CN103581877B - 一种基于终端直通通信的多中继通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于终端直通通信的多中继通信方法，包括：用户向基站发送会话请求；基站根据目标用户是否与会话请求用户在同一个小区或者网段内；当基站发现两者位于同一小区，基站向会话请求方发出D2D对探测请求，并告知目的端准备监听，并指定探测所占用的资源，包括探测功率、探测所用时频资源；会话请求端设定最大探测功率，在探测信道内向周围广播探测信号；目的端在探测信道监听是否能收到源端信息；若收到探测信息，则反馈信息给源端；源端根据收到的反馈信号判定是否达到Qos要求；若需要，源端广播RTS信息，目的端广播CTS，周围的空闲用户作为中继；基站将判决情况反馈给源端，分配合适资源；源端与中继端、目的端建立同步，并建立D2D通信。

Description

一种基于终端直通通信的多中继通信方法

技术领域

本发明涉及计算机通信技术领域，特别涉及一种基于终端直通通信的多中继通信方法。

背景技术

Device-to-Device（D2D）通信技术是两个用户在通信的过程中建立直接链路而不需要经过基站转发的一种通信方式，D2D通信可以减轻基站因转发数据带来的负担，并且可以使D2D通信用户复用小区内传统蜂窝用户资源来提高资源利用率，从而达到整个小区吞吐量的提升。D2D技术的提出带来新的问题：D2D通信需要建立在基站控制基础之上，主叫用户本身无法发现被叫用户，因此需要基站协助，并且基站对其进行合适的资源分配；在基站分配给D2D与蜂窝相同资源时，被复用蜂窝用户由于与D2D通信占用相同的资源(时间或频率)，使得这两种通信之间存在相互干扰；用户设备的体积功耗限制使D2D通信的距离不能太大。MIMO技术可以获得分集增益，将MIMO技术应用到D2D通信中是下一代通信技术研究的一个重要方向。但实际应用中，手机由于功耗体积等问题只适合配备单天线。利用协作方式将多个空闲用户设备做中继构成虚拟MIMO可以获得分集增益。本发明提出了将多中继协作的两种不同方法应用到D2D通信中时的系统性能。

为了解决D2D中的问题如用户设备的体积功耗限制使D2D通信的距离不能太大，由于距离的限制使得D2D通信可以应用的场景少，通过空闲中继的辅助，一方面可以增强D2D链路性能，提升系统容量，另一方面可降低D2D发射方功率，降低对蜂窝用户干扰，另外通过多个中继的辅助相对于单中继辅助将带来更大的性能提升。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提供了一种基于终端直通通信的多中继通信方法，该方法能够增强D2D链路性能，提升系统容量，并且能够降低D2D发射方功率，降低对蜂窝用户干扰，通过多个中继的辅助相对于单中继辅助将带来更大性能提升，实现了在同一区域内存在中继竞争时的公平的进行中继分配。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明是一种蜂窝用户与D2D用户共存时D2D用户使用多中继通信的实现方法，该方法为实现多对D2D对空闲竞争时的中继分配方法，适用于下一代蜂窝系统，该方法提出了使用多中继的信令流程，同时提出了基于D2D通信要求Qos以及新添加中继信道状态决定多中继的分配问题。

方法流程：

本发明提供了一种基于终端直通通信的多中继通信方法，该方法为基于蜂窝系统的多中继实现方法，其包括如下步骤：

（1）蜂窝系统下多中继通信建立流程如下（如图2所示）：

步骤一：用户向基站发送会话请求；

步骤二：基站根据目标用户是否与会话请求用户在同一个小区或者网段内；

步骤三：当基站发现两者位于同一小区，基站向会话请求方发出D2D对探测请求，并告知目的端准备监听，并指定探测所占用的资源（包括探测功率、探测所用时频资源）；

步骤四：会话请求端设定最大探测功率，在探测信道内向周围广播探测信号；

步骤五：目的端在探测信道监听是否能收到源端信息；

步骤六：若收到探测信息，则反馈信息给源端；

步骤七：源端根据收到的反馈信号判定是否达到Qos要求，若达到，则向基站发送D2D链路建立请求，否则，向基站反馈需要中继辅助；

步骤八：若需要，源端广播RTS（Ready to send）信息，目的端广播CTS（Clear tosend），周围的空闲用户作为中继，根据接收到的信号RTS、CTS，报告给基站，基站决定参与中继的空闲用户；

步骤九：基站将判决情况反馈给源端，并给其分配合适资源（可以复用蜂窝上行资源或者专用资源）；

步骤十：源端与中继端、目的端建立同步，并建立D2D通信。

其中，在本发明上述步骤九中包括：在多中继请求后，空闲用户将监听到的源到中继及中继到目的端信息反馈给基站，在这之前，可以根据设定的初始门限过滤掉部分候选中继，然后，基站根据多中继反馈回的信道信息计算决定哪些中继参与通信，并将信息反馈给中继候选集合，部分中继根据反馈信息将会退出候选集合。

（2）在本发明上述步骤九中存在中继竞争时采用以下中继分配方法，当在通信密集场所，基站为中继请求的D2D通信用户分配合适的中继，分配方式基于将同时被多对D2D通信请求的空闲中继用户进行再次分配，分配的过程中，根据实际D2D通信需求的服务质量Qos对中继分配，其包括如下步骤：

步骤一，确定各对D2D使用的最优中继

1.将中继位置按照D_r＝d_sr+d_rd排序，d_sr为源端到中继端距离，d_rd为中继端到目的端距离，或者与此类似的按照排序，其中h_sri,h_rid分别为源端到中继及中继到目的端的信道参数；

2.依次添加单个中继确定是否有性能提升，若有，则添加，否则不再继续添加。本发明的距离小的性能更好，而且至少有一个中继被选中；

步骤二，重叠中继的再次划分（加入Qos限制，用频谱效率表示Qos）

1.划分过程中不仅要考虑Qos质量，同时考虑中继分配后带来的用户性能提升Qos提升量。目标速率与当前速率差W＝Q_i-R_i(whereQ_i＞R_i)，Q_i为第i对D2D用户的Qos要求，R_i为当前该对D2D链路容量；

2.分配多一个新中继后性能提升百分比p＝(R_i'-R_i)/R_i，R_i,R_i'分别为第i对D2D添加新中继前后该对D2D链路容量。本发明依据W*p确定优先级,W*p越大，优先分配中继；

3.当所有Qos条件满足之后Q_i＞R_i，则根据只根据p来选择。

有益效果：

1、本发明降低了对单个中继发射功率的要求，同时由于多个中继在空间上的分散特性，叠加的干扰将会有所抵消。

2、本发明提高了在同一区域D2D通信的公平性。

附图说明

图1是本发明的多中继通信原理图。

图2是本发明采用多中继通信实现信令流程图。

图3是本发明D2D多中继实际通信场景图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例一

如图2所示，本发明提供了一种基于终端直通通信的多中继通信方法，该方法为基于蜂窝系统的多中继实现方法，其包括如下步骤：

步骤一：用户向基站发送会话请求；

步骤二：基站根据目标用户是否与会话请求用户在同一个小区或者网段内；

步骤三：当基站发现两者位于同一小区，基站向会话请求方发出D2D（Device-to-Device）对探测请求，并告知目的端准备监听，并指定探测所占用的资源，包括探测功率、探测所用时频资源；

步骤四：会话请求端设定最大探测功率，在探测信道内向周围广播探测信号；

步骤五：目的端在探测信道监听是否能收到源端信息；

步骤六：若收到探测信息，则反馈信息给源端；

步骤七：源端根据收到的反馈信号判定是否达到Qos要求，若达到，则向基站发送D2D链路建立请求，否则，向基站反馈需要中继辅助；

步骤八：若需要，源端广播RTS（Ready to send）信息，目的端广播CTS（Clear tosend），周围的空闲用户作为中继，根据接收到的信号RTS、CTS，报告给基站，基站决定参与中继的空闲用户；

步骤九：基站将判决情况反馈给源端，并给其分配合适资源（合适资源即：可以复用蜂窝上行资源或者专用资源）；

步骤十：源端与中继端、目的端建立同步，并建立D2D通信。

在本发明上述步骤九中包括：在多中继请求后，空闲用户将监听到的源到中继及中继到目

的端信息反馈给基站，在这之前，可以根据设定的初始门限过滤掉部分候选中继，然后，

基站根据多中继反馈回的信道信息计算决定哪些中继参与通信，并将信息反馈给中继候选

集合，部分中继根据反馈信息将会退出候选集合。

在本发明上述步骤九中存在中继竞争时采用以下中继分配方法，当在通信密集场所，基站为中继请求的D2D通信用户分配合适的中继，分配方式基于将同时被多对D2D通信请求的空闲中继用户进行再次分配，分配的过程中，根据实际D2D通信需求的服务质量Qos对中继分配，其具体包括如下步骤：

步骤一，确定各对D2D使用的最优中继；

（1）将中继位置按照D_r＝d_sr+d_rd排序，d_sr为源端到中继端距离，d_rd为中继端到目的端距离，或者与此类似的按照排序，其中h_sri,h_rid分别为源端到中继及中继到目的端的信道参数；

（2）依次添加单个中继确定是否有性能提升，若有，则添加，否则不再继续添加；距离小的性能更好，至少有一个中继被选中；

步骤二，重叠中继的再次划分，加入Qos限制，用频谱效率表示Qos；

（1）划分过程中不仅要考虑Qos质量，同时考虑中继分配后带来的用户性能提升Qos提升量。目标速率与当前速率差W＝Q_i-R_i(whereQ_i＞R_i)，Q_i为第i对D2D用户的Qos要求，R_i为当前该对D2D链路容量；

（2）分配多一个新中继后性能提升百分比p＝(R_i'-R_i)/R_i，R_i,R_i'分别为第i对D2D添加新中继前后该对D2D链路容量；依据W*p确定优先级,W*p越大，优先分配中继；

（3）当所有Qos条件满足之后Q_i＞R_i，则根据只根据p来选择。

实施例二

如图1所示，系统模型为LTE（长期演进）系统下D2D多中继通信的系统模型

本发明假设存在一对需要通信的D2D用户，现在仅考虑单向通信，即一个用户为信息发送方，对应图1中源节点S；另一个用户为信息接收方，对应图1中目的节点D；中间存在K(K≥1)个空闲的用户作为信息的中继。图中h_sri表示从S到第i个中继节点Ri的链路n_ri表示这条链路上的干扰；h_rid表示从中继节点R_i到目的节点D的通信链路；n_di表示这条链路上的干扰；h_sd表示从S到D的通信链路，n_d0是这条链路上的干扰。本发明假设上述信道在一个通信时隙内保持不变。AF协作通信分为两个阶段。第一阶段，源节点S广播信息，目的节点D和K个中继都会接收到S的信息；第二阶段，中继节点将接收到的信息放大后转发给目的节点D。根据第二阶段中继是否在同一时隙转发信息给D，可以将其分为两种情况。

第一时隙，源节点S广播自身信息，其中目的节点D收到信息为

$y_{\mathrm{sd}}=\sqrt{P_s}{h}_{\mathrm{sd}}x+n_{d0};---\left(1\right)$

Ps为源端发射功率。

K个中继中第i(1≤i≤K)个中继收到的信息为

$y_{\mathrm{ri}}=\sqrt{P_s}{h}_{\mathrm{sri}}x+n_{\mathrm{ri}}---\left(2\right)$

第二时隙，K个中继同时(这里的同时指在目的端同一时刻收到，因此各个中继需要知道自身到目的端信道的延时)向目的节点D发送信息，在这之前，每个中继节点要将从S收到的信息乘各自放大因子后再转发

$x_{\mathrm{ri}}={\mathrm{\α}}_i{y}_{\mathrm{ri}}={\mathrm{\α}}_i(\sqrt{P_s}{h}_{\mathrm{sri}}+n_{\mathrm{ri}});---\left(3\right)$

其中放大因子的作用保证第i个中继端发射功率不超过P_ri，即E{||x_ri||²}≤P_ri；第i个中继的放大因子为

${\mathrm{\α}}_i=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{ri}}}{P_s{\left|h_{\mathrm{sri}}\right|}^2+N_{\mathrm{ri}}}};---\left(4\right)$

N_ri为i中继的干扰加噪声功率；

第二时隙D接收的信号为

$y_d=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{rid}}+n_d;---\left(5\right)$

n_d为目的端干扰加噪声信号；将(3)(4)代入(5)得

$y_d=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\left[\sqrt{\frac{P_{\mathrm{ri}}}{P_s{\left|h_{\mathrm{sri}}\right|}^2+N_{\mathrm{ri}}}}(\sqrt{P_s}{h}_{\mathrm{sri}}x+n_{\mathrm{ri}})\right]h_{\mathrm{rid}}+n_d;---\left(6\right)$

由(1)(6)，根据香农公式得整个系统的容量为

$C_1=\frac{1}{2}\log 2(1+\frac{P_s{\left|h_{\mathrm{sd}}\right|}^2}{N_{d0}}+\frac{P_s{\left(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\right|h_{\mathrm{sri}}\left|\right|h_{\mathrm{rid}}\left|\right)}^2}{\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i^2{\left|h_{\mathrm{rid}}\right|}^2{N}_{\mathrm{ri}}+N_d});---\left(7\right)$

(7)式前面的系数是由于通信占用2时隙带来资源利用率的下降。N_d为D在第二时隙受到的干扰加噪声功率。

D2D网络多中继通信的干扰建模

在蜂窝通信与D2D通信共存网络中引入多中继，假设通信链路使原有频谱资源，即复用的蜂窝频谱资源，本发明假设D2D通信均复用蜂窝用户上行资源。所以D2D通信和小区内使用该蜂窝资源的用户之间存在相互干扰。

假设上述模型应用在蜂窝小区环境中，S和K个中继发送时均复用同一个正在通信的蜂窝用户的资源，则蜂窝用户必然会对D2D通信造成干扰。

在第一阶段，S广播信息，因此，接收S信息的终端会受到蜂窝用户干扰。D受到的干扰为n_d0＝n₀+n_cd；则N_d0＝N₀+N_cd＝N₀+P_c|h_cd0|²；(11)

K个中继中第i个中继受到的干扰为

n_ri＝n₀+n_cri；所以

N_ri＝N₀+N_cri＝N₀+P_c|h_cri|²；(12)

第二阶段，若为两时隙接收，则D在第2时隙受到的干扰为

n_d＝n₀+n_cd；所以

N_d＝N₀+N_cd＝N₀+P_c|h_cd|²；(13)

若为K+1时隙接收，则D在第i+1时隙受到的干扰为n_di＝n₀+n_cdi；所以有

N_d＝N₀+N_cdi＝N₀+P_c|h_cdi|²；(14)

(10)-(14)中n0是均值为零的加性高斯白噪声干扰，方差为N₀，这里本发明认为整个通信系统中的白噪声功率密度均相同。n_cd、n_cdi为蜂窝用户在相应时隙对D的干扰信号，n_cri是蜂窝用户在第一时隙对第i个中继的干扰信号，它们的功率大小与蜂窝用户距离受干扰设备之间的距离有关，距离越大，干扰功率越小。

D2D直通链路多中继触发条件

如图3所示，针对D2D多中继系统的应用场景，本发明提供以下多中继模式初始化条件：

（1）链路可靠性限制条件Qos限制

假设S、D之间通信的服务质量要求为频谱效率大于门限值，即R＞R_th，转换为信噪比为，在D2D通信链路建立过程中，S、D直通速率小于门限值，则S会向基站发起多中继请求。在S、D向所在区域广播RTS(Ready To Send)，CTS(Clear To Send)，S、D所在区域空闲用户会根据在监听信道接收到的信号估计自身与源端S、和目的端D之间的信道信息，判定中继好坏的条件为其中具有较大J的用户被认为优先级。为了降低基站工作量，本发明假定各空闲终端会预先设定门限值，只有当J_i＞J_th时才会向基站报告信道信息，本发明称为中继候选集。这样，基站在收到各个中继报告的信道信息后对中继按照J排序，J越大则说明中继与源端、目的端信道均较好，因此具有高的参与中继优先级。基站根据计算公式按照中继优先级逐次添加中继，直到整个S、D中继链路信噪比时停止添加中继或者单次添加对信噪比无提升时也将停止，当停止条件为时说明S、D所在区域多中继能满足系统性能提升要求，基站会向中继广播更新的参与门限设定值J_th，中继候选集成员在收到J_th后判断自身是否留在候选集内，若J_i＜J_th，则自动退出。当基站在添加中继过程中，单次添加不能给链路性能带来提升时，说明该区域内多中继通信不能支持更高速率，则基站会拒绝源端的多中继通信请求，并将J_th设定为一个较大的值，将中继候选集清空，并告知源端S多中继通信请求失败，通信切换至传统蜂窝模式。

（2）复用蜂窝资源分配条件

为了尽量减少蜂窝用户与D2D通信之间因资源共用造成的干扰，应使得被复用蜂窝用户与D2D通信对之间有尽可能大的空间间隔。本发明中复用的资源为蜂窝用户的上行资源，假设可复用蜂窝上行资源构成资源集合，则基站从集合中选择合适资源分配给D2D通信时应该选择距离所在D2D对中心最远的那个用户资源，这样可以保证干扰最小化。

（3）中继及源端发射功率限制条件

为了保证D2D通信不会对被复用蜂窝用户造成太大的干扰导致通信失败，D2D通信的发射方均需要限制发射功率。在复用蜂窝用户上行资源时，D2D通信对蜂窝通信接收方即基站造成干扰，因此，为了保证D2D通信对蜂窝通信干扰控制在限定范围内，应该使D2D通信原理基站。假设为保证蜂窝用户的通信速率R_c-ue＞R_thc-ue门限值，则对蜂窝的干扰功率应限制为其中N₀为高斯白噪声功率，h_IB为干扰源到基站的信道参数，其中D2D通信对蜂窝通信干扰主要来自两个方面，在多中继通信的第一时隙，源端为干扰源P_I＝P_S,h_IB＝h_SB，第二时隙，多中继为干扰源为多中继，这时的干扰为累加干扰。干扰信号为其中由于在多中继处采用了精确的定时保证在D2D通信的目的端能够同时接收到多中继发射的信号，使得叠加信号最大化。而对于基站处收到的多中继叠加干扰信号未经过精确的对准,且由于空间位置上的分布特性，使得叠加的信号的相位随机化，因此干扰功率为保证干扰受限并保证发射总功率受限为P_Total，本发明所有的中继发射功率都相同，即这样带来的好处有两个：首先，D2D通信对辅助中继发射功率峰值要求随着参与中继个数有所下降，因此，可参与的中继候选集合将变多，成功概率将变大。其次，多中继的累加干扰随机性使得对原有蜂窝通信基站端的干扰比单中继的更小，对蜂窝通信的影响变小。本发明为了保证P_R≤P_I，必须划定距离基站最近的中继的限制距离d_th，即当中继距离基站小于d_th时，中继将自动退出候选集合。

Claims (4)

1.一种基于终端直通通信的多中继通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：用户向基站发送会话请求；

步骤二：基站判断目标用户是否与会话请求用户在同一个小区或者网段内；

步骤三：当基站发现两者位于同一小区或网段内，基站向会话请求用户发出D2D(Device-to-Device)对探测请求，并告知目的端准备监听，并指定探测所占用的资源，包括探测功率、探测所用时频资源；

步骤四：会话请求用户设定最大探测功率，在探测信道内向周围广播探测信号；

步骤五：目的端在探测信道监听是否能收到源端信息；

步骤六：若收到探测信息，则反馈信息给源端；

步骤七：源端根据收到的反馈信号判定是否达到Qos要求，若达到，则向基站发送D2D链路建立请求，否则，向基站反馈需要中继辅助；

步骤八：若需要，源端广播RTS(Ready to send)信息，目的端广播CTS(Clear tosend)，周围的空闲用户作为中继，根据接收到的信号RTS、CTS，报告给基站，基站决定参与中继的空闲用户；

步骤九：基站将判决情况反馈给源端，并给其分配合适资源，复用蜂窝上行资源或者专用资源；

步骤十：源端与中继端、目的端建立同步，并建立D2D通信。

2.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通通信的多中继通信方法，其特征在于：所述方法步骤九中包括：在多中继请求后，空闲用户将监听到的源到中继及中继到目的端信息反馈给基站，在这之前，可以根据设定的初始门限过滤掉部分候选中继，然后，基站根据多中继反馈回的信道信息计算决定哪些中继参与通信，并将信息反馈给中继候选集合，部分中继根据反馈信息将会退出中继候选集合。

3.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通通信的多中继通信方法，其特征在于，所述方法步骤九包括：当在通信密集场所，基站为中继请求的D2D通信用户分配合适的中继，分配方式基于将同时被多对D2D通信请求的空闲中继用户进行再次分配，分配的过程中，根据实际D2D通信需求的服务质量Qos对中继分配；

步骤一，确定各对D2D使用的最优中继；

(1)将中继位置按照D_r＝d_sr+d_rd排序，d_sr为源端到中继距离，d_rd为中继到目的端距离，或者与此类似的按照排序，其中h_sri,h_rid分别为源端到中继及中继到目的端的信道参数；

(2)依次添加单个中继确定是否有性能提升，若有，则添加，否则不再继续添加；距离小的性能更好，至少有一个中继被选中；

步骤二，重叠中继的再次划分，加入Qos限制，用频谱效率表示Qos；

(1)划分过程中不仅要考虑Qos质量，同时考虑中继分配后带来的用户性能提升Qos提升量；目标速率与当前速率差W＝Q_i-R_i(Q_i＞R_i)，Q_i为第i对D2D用户的Qos要求，R_i为当前该对D2D链路容量；

(2)分配多一个新中继后性能提升百分比p＝(R′_i-R_i)/R_i，R_i,R′_i分别为第i对D2D添加新中继前后该对D2D链路容量；依据W*p确定优先级,W*p越大，优先分配中继；

(3)当所有Qos条件满足之后Q_i＞R_i，则只根据p来选择。

4.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通通信的多中继通信方法，其特征在于：所述方法是基于蜂窝系统。