CN116669137A - 一种自适应单跳和两跳的d2d数据传输方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法及装置，所述方法包括：获取当前D2D用户终端所属D2D对中两个D2D用户终端之间的通信距离；基于所述通信距离确定D2D传输方式，若传输方式为两跳传输，则利用基于网格优先级的中继选择方法选择最佳中继设备进行数据转发，若传输方式为单跳传输，则不需转发；其中，所述基于网格优先级的中继选择方法，具体为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离和的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离和的中继设备作为最佳中继；基于确定的D2D传输方式，D2D用户之间的D2D链路复用蜂窝上行链路频谱进行数据传输。
Description
技术领域
本公开属于通信技术领域，尤其涉及一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着移动设备的使用量呈指数级增长，无线通信对更高的数据速率、更低的能耗和时延、更大的覆盖范围的需求快速增长，蜂窝网络正面临着无线数据流量***性增长和频谱短缺的巨大挑战。传统的蜂窝网络采用基站(Base Station，BS)进行数据转发，导致网络的容量和覆盖范围受限，同时也会消耗大量的频谱资源。并且，通过基站进行信息交换有时是低效的，特别是当蜂窝用户(Cellular User，CUE)彼此靠近的时候。D2D(Device-to-Device)通信作为提高蜂窝网络性能的关键技术受到了人们的广泛关注。D2D通信使得相邻设备之间可以直接进行数据传输，从而填补了基站的覆盖盲区，极大地减轻了基站的负载压力。同时，短距离通信可以降低发射功率，提高传输速率和网络容量，有效缓解基站的负载压力。为了提高频谱效率，D2D链路和蜂窝链路可以复用相同的频谱资源，但这会造成相互干扰，从而影响两个***的通信质量；传统的D2D蜂窝网络通常考虑单跳D2D链路，并且D2D用户之间的距离是一个固定值。但是，对于远距离传输单跳传输无法适用；同时，传统研究通常假定中继节点均匀分布在一个圆形区域中，或者中继和用户之间的距离是固定的，然而，考虑到设备的无线覆盖区域，这些假设在很多情况下是不现实的。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法及装置，所述方案考虑D2D用户之间的随机距离，提出自适应的D2D单跳和两跳传输策略，即根据D2D Tx和D2D Rx之间的距离，自适应地确定单跳或两跳D2D传输模式，D2D通信可以共享蜂窝上行频谱；同时，为了保护蜂窝通信的质量，所述方案在基站周围设置防护区，以防止附近的D2D发射机与蜂窝用户同时共用信道，避免D2D通信对蜂窝通信产生强干扰。
在一个实施例中，公开了一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其应用于大规模D2D蜂窝网络中的D2D用户终端，所述方法包括：
获取当前D2D用户终端所属D2D对中两个D2D用户终端之间的通信距离；
基于所述通信距离确定D2D传输方式，若传输方式为两跳传输，则利用基于网格优先级的中继选择方法选择最佳中继设备进行数据转发，若传输方式为单跳传输，则不需转发；其中，所述基于网格优先级的中继选择方法，具体为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离和的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离和的中继设备作为最佳中继；
基于确定的D2D传输方式，D2D用户之间的D2D链路复用蜂窝上行链路频谱进行数据传输。
进一步的，所述基于网格优先级的中继选择方法，还可以为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离乘积的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离乘积的中继设备作为最佳中继；
或，从重叠覆盖区域的若干网格中随机选择一个中继作为最佳中继。
进一步的，所述D2D对中两个D2D用户之间进行数据传输时，D2D链路复用蜂窝上行链路频谱进行单跳或两跳传输；其中，所述大规模D2D蜂窝网络中的每个基站，在一定时间内仅能选择其覆盖范围内的一个蜂窝用户实现上行传输。
进一步的，为了保证蜂窝通信质量，在每个基站周围设置预设半径范围的防护区，通过所述防护区内的D2D用户终端禁止占用蜂窝上行链路频谱；
进一步的，所述防护区外的D2D用户基于ALOHA协议，按照媒体访问概率机会性的访问蜂窝上行链路频谱。
进一步的，所述基于所述距离确定D2D传输方式，具体为：基于两个D2D用户终端之间的通信距离，判断所述通信距离是否小于两个D2D用户终端信号覆盖范围半径d0；若小于d0则传输方式为单跳传输；若大于等于d0且小于2d0则传输方式为两跳传输。
在一个实施例中，公开了一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其应用于大规模D2D蜂窝网络中的基站，所述方法包括：
在一定时间内选择当前基站覆盖范围内的一个蜂窝用户实现上行传输；
大规模D2D蜂窝网络中的D2D对之间进行单跳或两跳传输时，D2D链路复用蜂窝上行链路频谱；
其中，所述D2D对之间的数据传输方式基于D2D对中两个D2D用户终端之间的通信距离确定，且输方式为两跳传输，则利用基于网格优先级的中继选择方法选择最佳中继设备进行数据转发，所述基于网格优先级的中继选择方法，具体为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离和的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离的中继设备作为最佳中继。
进一步的，为了保证蜂窝通信质量，在每个基站周围设置预设半径范围的防护区，通过所述防护区内的D2D用户终端禁止占用蜂窝上行链路频谱。
在不同的实施例中，公开了一种D2D用户终端，其被配置为执行一些实施例中所公开的方法。在又一个实施例中，公开了一种基站，其被配置为执行一些实施例中所公开的方法。在又一个实施例中提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一些实施例中所公开的方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)为了更好地引入D2D通信，减少多跳的长时延,本公开所述方案考虑D2D用户之间的随机距离，提出自适应的D2D单跳和两跳传输策略，即根据D2D Tx和D2D Rx之间的距离，自适应地确定单跳或两跳D2D传输模式，D2D通信可以共享蜂窝上行频谱；同时，在蜂窝网络中引入D2D通信必然会影响蜂窝通信质量，为了保护蜂窝通信的质量，本公开所述方案在基站周围设置防护区，以防止附近的D2D发射机与蜂窝用户同时共用信道，避免D2D通信对蜂窝通信产生强干扰；防护区外的D2D Txs采用ALOHA协议按照媒体访问概率ξ机会性地访问频谱。
(2)本公开所述方案提供了一种基于网格优先级的中继选择算法以协助D2D两跳传输。该算法能够以较低的计算复杂度确定重叠覆盖区的最佳中继，并简化了基于距离的不同中继选择标准的性能分析，可以采用离散化的方式分析D2D两跳通信的成功概率，该方法可适用于其他基于距离感知的中继选择策略；通过考虑中继节点的可能位置，对重叠覆盖区域进行网格划分可以大大简化基于最优中继选择的性能分析，并且不损害性能分析的准确率。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例中所述的大规模蜂窝网络中自适应的单跳和两跳D2D传输示意图；
图2为本公开实施例中所述的对两跳D2D对的重叠覆盖区域进行网格化的中继选择示意图；
图3为本公开实施例中所述的基于网格优先级的中继选择算法示意图；
图4为本公开实施例中所述的D2D两跳传输成功概率随着传输速率R0的变化示意图；
图5为本公开实施例中所述的D2D单跳传输成功概率随着传输速率R1的变化示意图
图6为本公开实施例中所述的蜂窝传输成功概率随着传输速率R2的变化示意图；
图7为本公开实施例中所述的网络区域吞吐量随着CUEs密度λu的变化示意图；
图8为本公开实施例中所述的网络区域吞吐量随着D2D Txs密度λd的变化示意图；
图9为本公开实施例中所述的网络区域吞吐量随着基站密度λb的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
术语解释：
BS：基站；
CUE：蜂窝用户；
D2D Tx：D2D发射器；
D2D Rx：D2D接收器；
典型D2D Tx及典型D2D Rx：为了便于分析，本公开所述方案关注一个典型的D2D链路，包括典型发射机和接收机；根据Sl ivnyak定理，其他用户节点的分布不受典型链路的影响，因此对典型链路的分析也适用于其他链路；
Relay：中继设备；
HPPP：Homogeneous Poisson Point Process，即齐次泊松点过程；
大规模D2D蜂窝网络:包含蜂窝层和D2D层的大规模网络架构。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法。
在D2D通信中，当D2D发射器(D2D Tx)和接收器(D2D Rx)之间的距离很短时，可以建立D2D单跳链路，当它们之间的距离较远时，可以通过中继设备建立多跳链路，协助扩大覆盖范围。
随机几何理论是建模和分析大规模网络的有力工具，在保证精度的前提下，无线节点的位置可以被建模为一个空间点过程，相比传统的正六边形小区模型及真实网络部署情形，能够大幅简化网络性能分析，并得到近似准确的性能结果，具有更好的适用性。在D2D多跳通信中，所选中继节点的位置与所关联的D2D Tx和D2D Rx是相关的，使得分析典型接收端累加干扰的统计特性更加困难。在大规模D2D蜂窝网络中，合理建模干扰用户的随机位置分布，采用高效、低计算复杂度的中继选择算法来实现D2D多跳通信，是实现快速可靠的数据传输、提升用户服务质量和网络容量的关键。
中继技术可以提高无线传输的鲁棒性和网络覆盖范围。在D2D多跳传输中，中继选择对于提高网络性能起着重要作用。通常采用的中继选择策略包含基于移动感知、基于社会感知和基于距离感知的策略。在基于移动感知的中继选择策略中，由于信道和用户移动的随机性，在D2D通信中考虑使用动态中继选择模型，通过更新节点状态和中继切换来引入***的动态特性。在本地捕获各种与移动性相关的参数来预测未来的信息，由于不同的节点具有不同的移动性模型，所以在计算信干噪比等信道参数时也必须捕捉到这种异质性，基于移动感知的中继选择策略需要在当前时间预测即将到来时间的信道参数。因此，网络性能与所考虑的移动性模型紧密耦合。随着社交媒体网络的快速发展，在基于社会感知的中继选择策略中，研究表明物理标准是随着社会层面的影响而制定的，社会层面变得越来越重要，社会关系不仅是中继服务的动机，也是安全性能的衡量标准。因此，需要综合考虑物理层和社会层对中继选择的影响。D2D中继通信受限于开放环境和多跳链路，存在被篡改、被窃听、信息泄露等安全隐患。因此，用户使用信任节点作为中继来安全地转发数据是很重要的。同时，用户的差异性会带来多重需求，但采用复杂的多目标优化准则或多目标组合方法通常很难获得准确的最优解。在基于距离感知的中继选择策略中，利用发射端、中继设备和接收端的拓扑结构，根据最小最大优化原理，选择最佳中继节点。这种算法通常更简单易行，不需要估计信道状态信息，具有较低的计算复杂度，并且与随机中继选择算法相比，性能更加可靠。
传统的D2D蜂窝网络通常考虑单跳D2D链路，并且D2D用户之间的距离是一个固定值。但是，对于远距离传输，采用D2D多跳传输是非常有必要的。为了更好地引入D2D通信，减少多跳时延，考虑D2D用户之间的随机距离，本实施例所述方案提供了一种自适应D2D传输策略，根据D2D Tx和D2D Rx之间的距离，自适应地确定单跳或两跳D2D传输模式，并且D2D通信可以共享蜂窝上行频谱资源。传统研究通常假定中继节点均匀分布在一个圆形区域中，或者中继和用户之间的距离是固定的。然而，考虑到设备的无线覆盖区域，这些假设在很多情况下是不现实的。本实施例所述方案考虑在近似椭圆状的重叠覆盖区域中选择最佳中继，由于几何形状复杂，难以采用常规方法分析中继选择的性能。因此，本实施例所述方案提出了一种基于网格优先级的中继选择算法来分析在每个网格中选择中继的概率，进而协助D2D用户实现两跳传输。基于随机几何理论，建立了三种通信模式的累加干扰模型及其拉普拉斯变换，进而推导出每种通信模式的成功概率和关键因素对网络性能的影响。为了体现本实施例所述方案在网络性能上的优势，我们提出了两个基准方案，即仅蜂窝网络、具有单跳D2D传输的蜂窝网络。数值结果表明，与基准方案相比，我们所提出的方案可以显著提高区域吞吐量。
一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其应用于大规模D2D蜂窝网络中的D2D用户终端，所述方法包括：
获取当前D2D用户终端所属D2D对中两个D2D用户终端之间的通信距离；
基于所述通信距离确定D2D传输方式，若传输方式为两跳传输，则利用基于网格优先级的中继选择方法选择最佳中继设备进行数据转发，若传输方式为单跳传输，则不需转发；其中，所述基于网格优先级的中继选择方法，具体为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离和的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离和的中继设备作为最佳中继；
基于确定的D2D传输方式，D2D用户之间的D2D链路复用蜂窝上行链路频谱进行数据传输。
在具体实施中，所述基于网格优先级的中继选择方法，还可以为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离乘积的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离乘积的中继设备作为最佳中继；
或，从重叠覆盖区域的若干网格中随机选择一个中继作为最佳中继。
在具体实施中，所述D2D对中两个D2D用户之间进行数据传输时，D2D链路复用蜂窝上行链路频谱进行单跳或两跳传输；其中，所述大规模D2D蜂窝网络中的每个基站，在一定时间内仅能选择其覆盖范围内的一个蜂窝用户实现上行传输。
在具体实施中，为了保证蜂窝通信质量，在每个基站周围设置预设半径范围的防护区，通过所述防护区内的D2D用户终端禁止占用蜂窝上行链路频谱；所述防护区外的D2D用户基于ALOHA协议，按照媒体访问概率机会性的访问蜂窝上行链路频谱。
在具体实施中，所述基于所述距离确定D2D传输方式，具体为：基于两个D2D用户终端之间的通信距离，判断所述通信距离是否小于两个D2D用户终端信号覆盖范围半径d0；若小于d0则传输方式为单跳传输；若大于等于d0且小于2d0则传输方式为两跳传输。
为了便于理解，以下对本实施例所述方案进行详细说明：
在如图1所示的大规模D2D蜂窝网络中，BSs、CUEs、D2D Txs、D2D Rxs和中继设备在二维平面上共存。BSs的位置被建模为一个独立的HPPP密度为λb。CUEs的位置被建模为HPPP/>密度为λu。D2D Txs的位置也被建模为HPPP/>密度为λd；中继分布遵循另一个HPPP密度为λr。CUE、D2D Txs和中继设备的发射功率分别为pc、pd和pr；每个D2D对(D2D Tx和D2D Rx)的距离遵循参数为θ的指数分布，其概率密度函数(PDF)为：
frd(r)＝θexp(-θr)(1)
其中，θ为调节参数，r为传输距离。
D2D单跳和两跳传输模式是根据每个D2D对的通信距离自适应确定的。当D2D用户对(User Pair)的通信距离小于阈值d0时，可以建立单跳D2D链路。然而，当D2D用户对的距离在d0和2d0之间，并且在两个用户的重叠覆盖区域内存在至少一个中继节点时，可以选出一个最优的中继节点进行D2D两跳传输。根据D2D用户对的距离，可以将D2D Txs分为单跳D2DTxs和两跳D2D Txs。
在蜂窝通信***中，由于用户的上行和下行数据流量存在严重的不对称，导致了上行资源利用不充分。我们假设D2D通信可以复用蜂窝的上行链路频谱，每个用户都配备了一个全向天线，工作于半双工模式。在无线传输中，信号将经历大尺度的路径损耗和小尺度的衰落。我们假设小尺度的信道衰落服从Rayleigh分布，因此功率衰落服从均值为1的指数分布。信号功率的大尺度路径损耗被建模为r-α，其中，r是传输距离，α(α＞2)是路径损耗指数。D2D两跳传输、D2D单跳传输以及蜂窝传输模式的目标传输速率分别为R0、R1和R2，当信道容量大于传输速率时，数据传输成功。
为了确保蜂窝通信的质量，在BSs周围设置半径为σ的防护区(Guard Zone)。这样做是为了防止附近的D2D Txs与CUEs同时共享同一信道，从而避免D2D Txs对蜂窝链路产生强干扰。因此，D2D Txs的分布不是均匀的，而是遵循泊松洞过程(Poisson Hole Process)。假设单跳D2D Txs的位置遵循HPPPφs，密度为λs＝η1λdξexp(-λbπσ2)，而两跳D2D Txs的位置遵循另一个HPPPφt，密度为λt＝η2λdξexp(-λbπσ2)，其中,exp(-λbπσ2)表示在BS防护区内没有D2D Tx的概率，η1、η2分别表示单跳和中继辅助的两跳D2D传输的概率，计算公式为：
位于防护区外的D2D Txs可以根据ALOHA协议，按照媒体访问概率ξ机会性地访问频谱。我们把BS的激活概率定义BS至少服务于一个CUE的概率，BS激活概率的经验近似值为：
因此，活跃CUEs的密度可以表示为：
λc＝δλb. (4)
我们假设活跃的CUEs的分布遵循一个HPPPφc，密度为λc。
网络中的中继设备根据其状态可分为活跃中继和空闲中继。活跃中继的位置遵循HPPPφa，密度为其中,/>是中继设备在D2D两跳传输过程中的成功接收概率。
译码转发(Decode-and-Forward)协议被用于D2D两跳通信的数据转发。具体来说，在收到D2D Tx发送的信号后，选定中继对数据进行译码，然后重新编码并转发到D2D Rx。
如图2所示，我们绘制了半径为d0的D2D Tx和D2D Rx的重叠覆盖区域，在该区域中选择一个潜在的中继节点来协助两跳D2D传输。由于中继分布密集，通常有多个候选中继来协助D2D两跳传输。为了选择一个最佳的中继来转发D2D数据，我们将重叠覆盖区域离散成大量的网格并对网格进行编号，进而提出以下三个中继选择标准：
Min-Sum：选择具有最小两跳距离和的中继来转发D2D数据。
Min-Pro：选择具有最小两跳距离乘积的中继转发D2D数据。
Random：从重叠覆盖区域随机选择一个中继转发D2D数据。
根据每个标准，我们对重叠覆盖区域的网格进行排序，得到网格优先级集合算法如图3所示，对于每个网格，一个中继位于中心位置，网格根据中继选择标准进行排序。这种离散化和排序方法可以简化网络的平均性能分析。对于Random标准，从重叠覆盖区的所有网格中随机选择中继，无需考虑网格的优先级。
在D2D两跳传输中，典型D2D Txz0和其相应的D2D Rxz0′分别位于原点的两侧。其中，所述原点为以典型D2D Tx及其对应的D2D Rx的连线中点建立的二维平面坐标轴的原点；D2D两跳传输是在连续的两个时间块中完成的。在第一个时间块中，数据从典型的D2DTx z0传输到选定中继w0，中继w0的信干比为γ1，其计算公式为：
其中，表示由同时进行的所有蜂窝传输引起的累加干扰，/>和/>分别表示由同时进行的所有D2D单跳和两跳传输引起的累加干扰。考虑到在干扰有限的的情况下，省略了加性噪声的影响。典型D2D Tx与选定中继之间的信道小尺度功率衰落以及距离分别为/>和/>。来自活跃CUEs的干扰计算公式为：
其中,和/>分别表示CUEyi∈φc与中继w0之间的小尺度功率衰落和距离。除典型的D2D Tx外，所有的D2D Txs都会对选定中继w0的造成干扰。D2D Txs的累加干扰计算公式为：
在第二个时间块中，当选定中继w0向典型D2D Rxz0′转发数据时，D2D Rxz0′的信干比γ2表示为：
其中,表示由同时进行的所有蜂窝传输造成的累加干扰，/>和/>分别表示由同时进行的所有单跳D2D传输和中继传输造成的累加干扰。选定中继和典型D2D Rx之间的信道小尺度功率衰落为/>。来自活跃CUEs的干扰计算公式为：
其中,和/>分别表示CUEyi∈φc与典型D2D Rx之间的小尺度功率衰落和距离。D2D单跳传输产生的干扰计算公式为：
除了接收典型D2D Tx发出信号的中继设备外，所有同时进行的中继传输都会对典型D2DRx产生干扰。活跃中继传输的累加干扰计算公式为：
其中,和/>分别表示活跃中继wi∈φa\{w0}与典型D2D Rx之间的小尺度功率衰落和距离。
由于干扰用户到接收节点(中继或D2D Rx)的距离与干扰用户到原点的距离大致相同，因此我们可以得到
成功传输概率被定义为信道容量大于传输速率的概率，因此，D2D两跳链路z0→w0→z0′的成功概率可以表示为：
其中，
对于D2D两跳传输，重叠覆盖区域的长度为2d0-r，宽度为如图2所示，使用m×2m网格来覆盖重叠覆盖区，其中m＝10。每个网格的长度为/>宽度为面积为Sg＝gwgl。由于重叠覆盖区域关于横轴上下对称，所以在研究中只考虑横轴以上的网格即可。假设位于中心坐标为(ai,bi)的网格gi的中继被选中转发数据，第一跳距离为/>第二跳距离为/>根据基于网格优先权的中继选择算法，可以得到网格优先权集/>
重叠覆盖区域的面积计算公式为：
单位面积的可用中继数为λr，重叠覆盖区域的平均中继数为S0λr，重叠覆盖区域中有k个中继的概率为：
小网格中没有中继的概率为pg＝exp(-Sgλr)，将Ni定义为优先级高于gi的所有网格的数量。因此，网格gi中存在优先级最高的中继的概率可以表示为：
将重叠覆盖区域划分为若干个小网格，可以通过离散化计算得到D2D两跳传输的成功概率，计算公式为：
其中，和/>分别表示/>和/>的拉普拉斯变换，/>
对于的拉普拉斯变换，计算公式为：
伽马函数相似地，我们可以得到：
对于第一跳的成功概率其计算公式为：
其中，
为了分析D2D单跳链路的成功概率，典型的D2D Rx位于原点，D2D对的距离小于通信半径d0。在第一个时间块中，数据从典型D2D Txz0传输到D2D Rxz0′，信干比为计算公式为：
在第二个时间块中，D2D Rx的信干比计算公式为：
其中，yi∈φc和在两个连续的时间块中不断对典型的D2D Rx造成干扰。两跳D2DTxs造成的累加干扰/>只发生在第一个时间块。在第二个时间块中，活跃中继对典型的D2DRx造成累加干扰/>
D2D两跳传输的存在使得单跳传输中典型D2D Rx在连续的两个时间块中面临不同的干扰情况，这影响了单跳传输在两个时间块中的成功概率。因此，单跳传输的平均成功概率计算公式为：
其中，和/>分别表示第一个时间块和第二时间块中D2D单跳传输的成功概率。
在第一个时间块，典型D2D Rx z0′受到D2D Txs和CUEs的干扰，成功概率计算公式为：
其中
误差函数
/>
并且
在第二个时间块中，D2D单跳传输的成功概率计算公式为：
其中
在蜂窝通信中，每个CUE都由最近的BS提供服务，典型BSx0位于原点。CUE和其关联BS之间距离的PDF(概率密度函数)为：
frc(r)＝2πrλbexp(-λbπr2). (29)
在第一个时间块中，数据从典型的CUEy0传输到关联BSx0，BS的信干比计算公式为：
在第二个时间块中，BS的信干比计算公式为：
其中，yi∈φc和zi∈φs在连续的两个时间块中对典型BS造成干扰。两跳D2D Txs的累加干扰只在第一个时间块内产生。在第二个时间块中，所有的活跃中继对典型的BS造成的累加干扰为/>和/>分别表示典型CUE与关联BS之间的小尺度功率衰落和距离。由于D2D两跳传输的存在，蜂窝传输平均成功概率的计算公式为：
其中，和/>分别表示第一时间块和第二时间块中蜂窝传输的成功概率。第一个时间块的成功概率为：
第二个时间块中的成功概率被推导为：
/>
其中， 和/>分别是/>和/>的拉普拉斯变换。
由于活跃CUEs的分布不是HPPP，为了便于计算，将活跃CUE的分布近似为不均匀的PPP(Poisson Point Process)，其传播过程被假定为具有强度测量函数，计算公式为：
Λ(dx)＝2πλcx(1-exp(-πλcx2))dx. (35)
令和/>分别表示CUEyi∈φc\y0与典型BS x0之间的小尺度功率衰落和距离。利用强度测量函数和拉普拉斯变换的定义，我们可以得到：
令和/>分别表示单跳D2D Txzi∈φs与典型BSx0之间的小尺度功率衰落和距离。利用拉普拉斯变换的定义，我们可以得到
和/>的推导与/>相同。
区域吞吐量表示在单位面积内成功传输的平均比特数，其计算公式如下：
其中，λ为活跃节点密度，为传输成功概率，R为目标传输速率。
基于上述分析过程，我们提出一种大规模蜂窝网络中自适应单跳和基于中继选择的两跳D2D传输方法，包括以下步骤：
步骤一：在平面上建模BSs、CUEs、D2D Txs、D2D Rxs以及中继节点的位置，CUEs关联到最近的基站；
步骤二：D2D对根据D2D Tx和D2D Rx之间的距离自适应选择进行单跳或两跳传输，进行两跳传输的D2D对利用基于网格优先级的中继选择算法选择最佳中继完成数据转发工作；
步骤三：每个基站选择一个覆盖范围内的CUE实现上行传输，D2D链路复用蜂窝上行链路频谱实现单跳或两跳传输。
图1为大规模蜂窝网络中自适应单跳和两跳D2D传输的示意图。CUEs关联的基站为最近的基站，虚线为基站覆盖边界，圆形区域为基站防护区。基站采用TDMA(Time divisionmultiple access)协议，在一定时间内只能选择一个覆盖范围内的CUE实现上行传输。D2D对根据D2D Tx和D2D Rx之间的距离选择进行单跳或两跳传输，进行两跳传输的D2D对利用基于网格优先级的中继选择算法选择最适合的中继完成数据转发工作。D2D两跳在两个时间块中完成。在传输过程中，活跃的CUEs，D2D Txs以及中继设备相互造成干扰。
具体的，在大规模D2D蜂窝网络中，在平面上将BSs、CUEs、D2D Txs以及中继的位置建模为互相独立的HPPPφb、φu、φd、φr，密度分别为λb、λu、λd、λr。CUE、D2D Txs和中继的发射功率分别表示为pc、pd和pr，路径损耗指数为α，D2D单跳、两跳传输以及蜂窝传输的目标传输速率分别为R0、R1、R2，D2D两跳在两个时间块完成，第一跳和第二跳各占一个时间块。
单跳或两跳D2D传输模式是根据每个D2D对的通信距离自适应确定的。当D2D对的通信距离小于阈值d0建立单跳D2D链路。然而，当D2D对的距离在d0和2d0之间，并且在两个用户的重叠覆盖区域内存在至少一个中继节点时，可以进行两跳D2D传输。单跳和中继辅助的两跳D2D传输的概率计算公式为(2)。CUEs与距离最近的基站关联，基站从所有关联CUEs中选择一个进行上行传输。在已知基站和CUEs的密度的情况下，基站激活概率的计算公式为(3)，活跃CUEs的密度为公式(4)。
D2D用户采用两跳传输模式在两个时间块完成数据传输，选定中继和典型D2D Rx的信干比分别为公式(5)、(8)。选定中继受到的干扰为公式(6)、(7)，典型D2D Rx受到的干扰为公式(9)-(11)。考虑到干扰到接收节点的距离大致相等，我们可以得到干扰关系公式(12)。基于网格优先级的中继选择算法，我们可以确定最优选择准则，并利用该准则选定最适合的中继进行数据转发，中继选择算法的具体内容如图2所示。经过数学推导公式(13)和化重叠覆盖区域公式(14)-(16)，使得D2D两跳通信的成功概率公式(17)和第一跳的成功概率公式(20)可以离散化分析。多种干扰的拉普拉斯变换由公式(18)、(19)得到。
D2D用户采用单跳传输模式在两个时间块中进行数据传输时，位于原点的典型D2DRx的信干比分别为公式(21)、(22)。基于两个时间块中D2D单跳传输的成功概率公式(24)、(27)，D2D单跳传输的平均成功概率计算公式为公式(23)。
在蜂窝传输模式中，基于CUE和其关联BS之间的距离的PDF公式(29)以及BS在两个时间块的信干比公式(30)、(31)，我们可以得到两个时间块蜂窝传输的成功概率公式(33)、(34)，从而得到蜂窝传输的平均成功概率公式(32)。不同类型干扰的拉普拉斯变换由公式(35)-(37)计算得到。
考虑到每个传输模式的活跃节点密度、成功传输概率和目标传输速率，我们可以得到区域吞吐公式(38)的具体数值。
我们利用MATLAB平台进行仿真分析，研究的平面半径为5000m，蒙特卡洛分析运行次数为104次。除非另有规定，所有模拟中的***参数设置为α＝3，d0＝100m，σ＝100m，R0＝R1＝R2＝0.1bits/s/Hz，ξ＝0.8，λb＝5*10-6，λu＝2*10-4，λd＝2*10-5，λr＝3*10-4，pc＝pd＝20dBm，pr＝15dBm。
基于上述计算分析过程，得到大规模D2D蜂窝网络三种模式的成功传输概率。图4为D2D两跳传输成功概率与传输速率的关系，在不同的中继选择标准下，D2D两跳传输的成功概率随着传输速率的增加而降低，这是因为较高的速率导致了较高的信干比阈值。Min-Sum比其他两个标准表现得更好。在D2D单跳传输和蜂窝传输模式中，成功概率与传输速率的关系如图5、图6所示，我们将理论结果用“Theoretial”标注，仿真模拟结果用“Simulation”标注，理论分析结果与仿真模拟结果重合良好，验证了理论分析的正确性。
在图7-图9中，得到了三个不同网络受多个参数影响下的的区域吞吐量对比结果。在仿真结果中，Min-Sum中继选择标准用于两跳D2D传输，标有“CN”、“CN-D2D(1)”和“CN-D2D(1，2)”的曲线分别代表三个网络(仅蜂窝网络、具有单跳D2D传输的蜂窝网络、具有单跳和两跳D2D传输的蜂窝网络)。图7表明了CUEs密度λu和BS防护区半径σ对网络区域吞吐量的影响。图8表明了D2D Txs密度λd和距离参数θ对网络区域吞吐量的影响。图9表明了基站密度λb和D2D Tx密度λd对网络区域吞吐量的影响。数值结果表明，与基准方案相比，我们提出的方案可以显著提高区域吞吐量。
D2D通信使得相邻设备之间可以直接进行数据传输，从而填补了基站的覆盖盲区，并减轻了基站的负载压力。传统D2D蜂窝网络通常考虑D2D单跳链路，D2D用户之间的距离是一个固定值。然而，对于远距离传输，D2D多跳传输是很有必要的。为了更好地引入D2D通信，减少多跳的长时延，本实施例考虑D2D用户之间的随机距离，研究自适应的D2D单跳和两跳传输。根据D2D Tx和D2D Rx之间的距离，自适应地确定单跳或两跳D2D传输模式，D2D通信可以共享蜂窝上行频谱。当两个D2D用户之间的通信距离小于阈值d0时，可以建立D2D单跳链路。然而，当两个D2D用户之间的距离大于d0且小于2d0，并且在两个用户的重叠覆盖区域内存在至少一个中继节点时，可以选择一个最优中继节点进行D2D两跳传输。在蜂窝网络中引入D2D通信必然会影响蜂窝通信质量，为了保护蜂窝通信的质量，本实施例考虑到在基站周围设置防护区，以防止附近的D2D发射机与蜂窝用户同时共用信道，避免D2D通信对蜂窝通信产生强干扰。防护区外的D2D Txs采用ALOHA协议按照媒体访问概率ξ机会性地访问频谱。
现有的相关工作，通常假设中继节点均匀地分布于圆形区域中，或者中继和用户之间的距离是固定的。然而，考虑到设备的无线覆盖区域，这些假设在很多情况下是不现实的。近似椭圆状的重叠覆盖区域更为现实，但是它的几何形状更为复杂，难以采用常规方法分析中继选择的性能。因此，本实施例提出了一种基于网格优先级的中继选择算法以协助D2D两跳传输。该算法能够以较低的计算复杂度确定重叠覆盖区的最佳中继，并简化了基于距离的不同中继选择标准的性能分析。因此，可以采用离散化的方式分析D2D两跳通信的成功概率，该方法可适用于其他基于距离感知的中继选择策略。通过考虑中继节点的可能位置，对重叠覆盖区域进行网格划分可以大大简化基于最优中继选择的性能分析，并且不损害性能分析的准确率。
基于随机几何理论，本实施例所述方案建立了三种通信模式的累加干扰模型及其拉普拉斯变换，并推导出每种通信模式的成功概率，揭示了目标传输速率、D2D通信半径、D2D Txs密度、基站密度、CUEs发射功率和密度等关键因素对网络性能的影响。本实施例提出了两个基准方案，即仅蜂窝网络、具有单跳D2D传输的蜂窝网络。数值结果表明，与基准方案相比，我们提出的方案可以显著提高区域吞吐量。
实施例二：
本实施例的目的是提供另一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法。
一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其应用于大规模D2D蜂窝网络中的基站，所述方法包括：
在一定时间内选择当前基站覆盖范围内的一个蜂窝用户实现上行传输；
大规模D2D蜂窝网络中的D2D对之间进行单跳或两跳传输时，D2D链路复用蜂窝上行链路频谱；
其中，所述D2D对之间的数据传输方式基于D2D对中两个D2D用户终端之间的通信距离确定，且输方式为两跳传输，则利用基于网格优先级的中继选择方法选择最佳中继设备进行数据转发，所述基于网格优先级的中继选择方法，具体为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离和的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离和的中继设备作为最佳中继。
进一步的，为了保证蜂窝通信质量，在每个基站周围设置预设半径范围的防护区，通过所述防护区内的D2D用户终端禁止占用蜂窝上行链路频谱。
进一步的，本实施例所述方法的具体细节在实施例一中已经进行了详细说明，故此处不再赘述。
在不同的实施例中，公开了一种D2D用户终端，其被配置为执行一些实施例中所公开的方法。在又一个实施例中，公开了一种基站，其被配置为执行一些实施例中所公开的方法。在又一个实施例中提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一些实施例中所公开的方法。
上述实施例提供的一种基于能量收集的交替协作非正交多址接入方法及装置可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其应用于大规模D2D蜂窝网络中的D2D用户终端，其特征在于，所述方法包括：
获取当前D2D用户终端所属D2D对中两个D2D用户终端之间的通信距离；
基于所述通信距离确定D2D传输方式，若传输方式为两跳传输，则利用基于网格优先级的中继选择方法选择最佳中继设备进行数据转发，若传输方式为单跳传输，则不需转发；其中，所述基于网格优先级的中继选择方法，具体为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离和的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离和的中继设备作为最佳中继；
基于确定的D2D传输方式，D2D用户之间的D2D链路复用蜂窝上行链路频谱进行数据传输。
2.如权利要求1所述的一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，所述基于网格优先级的中继选择方法，还可以为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离乘积的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离乘积的中继设备作为最佳中继；
或，从重叠覆盖区域的若干网格中随机选择一个中继作为最佳中继。
3.如权利要求1所述的一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其特征在于，所述D2D对中两个D2D用户之间进行数据传输时，D2D链路复用蜂窝上行链路频谱进行单跳或两跳传输；其中，所述大规模D2D蜂窝网络中的每个基站，在一定时间内仅能选择其覆盖范围内的一个蜂窝用户实现上行传输；
或，
为了保证蜂窝通信质量，在每个基站周围设置预设半径范围的防护区，通过所述防护区内的D2D用户终端禁止占用蜂窝上行链路频谱。
4.如权利要求3所述的一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其特征在于，所述防护区外的D2D用户基于ALOHA协议，按照媒体访问概率机会性的访问蜂窝上行链路频谱。
5.如权利要求1所述的一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其特征在于，所述基于所述距离确定D2D传输方式，具体为：基于两个D2D用户终端之间的通信距离，判断所述通信距离是否小于两个D2D用户终端信号覆盖范围半径d0；若小于d0则传输方式为单跳传输；若大于等于d0且小于2d0则传输方式为两跳传输。
6.一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其应用于大规模D2D蜂窝网络中的基站，其特征在于，所述方法包括：
在一定时间内选择当前基站覆盖范围内的一个蜂窝用户实现上行传输；
大规模D2D蜂窝网络中的D2D对之间进行单跳或两跳传输时，D2D链路复用蜂窝上行链路频谱；
其中，所述D2D对之间的数据传输方式基于D2D对中两个D2D用户终端之间的通信距离确定，且输方式为两跳传输，则利用基于网格优先级的中继选择方法选择最佳中继设备进行数据转发，所述基于网格优先级的中继选择方法，具体为：将两个D2D用户终端的信号覆盖范围的重叠覆盖区域离散为若干网格，基于每个网格中心到两个D2D用户终端的距离和的大小，对重叠覆盖区域的若干网格进行排序，基于排序结果选择具有最小两跳距离和的中继设备作为最佳中继。
7.如权利要求6所述的一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法，其特征在于，为了保证蜂窝通信质量，在每个基站周围设置预设半径范围的防护区，通过所述防护区内的D2D用户终端禁止占用蜂窝上行链路频谱。
8.一种D2D用户终端，其特征在于，其被配置为执行如权利要求1-5任一项所述的一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法。
9.一种基站，其特征在于，其被配置为执行如权利要求6-7任一项所述的一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种自适应单跳和两跳的D2D数据传输方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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