CN103686585B - 一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法，该方法是通过在D2D***下引入多天线和中继技术，从而达到了改善D2D***的速率和中断概率；本发明在宽带蜂窝移动通信***（IMT‑Advanced）中，一对蜂窝用户要进行终端直通，但是由于他们之间的距离超过D2D通信的有效距离，或者他们之间的信道链路质量达不到要求，介于小区内存在大量的空闲的UE用户，利用空闲移动终端作为中继，协助一对蜂窝用户进行D2D通信；一对终端直通蜂窝用户的发端记为D1，接收端记为D2，中继记为R；当D1和R进行通信时，D1复用小区中蜂窝用户和基站通信的频率资源，这时D1和R构成了一对D2D通信。

Description

一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法

技术领域

本发明涉及计算机无线通信技术领域，特别涉及一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法。

背景技术

蜂窝移动通信终端直通技术(D2D,Device-to-Device)是近几年移动通信领域新兴的一个研究课题。在传统的蜂窝移动通信***中，两个移动终端之间的通信必须要通过基站的调度，通过基站处的调度器分配频谱资源和信道来进行通信。在引入D2D技术之后，***中两个移动终端如果想要通信，未必就是通过基站转发而通信。D2D技术是一种终端到终端直通的通信方式，它被提出可以作为LTE***的辅助通信方式，即可能在将来的移动通信***下，大部分移动用户通过基站转发的方式通信，少量满足特定条件的移动用户通过终端直通的方式通信。

D2D通信技术的核心思想是，当两个移动终端距离很近时，它们可以直接通信，而不必经过基站的上下行链路转发通信。直通链路选择本小区里此刻空闲的其他蜂窝用户的资源，通过复用蜂窝用户的频谱资源实现终端直接通信。D2D直通适用于当两个移动终端距离较近且需要传输大量的视频流、媒体在线或者文件共享等情况，这类大容量内容下载如果可以直接通过D2D进行会避免造成基站的拥塞。

D2D通信作为蜂窝网络的补充，在某些通信场景下使得移动通信变得更高效、更方便。对于下一代蜂窝网络的通信需求，D2D通信的优势显而易见。随着D2D通信技术的进一步研究和深入，本发明相信它为蜂窝网络带来的性能改善将能更有效的促进满足未来LTE***的需求，因此D2D通信技术的研究有着深远的意义。

但是，当D2D用户之间的距离超过D2D通信的有效距离，或者他们之间的信道链路质量达不到要求时，这时D2D通信的速率或中断率达不到要求。因此，如何提高D2D***的速率和减少D2D中断概率成为亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明目的在于提出了一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法，该方法是通过在D2D***下引入多天线和中继技术，从而达到了改善D2D***的速率和中断概率。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明在宽带蜂窝移动通信***(IMT-Advanced)中，一对蜂窝用户要进行终端直通，但是由于他们之间的距离超过D2D通信的有效距离，或者他们之间的信道链路质量达不到要求，介于小区内存在大量的空闲的UE用户，利用空闲移动终端作为中继，协助一对蜂窝用户进行D2D通信。一对终端直通蜂窝用户的发端记为D1，接收端记为D2，中继记为R。当D1和R进行通信时，D1复用小区中蜂窝用户和基站通信的频率资源，这时D1和R构成了一对D2D通信；当R和D2进行通信时，R也复用蜂窝小区用户和基站通信的频率资源(和D1的频率资源相同)，这时R和D2构成一对D2D通信。D2D中继通信也就是把一对想要进行D2D通信的蜂窝用户分成两对D2D通信，是D1-R和R-D2。

方法流程：

本发明提供了一种基于终端直通通信的单中继通信方法，该方法是基于蜂窝***的单中继实现方法，其包括如下步骤：

步骤一：用户D1欲与用户D2发起通信，向基站发出会话请求，基站接收到用户D1的信号，发出应答信号，并开始搜索用户D2的位置。

步骤二：基站搜索到用户D2的位置，开始判断用户D1与用户D2之间是否满足D2D通信的条件，若满足则采用D2D通信模式，用户D1和用户D2开始D2D通信。

步骤三：当用户D1与用户D2不满足D2D通信条件时，判断他们之间的通信是否满足速率的要求，如果满足就采用传统蜂窝模式通信；如果不满足，则采用中继辅助的方法来通信。

步骤四：若需要，源端广播RTS(Ready to send)信息，目的端广播CTS(Cleartosend)，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。

步骤五：当确定参与通信的中继为R时，首先用户D1向中继R进发送信息，这时用户D1和中继R进行D2D单向通信，中继R接收到信息后再与用户D2进行D2D单向通信；当D2接收到信息后，再发送信息给中继R，中继R在把信息发送给用户D1。

步骤六：用户D1和D2确认通信过程完成，分别向基站发出结束会话的请求，基站然后结束中继R的工作状态，整个会话过程结束。

有益效果：

1、本发明在D2D用户之间的距离很大或信道链路质量差的情况下，有效提高了D2D总***的速率，而且减少了D2D总***的中断概率。

2、本发明通过中继技术，可以有效地使很多用户进行D2D通信。

3、本发明小区的D2D总***速率明显提高，伴随着频谱资源利用率的提高。

附图说明

图1是本发明的基于中继的D2D通信原理图。

图2是本发明的采用单中继的D2D通信流程图。

图3是本发明的MIMO协同中继的D2D通信***示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明

实施例一

如图3所示，本发明的MIMO协同中继的D2D通信***是在一个蜂窝小区内，该***包括一个基站，一个蜂窝用户，一对要进行D2D模式通信的用户和一个中继，其中D2D用户和蜂窝用户的天线数为M，中继的天线数为N，基站的天线数为I。图3中描述了D2D用户和中继复用蜂窝用户上行资源时的干扰情况。图3中D1和D2分别是D2D用户的发端和接收端，R代表中继节点，C代表蜂窝用户。D1代表中继三节点中的源节点S，D2代表中继三节点中的目的节点D。假设蜂窝用户一直在工作状态，则蜂窝用户会对中继节点和D2产生干扰，中继的工作方式是时分半双工模式，即中继节点用两个时隙来接收和发送信息，则***的通信分为两个时隙：

第一时隙D1以广播的方式发送信号：

D2接收到信号表示为：

y_sd＝H_sdx+H_cdx_c+n_sd (1)

R接收到信号表示为：

y_sr＝H_srx+H_crx_c+n_sr (2)

第二时隙R以专用信道发送处理过的信号，D2接收到的信号为：

y_rd＝H_rdx_r+H_cdx_c+n_rd (3)

x代表D1发送的信号向量，x_c代表C发送的信号向量，x_r代表R发送的信号向量；tr(E[xx^H])＝P_s、P_s、P_c、P_r为D1、C、R用户总发射功率。H_sd、H_sr、H_rd、H_cr、H_cd是节点S、D、R、C_UE之间的信道信息，它们是均值0，方差为的复高斯随机矩阵，它们的矩阵大小为M×M、N×M、M×N、N×M、M×M。n_sd、n_sr、n_rd是均值为0，方差为σ²的复高斯随机噪声矩阵。

关于中继节点R的转发模式，在这里本发明只讨论AF模式和DF模式。AF模式时，中继只对接收到的信号进行放大，然后转发给目的节点；DF模式时，中继节点首先对接收到的信号进行解码然后再进行编码，再转发给目的节点。

当中继工作在AF模式时：

x_r＝Fy_sr＝FH_srx+FH_crx_c+Fn_sr (4)

然后把(4)式代入(3)式得：

(5)式的第二部分为总干扰，其中F为中继的放大矩阵。

***速率分析：

本发明讨论了MIMO协同中继的D2D通信***的速率问题。假设中继节点和目的节点都知道信道状态信息。本发明把该***分为三种情况：第一种是只有S-D链路，第二种是只有中继链路S-R-D，第三种是S-D链路和中继链路S-R-D都有。本发明根据该三种情况来求解***的速率。

直接链路(S-D)：

根据相关知识可以得出S-D链路的***速率为：

其中，R_x＝E[xx^H]和

当本发明在D1用户的每根天线上分配相同功率时，则把代入(8)式可以得到等功率分配下的直接链路S-D的速率表示为：

当本发明在D1用户的每根天线上分配不相同功率时，令可以求出矩阵的特征值为{λ₁...λ_i...λ_M}。下面本发明用注水法来求解单天线的发射功率，可以得出：

其中(x)⁺表示max(0,x)。

本发明可以得出每根天线上分配功率不等下的S-D链路的速率公式为：

中继AF模式链路(S-R-D)：

由MIMO技术可以得出S-R-D链路的总速率为：

其中，

下面来求解转发矩阵F，本发明分两中情况来求解F，一种是每个天线的放大因子相同，另一种是每个天线的放大因子不同。

当放大因子相同时F＝AI_N，A为放大因子，可以从公式和得出：

当放大因子不同时，本发明采用奇异值分解(SVD)的方法来求解F，从而可以得出放大矩阵F和信道状态信息的奇异值分解的表达式：

其中，

运用拉格朗日法可以求解f_i：

其中，C_i＝r_cψ_i+1，v可以由求出。

把上面求得的放大因子f_i公式代入公式(16)中就可以求出中继AF模式下采用不同放大因子时的链路速率。

中继DF模式链路(S-R-D)：

求DF模式的速率时，因为两个时隙的速率是独立的，所以可以单独求得,则***的总速率为比较两个时隙的速率大小，小的速率为***的总速率:

其中，和

和

中断概率分析：

本发明分析了MIMO协同中继的D2D通信******的中断概率问题，中断概率是***的信噪比小于某个目标信噪比时的概率，信噪比门限值的大小直接影响***中断概率的大小。假设中继节点和目的节点都知道信道状态信息，本发明分别推导直接链路、中继DF模式、中继AF模式三种情况下的中断概率公式。

直接链路的中断概率：

本发明假设***信噪比的门限值为r₀，由(1)式可以得出直接链路接收端的信噪比为：

其中||.||_F表示矩阵的F-范数。

本发明可以得出直接链路的中断概率表达式为：

其中，

其中，

M表示用户的天线数；

r₀为***信噪比门限值；

σ²为复高斯随机噪声矩阵的方差；

P_s表示D2D用户的发射功率；

P_r表示中继的发射功率；

P_c表示蜂窝用户的发射功能；

||.||_F表示矩阵的F-范数；

表示基站和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示基站和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示中继和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示蜂窝用户和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示蜂窝用户和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差。

中继AF模式下的中断概率：

忽略直接链路的情况下，由中继技术知识可以得出在中继选择AF模式转发信号时，S-R-D链路的总的信噪比表达式为：

可以得出中继AF模式下的中断概率最终表达式为：

其中，中继DF模式下的中断概率：

忽略直接链路的情况下，由式(2)和(3)可以得出S-R链路接收端信噪比和R-D链路接收端信噪比为：

中继DF模式下的***信噪比的表达式为：

r_df＝min(r_sr,r_rd)

所以中继DF模式下的中断概率可以表示为：

由直接链路中断概率的推导公式可以得出以下的表达式：

其中，

其中，

M表示用户的天线数；

r₀为***信噪比门限值；

σ²为复高斯随机噪声矩阵的方差；

P_s表示D2D用户的发射功率；

P_r表示中继的发射功率；

P_c表示蜂窝用户的发射功能；

||.||_F表示矩阵的F-范数；

表示基站和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示基站和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示中继和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示蜂窝用户和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示蜂窝用户和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差。

把(19)式代入(18)式中就可以求出中继DF模式下的***中断概率。

实施例二

如图1所示，本发明在宽带蜂窝移动通信***(IMT-Advanced)中，一对蜂窝用户要进行终端直通，但是由于他们之间的距离超过D2D通信的有效距离，或者他们之间的信道链路质量达不到要求，介于小区内存在大量的空闲的UE用户，利用空闲移动终端作为中继，协助一对蜂窝用户进行D2D通信。一对终端直通蜂窝用户的发端记为D1，接收端记为D2，中继记为R。当D1和R进行通信时，D1复用小区中蜂窝用户和基站通信的频率资源，这时D1和R构成了一对D2D通信；当R和D2进行通信时，R也复用蜂窝小区用户和基站通信的频率资源(和D1的频率资源相同)，这时R和D2构成一对D2D通信。D2D中继通信也就是把一对想要进行D2D通信的蜂窝用户分成两对D2D通信，是D1-R和R-D2。

如图2所示，本发明提供了一种基于终端直通通信的单中继通信方法，该方法是基于蜂窝***的单中继实现方法，其包括如下步骤：

步骤一：用户D1欲与用户D2发起通信，向基站发出会话请求，基站接收到用户D1的信号，发出应答信号，并开始搜索用户D2的位置。

步骤二：基站搜索到用户D2的位置，开始判断用户D1与用户D2之间是否满足D2D通信的条件，若满足则采用D2D通信模式，用户D1和用户D2开始D2D通信。

步骤三：当用户D1与用户D2不满足D2D通信条件时，判断他们之间的通信是否满足速率的要求，如果满足就采用传统蜂窝模式通信；如果不满足，则采用中继辅助的方法来通信。

步骤四：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。

步骤五：当确定参与通信的中继为R时，首先用户D1向中继R进发送信息，这时用户D1和中继R进行D2D单向通信，中继R接收到信息后再与用户D2进行D2D单向通信；当D2接收到信息后，再发送信息给中继R，中继R在把信息发送给用户D1。

步骤六：用户D1和D2确认通信过程完成，分别向基站发出结束会话的请求，基站然后结束中继R的工作状态，整个会话过程结束。

Claims (2)

1.一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：用户D1欲与用户D2发起通信，向基站发出会话请求，基站接收到用户D1的信号，发出应答信号，并开始搜索用户D2的位置；

步骤二：基站搜索到用户D2的位置，开始判断用户D1与用户D2之间是否满足D2D通信的条件，若满足则采用D2D通信模式，用户D1和用户D2开始D2D通信；

步骤三：当用户D1与用户D2不满足D2D通信条件时，判断他们之间的通信是否满足速率的要求，如果满足就采用传统蜂窝模式通信；如果不满足，则采用中继辅助的方法来通信；

步骤四：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，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；

步骤五：当确定参与通信的中继为R时，首先用户D1向中继R进发送信息，这时用户D1和中继R进行D2D单向通信，中继R接收到信息后再与用户D2进行D2D单向通信；当D2接收到信息后，再发送信息给中继R，中继R在把信息发送给用户D1；

步骤六：用户D1和D2确认通信过程完成，分别向基站发出结束会话的请求，基站然后结束中继R的工作状态，整个会话过程结束；

所述方法包括直接链路、中继AF模式链路、中继DF模式链路三种链路；在直接链路、中继AF模式链路、中继DF模式链路三种链路下，分别推导了D2D中继MIMO***的中断概率公式；

所述直接链路的中断概率表达式为：

$P_{out}^{sd}\left(r_0\right)=\mathrm{Pr}(r_{sd}=\frac{P_s\left|\right|H_{sd}|{|}_F^2}{P_c\left|\right|H_{cd}|{|}_F^2+{\mathrm{M\σ}}^2}\≤r_0)=1-\frac{e^{-b}}{(M^2-1)!}\underset{k=0}{\overset{M^2-1}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{k}{\Σ}}{C}_k^i{a}^i{b}^{k-i}\frac{(M^2+i-1)!}{k!{(a+1)}^{M^2+i}}---\left(14\right)$

其中，

其中，

M表示用户的天线数；

r₀为***信噪比门限值；

σ²为复高斯随机噪声矩阵的方差；

P_s表示D2D用户的发射功率；

P_r表示中继的发射功率；

P_c表示蜂窝用户的发射功能；

||.||_F表示矩阵的F-范数；

表示基站和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示基站和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示中继和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示蜂窝用户和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示蜂窝用户和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

所述中继AF模式下的中断概率为：

在中继选择AF模式转发信号时，S-R-D链路的总的信噪比表达式为：

$r_{af}=\frac{r_{sr}{r}_{rd}}{r_{sr}+r_{rd}+1}=\frac{\frac{P_s\left|\right|H_{sr}|{|}_F^2}{P_c\left|\right|H_{cr}|{|}_F^2+{\mathrm{N\σ}}^2}\frac{P_r\left|\right|H_{rd}|{|}_F^2}{P_c\left|\right|H_{cd}|{|}_F^2+{\mathrm{M\σ}}^2}}{\frac{P_s\left|\right|H_{sr}|{|}_F^2}{P_c\left|\right|H_{cr}|{|}_F^2+{\mathrm{N\σ}}^2}+\frac{P_r\left|\right|H_{rd}|{|}_F^2}{P_c\left|\right|H_{cd}|{|}_F^2+{\mathrm{M\σ}}^2}+1}---\left(15\right)$

得出中继AF模式下的中断概率最终表达式为：

$P_{out}^{af}\left(r_0\right)=1-\frac{e^{-\frac{r_0}{2}(\frac{1}{r_1{\mathrm{\σ}}_{sr}^2}+\frac{1}{r_2{\mathrm{\σ}}_{rd}^2})}}{\mathrm{\Γ}\left(MN\right){\left(2r_2\right)}^{MN}{\left({\mathrm{\σ}}_{rd}^2\right)}^{MN-1}}\·\underset{n=0}{\overset{MN-1}{\Σ}}\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}\underset{i=0}{\overset{MN-1}{\Σ}}\frac{C_n^k{C}_{MN-1}^i{(r_0+1)}^k{r}_0^i}{n!{\left(2r_1{\mathrm{\σ}}_{sr}^2\right)}^n}g(k,i)---\left(16\right)$

其中，

所述中继DF模式下的中断概率表示为：

$P_{out}^{df}=\mathrm{Pr}(r_{df}\≤r_0)=\mathrm{Pr}\left(min\right(r_{sr},r_{rd})\≤r_0)=1-\[1-\mathrm{Pr}(r_{sr}\≤r_0)\]\[1-\mathrm{Pr}(r_{rd}\≤r_0)\]---\left(18\right)$

由直接链路中断概率的推导公式得出以下的表达式：

$\begin{array}{c}\mathrm{Pr}\left(r_{sr}\≤r_0\right)=1-\frac{e^{-b_0}}{\left(MN-1\right)!}\underset{k=0}{\overset{MN-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^i{a}_0^i{b}_0^{k-i}\frac{\left(MN+i-1\right)!}{k!{\left(a_0+1\right)}^{MN+i}}\\ \mathrm{Pr}\left(r_{rd}\≤r_0\right)=1-\frac{e^{-b_1}}{\left(M^2-1\right)!}\underset{k=0}{\overset{MN-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k^i{a}_1^i{b}_1^{k-i}\frac{\left(M^2+i-1\right)!}{k!{\left(a_1+1\right)}^{M^2+i}}\end{array}---\left(19\right)$

其中，

$a_0=\frac{r_0{\mathrm{\σ}}_{cr}^2{P}_c}{P_s{\mathrm{\σ}}_{sr}^2},b_0=\frac{r_0{\mathrm{N\σ}}^2}{2P_s{\mathrm{\σ}}_{sr}^2},a_1=\frac{r_0{\mathrm{\σ}}_{cd}^2{P}_c}{P_r{\mathrm{\σ}}_{rd}^2},b_1=\frac{r_0{\mathrm{M\σ}}^2}{2P_r{\mathrm{\σ}}_{rd}^2}$

其中，

M表示用户的天线数；

N为中继的天线数；

r₀为***信噪比门限值；

σ²为复高斯随机噪声矩阵的方差；

P_s表示D2D用户的发射功率；

P_r表示中继的发射功率；

P_c表示C用户总发射功率；

||.||_F表示矩阵的F-范数；

表示基站和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示基站和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示中继和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示蜂窝用户和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；

表示蜂窝用户和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；

H_sd、H_sr、H_rd、H_cr、H_cd表示节点S、D、R、C_UE之间的信道信息；

把式(19)代入式(18)中就求出中继DF模式下的***中断概率。

2.根据权利要求1所述的一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法，其特征在于，所述方法包括：一对蜂窝用户在宽带蜂窝移动通信***中进行终端直通；一对蜂窝用户之间距离超过D2D通信的有效距离；利用空闲移动终端作为中继，协助一对蜂窝用户进行D2D通信；一对终端直通蜂窝用户的发端记为D1，接收端记为D2，中继记为R，当D1和R进行通信时，D1复用小区中蜂窝用户和基站通信的频率资源，这时D1和R构成了一对D2D通信；当R和D2进行通信时，R也复用蜂窝小区用户和基站通信的频率资源；R复用的频率资源和D1的频率资源相同；R和D2构成一对D2D通信；D2D中继通信把一对蜂窝用户分成两对D2D通信，为D1-R和R-D2。