CN114727317B - 一种利用d2d通信设备实现中继转发的高谱效通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，包括基站、若干第一通信设备及第二通信设备；第一通信设备支持D2D和CCFD；基站响应于D2D双方的数据请求或数据下发指令，获取与D2D双方相关的信道参数；根据先验信息确定与信道参数匹配的功率控制参数；按照功率控制参数中的第一功控参数，采用迫零波束成形技术向D2D双方发数据，该数据中携带有第二功控参数；D2D双方在接收基站发来的数据的同时，按照第二功控参数，采用基于功率域复用的非正交多址接入技术向连接的第二通信设备转发数据，该第二通信设备，用于采用串行干扰消除技术对收到的数据进行译码。本发明可进一步缓解6G网络的频谱资源稀缺问题。

Description

一种利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种利用D2D(Device to Device，设备对设备)通信设备实现中继转发的高谱效通信***。
背景技术
5G通信技术已经在全球投入商用，6G的研发也已全面展开。可以预见，未来海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景将导致移动数据流量***式增长，这就要求频谱效率的极大提升。
现有技术中，可用于提升频谱效率的技术存在多种，包括干扰抑制、增加网络密度以及多天线技术等等。然而，相较于以往任何一代通信***，6G通信***面临的是用户数据高度密集的使用场景，这就使得6G网络的频谱资源极为稀缺，需要寻求更多的可缓解频谱资源稀缺的方案。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，包括基站、若干第一通信设备以及若干第二通信设备；其中，所述第一通信设备支持D2D通信且工作在同时同频全双工模式下；
所述基站，用于：响应于D2D通信双方的数据请求或数据下发指令，获取当前与所述D2D通信双方相关的信道参数；根据先验信息确定与所述信道参数相匹配的一组功率控制参数；按照所述功率控制参数中与基站相关的第一功控参数，采用迫零波束成形技术向所述D2D通信双方发送数据，该数据中携带有所述功率控制参数中与中继转发相关的第二功控参数；所述D2D通信双方为所述若干第一通信设备中任意两个正进行D2D通信的设备；
所述D2D通信双方，用于：在接收所述基站发来的数据的同时，按照所述第二功控参数，采用基于功率域复用的非正交多址接入技术向各自连接的第二通信设备转发来自于所述基站的数据；
其中，所述D2D通信双方及各自连接的第二通信设备，均采用串行干扰消除技术对收到的数据进行译码。
可选地，所述第一通信设备是采用了至少一种主动自干扰消除技术的设备。
可选地，所述基站，根据先验信息确定与所述信道参数相匹配的一组功率控制参数，包括：
将所述信道参数输入至预设的神经网络模型中，以使所述神经网络模型输出所述信道参数对应的一组功率控制参数；
其中，所述神经网络模型是预先基于多个训练样本进行训练得到的，每个所述训练样本均包括一样本信道参数以及该样本信道参数对应的一组功率控制参数；
所述多个训练样本是通过多次求解一频谱效率最大化问题得到的；所述频谱效率最大化问题是以样本信道参数为已知参数、以功率控制参数为求解参数，并以计算子***频谱效率的函数为目标函数的凸优化问题；所述子***为所述基站、所述D2D通信双方以及所述D2D通信双方各自连接的第二通信设备所构成的子***。
可选地，所述基站，根据先验信息确定与所述信道参数相匹配的一组功率控制参数，包括：
从预设的多个实验信道参数中，查找与所述信道参数相似度最高的一个实验信道参数；
根据预先实验获得的、实验信道参数与功率控制参数的对应关系，确定所查找出的实验信道参数对应的一组功率控制参数，作为与所述信道参数相匹配的一组功率控制参数；
其中，所述对应关系是通过多次求解一频谱效率最大化问题得到的；所述频谱效率最大化问题是以实验信道参数为已知参数、以功率控制参数为求解参数，并以计算子***频谱效率的函数为目标函数的凸优化问题；所述子***为所述基站、所述D2D通信双方以及所述D2D通信双方各自连接的第二通信设备所构成的子***。
可选地，所述凸优化问题为：
s.t.
fi(P)-(gi(P)+Rmin)＞0 i＝1,2,3,4；
|hd|2(PD1|h21|2+WN0)-|h22|2(P1|hb1u1|2+PD1|hLI|2+WN0)＞0；
|hd|2(PD2|h12|2+WN0)-|h11|2(P2|hb2u2|2+PD2|hLI|2+WN0)＞0；
其中，
SE表示所述子***频谱效率；W表示信道带宽；P表示所述求解参数；Rmin在i＝1，2时等于表示第一通信设备的最低容忍信息传输速率；Rmin在i＝3,4时等于表示第二通信设备的最低容忍信息传输速率；P1表示所述基站向所述D2D通信双方中的一方设备发送数据时的发射功率，P2表示所述基站向所述D2D通信双方中的另一方设备发送数据时的发射功率；PD1表示所述一方设备的总发射功率，α1和α2为该一方设备的预设功率分割因子，α1+α2＝1；PD2表示所述另一方设备的总发射功率，β1和β2为该另一方设备的预设功率分割因子，β1+β2＝1；/>表示所述基站的额定发射功率，/>表示第一通信设备的额定发射功率；s.t.表示受约束于的含义；u1＝[u11,u12]T，表示基站向所述一方设备发送数据时使用的预编码向量；u2＝[u21,u22]T，表示基站向所述另一方设备发送数据时使用的预编码向量；hb1表示从所述基站到所述一方设备的信道参数，hb2表示从所述基站到所述另一方设备的信道参数，[hb1,hb2]T[u1,u2]＝I，I为单位矩阵，上标T表示矩阵转置；hd表示所述一方设备与所述另一方设备间的信道参数；hLI表示所述一方设备和所述另一方设备各自的回路自干扰信道参数；N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度；h11表示从所述一方设备到该设备连接的第二通信设备的信道参数，h12表示从所述一方设备到所述另一方设备连接的第二通信设备的信道参数，h21表示从所述另一方设备到所述一方设备连接的第二通信设备的信道参数，h22表示从所述另一方设备到所述一方设备连接的第二通信设备的信道参数；k表示利用迭代算法求解所述凸优化问题时的迭代次数标记；Pk 1，/>依次是第k次迭代时为P1,P2,PD1,PD2代入的数值。
可选地，所述第一通信设备包括支持D2D通信且工作在同时同频全双工模式下的移动终端设备。
可选地，α1＞α2且β1＞β2。
可选地，所述转发为译码转发。
可选地，所述神经网络模型包括：径向基函数RBF神经网络模型。
可选地，所述基站为半双工基站，所述第二通信设备为半双工的移动终端设备。
本发明的有益效果：
本发明提供的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***中，当基站收到D2D通信双方的数据请求时，可根据先验信息确定当前与该D2D通信双方相关的信道参数所匹配的一组功率控制参数；然后基站按照该组参数中的第一功控参数将数据发给D2D通信双方，并且将D2D通信双方作为中继，使中继按照基站确定的功率控制参数中的第二功控参数将数据继续转发给自身连接的第二通信设备。在上述数据传输过程中，由于基站使用了迫零波束成形技术，即基站与D2D通信双方之间实际上是多用户-多输入多输出(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO)的架构，故而基站可以同时同频地向D2D通信双方发送数据；又由于D2D通信双方是工作在同时同频全双工(Co-frequency Co-time Full Duplex，CCFD)模式下的，可以在进行D2D通信的同时，使用相同频率资源向各自连接的第二通信设备转发数据；由此，相较于现有通信***使用单个半双工中继进行数据转发的模式而言，本发明通过使用CCFD的D2D通信双方作为中继同时同频地执行数据转发，使基站、D2D通信双方及其连接的第二通信设备构成的子***频谱效率成倍提升；由于整个通信***都可按照这一模式进行工作，故而本发明提供的通信***具有较高的频谱效率。
并且，本发明使用的迫零波束成形技术、MU-MIMO技术、基于功率域复用的非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)技术以及串行干扰消除技术，可以解决CCFD技术带来的自干扰问题和同信道干扰问题，使得D2D通信双方可同时同频工作而不会因此影响自身以及第二通信设备的通信质量。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***的结构示意图；
图2是本发明实施例中的第一通信设备在进行数据传输时所面临的各项干扰信号的示意图；
图3是本发明实施例中的第二通信设备在接收数据时所面临的各项干扰信号的示意图；
图4是本发明实施例中使用的一种神经网络模型的网络结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了更进一步缓解6G网络的频谱资源稀缺问题，本发明实施例提供了一种利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***；参见图1所示，该***包括：基站10、若干第一通信设备20以及若干第二通信设备30。
其中，基站10可以是全双工或半双工工作的基站。第一通信设备20支持D2D通信且工作在同时同频全双工模式下；例如，第一通信设备20可以是支持D2D通信且工作在同时同频全双工模式下的中继设备，或者，第一通信设备20也可以是支持D2D通信且工作在同时同频全双工模式下的移动终端设备、非移动终端设备等。第二通信设备30可以是移动终端设备，也可以是非移动终端设备、中继设备或其他基站；第二通信设备30可以工作在半双工模式下，或者工作在全双工模式下。
该基站10，用于：响应于D2D通信双方的数据请求或数据下发指令，获取当前与D2D通信双方相关的信道参数；根据先验信息确定与该信道参数相匹配的一组功率控制参数；按照该功率控制参数中与基站相关的第一功控参数，采用迫零波束成形技术向D2D通信双方发送数据，该数据中携带有上述功率控制参数中包含的、与中继转发相关的第二功控参数。
参见图1所示，D2D通信双方为通信***包含的若干第一通信设备20中任意两个正进行D2D通信的设备。为了便于将D2D通信双方进行区分，将其中的一方设备标记为D1，另一方设备标记为D2。
在实际应用中，若D2D通信双方为终端设备，则D2D通信双方向基站发起的数据请求可以是终端设备的用户主动发起的；若D2D通信双方为中继设备，则D2D通信双方向基站发起的数据请求可以是D2D通信双方响应于各自连接的第二通信设备30的数据请求向基站发起的。此外，基站也可以自主下发数据，具体是基站响应于配置给自身的数据下发指令来自主地下发数据；例如基站管理员通过基站下发灾害预警通知。
本发明实施例中对通信***内所传输数据的内容不做限定，可以是语音数据、图像数据、控制数据等等。
可以理解的是，与D2D通信双方相关的信道参数，可以包括从基站10到D2D通信双方中的每一方的信道参数、D2D通信双方之间可互易的信道参数，D2D通信双方中的每一方的回路自干扰信道参数，以及D2D通信双方中的每一方到第二通信设备30的信道参数。
在实际应用中，基站10获取与D2D通信双方相关的信道参数是这样实现的：基站10进行下行信道估计，可以得到从基站10到D2D通信双方中的每一方的信道参数；D2D通信双方中的每一方第一通信设备20均进行下行信道估计，可以得到其与第二通信设备30之间的下行信道信息；D2D通信双方之间的信道信息也可以由双方各自执行信道估计来得到；并且，由于D2D通信双方均是CCFD工作的，故而从D1到D2的信道参数，与从D2到D1的信道参数是可以互易的。回路自干扰信道参数可以预先在第一通信设备20侧通过测量取统计平均值，并记录在基站中。
可以理解的是，上述的先验信息是预先通过大量的实验获得的信息。通过预先进行大量的实验，可以建立起信道参数与功率控制参数之间的对应关系或其他关联关系，从而在实际应用中基于先验信息直接确定相匹配的功率控制参数。为了使说明书的布局清楚，后续对基站根据先验信息确定与该信道参数相匹配的功率控制参数的具体实现方式进行举例说明。
D2D通信双方，用于：在接收基站10发来的数据的同时，按照上述功率控制参数中的第二功控参数，采用基于功率域复用的非正交多址接入技术向各自连接的第二通信设备30转发来自于基站10的数据。相应的，D2D通信双方及各自连接的第二通信设备30，均采用串行干扰消除技术对收到的数据进行译码。为了便于将D2D通信双方各自连接的第二通信设备30进行区分，将D1连接的第二通信设备30标记为C1，将D2连接的第二通信设备30标记为C2。
可以理解的是，这里D2D通信双方是作为中继使用的。其中，该D2D通信双方作为中继执行转发的方式可以包括：放大转发(Amplify-and-Forward，AF)、译码转发(Decode-and-Forward，DF)、选择性中继(Selective Relay，SR)、压缩转发中继(Compress Forward,CF)或者增量型中继(Incremental Relaying，IR)等。
如图1所示，基站10采用迫零波束成形技术向D2D通信双方发送含有数据x1和数据x2的混合发射信号。其中，数据x1是发给D1的，数据x2是发给D2的。由于该发射信号是基站10采用破零波束成形技术产生的，故而相当于基站10向D1发送了数据x1、向D2发送了数据x2。D1收到基站发来的信号后，对其进行译码得到数据x3，将数据x3转发至C1，同时D1还可以向D2发送数据x12。D2收到基站发来的信号后，对其进行译码得到数据x4，将数据x4转发至C2，同时D2还可以向D1发送数据x21。
由于CCFD工作模式的关系，第一通信设备20将面临回路自干扰问题；这里说的回路自干扰，是指第一通信设备20在某一时刻使用某一频率向外发射信号后，该发射信号可同时被第一通信设备20自身的接收天线所接收。因此，CCFD工作的设备通常其硬件收发通道都会被设计有一定的隔离度，这样发射天线发射到空间中的信号功率到达接收天线时便会被抑制降低，从而解决回路自干扰问题；这种方式是从硬件设计上解决自干扰问题的，故而被称为被动自干扰消除技术。
如果硬件隔离度设计效果不佳，则可以进一步采用主动自干扰消除技术。主动干扰消除技术是通过在接收端构造抵消信号或估计信号，进而与自干扰信号相加或相减，从而达到有效的抑制自干扰信号的目的。主动干扰消除可以进一步分为模拟域的自干扰消除法和数字域的自干扰消除法。其中，模拟域的自干扰消除技术是在射频或基带域消除自干扰信号；数字域的自干扰消除技术则是借助于精准的自干扰信道估计技术在数字域实现自干扰消除。
上述被动自干扰消除技术是CCFD工作的设备自身便具有的；主动自干扰消除技术则可以根据对自干扰信号的抑制需求选择使用或不使用，或者选择使用一种或多种。
本发明实施例提供的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***中，当基站收到D2D通信双方的数据请求时，可根据先验信息确定当前与该D2D通信双方相关的信道参数所匹配的一组功率控制参数；然后基站按照该组参数中的第一功控参数将数据发给D2D通信双方，并且将D2D通信双方作为中继，使中继按照基站确定的功率控制参数中的第二功控参数将数据继续转发给自身连接的第二通信设备。在上述数据传输过程中，由于基站使用了迫零波束成形技术，即基站与D2D通信双方之间实际上是多用户-多输入多输出的，故而基站可以同时同频地向D2D通信双方发送数据；又由于D2D通信双方是工作在CCFD模式下的，可以在进行D2D通信的同时，使用相同频率资源向各自连接的第二通信设备转发数据；由此，相较于现有通信***使用单个半双工中继进行数据转发的模式而言，本发明通过使用CCFD的D2D通信双方作为中继同时同频地执行数据转发，使基站、D2D通信双方及其连接的第二通信设备构成的子***的频谱效率成倍提升；这一点主要得益于CCFD相较于传统的TDD、FDD在时域资源、频域资源上的划分机制的不同，此外还得益于D2D通信技术，可使得中继既可以在同一频域资源上同时进行数据的接收与发送，又可以同时与D2D通信的对方中继共用相同的频谱资源。由于整个通信***都可按照上述的数据传输模式进行工作，故而本发明实施例提供的通信***具有较高的频谱效率。
并且，本发明使用的迫零波束成形技术、MU-MIMO技术、基于功率域复用的NOMA技术以及串行干扰消除技术，可以解决CCFD技术带来的自干扰问题和同信道干扰问题，使得D2D通信双方可同时同频工作而不会因此影响自身以及第二通信设备的通信质量。
具体而言，参见图2中的实线箭头所示，在不考虑干扰的情况下，在同一时刻的相同频谱资源上，D1、D2、基站、C1以及C2之间的有用数据的传输包括：
(a)基站采用迫零波束成形技术向D1和D2发送混合有数据x1和数据x2的发射信号，即相当于基站向D1发送数据x1，向D2发送数据x2。
(b)D1接收基站发来的数据x1、接收D2发来的数据x21、向D2发送数据x12，并向C1发送数据x3；该数据x3是D1对数据x1进行译码得来的；
(c)D2接收基站发来的数据x2、接收D1发来的数据x12、向D1发送数据x21，并向C2发送数据x4；该数据x4是D2对数据x2进行译码得来的；
(d)C1接收D1发来的数据x3，同时C2接收D2发来的数据x4。
其中，对于D1和D2而言，除了接收各方发给自己的数据之外，同时还受到多种的干扰。参见图2中的虚线箭头所示，以D1举例来说，D1除了接收对自身有用的数据x1和数据x21外，还受到来自于基站发出的数据x2、D1自身发出的数据x3和数据x12以及D2发出的数据x4的干扰。其中，数据x3和数据x12对于D1来说是自干扰，数据x2和数据x4对于D1来说是同信道干扰。
对于D2D通信双方中的任何一方所连接的第二通信设备而言，其除了接收转发而来的数据外，也会受到多种的干扰。参见图3中的虚线箭头所示，以C1举例来说，C1除了接收对自身有用的数据x3之外，还受到来自于D1发出的数据x12、D2发出的数据x21及数据x4的干扰。由于第二通信设备需要中继的转发才能从基站获取数据，即第二通信设备距离基站通常比较远，故而基站所发出的数据x1和数据x2对C1来说可以忽略不计。
为了解决以上所示的各种干扰问题，本发明实施例采用了多种手段。首先，由于本发明实施例中基站与D2D通信双方是MU-MIMO的，故在基站侧可以采用迫零波束成形技术，基站将自身的多根发射天线等效为2根发射天线，使得D2D通信双方的信道向量正交，由此使得基站发给D2的数据x2对于D1无影响，即等效于D1只接收基站发给自身的数据x1；同理，基站发给D1的数据x1对于D2无影响，即等效于D2只接收基站发给自身的数据x2。这样，从基站到中继这一层级的同信道干扰问题便被解决了。
并且，本发明实施例中在第一通信设备20侧采用了至少一种自干扰消除技术来消除自干扰问题。例如，图2中，D1采用了自干扰消除技术后，D1的接收天线从空间中收到的来自于数据x3和数据x12的干扰会被有效降低。
并且，本发明实施例中在第一通信设备20侧还采用了基于功率域复用的NOMA技术，将其向第二通信设备30发送数据的功率以及其向D2D通信的另一第二通信设备20发送数据的功率进行不同大小的分配；由此，作为数据接收方的第二通信设备30和另一第一通信设备30便可以采用串行干扰消除技术从收到的数据中将有用数据以及干扰数据进行分离。
例如，采用了基于功率域复用的NOMA技术后，图2中的D2发给D1的数据x21和发给C2的数据x4的功率大小是不同的；这样，图2中的D1同时同频地收到有用数据x1、干扰数据x2、干扰数据x12、有用数据x21、干扰数据x4以及干扰数据x3之后，干扰数据x2被迫零波束成形技术被解决了，干扰数据x12和干扰数据x3被自干扰消除技术解决了，剩下的便是有用数据x1、有用数据x21以及干扰数据x4；由于D1与D2是近距离D2D通信的，故而数据x1的功率是小于数据x21和数据x4的，而数据x21和数据x4又因基于功率域复用的NOMA技术被限定了大小关系，故而数据x1、数据x21以及数据x4的大小关系是确定的，由此D1便可以根据他们三者的大小顺序选择适应的译码顺序将这三种数据进行分离；也就是说，D1受到的来自于D2发出的数据x4的同信道干扰问题也可以被解决了。
再例如，采用了基于功率域复用的NOMA技术后，图3中的D2发给D1的数据x21和发给C2的数据x4的功率大小是不同的；同理，D1发给D2的数据x12和发给C1的数据x3的功率大小也是不同的。这样，C2、C2便均可以先译功率大的数据，再译功率小的数据即可。
在实际应用中，若第一通信设备是终端设备，则在第一通信设备进行D2D通信的同时执行数据转发的时候，优选将其发给D2D通信对方的功率设置为大于其发给第二通信设备的功率。参见图2和图3来说，若第一通信设备是终端设备，则在功率大小上优选x21＞x4，且x12＞x3。当然，若第一通信设备是中继设备或其他类型的设备时，这一优选的功率分配方式也是可以使用的，或者以相反的方式进行功率分配也是可以的。
综上可见，由于本发明实施解决了CCFD技术带来的自干扰问题和同信道干扰问题，使得本发明实施中D2D通信双方可同时同频工作而不会因此影响自身以及所连接的第二通信设备的通信质量，即两个中继可以同时占用同一个频谱资源执行数据转发，从而更进一步地提高了对频谱资源的利用率，即提高了频谱效率。
下面，对基站根据先验信息确定与信道参数相匹配的一组功率控制参数的具体实现方式进行举例说明。
示例性的，在一种实现方式中，基站根据先验信息确定与信道参数相匹配的一组功率控制参数，可以包括：
将信道参数输入至预设的神经网络模型中，以使该神经网络模型输出该信道参数对应的一组功率控制参数。
其中，该神经网络模型是预先基于多个训练样本进行训练得到的，每个训练样本均包括一样本信道参数以及该样本信道参数对应的一组功率控制参数。并且，训练时所采用的多个训练样本是通过多次求解一频谱效率最大化问题得到的；该频谱效率最大化问题是以样本信道参数为已知参数、以功率控制参数为求解参数，并以计算子***频谱效率的函数为目标函数的凸优化问题；子***即是基站、D2D通信双方以及D2D通信双方各自连接的第二通信设备所构成的子***。
上述神经网络模型可以是RBF(径向基函数)神经网络模型。或者，该神经网络模型也可以利用残差网络搭建而成；图4示例性的示出了一个利用残差网络搭建好的神经网络模型的结构；其中的Reshape层是用于对全连接层输出的数据进行格式变换的网络结构。
可以理解的是，样本信道参数对应的功率控制参数是样本信道参数的标识信息，属于先验信息。也就是说，该神经网络模型是基于先验信息训练获得的。在实际应用中，可以获取海量的样本信道参数，分别将这些样本信道参数代入到频谱效率最大化问题中进行求解，每次求解都可得到一个样本信道参数对应的最优解，该最优解即是该样本信道参数对应的功率控制参数。按照这种方式构建海量的训练样本，便可以基于海量的样本训练出能够根据样本信道参数预测最优的功率控制参数的神经网络模型。
在另一种实现方式中，基站根据先验信息确定与信道参数相匹配的一组功率控制参数，可以包括：
(1)从预设的多个实验信道参数中，查找与信道参数相似度最高的一个实验信道参数。
具体的，单个信道的信道参数通常为信道向量或信道矩阵，本发明实施例中基站获取的信道参数由于包含了多个信道的参数，故而包括多个信道向量/矩阵；因此，该步骤(1)中可通过求取相同信道的信道向量/矩阵的相似度的方式来分别求取相似度；然后，求取几个相似度的加权平均值，将值最高的实验信道参数最为查找结果。
以图2和图3进行举例而言，基站获取的信道参数包括：D1和D2之间的信道参数hd，D1和D2各自的回路自干扰信道参数hLI，从基站到D1的信道参数hb1，从基站到D2的信道参数hb2，D1到C1的信道参数h11，D2到C2的信道参数h22，D1到C2的信道参数h12以及D2到C1的信道参数h21。每一组实验信道参数均包括与这些信道参数对应同一信道的参数，分别用hd′、hLI′、hb1'、hb2'、h11'、h22'、h12'以及h21'来表示；由此，查找与信道参数相似度最高的一个实验信道参数的方式可以用下述公式来表示：
其中，η表示所计算的相似度，c(·)表示求取矩阵/向量相似度的函数，如求取余弦相似度、欧式距离等的函数；λ1～λ8均为加权因子。
(2)根据预先实验获得的、实验信道参数与功率控制参数的对应关系，确定所查找出的实验信道参数对应的一组功率控制参数，作为与信道参数相匹配的一组功率控制参数。
其中，上述对应关系是同样可以通过多次求解一频谱效率最大化问题得到；该频谱效率最大化问题是以实验信道参数为已知参数、以功率控制参数为求解参数，并以计算子***频谱效率的函数为目标函数的凸优化问题。
可以理解的是，上述对应关系便是基站所使用的先验信息。在实际应用中，可以获取海量的实验信道参数，分别将这些实验信道参数代入到频谱效率最大化问题中进行求解，每次求解都可得到一个实验信道参数对应的最优解，该最优解即是该实验信道参数对应的功率控制参数。将这一对应关系固化到基站中，便可以使基站后续在实际中进行查找使用。
下面，对上述频谱效率最大化问题的构建以及求解过程进行详细说明。
借用图2和图3中所示的各项数据的符号，可以将基站的发射信号XBS表示为：
其中，u1＝[u11,u12]T,u2＝[u21,u22]T，二者分别是数据x1,x2的预编码向量，是基站采用预编码技术对发射信号预处理时要用到的。这里，预编码技术是MIMO***中基站对发射信号进行预处理的一种常见技术手段，目的是有效地抑制MIMO信道中的多用户干扰。在本发明实施例中，正是因为预编码向量的使用，使得D2D通信双方的信道向量正交，因此使得D1只接收数据x1，D2只接收数据x2。上文中所说的迫零波束成形技术即是一种预编码技术。
D1发给C1的数据x3的功率为α1PD1，D1发给D2的数据x12的功率为α2PD1，α1,α2为D1的预设功率分割因子，α1+α2＝1。另外，假设D1和D2均为终端设备，由于终端设备首先要接收D2D通信对象发来的数据，其次才作为中继转发属于第二通信设备的数据，因此在这里设定α1＜α2。同理，D2以功率β1PD2给C2发送数据x4、并以功率β2PD2给D1发送数据x21，β1,β2为D2的预设功率分割因子，β1+β2＝1，且假设β1＜β2。
由此，D1的发射信号XD1以及D2的发射信号XD2分别如下所示：
参见图2中所示出的数据传输以及干扰模型，D1的接收信号yD1如下所示：
其中，hb1表示从基站到D2D通信双方中的一方设备D1的信道参数，hb2表示从所述基站到D2D通信双方中的另一方设备D2的信道参数，[hb1,hb2]T[u1,u2]＝I，I为单位矩阵。hd表示D1与D2间的信道参数；hLI表示D1、D2各自的回路自干扰信道参数；N0＝-174dBm/Hz，是加性高斯白噪声的功率谱密度；W表示信道带宽。
由于基站使用了迫零波束成形技术，故而式(3)中的求和项故式(3)可以化简为：
同理的，D2的接收信号yD2如下所示：
/>
对于D1而言，采用串行干扰消除技术对接收信号进行分层译码，译码顺序为x21→x4→x1。因此，D1对数据x21进行译码所能获得的信干噪比为：
D1对数据x21译码后，便可以将数据x21从接收信号中分离；由此使得后续对其他数据进行解码时，数据x21不再是未知的干扰项，从而提高了后续对其他数据进行解码时的信干噪比。
然后，D1继续对数据x4进行译码，此时D1对数据x4进行译码所能获得的信干噪比为：
可以看到，此时公式(7)中分母里的干扰项并没有考虑数据x21对应的干扰项β2PD2|hd|2。
D1对数据x4译码后，便可以进一步将数据x4从剩余的接收信号中分离，后续D1对数据x1进行解码时，数据x4不再是未知的干扰项；因此，D1对数据x1进行译码时的信干噪比为：
可以看到，此时公式(8)中分母里的干扰项并没有数据x4对应的干扰项β1PD2|hd|2，也没有数据x21对应的干扰项β2PD2|hd|2。
同理的，对于D2而言，采用串行干扰消除技术对接收信号进行分层译码，译码顺序为x12→x3→x2；D2对这三种数据进行译码所能获得的信干噪比依次为：
在第二通信设备一侧，C1会接收D1转发的信号XD1。同时，C1还可能会收到D2转发C2的信号XD2。同理，C2会接收D2转发的信号XD2。同时，C2还可能会收到D1转发给C1的信号XD1；由此，C1和C2的接收信号分别如下所示：
/>
令h1＝[h11,h12]，其中的h11,h12分别表示D1到C1、C2的信道参数；令h2＝[h21,h22]，其中的h21,h22分别表示D2到C1、C2的信道参数。
由于提前假设了α1＜α2，故C1的译码顺序是x12→x3，相应的，C1对这两种数据进行译码所能获得的信干噪比依次为：
由于提前假设了β1＜β2，故C2的译码顺序是x21→x4，相应的，C2对这两种数据进行译码所能获得的信干噪比依次为：
其中，基于功率复用的NOMA技术的使用前提要求γD1_x4＞γC2_x4，以及要求γD2_x3＞γC1_x3。这里，要求γD2_x3＞γC1_x3是为了保证C1能够连续译码，即为了保证C1对数据x12译码后能够继续对数据x3进行译码。同理，要求γD1_x4＞γC2_x4为了保证C2对数据x21进行译码后能够继续对数据x4进行译码。
根据香农定理可知：信息传输速率为R＝W log2(1+γ)，γ表示广义的信干噪比；因此，根据上述的式(6)～(11)以及式(14)～(17)可计算出各项信干噪比对应的信息传输速率。
假设D2D通信双方都采用译码转发的方式进行数据转发，则可以确定：
RD1＝RD1_x21 (18)；
RD2＝RD2_x12 (19)；
RC1＝min{RD1_x1,RC1_x3} (20)；
RC2＝min{RD2_x2,RC2_x4} (21)。
其中，RD1表示D1的信息传输速率；RD2表示D2的信息传输速率，RC1表示第二通信设备C1的信息传输速率，RC2表示第二通信设备C2的信息传输速率。RD1_x21表示D1对D2发来的有用数据x21进行译码所能获得的信息传输速率，RD2_x12表示D2对D1发来的有用数据x12进行译码所能获得的信息传输速率，RD1_x1表示D1对基站发来的有用数据x1进行译码所能获得的信息传输速率，RC1_x3表示C1对D1发来的有用数据x3进行译码所能获得的信息传输速率，RD2_x2表示D2对基站发来的有用数据x2进行译码所能获得的信息传输速率，RC2_x4表示C2对D2发来的有用数据x4进行译码所能获得的信息传输速率。
已知基站、中继以及第二通信设备所构成***的总信息传输速率为：
R＝RD1+RD2+RC1+RC2 (22)。
至此，根据这一总信息传输速率R的数学模型，以频谱效率最大化为目标，构建初始的频谱效率最大化问题如下：
其中，SE表示频谱效率；W表示信道带宽；s.t.表示受约束于的含义；表示基站的额定发射功率，/>表示中继的额定发射功率，/>表示中继的最低容忍信息传输速率，/>表示第二通信设备的最低容忍信息传输速率；RD1_x4表示D1对数据x4进行译码所能获得的信息传输速率；RD2_x3表示D2对数据x3进行译码所能获得的信息传输速率；RC1_x3表示C1对D1发来的有用数据x3进行译码所能获得的信息传输速率，RC2_x4表示C2对D2发来的有用数据x4进行译码所能获得的信息传输速率。
上述问题中，约束条件(a)是对基站两个等效发射天线的发射功率的约束；约束条件(b)是对D2D通信双方的发射功率的约束；约束条件(c)是确保第一通信设备的服务质量的约束；约束条件(d)是确保第二通信设备的服务质量的约束；若第一通信设备和第二通信设备都是终端设备，则该约束条件(c)和(d)便是确保用户服务质量的最低要求。约束条件(e)是为了确保C2能够连续译码的约束，约束条件(f)则是为了确保C1能够连续译码的约束。
然后，对上述问题进行求解，通过分析问题的数学模型可知，该问题的目标函数和部分约束条件都不是凸的或凹的，即该问题的数学模型是非凸优化模型，无法采取凸优化的方法求取最大值。因此，可以通过数学理论分析和推导将其转化成凸优化模型。具体转化过程如下：
首先将目标函数中的各个分量展开，化成两个函数相减的形式，如下所示：
/>
通过对fi(P),gi(P)i＝1,2,3,4求Hessian矩阵(译为黑塞矩阵、海森矩阵、海瑟矩阵或海塞矩阵)可知，fi(P)和gi(P)都是凹函数，从而推导得出和/>也是凹函数。因此目标函数R就可以等效为凹减去凹的形式，即R＝f(P)-g(P)。
然后，对问题的约束条件进行分析：式(23)的约束条件(a)和(b)为线性约束条件；对于约束条件(c)和(d)来说，由于和/>是常数，一个凹减凹的函数再减去一个常数并不影响其本身的凹凸性，因此式(23)的约束条件(c)和(d)可以化为凹减凹的形式，如下所示：
fi(P)-(gi(P)+Rmin)＞0 i＝1,2,3,4 (28)。
其中，Rmin在i取1，2时为Rmin在i取3，4时为/>
将式(23)的约束条件(e)和(f)化简可得：
|hd|2(PD1|h21|2+WN0)-|h22|2(P1|hb1u1|2+PD1|hLI|2+WN0)＞0 (29)；
|hd|2(PD2|h12|2+WN0)-|h11|2(P2|hb2u2|2+PD2|hLI|2+WN0)＞0 (30)。
可见化简后的约束条件(e)和(f)为线性约束条件。
至此，通过对目标函数和约束条件进行分析推导可以看出该问题是一个典型的DC规划问题，由此可将该频谱优化问题简单表示为：
为了解决该DC规划问题，可以采用CCP(convex-concave procedure)算法，将DC规划问题转化为凸优化问题，然后通过迭代算法求取频谱效率的最优解。
具体的，如果gi(P)近似为一阶泰勒展开式，则fi(P)-gi(P)就可以近似为：
其中，P0表示为函数gi(P)的自变量P设置的一个初始值。
因此，按照式(32)中所示的展开方式，将式(24)～(27)分别进行一阶泰勒展开近似可得：
/>
其中，式(33)～(36)中的P1 0,依次是第k＝0次迭代时为P1,P2,PD1,PD2设置的初始值；k为迭代次数的标记，后续随着迭代次数的增加，式(33)～(36)中的P1 0,会被分别替换为第k次迭代时P1,P2,PD1,PD2的具体值，即P1 k,/>因此，用P1 k,/>依次代替式(33)～(36)中的P1 0,/>并将得到的四个新式子代入式(31)中后，得到的问题表示为：
s.t.
fi(P)-(gi(P)+Rmin)>0i＝1,2,3,4；
|hd|2(PD1|h21|2+WN0)-|h22|2(P1|hb1u1|2+PD1|hLI|2+WN0)＞0；
|hd|2(PD2|h12|2+WN0)-|h11|2(P2|hb2u2|2+PD2|hLI|2+WN0)＞0；
其中，
可以看到，此时该问题的目标函数和约束条件都转化为了凹函数和凹约束，属于典型的凸优化问题，因此可以利用迭代算法来进行求解，得到频谱效率最大时的最优解P*，具体的迭代求解过程可参见现有技术运用迭代算法求解问题的方式，本发明实施例不再进行赘述。
以上，便是构建并求解频谱效率最大化问题的详细过程。
综上可见，本发明实施例提供的一种利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***具有较高的频谱效率，且因CCFD以及D2D通信技术的使用使得***内的数据传输速率较高，能够适应未来移动通信***用户数据密集，高谱效、低能耗的发展趋势。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
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只局限于这些说明。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推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，其特征在于，包括基站、若干第一通信设备以及若干第二通信设备；其中，所述第一通信设备支持D2D通信且工作在同时同频全双工模式下；
所述基站，用于：响应于D2D通信双方的数据请求或数据下发指令，获取当前与所述D2D通信双方相关的信道参数；根据先验信息确定与所述信道参数相匹配的一组功率控制参数；按照所述功率控制参数中与基站相关的第一功控参数，采用迫零波束成形技术向所述D2D通信双方发送数据，该数据中携带有所述功率控制参数中与中继转发相关的第二功控参数；所述D2D通信双方为所述若干第一通信设备中任意两个正进行D2D通信的设备；
所述D2D通信双方，用于：在接收所述基站发来的数据的同时，按照所述第二功控参数，采用基于功率域复用的非正交多址接入技术向各自连接的第二通信设备转发来自于所述基站的数据；
其中，所述D2D通信双方及各自连接的第二通信设备，均采用串行干扰消除技术对收到的数据进行译码；
所述基站，根据先验信息确定与所述信道参数相匹配的一组功率控制参数，包括：
将所述信道参数输入至预设的神经网络模型中，以使所述神经网络模型输出所述信道参数对应的一组功率控制参数；
其中，所述神经网络模型是预先基于多个训练样本进行训练得到的，每个所述训练样本均包括一样本信道参数以及该样本信道参数对应的一组功率控制参数；
所述多个训练样本是通过多次求解一频谱效率最大化问题得到的；所述频谱效率最大化问题是以样本信道参数为已知参数、以功率控制参数为求解参数，并以计算子***频谱效率的函数为目标函数的凸优化问题；
所述凸优化问题为：
s.t.
fi(P)-(gi(P)+Rmin)>0 i＝1,2,3,4；
|hd|2(PD1|h21|2+WN0)-|h22|2(P1|hb1u1|2+PD1|hLI|2+WN0)＞0；
|hd|2(PD2|h12|2+WN0)-|h11|2(P2|hb2u2|2+PD2|hLI|2+WN0)＞0；
其中，
SE表示所述子***频谱效率；W表示信道带宽；P表示所述求解参数；Rmin在i＝1，2时等于 表示第一通信设备的最低容忍信息传输速率；Rmin在i＝3,4时等于/> 表示第二通信设备的最低容忍信息传输速率；P1表示所述基站向所述D2D通信双方中的一方设备发送数据时的发射功率，P2表示所述基站向所述D2D通信双方中的另一方设备发送数据时的发射功率；PD1表示所述一方设备的总发射功率，α1和α2为该一方设备的预设功率分割因子，α1+α2＝1；PD2表示所述另一方设备的总发射功率，β1和β2为该另一方设备的预设功率分割因子，β1+β2＝1；/>表示所述基站的额定发射功率，/>表示第一通信设备的额定发射功率；s.t.表示受约束于的含义；u1＝[u11,u12]T，表示基站向所述一方设备发送数据时使用的预编码向量；u2＝[u21,u22]T，表示基站向所述另一方设备发送数据时使用的预编码向量；hb1表示从所述基站到所述一方设备的信道参数，hb2表示从所述基站到所述另一方设备的信道参数，[hb1,hb2]T[u1,u2]＝I，I为单位矩阵，上标T表示矩阵转置；hd表示所述一方设备与所述另一方设备间的信道参数；hLI表示所述一方设备和所述另一方设备各自的回路自干扰信道参数；N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度；h11表示从所述一方设备到该设备连接的第二通信设备的信道参数，h12表示从所述一方设备到所述另一方设备连接的第二通信设备的信道参数，h21表示从所述另一方设备到所述一方设备连接的第二通信设备的信道参数，h22表示从所述另一方设备到所述一方设备连接的第二通信设备的信道参数；k表示利用迭代算法求解所述凸优化问题时的迭代次数标记；/>依次是第k次迭代时为P1,P2,PD1,PD2代入的数值。
2.根据权利要求1所述的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，其特征在于，所述第一通信设备是采用了至少一种主动自干扰消除技术的设备。
3.根据权利要求1所述的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，其特征在于，所述第一通信设备包括支持D2D通信且工作在同时同频全双工模式下的移动终端设备。
4.根据权利要求1所述的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，其特征在于，α1＞α2且β1＞β2。
5.根据权利要求1所述的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，其特征在于，所述转发为译码转发。
6.根据权利要求1所述的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，其特征在于，所述神经网络模型包括：径向基函数RBF神经网络模型。
7.根据权利要求1所述的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，其特征在于，所述基站为半双工基站，所述第二通信设备为半双工的移动终端设备。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的利用D2D通信设备实现中继转发的高谱效通信***，其特征在于，所述子***为所述基站、所述D2D通信双方以及所述D2D通信双方各自连接的第二通信设备所构成的子***。
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