協作式d2d系統(tǒng)中基于信號對齊的干擾避免和安全傳輸方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術領域，涉及一種協作式D2D系統(tǒng)中基于信號對齊的干擾 避免和安全傳輸方法。
【背景技術】
[0002] 隨著移動多媒體、社交網絡、車聯網等新型應用的不斷涌現，終端直通(Device-t〇-DeVice，D2D)技術應運而生，并且被認為是下一代蜂窩網絡的關鍵技術之一。在支持D2D 通信的蜂窩系統(tǒng)中，設備間的直通鏈路與蜂窩用戶間的傳輸鏈路共享相同的頻譜，因此，如 何實現有效的干擾管理對于提升D2D通信的性能至關重要。已有的干擾管理方案主要采用 功率控制、資源分配和信號處理技術來消除或減弱干擾的影響;而通過建立協作機制，可以 進一步緩解蜂窩鏈路和D2D鏈路之間的相互干擾并提升系統(tǒng)性能。這就是協作式D2D傳輸的 基本思想。在該傳輸模式中，D2D系統(tǒng)的發(fā)射機充當蜂窩鏈路的中繼節(jié)點，輔助蜂窩系統(tǒng)完 成端到端信息傳輸，以此獲得頻譜機會。作為這一思想的具體化，Zhao等人提出了一種網絡 編碼輔助的協作策略，Ma等人提出了一種基于疊加編碼的協作D2D策略，在該策略中，D2D發(fā) 射機采取疊加編碼的方式同時發(fā)送自身數據和蜂窩用戶數據。該兩種策略的不足之處在 于:受限于中繼傳輸的雙跳特性和節(jié)點半雙工約束，D2D傳輸和蜂窩傳輸的頻譜效率都難于 提升。為了克服這一缺陷，Yiyang Pei等人提出了一種高譜效的協作雙向傳輸策略，該策略 允許一對D2D設備之間建立雙向連接，同時其中一個D2D用戶作為中繼來實現蜂窩用戶和基 站之間的雙向信息傳遞。
[0003] 盡管上述協作雙向傳輸策略具有較高的頻譜效率，但其仍存在兩個方面的問題。 首先，任一終端接收到的信號都包含自身所需信號和發(fā)送給其他用戶的信號，因此系統(tǒng)是 干擾受限的，這會造成嚴重的誤碼平臺，從而導致系統(tǒng)的誤符號率無法隨信噪比的升高而 下降。第二，在實際應用中，任何用戶都具有數據保密的要求，蜂窩用戶的數據需要對D2D用 戶保密以保證其信息傳輸的私密性，D2D用戶的數據也需要對蜂窩用戶保持私密性，然而， 在上述協作雙向傳輸策略中，任一節(jié)點均能夠訪問（接收到）來自于其他任一終端的數據， 這就導致了信息安全性的問題。根據調研，目前還沒有相關工作解決協作式D2D通信系統(tǒng)中 的上述兩個問題。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種協作式D2D系統(tǒng)中基于 信號對齊的干擾避免和安全傳輸方法，該方法能夠有效的提高協作式D2D系統(tǒng)的安全性，降 低協作式D2D系統(tǒng)的誤符號率。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明所述的協作式D2D系統(tǒng)中基于信號對齊的干擾避免和安 全傳輸方法，協作式D2D系統(tǒng)包括基站BS、用戶D 1、用戶D2以及蜂窩用戶⑶，基站BS與蜂窩用 戶CU構成蜂窩子系統(tǒng)，用戶Di與用戶D2構成D2D子系統(tǒng)，D2D子系統(tǒng)與蜂窩子系統(tǒng)之間進行協 作，用戶 〇1作為中繼節(jié)點輔助基站BS與蜂窩用戶CU完成雙向數據交互，蜂窩子系統(tǒng)允許用 PD1及用戶D2使用蜂窩網頻譜進行通信，具體包括：
[0006]基站BS、用戶D1、用戶02以及蜂窩用戶⑶在信息傳輸時，先將信號星座點經過信號 星座旋轉后再發(fā)送出去；
[0007] D2D子系統(tǒng)和蜂窩子系統(tǒng)之間的每次協作傳輸由兩個階段構成，其中，在第一階 段，基站BS、蜂窩用戶⑶、用戶D2分別發(fā)送各自的信號至用戶D1;在第二階段，用戶D 1轉發(fā)由 基站BS發(fā)送的信號及蜂窩用戶CU發(fā)送的信號組合成的復合信號，實現蜂窩用戶CU和基站BS 之間的雙向信息傳遞，同時，用戶D1將自身需要發(fā)送的信號傳輸至用戶D2。
[0008] 基站BS、蜂窩用戶⑶、用戶D1及用戶02的星座旋轉角度滿足的條件為：
[0009] 當XQ為取自原始星座集X的符號，旋轉后的符號X = e#X。，旋轉角度Θ滿足：
[0011] 其中，i矣k，;!味4及分以}分別為符號X的實部和虛部，X4PXk分別為旋轉后的星座 集合中任意兩個星座點；
[0012] 對于基站BS和蜂窩用戶CU，蜂窩用戶CU和基站BS使用的星座旋轉角度C及&滿 足：
[0014] 其中，及分別為基站BS和蜂窩用戶⑶處星座點之間的最小平方距離，
分別為基站BS經 信號星座旋轉之后的任意兩個信號星座點，xc和滅?分別為蜂窩用戶CU經信號星座旋轉之后 的任意兩個信號星座點，hB#PhQ分別為鏈路信道系數及鏈路⑶^D1的信道系數；
[0015] 用戶Di和用戶D2使用的星座旋轉角度A1及滿足：
[0017] 其中，分別為用戶D1和用戶D2處星座點之間的最小平方距離，

分別為用戶D1經信號星座旋轉之后 的任意兩個信號星座點，^:?和1?分別為用戶D2經信號星座旋轉之后的任意兩個信號星座 點，hi2為鏈路Dl-D2的信道系數。
[0018] 在第一階段中，基站BS發(fā)送信號
蜂窩用戶CU發(fā)送信號
以及用戶〇2發(fā)送信號
至用戶D1*，其中，XhXcdlW分別 為基站BS、蜂窩用戶⑶及用戶D2經信號星座旋轉之后的復星座點，P為基站BS、蜂窩用戶⑶ 及用戶D2的發(fā)射功率;hBi為基站BS與用戶Di之間的信道系數，hen為蜂窩用戶CU與用戶Di之 間的信道系數，hi2為用戶Di與用戶D2之間的信道系數；ZhBi、Zhci及Z hi2分別為hBi的相位、 1^的相位及h12的相位，則用戶以接收到的信號?/g為：
[0020]其中，wg為第一階段中用戶D1處的信道加性噪聲，為用戶D1提取j/g的虛 部并利用最大似然準則估計的值，然后再根據及式（1)確定;^，從而獲得用戶〇2的 信息。
[0021 ]第二階段中，用戶D1發(fā)送的信號^廣>的表達式為：
[0023]其中，《氏為用戶D1發(fā)送給用戶D2的數據，α和β為功率歸一化因子，
則用戶D2接收到的信號的表達式 為
!
[0025] 其中，h12為用戶Dl和用戶D2之間的信道系數，極g為第二階段中用戶D2處的信道加 性噪聲；
[0026] 用戶02對接收到的信號益進行匹配濾波，然后提取濾波后的信號的虛部，再根據 濾波后的信號的虛部得判決統(tǒng)計量
_
[0028] 其中，
由于黎(??}為用戶〇2在第一階段發(fā)送 的信號，用戶D2從式(8)中減去丨消除自身干擾，然后再利用最大似然準則檢 測鄉(xiāng)略}，恢復出信號3?°
[0029] 第二階段中，基站BS的接收信號的表達式為：
[0031]基站BS首先用
乘以接收信號#1，提取所得結果的實部得判決統(tǒng)計量
其中，
[0033] 其中，
中減去
_%丨自干擾消除，得信號?Γ，其中，
[0035] 基站BS根據式(12)利用最大似然準則完成對的檢測，再根據式(1)確定蜂窩 用戶CU經信號星座旋轉之后的復星座點Xc，從而獲得蜂窩用戶CU的信息。
[0036] 所述星座旋轉準則還滿足：當k矣1，則有，
[0038]其中，基站BS所采用的任意兩個原始星座點6馬^，蜂窩用戶⑶所采用的 任意兩個原始星座點
[0039] 設基站BS、蜂窩用戶UC采用相同的調制方式，即xBS=X⑶=X，則式（15)轉換為：
[0041] 設1^_1!⑴為實數，由式(15)得：
[0042] hBi I cosBbs= I hci | cosBcu (16)
[0043]以能夠最大化蜂窩鏈路最小平方歐氏距離為目標求解式(16)，得：
[0045]其中，^及?ζ#分別為基站BS和蜂窩用戶⑶處星座點之間的最小平方距離，
乂8和分別為基站BS經 信號星座旋轉之后的任意兩個信號星座點，狀和減?分別為蜂窩用戶CU經信號星座旋轉之后 的任意兩個信號星座點，hB#PhQ分別為鏈路BS^DjP鏈路⑶^D1的信道系數。
[0046]本發(fā)明具有以下有益效果：
[0047]本發(fā)明所述的協作式D2D系統(tǒng)中基于信號對齊的干擾避免和安全傳輸方法在數據 傳輸的過程中，基站BS、用戶D1、用戶D2以及蜂窩用戶CU先將信號星座點經過信號星座旋轉 后再發(fā)送出去，從而有效的提高信息傳輸的安全性，同時用戶D 1與用戶D2構成D2D子系統(tǒng)， D2D子系統(tǒng)與蜂窩子系統(tǒng)之間進行協作，使得在任意一個接收端，目標信號對齊接收端的一 維信號空間，干擾信號對齊接收端的另一維信號空間，從而避免干擾，提高降低協作式D2D 系統(tǒng)的誤符號率。同時，干擾信號為兩個未知干擾信號的同相疊加，解碼性能得以惡化，從 而提高協作式D2D系統(tǒng)的安全性。需要說明的是，本發(fā)明無須依賴于復雜的干擾管理機制， 也無須使用協議棧高層的加密/解密技術，只需利用物理層的信號設計就可以同時實現干 擾的避免和系統(tǒng)安全性提升，便于實現，非常適合應用于協作式D2D系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0048]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)模型示意圖；
[0049] 圖2為仿真實驗中在以處檢測CU信號時的誤符號率曲線示意圖；
[0050] 圖3為仿真實驗中⑶^D1HBS傳輸鏈路的誤符號率曲線示意圖；
[0051] 圖4為仿真實驗