CN104284407B - 嵌入d2d的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种D2D蜂窝网络中基于时域半双工中继的功率控制方法，适用于无线通信技术领域中使用。包括采用点对多点拓扑结构蜂窝网发射的基站B和蜂窝网接收端C、作为蜂窝通信中继的D2D发射端R和D2D接收终端E，其使用D2D发射端作为基站B和接收端C之间蜂窝通信的中继器，对蜂窝通信和D2D通信进行联合功率控制，使用全双工无线中继技术实现蜂窝通信和D2D通信的正交信道频谱复用，在满足蜂窝通信最小数据吞吐量的同时，最大化D2D通信的吞吐量，从而兼顾了***整体性能和用户的个体性能，在***层面和用户层面达到良好的平衡。

Description

嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种全双工中继的功率控制方法，尤其适用于一种无线通信技术领域中使用的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法。

背景技术

随着宽带移动多媒体业务量的不断增加，提高蜂窝网络的用户容量、覆盖范围以及服务质量成为无线移动通信亟待解决的重要课题。D2D通信技术是移动通信标准化组织3GPP-LTE近年来关注和研究的一种全新的无线通信技术。D2D通信是指：在不影响其他蜂窝用户和D2D用户数据传输的前提下，地理位置较近的用户终端可以不通过基站中转而建立直接通信链路进行数据传输。其应用优势包括：D2D通信可以复用蜂窝通信的工作频段，充分利用稀缺的无线频谱资源；近距离D2D通信使用较低的传输能耗就能获得较高的数据吞吐量和较低的数据传输时延；由于用户终端分布广泛且数量较多，D2D通信可以扩大蜂窝小区的覆盖范围。

在嵌入D2D的蜂窝网络中，用户终端可以自主选用三种通信模式：

1)蜂窝通信模式：在该模式下，用户终端借助基站中转实现数据传输；

2)基于共信道传输的D2D通信模式：在该模式下，D2D通信与蜂窝通信使用相同的时频信道进行数据传输；

3)基于正交信道传输的D2D通信模式：在该模式下，D2D通信与蜂窝通信使用正交的时频信道进行数据传输。

共信道D2D通信模式虽然可以提高无线频谱资源的利用效率，但是D2D通信和蜂窝通信之间会存在较为严重的相互干扰。发射功率控制作为一种有效的干扰管理机制，可以将上述干扰控制在可接受范围内。各国学者针对嵌入D2D的蜂窝网络提出了多种功率控制方案，主要分为以下两种方式实现：

1)集中式控制：由基站负责对D2D通信和蜂窝通信的同步、功率控制等进行统一管理；

2)分布式控制：D2D终端需要实时测量、评价网络的干扰状况，对其发射功率和传输同步进行本地控制。

由于集中式控制易于实现，本专利设计的共信道D2D通信模式功率控制方案采用集中式控制方式实现。

近年来，无线中继作为一种新的抗无线信道多径衰落技术，已被广泛用于提高蜂窝网络的数据吞吐量，延伸蜂窝小区的覆盖范围，以及增强小区边缘用户的服务体验。无线中继技术通过单跳无线链路中加入中继节点，将处于深度衰落的单跳数据链路***成两跳的高质量数据链路，从而获得前述网络性能提升。中继技术可以分为以下两类：

1)半双工中继：中继节点安装一支天线，接收数据和中继转发数据需要占用两个正交时隙，因此，频谱利用效率为1/2；

2)全双工中继：中继节点安装两支发射天线，可以在同一信道上并发接收数据和中继转发数据，因此，频谱利用效率为1；

在上述应用和研究背景下，利用无线中继实现蜂窝

网络中的D2D通信已经被国内外学者广泛关注，并已经提出了以下解决方案：

文献1：C.Yu,K.Doppler,C.B.Ribeiro,et al,“Resource sharing optimizationfor device-to-device communication underlaying cellular networks,”IEEETrans.Wirel.Commun.,vol.10,no.8,pp.2752–2763,2011.提出了一种基于半双工中继的蜂窝通信和D2D通信功率控制方案，该方案能够在满足蜂窝用户和D2D用户最小数据吞吐量的前提下，最大化***的总吞吐量。然而，文献1所提出的D2D通信方案仍然需要使用基站作为D2D通信的中继节点；

文献2：Y.PeiandY.C.Liang,“Resource allocation for device-to-devicecommunications overlaying two-way cellular networks,”IEEETrans.Wirel.Commun.,vol.12,no.7,pp.3611-3621,2013.提出了一种基于半双工、双向中继的蜂窝通信和D2D通信功率控制方案，该方案可以在有效避免***吞吐量降低的同时，保障蜂窝用户和D2D用户获取Pareto公平性的数据吞吐量增益。然而，由于蜂窝网络的下行数据量远远超过上行数据量，该方案所要求的半双工、双向中继在实际的蜂窝网络中缺乏应用场景，难以推广应用；

文献3：周斌,胡宏林.提高蜂窝***多播效率的D2D自适应协作重传.应用科学学报,2013,31(3):221-227.

文献4：B.Zhou,H.Hu,S.-Q.Huang and H.-H.Chen,“Intracluster device-to-device relay algorithm with optimal resource utilization,”IEEETrans.Vehicular Technology,vol.62,no.5,pp.2315-2326,2013.

文献5：北京邮电大学.蜂窝***中D2D和固定中继两种协作多播模式的选择方法.中国发明专利,CN103476140A,2013-12-25。

文献3，文献4和文献5将无线中继和D2D通信两种技术相结合，用于提高蜂窝网络中无线多播业务的数据吞吐量。然而，在上述文献中，D2D发射终端仅仅被用作辅助蜂窝无线多播传输的中继节点，而其本身不产生任何数据业务，这与实际应用中D2D用户需要传输本地数据业务是不相符的。

此外，上述文献1至文献5均采用半双工中继在蜂窝网络中实现D2D通信。由于使用半双工中继，源信息传输和中继数据传输在不同时隙进行，不会产生互干扰，因此，上述文献均未考虑功率控制和干扰管理等问题。

全双工中继能够实现蜂窝通信和D2D通信的共信道频谱复用，理论上能够获得比半双工中继高一倍的频谱资源利用率。如何实现有效的功率控制和干扰管理，将全双工中继用于改善嵌入D2D的蜂窝网络的***整体性能，是需要进一步研究解决的问题。

发明内容

针对上述技术的不足之处，本发明提供一种方法简单，实现了蜂窝通信和D2D通信的共信道复用，即保证了蜂窝通信可以通过D2D发射端进行数据中转，从而增加蜂窝通信的覆盖范围，同时保证D2D通信的数据吞吐量，获得了更高的频谱利用率的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法。

为实现上述目标，本发明实现了一种基于全双工中继的蜂窝通信和D2D通信联合功率控制方案，包括采用点对多点拓扑结构蜂窝网发射的基站B和蜂窝网接收接收端C，作为蜂窝通信中继的D2D发射端R和D2D接收接收端E，构成一个由接收端C、发射端R和接收接收端E受基站B控制的嵌入D2D通信的蜂窝通信网络，所述发射端R上设有分别用于共信道发射和接收信息的发射天线和接收天线；

其功率控制方法步骤如下：

a.基站B通过蜂窝网控制信道向接收端C发送建立通信链路的请求后，当接收端C接收到基站B的信号强度大于等于预设值时，则向基站B反馈信息，基站B与接收端C建立通信链路，此时D2D发射端R和接收接收端E仅进行D2D通信；

b.当接收端C接收到基站B的信号强度小于预设值时，则不与基站B组建通信链路，此时基站B向D2D发射端R发送数据中继请求并与发射端R的天线建立第一跳蜂窝中继通信链路，D2D发射端R再通过天线发射与接收端C建立通信链路的请求，当接收端C接收到发射端R的请求后即与D2D发射端R建立蜂窝网的第二跳中继通信链路；

c.基站B通过蜂窝网专用控制信道(SDCCH)获得基站B到发射端R处的信道功率增益g_B,R以及发射端R自身发射天线与接收电线之间的信道功率增益g_R,R，从接收端C处得到基站B到接收端C的信道功率增益g_B,C和发射端R到接收端C的信道功率增益g_R,C，从接收端E处得到基站B到接收端E的信道功率增益g_B,E和发射端R到接收端E的信道功率增益g_R,E；

f.通过公式：计算发射端R与接收端C之间的最优信干噪比通过公式：计算发射端R与接收端E之间的最优信干噪比

g.当时，基站B将步骤e中得到的发射端R的最优发射功率和最优功率比例α^opt，通过专用控制信道传输给发射端R，控制发射端R使用最优发射功率和最优发射功率比例α^opt分别向接收端C和接收端E发射数据信息；

i.基站B使用功率向蜂窝接收端C发射能量归一化信息码元x_C，此时D2D发射端R的使用接收天线获得码元x_C，对基站B发射的码元x_C进行接收、解码处理，解码后的信息码元为D2D发射端R将发射功率α^opt 加载到信息码元中，将发射功率(1-α^opt)加载到向接收端E发射的能量归一化信息码元x_E中，发射端R的发射天线天线同时向处于接收状态的接收端C和接收端E广播信息码元信息

j.接收端C接收发射端R广播的数据时，同时接收到基站B发射的信号，接收端C将基站B发射的数据以及码元x_R中的x_E部分当作干扰，仅对部分进行解码；接收端E同时接收到的发射端R和基站B发射的信号，接收端E将基站B发射的信号以及码元x_R中的部分当作干扰，仅对x_E部分进行解码，功率控制流程结束。

所述步骤b中基站B向D2D发射端R发送数据中继请求后发射端R作为蜂窝通信链路的中继节点需要通过公式：γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}判断，当公式γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}为真时，则D2D发射发射端R作为蜂窝通信链路的中继节点，将处于深度衰落甚至无法保证通信质量的基站B到接收端C单跳蜂窝通信链路***为两跳数据链路；当公式γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}为假时，则D2D发射端R无法提高蜂窝通信链路的信道质量，发射端R不对基站B到接收端C单跳蜂窝通信链路进行中继；

所述步骤e中在总发射功率受限的条件下，建立基站B和D2D发射发射端R的联合功率控制满足的条件为：

p_B+p_R＝P,p_B≥0,p_R≥0，

0≤α＜1，

其中，T_E和T_C分别表示D2D接收接收端E和蜂窝接收接收端C的数据吞吐量：

α为发射端R为中继蜂窝用户C的信息码元所分配的功率比例；

通过上述计算从而得到最优功率控制

所述步骤h中在总发射功率受限的条件下，建立基站B和D2D发射发射端R的联合功率控制满足的条件为：

p_B+p_R＝P,p_B≥0,p_R≥0，

0≤α＜1，

通过上述计算从而得到最优功率控制

有益效果：本发明使用D2D发射端作为基站B和接收端C之间蜂窝通信的中继器，同时保证D2D发射端在作为蜂窝通信中继的同时继续与接收端E进行D2D通信，通过全双工中继技术实现蜂窝通信和D2D通信的共信道频谱复用，提高了嵌入D2D的蜂窝网络的频谱资源利用效率，通过对发射端R的蜂窝通信和D2D通信的功率进行联合功率控制，蜂窝通信和D2D在相同的时频信道并发传输，无须占用额外的信道资源，在满足蜂窝通信最小数据吞吐量的同时，最大化D2D通信的吞吐量，从而兼顾了***整体性能和用户的个体性能，在***层面和用户层面达到良好的平衡。

附图说明

图1是本发明嵌入D2D的蜂窝网络的结构示意图；

图2是基于全双工中继的蜂窝通信和D2D通信联合功率控制方案流程图；

图3是随D2D通信链路信噪比的变化，D2D用户在不同通信模式下的吞吐量对比图；

图4是随蜂窝中继链路信噪比的变化，D2D用户在不同通信模式下的吞吐量对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，包括采用点对多点拓扑结构蜂窝网发射的基站B和蜂窝网接收接收端C，作为蜂窝通信中继的D2D发射端R和D2D接收接收端E，构成一个由接收端C、发射端R和接收接收端E受基站B控制的嵌入D2D通信的蜂窝通信网络，所述发射端R上设有分别用于共信道发射和接收信息的发射天线和接收天线；

如图2所示，功率控制方法步骤如下：

a.基站B通过蜂窝网控制信道向接收端C发送建立通信链路的请求后，当接收端C接收到基站B的信号强度大于等于预设值时，则向基站B反馈信息，基站B与接收端C建立通信链路，此时D2D发射端R和接收接收端E仅进行D2D通信；

b.当接收端C接收到基站B的信号强度小于预设值时，则不与基站B组建通信链路，此时基站B向D2D发射端R发送数据中继请求并与发射端R的天线建立第一跳蜂窝中继通信链路，D2D发射端R再通过天线发射与接收端C建立通信链路的请求，当接收端C接收到发射端R的请求后即与D2D发射端R建立蜂窝网的第二跳中继通信链路；

所述基站B向D2D发射端R发送数据中继请求后发射端R作为蜂窝通信链路的中继节点需要通过公式：γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}判断，式中：当公式γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}为假时，则D2D发射端R无法提高蜂窝通信链路的信道质量，发射端R不对基站B到接收端C单跳蜂窝通信链路进行中继，则方法终止；当公式γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}为真时，则D2D发射发射端R作为蜂窝通信链路的中继节点，将处于深度衰落甚至无法保证通信质量的基站B到接收端C单跳蜂窝通信链路***为两跳数据链路；

c.基站B通过蜂窝网专用控制信道(SDCCH)获得基站B到发射端R处的信道功率增益g_B,R以及发射端R自身发射天线与接收电线之间的信道功率增益g_R,R，从接收端C处得到基站B到接收端C的信道功率增益g_B,C和发射端R到接收端C的信道功率增益g_R,C，从接收端E处得到基站B到接收端E的信道功率增益g_B,E和发射端R到接收端E的信道功率增益g_R,E；

e.当公式γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}为真时，由于采用解码再中继协议，基站B预判信干噪比和最优信干噪比之间关系为并在总发射功率受限的条件下，建立基站B和D2D发射发射端R的联合功率控制数学模型为：

p_B+p_R＝P,p_B≥0,p_R≥0，

0≤α＜1，

其中，T_E和T_C分别表示D2D用户E和蜂窝用户C的数据吞吐量：

α表示发射端R为中继蜂窝用户C的信息码元所分配的功率比例；通过求解上述数学模型，得到最优功率控制策略为：

f.通过公式：计算发射端R与接收端C之间的最优信干噪比通过公式：计算发射端R与接收端E之间的最优信干噪比

g.当时，基站B将步骤e中得到的发射端R的最优发射功率和最优功率比例α^opt，通过专用控制信道传输给发射端R，控制发射端R使用最优发射功率和最优发射功率比例α^opt分别向接收端C和接收端E发射数据信息；

h.当则基站B需要在以及总发射功率受限的条件下工作，需要重新计算最优的功率控制策略；在以及总发射功率受限的条件下，基站B建立基站B和D2D发射发射端R的联合功率控制数学模型：

p_B+p_R＝P,p_B≥0,p_R≥0，

0≤α＜1，

i.基站B使用功率向蜂窝接收端C发射能量归一化信息码元x_C，此时D2D发射端R的使用接收天线获得码元x_C，对基站B发射的码元x_C进行接收、解码处理，解码后的信息码元为D2D发射端R将发射功率α^opt 加载到信息码元中，将发射功率(1-α^opt)加载到向接收端E发射的能量归一化信息码元x_E中，发射端R的发射天线天线同时向处于接收状态的接收端C和接收端E广播信息码元信息

j.接收端C接收发射端R广播的数据时，同时接收到基站B发射的信号，接收端C将基站B发射的数据以及码元x_R中的x_E部分当作干扰，仅对部分进行解码；接收端E同时接收到的发射端R和基站B发射的信号，接收端E将基站B发射的信号以及码元x_R中的部分当作干扰，仅对x_E部分进行解码，通过公式：和分别得到了蜂窝接收端C和D2D接收端E的最大瞬时吞吐量和

本发明已经进行了多次仿真实施试验，下面具体介绍实施例及其性能分析。仿真实施例如图1所示的嵌入D2D的蜂窝网络***，用户接收端C是处于小区边缘的蜂窝用户，用户发射端R和接收端E采用D2D模式通信。假设蜂窝接收端C执行语音通信业务，最小数据吞吐量需求为20Kbit/s，其他实施例的仿真参数预设如下表所示：

在仿真实施中，蜂窝接收端C的最小数据吞吐量始终被保持在20Kbit/s，不再以图形示出。

将发射端R与接收端C之间的信噪比γ_R,C固定为5dB，参照图3，介绍D2D接收端E的数据吞吐量随着γ_R,E变化的关系示意图。由图3可知，当作为全双工中继的发射端R的自干扰信道信噪比(即γ_R,R)被控制在15dB以下时，本发明基于全双工中继的D2D通信模式可以获得比传统半双工中继D2D通信模式更高的数据吞吐量，这是因为全双工中继模式在相同的功耗条件下，获得比半双工中继模式高1倍的频谱资源利用效率。

将发射端R与接收端E之间的信噪比γ_R,E固定为5dB，参照图4，介绍D2D接收端E的数据吞吐量随着γ_R,C变化的关系示意图。由图4可知，当γ_R,R被控制在15dB以下时，本发明基于全双工中继的D2D通信模式仍然可以获得比传统半双工中继D2D通信模式更高的数据吞吐量。

Claims (5)

1.一种嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，包括采用点对多点拓扑结构蜂窝网发射的基站B和蜂窝网接收端C，作为蜂窝通信中继的D2D发射端R和D2D接收端E，构成一个由接收端C、发射端R和接收端E受基站B控制的嵌入D2D通信的蜂窝通信网络，所述发射端R上设有分别用于共信道发射和接收信息的发射天线和接收天线，其特征在于步骤如下：

a.基站B通过蜂窝网控制信道向接收端C发送建立通信链路的请求后，当接收端C接收到基站B的信号强度大于等于预设值时，则向基站B反馈信息，基站B与接收端C建立通信链路，此时D2D发射端R和接收端E仅进行D2D通信；

b.当接收端C接收到基站B的信号强度小于预设值时，则不与基站B组建通信链路，此时基站B向D2D发射端R发送数据中继请求并与发射端R的天线建立第一跳蜂窝中继通信链路，D2D发射端R再通过天线发射与接收端C建立通信链路的请求，当接收端C接收到发射端R的请求后即与D2D发射端R建立蜂窝网的第二跳中继通信链路；

c.基站B通过蜂窝网专用控制信道(SDCCH)获得基站B到发射端R处的信道功率增益g_B,R以及发射端R自身发射天线与接收电线之间的信道功率增益g_R,R，从接收端C处得到基站B到接收端C的信道功率增益g_B,C和发射端R到接收端C的信道功率增益g_R,C，从接收端E处得到基站B到接收端E的信道功率增益g_B,E和发射端R到接收端E的信道功率增益g_R,E；

d.通过公式：分别计算基站B与发射端R、基站B与接收端C、基站B与接收端E之间的信噪比γ_B,R、γ_B,C、γ_B,E，通过公式：分别计算发射端R与接收端C、发射端R与接收端E之间的信噪比γ_R,C、γ_R,E，由于发射端R无法去除双天线、全双工中继所造成的自干扰，所以通过公式计算基站B与发射端R之间的信干噪比式中：p_B为基站B的发射功率，p_R为发射端R的发射功率，基站B和发射端R的联合功率约束为P，即有p_B+p_R＝P，发射端R、接收端C、接收端E的噪声功率均为σ²；

e.通过公式：分别求取基站B和发射端R的最优发射功率和并通过公式：且0≤α^opt＜1，求取发射端R为蜂窝网接收端C的信息码元所分配的最优发射功率比例α^opt，从而保证基站B通过发射端R中继与接收端C的正常蜂窝网通信，又能保证发射端R与接收端E之间D2D通信的数据吞吐量最大化；式中：G为常数，且为蜂窝网接收端C的最小数据吞吐量约束，W为蜂窝通信和D2D通信共享的信道带宽；

f.通过公式：计算发射端R与接收端C之间的最优信干噪比通过公式：计算发射端R与接收端E之间的最优信干噪比

g.当时，基站B将步骤e中得到的发射端R的最优发射功率和最优功率比例α^opt，通过专用控制信道传输给发射端R，控制发射端R使用最优发射功率和最优发射功率比例α^opt分别向接收端C和接收端E发射数据信息；

h.当则基站B需要在以及总发射功率受限的条件下工作，通过公式：重新获得最优功率比例α^opt，并通过公式： 重新获得基站B和发射端R的最优发射功率和根据新获得的最优功率比例α^opt、基站B和发射端R的最优发射功率和通过公式重新得到发射端R与接收端C之间的最优信干噪比通过公式重新得到发射端R与接收端E之间的最优信干噪比基站B将重新计算得到的发射端R最优发射功率和最优功率比例α^opt通过专用控制信道传输给发射端R，控制发射端R使用最优发射功率和最优发射功率比例α^opt分别向接收端C和接收端E发射数据信息；

i.基站B使用功率向蜂窝接收端C发射能量归一化信息码元x_C，此时D2D发射端R使用接收天线获得码元x_C，对基站B发射的码元x_C进行接收、解码处理，解码后的信息码元为D2D发射端R将发射功率α^opt 加载到信息码元中，将发射功率加载到向接收端E发射的能量归一化信息码元x_E中，发射端R的发射天线同时向处于接收状态的接收端C和接收端E广播信息码元信息

j.接收端C接收发射端R广播的数据时，同时接收到基站B发射的信号，接收端C将基站B发射的数据以及码元x_R中的x_E部分当作干扰，仅对部分进行解码；接收端E同时接收到的发射端R和基站B发射的信号，接收端E将基站B发射的信号以及码元x_R中的部分当作干扰，仅对x_E部分进行解码，功率控制流程结束。

2.根据权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，其特征在于：所述步骤b中基站B向D2D发射端R发送数据中继请求后发射端R作为蜂窝通信链路的中继节点需要通过公式：γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}判断，当公式γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}为真时，则D2D发射端R作为蜂窝通信链路的中继节点，将处于深度衰落甚至无法保证通信质量的基站B到接收端C单跳蜂窝通信链路***为两跳数据链路；当公式γ_R,C＜min{γ_B,R,γ_B,C}为假时，则D2D发射端R无法提高蜂窝通信链路的信道质量，发射端R不对基站B到接收端C单跳蜂窝通信链路进行中继。

3.根据权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，其特征在于：所述步骤e中在总发射功率受限的条件下，建立基站B和D2D发射端R的联合功率控制满足的条件为：

约束条件：

p_B+p_R＝P,p_B≥0,p_R≥0，

0≤α＜1，

其中，T_E和T_C分别表示D2D接收端E和蜂窝接收端C的数据吞吐量：

α为发射端R为中继蜂窝用户C的信息码元所分配的功率比例；

通过上述计算从而得到最优功率控制

4.根据权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，其特征在于：所述步骤h中在总发射功率受限的条件下，建立基站B和D2D发射端R的联合功率控制满足的条件为：

约束条件：

p_B+p_R＝P,p_B≥0,p_R≥0，

0≤α＜1，

其中，

通过上述计算从而得到最优功率控制

5.根据权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，其特征在于：所述步骤h通过公式和分别得到了蜂窝用户C和D2D用户E的最大瞬时吞吐量和