專利名稱：基于imt-a標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)演進嵌入式d2d實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及終端直通D2D的傳輸機制，可用于頂T-A標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)演進的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
D2D技術(shù)是ー種近年來學(xué)術(shù)界和エ業(yè)界所密切關(guān)注和研究的無線通信新技木。所謂D2D技術(shù)，是指在不影響整體蜂窩網(wǎng)絡(luò)運行的情況下，蜂窩小區(qū)內(nèi)終端設(shè)備之間建立通信鏈路進行直接通信，不通過基站中轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。通過引入D2D技術(shù)，可以實現(xiàn)蜂窩資源的重用、提高傳輸效率、降低終端能耗，進而大幅提高蜂窩系統(tǒng)的整體性能。已有研究表明，采用D2D機制的蜂窩系統(tǒng)容量可以提升3-7倍之多，可有效緩解通信資源制約帶來的影響。
諾基亞公司是エ業(yè)界在D2D領(lǐng)域的主要推動者，基于MT-A的D2D技術(shù)研究始于2008年左右，在2009至2010年間有較多討論和學(xué)術(shù)成果出現(xiàn)。目前的學(xué)術(shù)研究方向主要集中在系統(tǒng)建模、性能分析、模式選擇、功率控制、資源分配、干擾控制與抵消、以及基于D2D的協(xié)作中繼與網(wǎng)絡(luò)編碼等。當(dāng)前雖發(fā)布了一些初步的學(xué)術(shù)成果，但這些結(jié)論的成熟度與實用性仍很有限，研究成果大都是在特定的模型下所取得。而對于具體的D2D關(guān)鍵技木，已公開的研究成果仍然有限，所提出的觀點、算法等缺少學(xué)術(shù)爭論與相互印證。D2D系統(tǒng)可基于頻分雙エFDD，也可基于時分雙エTDD，二者各有利弊。KlausDoppler 社又 早“Device-to-Device Communications:Functional Prospects forLTE-Advanced Networks”中介紹了一種基于3GPP LTE-A蜂窩網(wǎng)中的D2D工作流程。雖然該方法能在現(xiàn)在有的3GPPLTE-A網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)嵌入式D2D服務(wù)，但在功率控制和模式選擇上仍存在缺陷。并且國外對D2D的研究多是針對基于頻分雙エ系統(tǒng)的，在進行非対稱業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交換時，頻譜利用率不高。與此相反，TD-LTE由于其能夠靈活配置頻率、調(diào)整上下行時隙比例等技術(shù)上的優(yōu)勢越來越受到人們的重視。目前，基于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中嵌入D2D通信的研究并不多，YuLi 在文章“Adaptive TDD UL/DL slot utilization for cellular controlled D2Dcommunications”中介紹了ー種在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中D2D自適應(yīng)共用上行或下行資源的策略，并在該策略的基礎(chǔ)上引入了ー種D2D建立機制。然而該方案是建立在ー種理想的具有嚴格功率控制的環(huán)境下，忽略了 D2D用戶對蜂窩用戶的影響，在應(yīng)用中有著很多局限性，在實際操作中效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于頂T-A標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)演進嵌入式D2D實現(xiàn)方法，即在現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對終端與其鄰近終端進行擴展，實現(xiàn)兩者的直達通信，提高系統(tǒng)的頻譜利用率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟(I)基站定期與各用戶建立聯(lián)系獲得用戶與基站間信道狀態(tài)信息，并通過全球定位系統(tǒng)GPS得到用戶位置信息，形成鄰近用戶列表；(2)在傳輸幀的下行時期，用戶獲得上行資源分配信息并在傳輸幀的上行時期，用戶按照上行資源分配信息感知鄰近用戶，獲得鄰近用戶功率等級列表并上傳到基站；(3)基站結(jié)合鄰近用戶列表、用戶與基站間信道狀態(tài)信息以及用戶上傳的鄰近用戶功率等級列表，形成全網(wǎng)信道増益列表，該全網(wǎng)信道増益列表，是指基站端獲知每個用戶的位置信息、每個用戶到基站的信道狀態(tài)信息，以及用戶之間的平均信道増益；(4)基站根據(jù)全網(wǎng)信道増益列表，按照滿足終端直通D2D傳輸所需的最小用戶服務(wù)質(zhì)量QoS需求的準(zhǔn)則，形成終端直通D2D潛在簇，該潛在簇是指以發(fā)射用戶為中心，包括與其能建立終端直通D2D連接的用戶集合； (5)終端用戶通過控制信道與基站建立連接，并發(fā)送業(yè)務(wù)請求；(6)基站根據(jù)全網(wǎng)信道増益列表和用戶服務(wù)質(zhì)量QoS需求，以及終端直通D2D潛在簇信息，結(jié)合頻率、功率以及空間資源的聯(lián)合優(yōu)化分配方法，從非正交資源復(fù)用模式、正交資源復(fù)用模式以及標(biāo)準(zhǔn)蜂窩模式中選擇最優(yōu)的傳輸模式；(7)基站根據(jù)模式選擇的結(jié)果為終端用戶分配時間、頻率、功率以及空間資源；(8)經(jīng)過模式選擇和資源分配后，終端用戶與目標(biāo)用戶建立通信，井根據(jù)選擇的最優(yōu)傳輸模式確定通信方式以及系統(tǒng)傳輸巾貞，若選擇非正交資源復(fù)用模式或正交資源復(fù)用模式，則終端用戶在傳輸期中與目標(biāo)用戶進行終端直通D2D通信，若選擇標(biāo)準(zhǔn)蜂窩模式，則終端用戶在傳輸期中與目標(biāo)用戶進行標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信。上述步驟(I)所述的基站通過全球定位系統(tǒng)GPS得到用戶位置信息形成鄰近用戶列表，按如下步驟進行(Ia)用戶通過全球定位系統(tǒng)GPS得到自己的位置信息井上傳基站；(Ib)基站整理各用戶上傳的位置信息計算出用戶與鄰近用戶的距離d，并根據(jù)信道衰落模型，計算出用戶和鄰近用戶的理論信道増益g=d_a其中，d為用戶間的距離，a為信道衰落指數(shù)；( Ic)基站將這些鄰近用戶的身份標(biāo)識和理論信道増益一一對應(yīng)，形成鄰近用戶列表;(Id)用戶定期更新并上傳自己位置信息，使基站更新鄰近用戶列表。上述步驟(2)所述的在傳輸幀的下行時期，用戶獲得上行資源分配信息并在傳輸幀的上行時期，用戶按照上行資源分配信息感知鄰近用戶，獲得鄰近用戶功率等級列表并上傳基站，按如下步驟進行(2a)在傳輸幀的下行時期，用戶偵聽物理下行控制信道HXXH，獲得上行資源分配信息并存儲；(2b)在傳輸幀的上行時期，用戶按照上行資源分配信息感知鄰近用戶，獲得鄰近用戶的身份信息以及接收信號功率信息；(2c)用戶對接收的信號功率量化，按功率大小劃分等級，形成ー張包含鄰近用戶標(biāo)識、功率等級的鄰近用戶功率等級列表；
(2d)用戶上傳鄰近用戶功率等級列表給基站；(2e)用戶重復(fù)步驟(2a)_ (2d)定期更新列表井上傳給基站。上述步驟(3)所述的基站結(jié)合鄰近用戶列表、用戶與基站間信道狀態(tài)信息以及用戶上傳的鄰近用戶功率等級列表形成全網(wǎng)信道増益列表，按如下步驟進行(3a)基站結(jié)合鄰近用戶列表、用戶與基站間信道狀態(tài)信息以及用戶上傳的鄰近用戶功率等級列表綜合分析，獲取用戶的身份標(biāo)識，用戶與鄰近用戶之間的相鄰關(guān)系，以及用戶與鄰近用戶之間的平均信道増益；(3b)基站以用戶身份標(biāo)識為索引，檢索出用戶位置信息及用戶與基站間信道狀態(tài)信息，并形成用戶信息表，用戶信息表中第一項為用戶身份標(biāo)識 ，第二項為用戶與基站間信道狀態(tài)信息，第三項為用戶位置信息，末項為添加的鄰近用戶表指引項，將用戶信息表中的鄰近用戶表指引項指向用戶的鄰近用戶表，鄰近用戶表包含用戶與鄰近用戶之間的相鄰關(guān)系，及用戶與鄰近用戶之間的平均信道増益，用戶信息表和鄰近用戶表共同構(gòu)成全網(wǎng)信道增益列表。上述步驟(6)所述的選擇最優(yōu)的傳輸模式，按如下步驟進行(6a)基站根據(jù)全網(wǎng)信道増益列表和服務(wù)質(zhì)量QoS需求，按照最小化總發(fā)射功率的準(zhǔn)則，計算出下述三種傳輸模式下的總發(fā)射功率最小值，即非正交資源復(fù)用模式下總發(fā)射功率最小值P1 :P1=Hiin ( E N_MPC+ E PC+ E MPD)，正交資源復(fù)用模式下總發(fā)射功率最小值P2 P2=min ( E NPC+ E MPD)，標(biāo)準(zhǔn)蜂窩模式下總發(fā)射功率最小值P3 P3=Inin ( E NPC+ E 2MPD),其中，P。表示標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信的發(fā)射功率，Pd表示D2D通信的發(fā)射功率，N表示進行標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信的用戶數(shù)，M表示進行D2D通信的用戶對的數(shù)量，且N > M ;(6b)令Pmin=Hiin (P1, P2, P3)，Pmin所對應(yīng)的模式，即為所選擇的最優(yōu)傳輸模式；(6c)確定最優(yōu)傳輸模式后，將該模式下的發(fā)射功率，作為最優(yōu)的功率分配結(jié)果。本發(fā)明與傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)比較具有以下優(yōu)點(I)頻譜利用率得到有效提高。本發(fā)明從三個途徑提高了頻譜利用率第一，當(dāng)兩個設(shè)備采用D2D通信吋，僅需要一對時頻資源即可，而如采用標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信方式吋，必須要使用兩對時頻資源；第二，在兩對D2D鏈路間相互干擾低于門限的條件下，相同的時頻資源可以在兩對D2D鏈路上重用；第三，相同時頻資源也可以在D2D鏈路和傳統(tǒng)蜂窩鏈路上重用。(2)本發(fā)明的通信建立是在干擾條件允許的前提下，通過功率分配技術(shù)手段實現(xiàn)的，對標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信沒有破壞和顯著干擾；設(shè)備在D2D通信時所采用的功率遠低于標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信的，因此本發(fā)明可以降低蜂窩小區(qū)內(nèi)単位容量的能量消耗，且更加“緑色”，也使電池供電的移動終端具有更長的耐久力；(3)本發(fā)明通信將原本需要通過基站中轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)流改為設(shè)備間直傳，因此卸載了基站的部分負擔(dān)，并且傳輸幀的長度保持不變，則對系統(tǒng)容量的提升，并不需要額外的空ロ資源，也與傳統(tǒng)上的小區(qū)分裂不同，不會帶來系統(tǒng)設(shè)備，如基站的倍増。


圖I是本發(fā)明嵌入式D2D的工作流程圖；圖2是本發(fā)明嵌入式D2D的幀結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明使用的IMT-A蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景示意圖。
具體實施例方式不失一般性，將本發(fā)明應(yīng)用于一個便于理解的網(wǎng)絡(luò)中進行舉例說明，傳輸幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，該傳輸幀是在不顯著改變原有蜂窩通信傳輸幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，D2D用戶利用蜂窩通信上行資源進行傳輸。本發(fā)明使用的網(wǎng)絡(luò)場景，如圖3所示。圖3中三個用戶分別為UE1, UE2和UE3，它們都在基站BS的覆蓋范圍內(nèi)，在當(dāng)前時刻UEpUE2和UE3與基站之間進行標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信，在下ー時刻UE2與UE3之間有相互通信需求。令gu，i = I, 2,3; j=l, 2，3為UEi與UEj之間的信道増益，b j=l, 2，3為UEj與基站BS之間的信道増益，Ij, j=l, 2，3為通過GPS獲得的UEj的位置信息，D2D通信共用蜂窩通信上行傳輸資源并工作在時分雙エTDD方式下，且D2D通信的收發(fā)時隙比例為1:1。參照圖I，本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程為步驟I :基站定期與各用戶建立聯(lián)系獲得用戶與基站間信道狀態(tài)信息并通過全球定位系統(tǒng)GPS得到用戶位置信息形成鄰近用戶列表。(Ia)用戶通過全球定位系統(tǒng)GPS得到自己的位置信息井上傳基站；(Ib)基站整理各用戶上傳的位置信息計算出用戶與鄰近用戶的距離d，并根據(jù)信道衰落模型，計算出用戶和鄰近用戶的理論信道増益g=d_a其中，d為用戶間的距離，a為信道衰落指數(shù)；( Ic)基站將這些鄰近用戶的身份標(biāo)識和理論信道増益一一對應(yīng)，形成鄰近用戶列表I ;表I鄰近用戶列表
權(quán)利要求
1.一種基于IMT-A標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)演進嵌入式D2D實現(xiàn)方法，包括如下步驟 (1)基站定期與各用戶建立聯(lián)系獲得用戶與基站間信道狀態(tài)信息，并通過全球定位系統(tǒng)GPS得到用戶位置信息，形成鄰近用戶列表； (2)在傳輸幀的下行時期，用戶獲得上行資源分配信息并在傳輸幀的上行時期，用戶按照上行資源分配信息感知鄰近用戶，獲得鄰近用戶功率等級列表并上傳到基站； (3)基站結(jié)合鄰近用戶列表、用戶與基站間信道狀態(tài)信息以及用戶上傳的鄰近用戶功率等級列表，形成全網(wǎng)信道增益列表，該全網(wǎng)信道增益列表，是指基站端獲知每個用戶的位置信息、每個用戶到基站的信道狀態(tài)信息，以及用戶之間的平均信道增益； (4)基站根據(jù)全網(wǎng)信道增益列表，按照滿足終端直通D2D傳輸所需的最小用戶服務(wù)質(zhì)量QoS需求的準(zhǔn)則，形成終端直通D2D潛在簇，該潛在簇是指以發(fā)射用戶為中心，包括與其能建立終端直通D2D連接的用戶集合； (5)終端用戶通過控制信道與基站建立連接，并發(fā)送業(yè)務(wù)請求； (6)基站根據(jù)全網(wǎng)信道增益列表和用戶服務(wù)質(zhì)量QoS需求，以及終端直通D2D潛在簇信息，結(jié)合頻率、功率以及空間資源的聯(lián)合優(yōu)化分配方法，從非正交資源復(fù)用模式、正交資源復(fù)用模式以及標(biāo)準(zhǔn)蜂窩模式中選擇最優(yōu)的傳輸模式； (7)基站根據(jù)模式選擇的結(jié)果為終端用戶分配時間、頻率、功率以及空間資源； (8)經(jīng)過模式選擇和資源分配后，終端用戶與目標(biāo)用戶建立通信，并根據(jù)選擇的最優(yōu)傳輸模式確定通信方式以及系統(tǒng)傳輸巾貞，若選擇非正交資源復(fù)用模式或正交資源復(fù)用模式，則終端用戶在傳輸期中與目標(biāo)用戶進行終端直通D2D通信，若選擇標(biāo)準(zhǔn)蜂窩模式，則終端用戶在傳輸期中與目標(biāo)用戶進行標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中步驟(I)所述的基站通過全球定位系統(tǒng)GPS得到用戶位置信息形成鄰近用戶列表，按如下步驟進行 (Ia)用戶通過全球定位系統(tǒng)GPS得到自己的位置信息并上傳基站； (Ib)基站整理各用戶上傳的位置信息計算出用戶與鄰近用戶的距離d，并根據(jù)信道衰落模型，計算出用戶和鄰近用戶的理論信道增益g=d_a 其中，d為用戶間的距離，a為信道衰落指數(shù)； (Ic)基站將這些鄰近用戶的身份標(biāo)識和理論信道增益一一對應(yīng)，形成鄰近用戶列表； (Id)用戶定期更新并上傳自己位置信息，使基站更新鄰近用戶列表。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中步驟(2)所述的在傳輸幀的下行時期，用戶獲得上行資源分配信息并在傳輸幀的上行時期，用戶按照上行資源分配信息感知鄰近用戶，獲得鄰近用戶功率等級列表并上傳基站，按如下步驟進行 (2a)在傳輸幀的下行時期，用戶偵聽物理下行控制信道H)CCH，獲得上行資源分配信息并存儲； (2b)在傳輸幀的上行時期，用戶按照上行資源分配信息感知鄰近用戶，獲得鄰近用戶的身份信息以及接收信號功率信息； (2c)用戶對接收的信號功率量化，按功率大小劃分等級，形成一張包含鄰近用戶標(biāo)識、功率等級的鄰近用戶功率等級列表； (2d)用戶上傳鄰近用戶功率等級列表給基站；(2e)用戶重復(fù)步驟(2a) - (2d)定期更新列表并上傳給基站。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中步驟(3)所述的基站結(jié)合鄰近用戶列表、用戶與基站間信道狀態(tài)信息以及用戶上傳的鄰近用戶功率等級列表形成全網(wǎng)信道增益列表，按如下步驟進行 (3a)基站結(jié)合鄰近用戶列表、用戶與基站間信道狀態(tài)信息以及用戶上傳的鄰近用戶功率等級列表綜合分析，獲取用戶的身份標(biāo)識，用戶與鄰近用戶之間的相鄰關(guān)系，以及用戶與鄰近用戶之間的平均信道增益； (3b)基站以用戶身份標(biāo)識為索引，檢索出用戶位置信息及用戶與基站間信道狀態(tài)信息，并形成用戶信息表，用戶信息表中第一項為用戶身份標(biāo)識，第二項為用戶與基站間信道狀態(tài)信息，第三項為用戶位置信息，末項為添加的鄰近用戶表指引項，將用戶信息表中的鄰近用戶表指引項指向用戶的鄰近用戶表，鄰近用戶表包含用戶與鄰近用戶之間的相鄰關(guān)系，及用戶與鄰近用戶之間的平均信道增益，用戶信息表和鄰近用戶表共同構(gòu)成全網(wǎng)信道增益列表。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述步驟(4)中最小用戶服務(wù)質(zhì)量QoS需求的準(zhǔn)貝U，是指在最大發(fā)射功率的限制下，保證D2D傳輸?shù)男盘柛蓴_噪聲比SINR不低于基站設(shè)定的門限。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述步驟(4)中的形成終端直通D2D潛在簇，是基站根據(jù)全網(wǎng)信道增益列表，判斷用戶與鄰近用戶信道條件是否滿足進行D2D通信所需的最小用戶服務(wù)質(zhì)量QoS需求，將滿足該需求的鄰近用戶的集合作為用戶的D2D潛在簇。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中步驟(6)所述的選擇最優(yōu)的傳輸模式，按如下步驟進行 (6a)基站根據(jù)全網(wǎng)信道增益列表和服務(wù)質(zhì)量QoS需求，按照最小化總發(fā)射功率的準(zhǔn)貝U，計算出下述三種傳輸模式下的總發(fā)射功率最小值，即 非正交資源復(fù)用模式下總發(fā)射功率最小值P1 P1-Hiin ( Σ N-MPC+ Σ MPC+ Σ MPD)， 正交資源復(fù)用模式下總發(fā)射功率最小值P2 P2=min ( Σ NPC+ Σ MPD)， 標(biāo)準(zhǔn)蜂窩模式下總發(fā)射功率最小值P3 P3=min ( Σ NPC+ Σ 2MPD)， 其中，Pc表示標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信的發(fā)射功率，Pd表示D2D通信的發(fā)射功率，N表示進行標(biāo)準(zhǔn)蜂窩通信的用戶數(shù)，M表示進行D2D通信的用戶對的數(shù)量，且N > M ; (6b)令Pmin=Hiin (P1, P2, P3)，Pmin所對應(yīng)的模式，即為所選擇的最優(yōu)傳輸模式； (6c)確定最優(yōu)傳輸模式后，將該模式下的發(fā)射功率，作為最優(yōu)的功率分配結(jié)果。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中步驟(8)中的傳輸幀，是由蜂窩傳輸期和D2D傳輸期組成，這兩部分的長度根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求動態(tài)調(diào)整，但總的傳輸幀長度保持不變，即蜂窩網(wǎng)絡(luò)空口傳輸資源不變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于IMT-A標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)演進嵌入式D2D實現(xiàn)方法，主要解決嵌入D2D技術(shù)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信建立過程中模式選擇過于復(fù)雜和資源分配策略單一的問題。其實現(xiàn)步驟是基站獲取用戶與基站間信道狀態(tài)信息并通過全球定位系統(tǒng)GPS形成鄰近用戶列表；用戶感知鄰近用戶，獲得鄰近用戶功率等級列表并上傳基站；基站形成全網(wǎng)信道增益列表并生成用戶的D2D潛在簇；當(dāng)終端用戶向基站發(fā)送業(yè)務(wù)申請時，基站根據(jù)全網(wǎng)信道增益列表和用戶服務(wù)質(zhì)量QoS需求以及D2D潛在簇信息，結(jié)合資源的聯(lián)合優(yōu)化分配方法，選擇最優(yōu)的傳輸模式；終端用戶根據(jù)選擇的最優(yōu)傳輸模式，與目標(biāo)用戶建立通信。本發(fā)明與傳統(tǒng)蜂窩通信相比，可提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)的容量，并降低小區(qū)整體功率消耗。
文檔編號H04W76/02GK102858012SQ201210344549
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者李勇朝, 孫鵬, 劉毅, 李丹萍, 任智源, 張海林, 梁海濤, 張銳, 韓鹍 申請人:西安電子科技大學(xué)