CN112689270B - 一种蜂窝与d2d混合通信网络中干扰消除的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蜂窝与D2D混合通信网络中干扰消除的方法，属于通信技术领域。混合网络中蜂窝基站覆盖范围内存在若干与其共享下行频谱资源的D2D通信对，移动终端均有多根天线，通过对D2D发射机终端采用预编码技术，将D2D链路对蜂窝用户的干扰约束在零空间内。使用这种传输方案，在D2D链路复用蜂窝用户下行频率资源的时候，可以消除复用带给蜂窝用户的同频干扰，可以提升系统内被复用蜂窝用户的传输速率，同时可以解决D2D终端和被复用蜂窝用户之间位置的限制，有效提高D2D终端的接入率。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种蜂窝与D2D混合通信网络中干扰消除的方法。
背景技术
D2D通信是一种在基站控制下，允许邻近的终端使用蜂窝资源直接进行通信的新型技术。不同于传统的通信方式，D2D用户(D2DUser,DUE)通过D2D直通链路，其数据传输不再经过基站的中继，不过信令传输依然使用用户到基站的链路。D2D通信设备通过复用CUE授权频带内的资源形成D2D通信，因为使用和蜂窝设备相同的频率资源，所以在提升系统吞吐量和频谱资源利用率的同时也会对系统内的设备产生一定的同信道干扰。
MINH,LEEJ,PARKS等在“CapacityEnhancementUsinganInterferenceLimitedAreafor Device-to-Device Uplink Underlaying Cellular Networks”【IEEETransactions on Wireless Communications,2011,10(12):3995-4000.】中提出了一种基于干扰受限区域的控制方案。它限制了D2D发射机的最大发射功率，控制D2D发射机对蜂窝的干扰。这种策略改善了D2D通信，并且对CUE的容量损失很小，可以提升整个系统的吞吐量。为了提高蜂窝网络内设备的整体性能，进行联合波束成形和功率控制，在满足DUE和CUE的服务质量(QualityofService,Qos)的情况下，LIN M,OUYANG J和ZHU W在“JointBeamforming and Power Control for Device-to-Device Communications UnderlayingCellular Networks”【IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,2016,34(1):138-150.】中提出约束优化问题，同时将设备的总发射功率最小化，并将干扰限制在一定的指标内。XU Wei,LIANG Le,ZHANG Hua等在“Performance enhanced transmission indevice-to-device communications:Beamforming or interferencecancellation？”【GlobalCommunicationsConference(GLOBECOM),Anaheim,Canada,2012:4296-4301.】中提出了一种在波束成形和干扰消除预处理技术之间切换的自适应传输策略，以实现最大的系统吞吐量。上述研究都是基于功率控制和对基站进行波束赋形和预处理去提高系统吞吐量，但是牺牲了被复用CUE的部分通信质量，也无法保证在被复用CUE附近实现D2D通信。虽然干扰控制技术层出不穷，但是现有的研究很少有针对移动设备的干扰消除研究。
被复用CUE和DUE存在于同一蜂窝系统内，它们之间的距离是随机的，当它们同时发送信号的时候，由于使用相同的资源块，给对方造成难以预料的干扰，影响了蜂窝正常的通信。为了在复用蜂窝频率资源的时候，保证CUE的通信不受干扰，在现有研究成果的基础上，使用5G终端的多输入多输出(Multi Input Multi Output,MIMO)天线，在进行D2D通信的时候，通过对D2D链路进行预编码处理，将DUE的传输信号约束在零空间中，避免对CUE的干扰，保证CUE的通信质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蜂窝与D2D混合通信网络中干扰消除的方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
为了在复用蜂窝频率资源的时候，保证CUE的通信不受干扰，在现有研究成果的基础上，使用5G终端的多输入多输出(Multi Input Multi Output,MIMO)天线，在进行D2D通信的时候，通过对D2D链路进行预编码处理，将DUE的传输信号约束在零空间中，避免对CUE的干扰，保证CUE的通信质量。获得干扰信道矩阵零空间的公式表示为：
W＝[W1 W2…WM]＝[V1 (0)V1 (1)V2 (0)V2 (1)…VM (0)VM (1)]
本发明解决问题所采用的方案是：混合网络中蜂窝基站覆盖范围内存在若干与CUE共享下行频谱资源的D2D通信对，每一对D2D对复用一个CUE的下行频率资源，CUE的个数始终大于等于D2D通信对的对数，并且D2D用户只能通过复用CUE的下行频率资源进行通信。
假设所有的DUE的发现均为集中式发现，即在基站或接入点的帮助下相互发现设备。在实现D2D连接之前，蜂窝基站已完全获取到所有链接的瞬时信道状态信息(ChannelState Information,CSI)，包括D2D链接的CSI，并由基站通知两个DUE实现D2D链接，使用之前分配给被复用CUE的频率资源。
以一对D2D对复用一个CUE的下行频率资源进行说明，移动终端DUE1包含多根发射天线，并且发射天线的个数要大于DUE2和CUE接收天线个数之和。基站对DUE1的干扰信道用H12表示，DUE2对CUE的干扰用H21表示，D2D链路的传输信道用H2表示，CUE的下行传输信道用H1表示。
根据信道信息H21获得其所对应的零空间，将获得的零空间用于DUE2的预编码矩阵上，用于消除DUE2对CUE的干扰。
本发明的有益效果在于：使用这种传输方案，在D2D链路复用CUE下行频率资源的时候，可以消除复用带给CUE的同频干扰，较未采用该方案的D2D系统，可以提升系统内被复用CUE的传输速率。同时，不会因为CUE和DUE之间的相对位置过近而拒绝D2D链路的接入。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为系统模型示意图；
图2为方法流程示意图；
图3为在距离基站不同位置处，D2D链路的SINR随着D2D之间的通信距离而变化；
图4为复用CUE的下行频率资源时，不采用本方案的干扰消除技术时D2D通信对CUE的干扰。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1为系统模型示意图；图2为方法流程示意图；图3为在距离基站不同位置处，D2D链路的SINR随着D2D之间的通信距离而变化；图4为复用CUE的下行频率资源时，不采用本方案的干扰消除技术时D2D通信对CUE的干扰。
假设所有的DUE的发现均为集中式发现，即在基站或接入点的帮助下相互发现设备。在实现D2D连接之前，蜂窝基站已完全获取到所有链接的瞬时信道状态信息，包括D2D链接的CSI，并由基站通知两个DUE实现D2D链接，使用之前分配给被复用CUE的下行频率资源。此时空闲的CUE数量必须大于D2D对的对数，文中以一对D2D对和一个CUE进行介绍。
第一步：初始化参数
终端具有A1根发射天线和A2根接收天线，而基站具有B1根发射天线和B2根接收天线。
首先，CUE接收到的信号可表示为y1：
y1＝H1W1X1+H21W2X2+Z1
对于CUE来说，在接收来自基站的下行数据信号的同时，还要接收来自D2D链路的信号，因为D2D链路使用的是和CUE相同的时频资源，所以由DUE2发送的信号会被计算在CUE的接收信号内，其中X1是基站发送的信号。Z1表示对应于蜂窝的噪声干扰。式中第二项是因为引入D2D对而带来的干扰，会对CUE造成额外的干扰，所以，为了保证CUE的通信质量，要尽量减小甚至消除这一部分。
D2D链路中DUE1接收到的信号为y2：
y2＝H2W2X2+H12W1X1+Z2
对于DUE1来说，除了要接收DUE2的信号，还要接收来自基站的信号，所以由信道H12传播的信号也会被计算DUE1的接收信号内，X2是DUE2发送的信号。Z2表示对应于DUE1的噪声干扰。
tr(E[X1X1 H])＝P1
tr(E[X2X2 H])＝P2
X1 H表示的是矩阵X1的共轭转置，E[]表示矩阵的期望，tr()表示矩阵的迹，P1表示基站的传输功率，P2表示DUE2的传输功率。对于D2D发射终端来说，每根发射天线可以根据信道条件采用注水算法实现最大化吞吐量，但是总功率是保持不变的。
第二步：设置衡量参数
W2＝[w2(1)…w2(S2)]
W2是具有正交列向量的D2D复数预编码矩阵(W2 HW2＝I)，矩阵大小取决于发送天线的个数，通过对信道矩阵进行奇异值分解，便可以得到发送端的预编码矩阵W2。在应用线性接收机接收信号之后，对接收到的信号再进行处理得到发送信号，接收到的信号表示为：
Q2＝[q2(1)…q2(S2)]
然后，D2D传输的信号与干扰和噪声比可以表示为r2，用于衡量一个D2D链接是否被允许接入到网络中。
r2(i)表示第i根天线发出的信号流的SINR，即第i个独立信号的SINR表示，通过计算可以判断一个D2D对是否能够被接入到网络中。
R2 (i)＝H2w2(i)w2(i)HH2 HP2(i)
其中R2 (i)为要正确接收的信号，
R2 (-i)为其它使用相同频率的发射天线的信号，
R12＝H12w1w1 HH12HE[X1X1 H]
R12表示干扰信号，
RZ1＝E[Z1Z1 H]
RZ2＝E[Z2Z2 H]
RZ1和RZ2表示的是噪声干扰功率。
P2(i)是第i个信号流传输过程中使用的传输功率，所有发射天线传输功率的总和是固定的，大小为P2。CUE的SINR表达与此相似。
第三步：获得干扰信道的零空间
通过约束D2D信号在H21的零空间里发送，形成零干扰传输，用于消除对被复用CUE的干扰。干扰信道H21的SVD为：
H21＝U21∑21V21 H
我们将V21表示为：
V21＝[V21(1)…V21(A2)V21(A2+1)V21(A2+A1)]
现在我们定义V21的一部分用V21 ⊥表示，
V21 ⊥＝[V21(A2+1)V21(A2+A1)]
V21 ⊥作为零空间的基础，有着以下性质，
V21 ⊥与干扰信道是正交的，用于消除干扰。现在我们形成一个投影矩阵：
预编码矩阵可以表示为：
用于保证D2D预编码向量和干扰信道是保持正交的，D2D链路将始终在零空间中进行传输，可以避免对被复用CUE的干扰。此时y1被重写为：
y1＝H1W1X1+Z1
由于D2D链路是通过复用CUE的频率资源进行通信的，当找到干扰信道的零空间时，就可以避免DUE2对被复用CUE产生干扰。对于D2D链路复用下行频率资源，可以通过这种方式消除对被复用CUE的干扰。同样的，在复用上行频率资源的时候，可以通过这种方式消除CUE对D2D链路的干扰，以提高系统吞吐量。
仿真结果表明本例方法相比基于功率控制的分配方案和随机资源分配算法，提升了系统整体的吞吐量和频谱利用率，减轻了用户密集场景下的基站负载，本例方法仿真参数见表1。
表1仿真参数表
由图2可以看到，随着D2D通信距离的增加，信号的衰落也不断变大，DUE1的信噪比呈现一个下降的趋势。而对于不同的曲线则是反映了DUE1相对于基站距离的信噪比变化，由于没有对基站的发送功率进行任何限制，导致了距离基站最近的DUE1的信噪比最差，随着距离的增加，干扰越来越小，SINR也随之增加。文献“DIEGO W and KELIF J.ImprovingD2D communications using 3D beamforming in 5G wireless networks//The 28thAnnual International Symposium on Personal,Indoor,and Mobile RadioCommunications(PIMRC),Montreal,QC,Canada,2017:1-6.”通过使用3D波束成形技术管理常规通信和D2D通信之间的干扰，其中D2D链路的接入阈值为3dB。本方法利用了多天线的增益，在相同接入阈值的情况下，可以提高D2D链路的接入率。
由图3可以观察到DUE2距离被复用CUE在5-100m内的干扰累积分布图，由图中右侧曲线表示，将干扰用信道容量的形式表示，分布曲线由图中左侧曲线表示。而本发明提出的方案可以消除D2D链路对被复用CUE的干扰，保证CUE的正常通信。相较于未采用这种传输方案的D2D系统，显著提高了CUE的接收信噪比，增加系统的吞吐量。
仿真结果证明本例方法能够有效增加系统整体的吞吐量，在D2D链路复用CUE下行频率资源的时候，不仅可以消除复用带给CUE的同频干扰，有效提升系统内被复用CUE的传输速率，同时还可以解决D2D终端和被复用CUE之间位置的限制，能够减轻用户密集场景下的基站负载。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种蜂窝与D2D混合通信网络中干扰消除的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
设所有的DUE的发现均为集中式发现，即在基站或接入点的帮助下相互发现设备；在实现D2D连接之前，蜂窝基站已完全获取到所有链接的瞬时信道状态信息，包括D2D链接的CSI，并由基站通知两个DUE实现D2D链接，使用之前分配给被复用CUE的下行频率资源；此时空闲的CUE数量必须大于D2D对的对数；
第一步：初始化参数
终端具有A1根发射天线和A2根接收天线，而基站具有B1根发射天线和B2根接收天线；
首先，CUE接收到的信号表示为y1：
y1＝H1W1X1+H21W2X2+Z1
对于CUE来说，在接收来自基站的下行数据信号的同时，接收来自D2D链路的信号，D2D链路使用的是和CUE相同的时频资源，由DUE2发送的信号会被计算在CUE的接收信号内，其中X1是基站发送的信号；Z1表示对应于蜂窝的噪声干扰；
D2D链路中DUE1接收到的信号为y2：
y2＝H2W2X2+H12W1X1+Z2
对于DUE1来说，除要接收DUE2的信号，还要接收来自基站的信号，由信道H12传播的信号会被计算DUE1的接收信号内，X2是DUE2发送的信号；Z2表示对应于DUE1的噪声干扰；
tr(E[X1X1 H])＝P1
tr(E[X2X2 H])＝P2
X1 H表示的是矩阵X1的共轭转置，E[]表示矩阵的期望，tr()表示矩阵的迹，P1表示基站的传输功率，P2表示DUE2的传输功率；对于D2D发射终端来说，每根发射天线根据信道条件采用注水算法实现最大化吞吐量，但是总功率是保持不变的；
第二步：设置衡量参数
W2＝[w2(1)…w2(S2)]
W2是具有正交列向量的D2D复数预编码矩阵(W2 HW2＝I)，矩阵大小取决于发送天线的个数，通过对信道矩阵进行奇异值分解，便可以得到发送端的预编码矩阵W2；在应用线性接收机接收信号之后，对接收到的信号再进行处理得到发送信号，接收到的信号表示为：
Q2＝[q2(1)…q2(S2)]
然后，D2D传输的信号与干扰和噪声比表示为r2，用于衡量一个D2D链接是否被允许接入到网络中；
r2(i)表示第i根天线发出的信号流的SINR，即第i个独立信号的SINR表示，通过计算可以判断一个D2D对是否能够被接入到网络中；
R2 (i)＝H2w2(i)w2(i)HH2 HP2(i)
其中R2 (i)为要正确接收的信号，
R2 (-i)为其它使用相同频率的发射天线的信号，
R12＝H12w1w1 HH12 HE[X1X1 H]
R12表示干扰信号，
RZ1＝E[Z1Z1 H]
RZ2＝E[Z2Z2 H]
RZ1和RZ2表示的是噪声干扰功率；
P2(i)是第i个信号流传输过程中使用的传输功率，所有发射天线传输功率的总和是固定的，大小为P2；
第三步：获得干扰信道的零空间
通过约束D2D信号在H21的零空间里发送，形成零干扰传输，用于消除对被复用CUE的干扰；干扰信道H21的SVD为：
H21＝U21∑21V21 H
将V21表示为：
V21＝[V21(1)…V21(A2)V21(A2+1)V21(A2+A1)]
现在我们定义V21的一部分用V21 ⊥表示：
V21 ⊥＝[V21(A2+1)V21(A2+A1)]
V21 ⊥作为零空间的基础，有着以下性质：
V21 ⊥与干扰信道是正交的，用于消除干扰；形成一个投影矩阵：
预编码矩阵表示为：
用于保证D2D预编码向量和干扰信道是保持正交的，D2D链路将始终在零空间中进行传输，避免对被复用CUE的干扰；y1被重写为：
y1＝H1W1X1+Z1
当找到干扰信道的零空间时，避免DUE2对被复用CUE产生干扰；对于D2D链路复用下行频率资源，通过这种方式消除对被复用CUE的干扰；在复用上行频率资源的时候，通过这种方式消除CUE对D2D链路的干扰，以提高系统吞吐量；
即，所有使矩阵为零的解的集合，发射天线的个数大于接收天线的个数，存在非零解，公式表示为：
W＝[W1 W2…WM]＝[V1 (0)V1 (1) V2 (0)V2 (1)…VM (0)VM (1)]
将其应用于对DUE2的预编码矩阵进行处理，以消除DUE2对CUE的干扰。
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