嵌入d2d的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方法
【專利摘要】一種D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于時(shí)域半雙工中繼的功率控制方法，適用于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】中使用。包括采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)蜂窩網(wǎng)發(fā)射的基站B和蜂窩網(wǎng)接收端C、作為蜂窩通信中繼的D2D發(fā)射端R和D2D接收終端E，其使用D2D發(fā)射端作為基站B和接收端C之間蜂窩通信的中繼器，對(duì)蜂窩通信和D2D通信進(jìn)行聯(lián)合功率控制，使用全雙工無線中繼技術(shù)實(shí)現(xiàn)蜂窩通信和D2D通信的正交信道頻譜復(fù)用，在滿足蜂窩通信最小數(shù)據(jù)吞吐量的同時(shí)，最大化D2D通信的吞吐量，從而兼顧了系統(tǒng)整體性能和用戶的個(gè)體性能，在系統(tǒng)層面和用戶層面達(dá)到良好的平衡。
【專利說明】嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種全雙工中繼的功率控制方法，尤其適用于一種無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】 中使用的嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著寬帶移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)量的不斷增加，提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶容量、覆蓋范圍以 及服務(wù)質(zhì)量成為無線移動(dòng)通信亟待解決的重要課題。D2D通信技術(shù)是移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織 3GPP-LTE近年來關(guān)注和研究的一種全新的無線通信技術(shù)。D2D通信是指：在不影響其他蜂 窩用戶和D2D用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?，地理位置較近的用戶終端可以不通過基站中轉(zhuǎn)而建 立直接通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括：D2D通信可以復(fù)用蜂窩通信的工作頻段， 充分利用稀缺的無線頻譜資源；近距離D2D通信使用較低的傳輸能耗就能獲得較高的數(shù)據(jù) 吞吐量和較低的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；由于用戶終端分布廣泛且數(shù)量較多，D2D通信可以擴(kuò)大蜂 窩小區(qū)的覆蓋范圍。
[0003] 在嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，用戶終端可以自主選用三種通信模式：
[0004] 1)蜂窩通信模式：在該模式下，用戶終端借助基站中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；
[0005] 2)基于共信道傳輸?shù)腄2D通信模式：在該模式下，D2D通信與蜂窩通信使用相同的 時(shí)頻信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
[0006] 3)基于正交信道傳輸?shù)腄2D通信模式：在該模式下，D2D通信與蜂窩通信使用正交 的時(shí)頻信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0007] 共信道D2D通信模式雖然可以提高無線頻譜資源的利用效率，但是D2D通信和蜂 窩通信之間會(huì)存在較為嚴(yán)重的相互干擾。發(fā)射功率控制作為一種有效的干擾管理機(jī)制，可 以將上述干擾控制在可接受范圍內(nèi)。各國(guó)學(xué)者針對(duì)嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)提出了多種功率控 制方案，主要分為以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：
[0008] 1)集中式控制：由基站負(fù)責(zé)對(duì)D2D通信和蜂窩通信的同步、功率控制等進(jìn)行統(tǒng)一 管理；
[0009] 2)分布式控制：D2D終端需要實(shí)時(shí)測(cè)量、評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的干擾狀況，對(duì)其發(fā)射功率和傳 輸同步進(jìn)行本地控制。
[0010]由于集中式控制易于實(shí)現(xiàn)，本專利設(shè)計(jì)的共信道D2D通信模式功率控制方案采用 集中式控制方式實(shí)現(xiàn)。
[0011] 近年來，無線中繼作為一種新的抗無線信道多徑衰落技術(shù)，已被廣泛用于提高蜂 窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量，延伸蜂窩小區(qū)的覆蓋范圍，以及增強(qiáng)小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)體驗(yàn)。無線 中繼技術(shù)通過單跳無線鏈路中加入中繼節(jié)點(diǎn)，將處于深度衰落的單跳數(shù)據(jù)鏈路分裂成兩跳 的高質(zhì)量數(shù)據(jù)鏈路，從而獲得前述網(wǎng)絡(luò)性能提升。中繼技術(shù)可以分為以下兩類：
[0012] 1)半雙工中繼：中繼節(jié)點(diǎn)安裝一支天線，接收數(shù)據(jù)和中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需要占用兩個(gè) 正交時(shí)隙，因此，頻譜利用效率為1/2 ;
[0013] 2)全雙工中繼：中繼節(jié)點(diǎn)安裝兩支發(fā)射天線，可以在同一信道上并發(fā)接收數(shù)據(jù)和 中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此，頻譜利用效率為1 ;
[0014] 在上述應(yīng)用和研究背景下，利用無線中繼實(shí)現(xiàn)蜂窩
[0015] 網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，并已經(jīng)提出了以下解決方案：
[0016] 文獻(xiàn) 1 :C. Yu, K. Doppler, C. B. Ribeiro, et al, "Resource sharing optimization for device-to-device communication underlaying cellular networks,，'IEEE Trans, ffirel. Commun.，vol. 10, no. 8, pp. 2752 - 2763, 2011.提出了一種基于半雙工中繼的蜂窩通 信和D2D通信功率控制方案，該方案能夠在滿足蜂窩用戶和D2D用戶最小數(shù)據(jù)吞吐量的前 提下，最大化系統(tǒng)的總吞吐量。然而，文獻(xiàn)1所提出的D2D通信方案仍然需要使用基站作為 D2D通信的中繼節(jié)點(diǎn)；
[0017] 文獻(xiàn) 2 :Y. PeiandY. C. Liang, "Resource allocation for device-to-device communications overlaying two-way cellular networks, ^IEEE Trans.ffirel. Commun., vol. 12, no. 7, pp. 3611-3621，2013.提出了一種基于半雙工、雙向中繼的蜂窩通信和D2D通 信功率控制方案，該方案可以在有效避免系統(tǒng)吞吐量降低的同時(shí)，保障蜂窩用戶和D2D用 戶獲取Pareto公平性的數(shù)據(jù)吞吐量增益。然而，由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的下行數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上行 數(shù)據(jù)量，該方案所要求的半雙工、雙向中繼在實(shí)際的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中缺乏應(yīng)用場(chǎng)景，難以推廣應(yīng) 用；
[0018] 文獻(xiàn)3 :周斌，胡宏林.提高蜂窩系統(tǒng)多播效率的D2D自適應(yīng)協(xié)作重傳.應(yīng)用科 學(xué)學(xué)報(bào)，2013, 31 (3) : 221-227.
[0019] 文獻(xiàn) 4 :B. Zhou, H. Hu, S.-Q. Huang and Η·-H. Chen, " Intracluster device-t〇-device relay algorithm with optimal resource utilization,，'IEEE Trans. Vehicular Technology, vol. 62, no. 5, pp. 2315-2326, 2013.
[0020] 文獻(xiàn)5 :北京郵電大學(xué).蜂窩系統(tǒng)中D2D和固定中繼兩種協(xié)作多播模式的選擇方 法·中國(guó)發(fā)明專利，CN103476140A, 2013-12-25。
[0021] 文獻(xiàn)3,文獻(xiàn)4和文獻(xiàn)5將無線中繼和D2D通信兩種技術(shù)相結(jié)合，用于提高蜂窩網(wǎng) 絡(luò)中無線多播業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)吞吐量。然而，在上述文獻(xiàn)中，D2D發(fā)射終端僅僅被用作輔助蜂窩 無線多播傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，而其本身不產(chǎn)生任何數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這與實(shí)際應(yīng)用中D2D用戶需要 傳輸本地?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)是不相符的。
[0022] 此外，上述文獻(xiàn)1至文獻(xiàn)5均采用半雙工中繼在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)D2D通信。由于 使用半雙工中繼，源信息傳輸和中繼數(shù)據(jù)傳輸在不同時(shí)隙進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生互干擾，因此，上 述文獻(xiàn)均未考慮功率控制和干擾管理等問題。
[0023] 全雙工中繼能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩通信和D2D通信的共信道頻譜復(fù)用，理論上能夠獲得比 半雙工中繼高一倍的頻譜資源利用率。如何實(shí)現(xiàn)有效的功率控制和干擾管理，將全雙工中 繼用于改善嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)整體性能，是需要進(jìn)一步研究解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 針對(duì)上述技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了蜂窩通信和D2D通 信的共信道復(fù)用，即保證了蜂窩通信可以通過D2D發(fā)射端進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，從而增加蜂窩通 信的覆蓋范圍，同時(shí)保證D2D通信的數(shù)據(jù)吞吐量，獲得了更高的頻譜利用率的嵌入D2D的蜂 窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方法。
[0025] 為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了 一種基于全雙工中繼的蜂窩通信和D2D通信聯(lián)合 功率控制方案，包括采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)蜂窩網(wǎng)發(fā)射的基站B和蜂窩網(wǎng)接收接收端C，作 為蜂窩通信中繼的D2D發(fā)射端R和D2D接收接收端E，構(gòu)成一個(gè)由接收端C、發(fā)射端R和接 收接收端E受基站B控制的嵌入D2D通信的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，所述發(fā)射端R上設(shè)有分別用于 共信道發(fā)射和接收信息的發(fā)射天線和接收天線；
[0026] 其功率控制方法步驟如下：
[0027] a.基站B通過蜂窩網(wǎng)控制信道向接收端C發(fā)送建立通信鏈路的請(qǐng)求后，當(dāng)接收端 C接收到基站B的信號(hào)強(qiáng)度大于等于預(yù)設(shè)值時(shí)，則向基站B反饋信息，基站B與接收端C建 立通信鏈路，此時(shí)D2D發(fā)射端R和接收接收端E僅進(jìn)行D2D通信；
[0028] b.當(dāng)接收端C接收到基站B的信號(hào)強(qiáng)度小于預(yù)設(shè)值時(shí)，則不與基站B組建通信鏈 路，此時(shí)基站B向D2D發(fā)射端R發(fā)送數(shù)據(jù)中繼請(qǐng)求并與發(fā)射端R的天線建立第一跳蜂窩中 繼通信鏈路，D2D發(fā)射端R再通過天線發(fā)射與接收端C建立通信鏈路的請(qǐng)求，當(dāng)接收端C接 收到發(fā)射端R的請(qǐng)求后即與D2D發(fā)射端R建立蜂窩網(wǎng)的第二跳中繼通信鏈路；
[0029] c.基站B通過蜂窩網(wǎng)專用控制信道（SDCCH)獲得基站B到發(fā)射端R處的信道功率 增益g B，K以及發(fā)射端R自身發(fā)射天線與接收電線之間的信道功率增益，從接收端C處得 至IJ基站B到接收端C的信道功率增益g B，。和發(fā)射端R到接收端C的信道功率增益％。，從接 收端E處得到基站B到接收端E的信道功率增益和發(fā)射端R到接收端E的信道功率增 ￡fL gu，E ;
[0030] d.通過公式：

【權(quán)利要求】
1. 一種嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方法，包括采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)拓 撲結(jié)構(gòu)蜂窩網(wǎng)發(fā)射的基站B和蜂窩網(wǎng)接收接收端C，作為蜂窩通信中繼的D2D發(fā)射端R和 D2D接收接收端E，構(gòu)成一個(gè)由接收端C、發(fā)射端R和接收接收端E受基站B控制的嵌入D2D 通信的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，所述發(fā)射端R上設(shè)有分別用于共信道發(fā)射和接收信息的發(fā)射天線和 接收天線，其特征在于步驟如下： a. 基站B通過蜂窩網(wǎng)控制信道向接收端C發(fā)送建立通信鏈路的請(qǐng)求后，當(dāng)接收端C接 收到基站B的信號(hào)強(qiáng)度大于等于預(yù)設(shè)值時(shí)，則向基站B反饋信息，基站B與接收端C建立通 信鏈路，此時(shí)D2D發(fā)射端R和接收接收端E僅進(jìn)行D2D通信； b. 當(dāng)接收端C接收到基站B的信號(hào)強(qiáng)度小于預(yù)設(shè)值時(shí)，則不與基站B組建通信鏈路，此 時(shí)基站B向D2D發(fā)射端R發(fā)送數(shù)據(jù)中繼請(qǐng)求并與發(fā)射端R的天線建立第一跳蜂窩中繼通信 鏈路，D2D發(fā)射端R再通過天線發(fā)射與接收端C建立通信鏈路的請(qǐng)求，當(dāng)接收端C接收到發(fā) 射端R的請(qǐng)求后即與D2D發(fā)射端R建立蜂窩網(wǎng)的第二跳中繼通信鏈路； c. 基站B通過蜂窩網(wǎng)專用控制信道（SDCCH)獲得基站B到發(fā)射端R處的信道功率增 益gB，K以及發(fā)射端R自身發(fā)射天線與接收電線之間的信道功率增益，從接收端C處得到 基站B到接收端C的信道功率增益g B，。和發(fā)射端R到接收端C的信道功率增益gK，。，從接收 端E處得到基站B到接收端E的信道功率增益g B，E和發(fā)射端R到接收端E的信道功率增益
端R、基站B與接收端C、基站B與接收端E之間的信噪比yb，k、YB， C、YB，E，通過公式： SrjE ? d. 通過公式： 分別計(jì)算基站B與發(fā)射

發(fā)射端R與接收端C、發(fā)射端R與接收端E之間的信噪比 Yw、由于發(fā)射端R無法去除雙天線、全雙工中繼所造成的自干擾，所以通過公式 '計(jì)算基站B與發(fā)射端R之間的信干噪比y 式中：pB為基站B的發(fā)射功 /b,r， 率，Pk為發(fā)射端R的發(fā)射功率，基站B和發(fā)射端R的聯(lián)合功率約束為P，即有pB+pK = P，發(fā)射 端R、接收端C、接收端E的噪聲功率均為〇 2 ; e. 通過公式：
分別求取基站B和發(fā)射端R的 最優(yōu)發(fā)射功率
且O < a °pt < 1，求取發(fā)射端R為中繼蜂窩用戶C的信息碼元所分配的最優(yōu)發(fā)射功率比例 a _，從而保證基站B通過發(fā)射端R中繼與接收端C的正常蜂窩網(wǎng)通信，又能保證發(fā)射端R 與接收端E之間D2D通信的數(shù)據(jù)吞吐量最大化；式中：G為常數(shù)，且G = 2〇 -丨，7；?"為蜂 窩網(wǎng)接收端C的最小數(shù)據(jù)吞吐量約束，W為蜂窩通信和D2D通信共享的信道帶寬； f. 通過公式：
計(jì)算發(fā)射端R與接收端C之間的最 優(yōu)信干噪比__通過公式：
「計(jì)算發(fā)射端R與接收端E之間 的最優(yōu)信干噪比FS!; g. 當(dāng)?kn <范時(shí),基站B將步驟e中得到的發(fā)射端R的最優(yōu)發(fā)射功率Pf和最優(yōu)功率 比例a _，通過專用控制信道傳輸給發(fā)射端R，控制發(fā)射端R使用最優(yōu)發(fā)射功率P?1和最優(yōu) 發(fā)射功率比例a w分別向接收端C和接收端E發(fā)射數(shù)據(jù)信息； h. 當(dāng)?，則基站B需要在Fwt 2,?以及總發(fā)射功率受限的條件下工作,通過
信干噪比:基站B將重新計(jì)算得到的發(fā)射端R最優(yōu)發(fā)射功率和最優(yōu)功率比例a °pt通 過專用控制信道傳輸給發(fā)射端R，控制發(fā)射端R使用最優(yōu)發(fā)射功率P；T和最優(yōu)發(fā)射功率比例 a °pt分別向接收端C和接收端E發(fā)射數(shù)據(jù)信息； i. 基站B使用功率片f向蜂窩接收端C發(fā)射能量歸一化信息碼元x。，此時(shí)D2D發(fā)射端 R的使用接收天線獲得碼元x。，對(duì)基站B發(fā)射的碼元X。進(jìn)行接收、解碼處理，解碼后的信息 碼元為D2D發(fā)射端R將發(fā)射功率彳f加載到信息碼元&,中，將發(fā)射功率 加載到向接收端E發(fā)射的能量歸一化信息碼元xE中，發(fā)射端R的發(fā)射天線天線同時(shí)向處于 接收狀態(tài)的接收端C和接收端E廣播信息碼元信息
j. 接收端C接收發(fā)射端R廣播的數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)接收到基站B發(fā)射的信號(hào)，接收端C將基 站B發(fā)射的數(shù)據(jù)以及碼元xK中的x E部分當(dāng)作干擾，僅對(duì)^部分進(jìn)行解碼；接收端E同時(shí)接 收到的發(fā)射端R和基站B發(fā)射的信號(hào)，接收端E將基站B發(fā)射的信號(hào)以及碼元x K中的^部 分當(dāng)作干擾，僅對(duì)XE部分進(jìn)行解碼，功率控制流程結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方 法，其特征在于：所述步驟b中基站B向D2D發(fā)射端R發(fā)送數(shù)據(jù)中繼請(qǐng)求后發(fā)射端R作 為蜂窩通信鏈路的中繼節(jié)點(diǎn)需要通過公式：< min { Y B，K, Y B，J判斷，當(dāng)公式Y(jié) < min { Y B;K，Y B; J為真時(shí)，則D2D發(fā)射發(fā)射端R作為蜂窩通信鏈路的中繼節(jié)點(diǎn)，將處于深度 衰落甚至無法保證通信質(zhì)量的基站B到接收端C單跳蜂窩通信鏈路分裂為兩跳數(shù)據(jù)鏈路； 當(dāng)公式Y(jié) < min { Y B;K，Y B，。}為假時(shí)，則D2D發(fā)射端R無法提高蜂窩通信鏈路的信道質(zhì) 量，發(fā)射端R不對(duì)基站B到接收端C單跳蜂窩通信鏈路進(jìn)行中繼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方法，其 特征在于：所述步驟e中在總發(fā)射功率受限的條件下，建立基站B和D2D發(fā)射發(fā)射端R的聯(lián) 合功率控制滿足的條件為：
Pb+Pr = P，Pb 彡 〇, Pr 彡 〇， 0. a < 1， 其中，Te和T。分別表示D2D接收接收端E和蜂窩接收接收端C的數(shù)據(jù)吞吐量：
a為發(fā)射端R為中繼蜂窩用戶C的信息碼元所分配的功率比例； 通過上述計(jì)算從而得到最優(yōu)功率控制￠/彳r，/r
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方法，其 特征在于：所述步驟h中在總發(fā)射功率受限的條件下，建立基站B和D2D發(fā)射發(fā)射端R的聯(lián) 合功率控制滿足的條件為：
通過上述計(jì)算從而得到最優(yōu)功率控制〇
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入D2D的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于全雙工中繼的功率控制方法，其 特征在于：所述步驟h通過公式
分 別得到了蜂窩用戶C和D2D用戶E的最大瞬時(shí)吞吐量TTt和7T1?
【文檔編號(hào)】H04W52/06GK104284407SQ201410589654
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】張國(guó)鵬, 劉鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)