CN109219026B - 上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的d2d传输方法 - Google Patents

上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的d2d传输方法 Download PDF

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CN109219026B CN201811345984.1A CN201811345984A CN109219026B CN 109219026 B CN109219026 B CN 109219026B CN 201811345984 A CN201811345984 A CN 201811345984A CN 109219026 B CN109219026 B CN 109219026B
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Abstract

本发明公开了一种上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的D2D传输方法，分为两个阶段：第一阶段，中继和D2D接收端都会接收到来自蜂窝用户和D2D发送端的信号，并且从接收到的信号中进行能量捕获；第二阶段，中继节点利用放大转发协议将接收到的信号转发到基站和D2D接收端。其中，基站直接解码信号获取蜂窝用户发送的信号，而D2D接收端利用中继转发的信号，首先消除蜂窝用户的干扰，然后进行信号译码来获得D2D信号。在实现蜂窝网络对D2D传输的干扰的消除之后，为了最大化蜂窝网络和D2D设备双方的传输利益，制定了约束条件和优化问题。通过优化问题的求解，本发明实现了上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的能量高效的D2D传输。

Description

上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的D2D传输方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，具体涉及一种上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的D2D传输方法，移除了蜂窝网络对D2D设备的干扰，提高了网络的频谱利用率和D2D设备的能量利用率。
背景技术
频谱利用率的提高一直是无线通信技术发展面临的问题之一。现如今，在物联网与5G技术即将商业化的时期，这一问题的重要性更加凸显了出来。5G网络中有大量的D2D设备，如果给这些设备分配未授权的频谱，这将会减慢整个***部署的效率，也将会造成频谱的浪费。所以，D2D用户访问蜂窝***的频谱来传输自己的信号成为了上述问题的解决办法之一。另外，D2D设备由于他的移动性，能量的持续供应得不到保证。能量捕获技术，作为一个很有前景的技术，可以解决这个问题。
D2D发送端访问蜂窝网络的频谱并从该网络中捕获能量用于自己的传输可以提高D2D通信的中断性能。为了最大化基于能量捕获的D2D设备的传输速率，可以联合考虑资源和能量的分配，制定相应的优化问题，进而解决此问题。另外，这种协作传输方式同样会对蜂窝网络造成干扰。为了保证蜂窝网络的服务质量，可以从频谱资源、传输时隙、能量分配等方面联合考虑，制定符合蜂窝网络服务质量需求的优化问题。通过求解优化问题，进行合理的资源分配，进而解决问题。
D2D设备与蜂窝网络的协作通信有效地提高了频谱的利用效率。当D2D设备的传输能量由于消耗得不到保证的时候，D2D通信的服务质量(QoS)会大打折扣。同时，蜂窝网络对D2D设备会造成干扰，这大大地降低了D2D接收端译码的能力。因此，需要一个可以消除干扰和持续供能的方案来保证高效的D2D传输的可靠性。
发明内容
针对D2D设备在蜂窝网络中传输时蜂窝网了对D2D传输形成干扰的问题，本发明提出一种上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的D2D传输方法。该方法充分利用蜂窝网络中中继节点转发的信号，消除了蜂窝网络的干扰信号。同时，通过合理地设计中继和D2D接收端的能量***比，极大地提高了D2D传输的质量。
本发明采用如下技术方案来实现的：
上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的D2D传输方法，该D2D和上行中继网络包括一对D2D用户、一个蜂窝用户、一个中继节点以及一个基站S，其中D2D用户包括发送端和接收端；
该传输方法分为两个阶段：
第一阶段，蜂窝用户和D2D发送端分别向中继节点和D2D接收端发送信号，同时中继节点和D2D接收端均会收到D2D发送端和蜂窝用户的干扰，然后，中继节点和D2D接收端利用能量***协议分别从接收到的信号中捕获能量；其中，中继将用捕获的能量中转剩余的捕获信号，而D2D接收端则用捕获的能量给自己的电池充电，以便后续的传输；
第二阶段，中继进行信号转发，基站和D2D接收端都会受到来自中继的信号；基站直接解码信号获得自己所需的信号；在D2D接收端，由于两个阶段收到的信号均包含蜂窝网络的信号，因此利用干扰消除技术可以消除蜂窝网络的干扰信号，然后进行信号译码来获得D2D信号；假设由于衰落，障碍物原因，蜂窝用户和基站之间没有直传链路，D2D发送端与蜂窝用户位于同一侧，与基站也没有直传链路。
本发明进一步的改进在于，该传输方法的具体实现如下：
Step 1：蜂窝用户向中继发送信号xC，同时D2D发送端访问蜂窝网络的频谱传输自己的信号xA；
Step 2：中继和D2D接收端分别接受对应发送端的发送的信号，同时还接收到其他发送端的干扰信号，接收到的信号分别表示为yR和yB1；
Step 3：中继和D2D接收端利用能量***协议从接收的信号中捕获能量，捕获的能量分别表示为PR和EB；
Step 4：中继利用捕获的能量放大转发剩余的信号，此信号表示为xR；
Step 5：基站接收来自中继的信号并进行译码以便获取蜂窝用户发送的信号，接收的信号和译码信噪比分别表示为yS和ρS；
Step 6：D2D接收端接收中继发送的信号，接收到的信号表示为yB2；
Step 7；D2D接收端在两个阶段接收的信号都包括蜂窝网络的干扰xC，所以D2D接收端可以利用干扰消除技术消除技消除蜂窝网络的干扰xC，消除干扰后的进行译码以便获取D2D发送端发送的信号，消除干扰好的信号和译码信噪比表示为yB和ρB。
本发明进一步的改进在于，Step 2中中继和D2D接收端的信分别表示为
Figure BDA0001863755080000031
Figure BDA0001863755080000032
Step 3中中继和D2D接收端进行能量捕获的能量分别表示为
PR＝ηγ1(PC|h1|2+PA|h4|2)
Figure BDA0001863755080000033
Step 4中中继节点发送的信号表示为
Figure BDA0001863755080000034
Step 5中基站接收的信号和译码信噪比分别表示为
Figure BDA0001863755080000041
Figure BDA0001863755080000042
Step 6中D2D接收端接收的信号表示为
Figure BDA0001863755080000043
Step 7中D2D接收端消除干扰后的信号和译码信噪比分别表示为
Figure BDA0001863755080000044
Figure BDA0001863755080000045
其中，PC和PA分别表示蜂窝用户和D2D发送端用于发送信号xC和xA的能量；0≤γ1≤1和0≤γ2≤1分别表示中继和D2D接收端的能量***比；
Figure BDA0001863755080000046
表示中继节点的信号放大因子；0＜η＜1表示能量转换效率；h1，h2，h3，h4，h5和h6分别表示蜂窝用户和中继之间、蜂窝用户和D2D接收端之间、D2D设备之间、D2D发送端和中继中间、中继和D2D接收端之间以及中继和基站之间的信道系数，分别服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的瑞利衰落；n1，n2，n3，n4，n5和n6分别表示由中继、D2D接收端、信号从宽带向基带转换、D2D接收端、信号从宽带向基带转换以及基站产生的高斯白噪声，其概率密度函数均为CN(0,σ0 2)。
本发明进一步的改进在于，Step 7中，为满足D2D通信的能量高效需求，设定D2D能量高效传输约束C1，如下：
Figure BDA0001863755080000051
其中，
Figure BDA0001863755080000052
是D2D设备的能量效率，
Figure BDA0001863755080000053
是D2D通信的传输速率，η0是D2D设备的最低能量效率。
本发明进一步的改进在于，Step 5中，设定蜂窝网络的服务质量需求C2，如下：
Figure BDA0001863755080000054
其中，
Figure BDA0001863755080000055
是蜂窝网络的传输速率，TS是蜂窝网络的目标传输速率。
本发明进一步的改进在于，Step 3中，设定D2D设备的能量捕获约束C3，如下：
Figure BDA0001863755080000056
其中，eB是D2D接收端的最小捕获能量。
本发明进一步的改进在于，Step 4中，根据设定的约束条件，分配最优的能量***比以最大化D2D传输速率，最优的能量***比满足
Figure BDA0001863755080000057
其中，
Figure BDA0001863755080000058
和
Figure BDA0001863755080000059
分别表示γ1和γ2的最优值；
Figure BDA00018637550800000510
Figure BDA00018637550800000511
本发明进一步的改进在于，Step 5中，为中继和D2D接收端分别分配能量***比γ1 optimal和γ2 optimal，最终实现能量高效的D2D传输。
本发明具有如下有益的技术效果：
针对D2D访问蜂窝网络的频谱传输信息时蜂窝网络对D2D传输造成干扰的问题，本发明综合利用了协作中继的技术优势和D2D接收端的架构，通过中继转发的信号将蜂窝网络对D2D用户造成的干扰完全消除，大大减少了D2D通信的干扰。在没有中继节点的网络中，D2D接收端存在较大能量的蜂窝信号。因此，与没有中继节点的网络相比，本发明提出的D2D传输方案大大地提高了D2D通信的纯度，在解码时只有天线和信号处理产生的噪声，从而使D2D用户可以以最小的功率消耗完成高效的信息传输。
进一步，针对网络能量消耗和D2D通信持续性的问题，本发明使中继节点和D2D接收端可以从接收到的信号中捕获能量。其中，中继节点利用捕获的能量继续中继信号，而D2D接收端则利用捕获的能量为D2D设备充电，以便后续的信息传输。本发明通过能量捕获技术减少了中继节点转发信息所需的能量，同时D2D接收端的电池可以利用捕获的能量进行充电，大大延长了电池的寿命，提高了D2D通信的持续性。
进一步，针对D2D通信的高效传输问题，本发明通过建立优化问题求解了最优的能量分配因子。为了保证蜂窝网络的服务质量需求和D2D设备的高效、快速和持续地完成信息传输，本发明制定了D2D传输速率最大化问题和相应的约束条件，通过问题的求解获得的关于中继节点和D2D接收端的最优的能量***比来实现高效的D2D传输。通过仿真结果可以看出，本发明相较于没有中继节点的蜂窝网络而言略微增大了蜂窝网络的中断概率，但是减小的程度非常小。此外，经过优化后的能量***比，相较于其他的能量***比，最大化了符合约束条件的D2D能量效率和传输速率。
附图说明
图1是所提的***框架图。
图2和图3分别是中继和D2D接收端的结构图。
图4是D2D传输的能量效率与发送端信噪比曲线图。
图5和图6分别是D2D设备和蜂窝网络的传输速率图。
图7是蜂窝网络和D2D传输的中断概率与发送端信噪比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1给出的***框架图，考虑一对蜂窝D2D用户在上行中继网络中传输。此网络由蜂窝用户、中继节点、基站以及D2D对组成。所有的节点都拥有一根天线，同时工作在半双工模式。其中，中继节点和D2D接收端利用能量***协议从接收的信号中捕获能量，中继节点利用放大转发协议中继信号。中继节点利用捕获的能量转发剩余的信号，而D2D接收端则将捕获的能量存储在电池中，以便后续使用。
图2和图3给出了中继和D2D接收端的结构图。中继由能量***器、能量接收机、信息接收机以及发送机组成。中继的工作流程如下：首先，基于能量***的方法[8]，中继节点R将接收到的信号分为两部分进行处理，一部分用于能量捕获同时另一部分用于信息转发。然后，发送机将利用截获的能量将解码接收机接收的信号转发到目的地。D2D接收端由能量***器、能量接收机、信息接收机、电池以及解码接收机组成。D2D接收端的工作流程如下：首先，在第一阶段，基于能量***的方法[8]，D2D接收端将接收到的信号分为两部分进行处理，一部分用于能量捕获同时另一部分用于信息处理。在第二阶段，D2D解码接收机来自中继的信号，同时与第一阶段能量捕获剩余的信号进行消除噪声处理，最终解码D2D发送端发送的信号。
基于图1，图2和图3的模型，本发明提出的新型的D2D和上行中继网络的协作传输分为两个阶段：第一阶段，蜂窝用户和D2D发送端分别向中继节点和D2D接收端发送信号，同时中继节点和D2D接收端均会收到D2D发送端和蜂窝用户的干扰。然后，中继节点和D2D接收端利用能量***协议分别从接收到的信号中捕获能量。其中，中继将用捕获的能量中转剩余的捕获信号，而D2D接收端则用捕获的能量给自己的电池充电，以便后续的传输。第二阶段，中继进行信号转发，基站和D2D接收端都会受到来自中继的信号。基站直接解码信号获得自己所需的信号。在D2D接收端，由于两个阶段收到的信号均包含蜂窝网络的信号，因此可以利用干扰消除技术消除蜂窝网络的干扰信号，然后进行信号译码来获得D2D信号。假设由于衰落，障碍物等原因，蜂窝用户和基站之间没有直传链路。D2D发送端与蜂窝用户位于同一侧，与基站也没有直传链路。具体实现如下：
Step 1：蜂窝用户向中继发送信号xC，同时D2D发送端访问蜂窝网络的频谱传输自己的信号xA；
Step 2：中继和D2D接收端分别接受对应发送端的发送的信号，同时还接收到其他发送端的干扰信号，接受到的信号分别表示为yR和yB1；
Step 3：中继和D2D接收端利用能量***协议从接收的信号中捕获能量，捕获的能量分别表示为PR和EB；
Step 4：中继利用捕获的能量放大转发剩余的信号，此信号表示为xR；
Step 5：基站接收来自中继的信号并进行译码以便获取蜂窝用户发送的信号，接收的信号和译码信噪比分别表示为yS和ρS；
Step 6：D2D接收端接收中继发送的信号，接收到的信号表示为yB2；
Step 7：D2D接收端在两个阶段接收的信号都包括蜂窝网络的干扰xC，所以D2D接收端可以利用干扰消除技术消除技消除蜂窝网络的干扰xC，消除干扰后的进行译码以便获取D2D发送端发送的信号，消除干扰好的信号和译码信噪比表示为yB和ρB。
各个阶段信号的具体表达式为：
Step 2中中继和D2D接收端的信分别表示为
Figure BDA0001863755080000081
Figure BDA0001863755080000091
Step 3中中继和D2D接收端进行能量捕获的能量分别表示为
PR＝ηγ1(PC|h1|2+PA|h4|2)
Figure BDA0001863755080000092
Step 4中中继节点发送的信号表示为
Figure BDA0001863755080000093
Step 5中基站接收的信号和译码信噪比分别表示为
Figure BDA0001863755080000094
Figure BDA0001863755080000095
Step 6中D2D接收端接收的信号表示为
Figure BDA0001863755080000096
Step 7中D2D接收端消除干扰后的信号和译码信噪比分别表示为
Figure BDA0001863755080000097
Figure BDA0001863755080000098
其中，PC和PA分别表示蜂窝用户和D2D发送端用于发送信号xC和xA的能量；0≤γ1≤1和0≤γ2≤1分别表示中继和D2D接收端的能量***比；
Figure BDA0001863755080000099
表示中继节点的信号放大因子；0＜η＜1表示能量转换效率；h1，h2，h3，h4，h5和h6分别表示蜂窝用户和中继之间、蜂窝用户和D2D接收端之间、D2D设备之间、D2D发送端和中继中间、中继和D2D接收端之间以及中继和基站之间的信道系数，分别服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的瑞利衰落；n1，n2，n3，n4，n5和n6分别表示由中继、D2D接收端、信号从宽带向基带转换、D2D接收端、信号从宽带向基带转换以及基站产生的高斯白噪声，其概率密度函数均为CN(0,σ0 2)。
基于所提的D2D和上行中继网络的协作传输模型，提出了一种能量高效的D2D传输方案，其特征在于：
⑴为了满足D2D通信的能量高效需求，设定符合实际情况的D2D能量高效传输约束；
⑵为了满足蜂窝网络的服务质量需求，设定相应的传输速率约束；
⑶为了使D2D设备能够持续的供能，设定相应的能量捕获约束；
⑷为了最大化D2D传输的速率，根据约束条件制定相应的D2D传输速率最大化问题。通过D2D传输速率最大化问题的求解，最终实现能量高效的D2D传输。
能量高效的D2D传输方案，其具体实现为：
Step 1：设定D2D能量高效传输约束C1。
Figure BDA0001863755080000101
Step 2：设定蜂窝网络的服务质量需求C2。
Figure BDA0001863755080000102
Step 3：设定D2D设备的能量捕获约束C3。
Figure BDA0001863755080000103
Step 4：根据设定的约束条件，分配最优的能量***比以最大化D2D传输速率。最优的能量***比满足
Figure BDA0001863755080000111
Step 5：为中继和D2D接收端分别分配能量***比γ1 optimal和γ2 optimal，实现能量高效的D2D传输。
其中，
Figure BDA0001863755080000112
是D2D设备的能量效率。
Figure BDA0001863755080000113
和
Figure BDA0001863755080000114
分别是蜂窝网络和D2D通信的传输速率。η0是D2D设备的最低能量效率。TS是蜂窝网络的目标传输速率。eB是D2D接收端的最小捕获能量。
Figure BDA0001863755080000115
Figure BDA0001863755080000116
本发明的仿真验证分别表示为图4，图5，图6和图7。相比现有方案，蜂窝网络对D2D设备的干扰的消除已经在上述部分介绍了。接下来，我们利用仿真结果验证本发明在***性能上的提升。在仿真中，为了保证蜂窝网络的服务质量，本发明设置D2D发送端的传输能量为蜂窝用户发送能量的1/3。
图4给出了在发送信噪比变化的情况下D2D能量效率与不同能量***比的关系。该图表明，在发送端信噪比相同的情况下，所提的最优的能量高效方案对应的D2D能量效率总是高于其他能量***比对对应的D2D能量效率，这说明本发明所提的能量高效的D2D传输方案最大化了D2D的能量效率。同时，从图中也可以发现，随着发送端信噪比的增长，D2D的能量效率呈现先增长后减小的趋势，这说明发送端的能量并不是越大越好，而是有一个符合能量效率最优的发送端能量。
图5和图6分别给出了D2D设备与蜂窝网络的传输速率和中继节点与D2D接收端的能量***比的关系。从图5可以看出，D2D设备的传输速率跟中继节点的能量***比呈二次函数关系，而跟D2D接收端的能量***比呈减函数关系。从图6可以看出，蜂窝网络的传输速率和中继节点的能量***比呈二次函数关系，而跟D2D接收端的能量***比没有关系。这表明，为了最大化D2D设备和蜂窝网络的传输利益，优化中继节点和D2D接收端的能量***比是很有必要的。
图7给出了蜂窝网络和D2D传输的中断概率与发送端信噪比的关系。该图表明，所提的最优的能量高效方案对应的蜂窝网络和D2D传输的中断概率总是低于其他能量***比对对应的中断概率，这说明本发明所提的能量高效的D2D传输方案的有效性。同时，从图中也可以发现，随着发送端信噪比的增长，最优的能量高效方案对应的蜂窝网络的中断概率略微高于没有中继节点时蜂窝网络的中断概率，这说明本发明几乎没有降低蜂窝网络的服务质量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的D2D传输方法，其特征在于，该D2D和上行中继网络包括一对D2D用户、一个蜂窝用户、一个中继节点以及一个基站S，其中D2D用户包括发送端和接收端；
该传输方法分为两个阶段：
第一阶段，蜂窝用户和D2D发送端分别向中继节点和D2D接收端发送信号，同时中继节点和D2D接收端均会收到D2D发送端和蜂窝用户的干扰，然后，中继节点和D2D接收端利用能量***协议分别从接收到的信号中捕获能量；其中，中继将用捕获的能量中转剩余的捕获信号，而D2D接收端则用捕获的能量给自己的电池充电，以便后续的传输；
第二阶段，中继进行信号转发，基站和D2D接收端都会受到来自中继的信号；基站直接解码信号获得自己所需的信号；在D2D接收端，由于两个阶段收到的信号均包含蜂窝网络的信号，因此利用干扰消除技术消除蜂窝网络的干扰信号，然后进行信号译码来获得D2D信号；假设由于衰落，障碍物原因，蜂窝用户和基站之间没有直传链路，D2D发送端与蜂窝用户位于同一侧，与基站也没有直传链路；
该传输方法的具体实现如下：
Step 1：蜂窝用户向中继发送信号xC，同时D2D发送端访问蜂窝网络的频谱传输自己的信号xA；
Step 2：中继和D2D接收端分别接收对应发送端的发送的信号，同时还接收到其他发送端的干扰信号，接收到的信号分别表示为yR和yB1，分别表示为
Figure FDA0002646908350000011
Figure FDA0002646908350000012
Step 3：中继和D2D接收端利用能量***协议从接收的信号中捕获能量，捕获的能量分别表示为PR和EB；中继和D2D接收端进行能量捕获的能量分别表示为
PR＝ηγ1(PC|h1|2+PA|h4|2)
Figure FDA0002646908350000021
设定D2D设备的能量捕获约束C3，如下：
Figure FDA0002646908350000022
其中，eB是D2D接收端的最小捕获能量；
Step 4：中继利用捕获的能量放大转发剩余的信号，此信号表示为xR，表示为
Figure FDA0002646908350000023
根据设定的约束条件，分配最优的能量***比以最大化D2D传输速率，最优的能量***比满足
Figure FDA0002646908350000024
其中，
Figure FDA0002646908350000025
和
Figure FDA0002646908350000026
分别表示γ1和γ2的最优值；
Figure FDA0002646908350000027
Figure FDA0002646908350000028
Step 5：基站接收来自中继的信号并进行译码以便获取蜂窝用户发送的信号，接收的信号和译码信噪比分别表示为yS和ρS，如下：
Figure FDA0002646908350000029
Figure FDA00026469083500000210
设定蜂窝网络的服务质量需求C2，如下：
Figure FDA0002646908350000031
其中，
Figure FDA0002646908350000032
是蜂窝网络的传输速率，TS是蜂窝网络的目标传输速率；
Step 6：D2D接收端接收中继发送的信号，接收到的信号表示为yB2，如下：
Figure FDA0002646908350000033
Step 7：D2D接收端在两个阶段接收的信号都包括蜂窝网络的干扰xC，所以D2D接收端利用干扰消除技术消除技消除蜂窝网络的干扰xC，消除干扰后的进行译码以便获取D2D发送端发送的信号，消除干扰后的信号和译码信噪比表示为yB和ρB，如下：
Figure FDA0002646908350000034
Figure FDA0002646908350000035
其中，PC和PA分别表示蜂窝用户和D2D发送端用于发送信号xC和xA的能量；0≤γ1≤1和0≤γ2≤1分别表示中继和D2D接收端的能量***比；
Figure FDA0002646908350000036
表示中继节点的信号放大因子；0＜η＜1表示能量转换效率；h1，h2，h3，h4，h5和h6分别表示蜂窝用户和中继之间、蜂窝用户和D2D接收端之间、D2D设备之间、D2D发送端和中继之间、中继和D2D接收端之间以及中继和基站之间的信道系数，分别服从独立同分布的概率密度函数为CN(0,1)的瑞利衰落；n1，n2，n3，n4，n5和n6分别表示由中继、D2D接收端、信号从宽带向基带转换、D2D接收端、信号从宽带向基带转换以及基站产生的高斯白噪声，其概率密度函数均为CN(0,σ0 2)；
为满足D2D通信的能量高效需求，设定D2D能量高效传输约束C1，如下：
Figure FDA0002646908350000041
其中，
Figure FDA0002646908350000042
是D2D设备的能量效率，
Figure FDA0002646908350000043
是D2D通信的传输速率，η0是D2D设备的最低能量效率。
2.根据权利要求1所述的上行中继网络中基于能量捕获和干扰消除的D2D传输方法，其特征在于，Step 5中，为中继和D2D接收端分别分配能量***比γ1 optimal和γ2 optimal，最终实现能量高效的D2D传输。
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