成两个相等的传输时隙，分别记为时隙1和时隙2。
步骤三：在时隙1内，进行D2D中继的全双工模式传输。在时隙1内，基站将蜂窝用户信号发送给D2D中继，由D2D中继接收天线接收，同时D2D中继作为D2D用户的发射端，发送D2D信号到D2D用户接收端。
步骤四：在时隙2内，进行D2D中继的半双工模式传输。在时隙2内，D2D中继停止接收来自基站的信号，仅由发射天线解码转发在时隙1内接收的蜂窝用户信号。不同于以往的单一双工和混合双工模式，在时隙2内D2D中继仅仅转发蜂窝用户的信号，而不是转发蜂窝用户和D2D用户的混合信号，避免了两者互相干扰，提高了传输速率。
步骤五：分别在时隙1和时隙2内，对基站和D2D中继进行功率控制。由于采用解码转发的方式，基站到蜂窝用户链路的最终传输速率取决于基站到D2D中继链路与D2D中继到蜂窝用户链路传输速率的较小值。最优传输速率在两条链路传输速率相等时取得，即传输速率匹配状态。
本发明的核心技术内容在于在将每个传输子帧切割成相等的传输时隙，同时在不同时隙内，D2D辅助中继分别以全双工和半双工的混合模式进行传输，并且在不同模式下对D2D中继进行相应的发射功率控制。在保证了蜂窝用户服务质量要求的同时，最大化D2D用户的传输速率，提高系统的总吞吐量。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地说明。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为混合双工中继辅助的D2D通信系统示意图。
图3为本发明实例中利用matlab仿真得到的在基站到D2D中继链路不同信道增益下系统吞吐量比较曲线。
图4为本发明实例中利用matlab仿真得到的在基站到D2D中继链路不同信道增益下D2D用户传输速率比较曲线。
图5为本发明实例中利用matlab仿真得到的在D2D中继到蜂窝用户链路不同信道增益下D2D用户传输速率比较曲线。
具体实施方式
本实施例提供一种混合双工中继辅助的D2D通信模式及功率控制方法，其流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤一：系统模型的建立。如图2所示，混合双工中继辅助的D2D通信系统包括一个基站B、一个蜂窝用户C和一对D2D用户，其中D2D用户包括D2D发射用户R和接收用户D。D2D发射用户同时作为辅助中继来帮助蜂窝用户进行信号传输，其配备有一根发射天线和一根接收天线，可以实现同时收发信号。假定系统工作在下行链路，系统带宽为W，蜂窝用户处于小区边缘或者深度衰落状态，基站到蜂窝用户的直通链路传输速率小于蜂窝用户的最小传输速率需求，即
Figure BDA0001744038230000041
Figure BDA0001744038230000042
其中
Figure BDA0001744038230000043
为基站到蜂窝用户的直通链路传输速率，Rre为蜂窝用户的传输速率需求，log2为以2为底的对数函数，pB为基站发射功率，hBC为基站到蜂窝用户链路的信道脉冲响应，| |2表示取模的平方，σ2为高斯白噪声。
步骤二：对传输子帧进行切割。将一个中继传输子帧切割成两个相等的传输时隙，分别记为时隙1和时隙2。
步骤三：在时隙1内，进行D2D中继的全双工模式传输。在时隙1，基站以发射功率pB发送一个信号sC(i)，同时D2D中继以发射功率pR1发送一个信号sD(i)，则此时在D2D中继接收天线和D2D接收用户接收到的信号可以分别表示为
Figure BDA0001744038230000045
其中pB、pR1分别为基站和D2D中继的发射功率，sC(i)、sD(i)分别表示在传输时刻i基站发送给蜂窝用户和D2D中继发送给D2D接收用户的信号，其均值归一化为1。hm,n(m,n＝B,R,D)表示用户m到用户n的信道脉冲响应，hL表示D2D中继发射天线到接收天线的回传链路的信道脉冲响应，n0是均值为0方差为σ2的加性高斯白噪声。假设所有信道为准静态的衰落信到，信道脉冲响应在一个传输子帧内保持不变。
D2D中继和D2D接收用户分别根据时隙1接收的信号进行解码，其信干噪比分别表示为
Figure BDA0001744038230000051
Figure BDA0001744038230000052
步骤四：在时隙2内，进行D2D中继的半双工模式传输。在时隙2，D2D中继停止接收来自基站的信号和发送D2D用户本身的信号，仅由D2D中继发射天线转发在时隙1内接收的蜂窝用户信号。在时隙2内，D2D中继以发射功率pR2转发蜂窝用户接收到的信号可以表示为
Figure BDA0001744038230000053
其中pR2为D2D中继在时隙2内的发射功率，hRC为D2D中继到蜂窝用户链路的信道脉冲响应，sC(i)为D2D中继解码的蜂窝用户信号，n0是均值为0方差为σ2的加性高斯白噪声。
蜂窝用户的信干噪比表示为
Figure BDA0001744038230000054
其中| |2表示取模的平方。
步骤五：分别在时隙1和时隙2内，对基站和D2D中继进行功率控制。在时隙1内，基站将蜂窝用户信号发送给D2D中继，由D2D中继接收天线接收，同时D2D中继作为D2D用户的发射端，发送D2D信号到D2D用户接收端。在时隙2内，蜂窝用户信号经过基站到D2D中继，再由D2D中继解码之后转发到蜂窝用户的两跳传输，最终到达蜂窝用户接收端，因此，蜂窝用户端到端的信干噪比可以表示为
γHD＝min{γR,γC} (9)
其中min{a,b}表示取两者中的较小值。
由香农公式得到蜂窝用户和D2D用户的传输速率为
Figure BDA0001744038230000061
Figure BDA0001744038230000062
由于必须满足蜂窝用户的传输速率需求，即
Figure BDA0001744038230000063
通过公式变换可以得到蜂窝用户端到端的信干噪比取值范围为
Figure BDA0001744038230000064
假定蜂窝用户的传输速率刚好得到满足，即取等号的情况，即
Figure BDA0001744038230000065
Figure BDA0001744038230000066
由于蜂窝用户端到端的信干噪比γHD取决于两跳链路中信干噪比的较小值决定，因此需要使得两跳链路分别取得最优值。在时隙1内，为了使得D2D接收天线的信干噪比
Figure BDA0001744038230000067
最优，基站需要以最大的发射功率传输信号，即
Figure BDA0001744038230000068
其中
Figure BDA0001744038230000069
为基站的最优发射功率，
Figure BDA00017440382300000610
为基站的最大发射功率。
对于D2D中继的最优发射功率的求解，需要考虑两种情况，
情况一：当在时隙1内，由于D2D中继的回路干扰较强，使得基站到D2D中继链路的信干噪比成为两跳链路中的较小值时，需要满足其信干噪比等于γHD，其信干噪比可以表示为γR＝γHD,即
Figure BDA00017440382300000611
通过求解可以得到D2D中继在时隙1内的发射功率pR1最优值
Figure BDA0001744038230000071
其中
Figure BDA0001744038230000072
为D2D中继的最大发射功率。
在时隙2内，D2D中继仅发送在时隙1内解码的蜂窝用户信号，为了提高系统的功率效率，当且仅当D2D中继到蜂窝用户的信干噪比等于时隙1内基站到D2D中继链路的信干噪比时，D2D中继的发射功率取得最优值，即γC＝γR,通过公式变换可以得到在时隙2内，D2D中继的最优发射功率
Figure BDA0001744038230000073
为
Figure BDA0001744038230000074
情况二：当在时隙2内，由于D2D中继到蜂窝用户的信道状况较差，使得D2D中继到蜂窝用户链路的信干噪比成为两跳链路中的较小值时，需要满足其信干噪比等于γHD，其信干噪比可以表示为γC＝γHD,即
Figure BDA0001744038230000075
通过求解可以得到D2D中继在时隙2内的发射功率pR2最优值
Figure BDA0001744038230000076
在时隙1内，为了使得D2D用户的传输速率最大，因此需要D2D中继以最大发射功率进行传输，其最优发射功率可以表示为
Figure BDA0001744038230000077
下面结合具体实施例进一步说明本发明的有益效果。
设系统总传输带宽为0.1MHz，蜂窝用户的传输速率需求为50Kb/s，基站和D2D中继的最大发射功率为1W，基站到D2D中继和D2D中继到蜂窝用户的信道增益为10dB，D2D中继到D2D接收用户的信道增益为30dB，基站到蜂窝用户和基站到D2D接收用户的信道增益为-5dB，代表蜂窝用户处于小区边缘或者处于深度衰落状态。如图3、4、5所示，与其他方法相比，本发明在保证蜂窝用户传输速率需求的同时，可以提高D2D用户的传输速率和系统总吞吐量。

Claims (6)

1.一种混合双工中继辅助的D2D通信方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤A：系统模型的建立；
步骤B：对传输子帧进行切割；将一个中继传输子帧切割成两个相等的传输时隙，分别记为时隙1和时隙2；
步骤C：在时隙1内，进行D2D中继的全双工模式传输；在时隙1内，基站将蜂窝用户信号发送给D2D中继，由D2D中继接收天线接收，同时D2D中继作为D2D用户的发射端，发送D2D信号到D2D用户接收端；
步骤D：在时隙2内，进行D2D中继的半双工模式传输；在时隙2内，D2D中继停止接收来自基站的信号，仅由发射天线解码转发在时隙1内接收的蜂窝用户信号；
步骤E：分别在时隙1和时隙2内，对基站和D2D中继进行功率控制。
2.根据权利要求1所述的混合双工中继辅助的D2D通信方法，其特征在于：系统模型中：识别处于小区边缘或者深度衰落状态的蜂窝用户和待接入蜂窝小区的D2D用户对；其中，D2D用户对包括D2D发射用户和D2D接收用户；D2D发射用户同时作为辅助中继来帮助蜂窝用户进行信号传输，其配备有一根发射天线和一根接收天线，可以实现同时收发信号。
3.根据权利要求1所述的混合双工中继辅助的D2D通信方法，其特征在于：采用解码转发的方式，基站到蜂窝用户链路的最终传输速率取决于基站到D2D中继链路与D2D中继到蜂窝用户链路传输速率的较小值；最优传输速率在两条链路传输速率相等时取得，即传输速率匹配状态。
4.根据权利要求1所述的混合双工中继辅助的D2D通信方法，其特征在于：D2D辅助中继配备有接收天线和发射天线，可以实现同时收发。
5.根据权利要求1所述的混合双工中继辅助的D2D通信方法，其特征在于：D2D辅助中继接收来自基站传输的蜂窝用户信号，同时发送D2D用户信号到D2D接收用户。
6.根据权利要求1所述的混合双工中继辅助的D2D通信方法，其特征在于：步骤E中，功率控制包括：
(1)蜂窝用户的最优传输速率在基站到D2D辅助中继链路和D2D辅助中继到蜂窝用户链路的信干噪比相等时取得，即满足传输速率匹配时取得最优；
(2) 当由于D2D中继的回路干扰较强，使得在时隙1内，基站到D2D中继链路的信干噪比成为两跳链路中的较小值时，需要满足其信干噪比等于蜂窝用户的最小信干噪比；
(3)当由于D2D中继到蜂窝用户的信道状况较差，使得在时隙2，D2D中继到蜂窝用户链路的信干噪比成为两跳链路中的较小值时，需要满足其信干噪比等于蜂窝用户的最小信干噪比。
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