嵌入d2d的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法
【专利摘要】一种D2D蜂窝网络中基于时域半双工中继的功率控制方法，适用于无线通信【技术领域】中使用。包括采用点对多点拓扑结构蜂窝网发射的基站B和蜂窝网接收端C、作为蜂窝通信中继的D2D发射端R和D2D接收终端E，其使用D2D发射端作为基站B和接收端C之间蜂窝通信的中继器，对蜂窝通信和D2D通信进行联合功率控制，使用全双工无线中继技术实现蜂窝通信和D2D通信的正交信道频谱复用，在满足蜂窝通信最小数据吞吐量的同时，最大化D2D通信的吞吐量，从而兼顾了系统整体性能和用户的个体性能，在系统层面和用户层面达到良好的平衡。
【专利说明】嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种全双工中继的功率控制方法，尤其适用于一种无线通信【技术领域】 中使用的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着宽带移动多媒体业务量的不断增加，提高蜂窝网络的用户容量、覆盖范围以 及服务质量成为无线移动通信亟待解决的重要课题。D2D通信技术是移动通信标准化组织 3GPP-LTE近年来关注和研究的一种全新的无线通信技术。D2D通信是指：在不影响其他蜂 窝用户和D2D用户数据传输的前提下，地理位置较近的用户终端可以不通过基站中转而建 立直接通信链路进行数据传输。其应用优势包括：D2D通信可以复用蜂窝通信的工作频段， 充分利用稀缺的无线频谱资源；近距离D2D通信使用较低的传输能耗就能获得较高的数据 吞吐量和较低的数据传输时延；由于用户终端分布广泛且数量较多，D2D通信可以扩大蜂 窝小区的覆盖范围。
[0003] 在嵌入D2D的蜂窝网络中，用户终端可以自主选用三种通信模式：
[0004] 1)蜂窝通信模式：在该模式下，用户终端借助基站中转实现数据传输；
[0005] 2)基于共信道传输的D2D通信模式：在该模式下，D2D通信与蜂窝通信使用相同的 时频信道进行数据传输；
[0006] 3)基于正交信道传输的D2D通信模式：在该模式下，D2D通信与蜂窝通信使用正交 的时频信道进行数据传输。
[0007] 共信道D2D通信模式虽然可以提高无线频谱资源的利用效率，但是D2D通信和蜂 窝通信之间会存在较为严重的相互干扰。发射功率控制作为一种有效的干扰管理机制，可 以将上述干扰控制在可接受范围内。各国学者针对嵌入D2D的蜂窝网络提出了多种功率控 制方案，主要分为以下两种方式实现：
[0008] 1)集中式控制：由基站负责对D2D通信和蜂窝通信的同步、功率控制等进行统一 管理；
[0009] 2)分布式控制：D2D终端需要实时测量、评价网络的干扰状况，对其发射功率和传 输同步进行本地控制。
[0010]由于集中式控制易于实现，本专利设计的共信道D2D通信模式功率控制方案采用 集中式控制方式实现。
[0011] 近年来，无线中继作为一种新的抗无线信道多径衰落技术，已被广泛用于提高蜂 窝网络的数据吞吐量，延伸蜂窝小区的覆盖范围，以及增强小区边缘用户的服务体验。无线 中继技术通过单跳无线链路中加入中继节点，将处于深度衰落的单跳数据链路分裂成两跳 的高质量数据链路，从而获得前述网络性能提升。中继技术可以分为以下两类：
[0012] 1)半双工中继：中继节点安装一支天线，接收数据和中继转发数据需要占用两个 正交时隙，因此，频谱利用效率为1/2 ;
[0013] 2)全双工中继：中继节点安装两支发射天线，可以在同一信道上并发接收数据和 中继转发数据，因此，频谱利用效率为1 ;
[0014] 在上述应用和研究背景下，利用无线中继实现蜂窝
[0015] 网络中的D2D通信已经被国内外学者广泛关注，并已经提出了以下解决方案：
[0016] 文献 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.提出了一种基于半双工中继的蜂窝通 信和D2D通信功率控制方案，该方案能够在满足蜂窝用户和D2D用户最小数据吞吐量的前 提下，最大化系统的总吞吐量。然而，文献1所提出的D2D通信方案仍然需要使用基站作为 D2D通信的中继节点；
[0017] 文献 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.提出了一种基于半双工、双向中继的蜂窝通信和D2D通 信功率控制方案，该方案可以在有效避免系统吞吐量降低的同时，保障蜂窝用户和D2D用 户获取Pareto公平性的数据吞吐量增益。然而，由于蜂窝网络的下行数据量远远超过上行 数据量，该方案所要求的半双工、双向中继在实际的蜂窝网络中缺乏应用场景，难以推广应 用；
[0018] 文献3 :周斌，胡宏林.提高蜂窝系统多播效率的D2D自适应协作重传.应用科 学学报，2013, 31 (3) : 221-227.
[0019] 文献 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] 文献5 :北京邮电大学.蜂窝系统中D2D和固定中继两种协作多播模式的选择方 法·中国发明专利，CN103476140A, 2013-12-25。
[0021] 文献3,文献4和文献5将无线中继和D2D通信两种技术相结合，用于提高蜂窝网 络中无线多播业务的数据吞吐量。然而，在上述文献中，D2D发射终端仅仅被用作辅助蜂窝 无线多播传输的中继节点，而其本身不产生任何数据业务，这与实际应用中D2D用户需要 传输本地数据业务是不相符的。
[0022] 此外，上述文献1至文献5均采用半双工中继在蜂窝网络中实现D2D通信。由于 使用半双工中继，源信息传输和中继数据传输在不同时隙进行，不会产生互干扰，因此，上 述文献均未考虑功率控制和干扰管理等问题。
[0023] 全双工中继能够实现蜂窝通信和D2D通信的共信道频谱复用，理论上能够获得比 半双工中继高一倍的频谱资源利用率。如何实现有效的功率控制和干扰管理，将全双工中 继用于改善嵌入D2D的蜂窝网络的系统整体性能，是需要进一步研究解决的问题。
【发明内容】
[0024] 针对上述技术的不足之处，本发明提供一种方法简单，实现了蜂窝通信和D2D通 信的共信道复用，即保证了蜂窝通信可以通过D2D发射端进行数据中转，从而增加蜂窝通 信的覆盖范围，同时保证D2D通信的数据吞吐量，获得了更高的频谱利用率的嵌入D2D的蜂 窝网络中基于全双工中继的功率控制方法。
[0025] 为实现上述目标，本发明实现了 一种基于全双工中继的蜂窝通信和D2D通信联合 功率控制方案，包括采用点对多点拓扑结构蜂窝网发射的基站B和蜂窝网接收接收端C，作 为蜂窝通信中继的D2D发射端R和D2D接收接收端E，构成一个由接收端C、发射端R和接 收接收端E受基站B控制的嵌入D2D通信的蜂窝通信网络，所述发射端R上设有分别用于 共信道发射和接收信息的发射天线和接收天线；
[0026] 其功率控制方法步骤如下：
[0027] a.基站B通过蜂窝网控制信道向接收端C发送建立通信链路的请求后，当接收端 C接收到基站B的信号强度大于等于预设值时，则向基站B反馈信息，基站B与接收端C建 立通信链路，此时D2D发射端R和接收接收端E仅进行D2D通信；
[0028] b.当接收端C接收到基站B的信号强度小于预设值时，则不与基站B组建通信链 路，此时基站B向D2D发射端R发送数据中继请求并与发射端R的天线建立第一跳蜂窝中 继通信链路，D2D发射端R再通过天线发射与接收端C建立通信链路的请求，当接收端C接 收到发射端R的请求后即与D2D发射端R建立蜂窝网的第二跳中继通信链路；
[0029] c.基站B通过蜂窝网专用控制信道（SDCCH)获得基站B到发射端R处的信道功率 增益g B，K以及发射端R自身发射天线与接收电线之间的信道功率增益，从接收端C处得 至IJ基站B到接收端C的信道功率增益g B，。和发射端R到接收端C的信道功率增益％。，从接 收端E处得到基站B到接收端E的信道功率增益和发射端R到接收端E的信道功率增 ￡fL gu，E ;
[0030] d.通过公式：
【权利要求】
1. 一种嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，包括采用点对多点拓 扑结构蜂窝网发射的基站B和蜂窝网接收接收端C，作为蜂窝通信中继的D2D发射端R和 D2D接收接收端E，构成一个由接收端C、发射端R和接收接收端E受基站B控制的嵌入D2D 通信的蜂窝通信网络，所述发射端R上设有分别用于共信道发射和接收信息的发射天线和 接收天线，其特征在于步骤如下： a. 基站B通过蜂窝网控制信道向接收端C发送建立通信链路的请求后，当接收端C接 收到基站B的信号强度大于等于预设值时，则向基站B反馈信息，基站B与接收端C建立通 信链路，此时D2D发射端R和接收接收端E仅进行D2D通信； b. 当接收端C接收到基站B的信号强度小于预设值时，则不与基站B组建通信链路，此 时基站B向D2D发射端R发送数据中继请求并与发射端R的天线建立第一跳蜂窝中继通信 链路，D2D发射端R再通过天线发射与接收端C建立通信链路的请求，当接收端C接收到发 射端R的请求后即与D2D发射端R建立蜂窝网的第二跳中继通信链路； c. 基站B通过蜂窝网专用控制信道（SDCCH)获得基站B到发射端R处的信道功率增 益gB，K以及发射端R自身发射天线与接收电线之间的信道功率增益，从接收端C处得到 基站B到接收端C的信道功率增益g B，。和发射端R到接收端C的信道功率增益gK，。，从接收 端E处得到基站B到接收端E的信道功率增益g B，E和发射端R到接收端E的信道功率增益
端R、基站B与接收端C、基站B与接收端E之间的信噪比yb，k、YB， C、YB，E，通过公式： SrjE ? d. 通过公式： 分别计算基站B与发射
发射端R与接收端C、发射端R与接收端E之间的信噪比 Yw、由于发射端R无法去除双天线、全双工中继所造成的自干扰，所以通过公式 '计算基站B与发射端R之间的信干噪比y 式中：pB为基站B的发射功 /b,r， 率，Pk为发射端R的发射功率，基站B和发射端R的联合功率约束为P，即有pB+pK = P，发射 端R、接收端C、接收端E的噪声功率均为〇 2 ; e. 通过公式：
分别求取基站B和发射端R的 最优发射功率
且O < a °pt < 1，求取发射端R为中继蜂窝用户C的信息码元所分配的最优发射功率比例 a _，从而保证基站B通过发射端R中继与接收端C的正常蜂窝网通信，又能保证发射端R 与接收端E之间D2D通信的数据吞吐量最大化；式中：G为常数，且G = 2〇 -丨，7；?"为蜂 窝网接收端C的最小数据吞吐量约束，W为蜂窝通信和D2D通信共享的信道带宽； f. 通过公式：
计算发射端R与接收端C之间的最 优信干噪比__通过公式：
「计算发射端R与接收端E之间 的最优信干噪比FS!; g. 当?kn <范时,基站B将步骤e中得到的发射端R的最优发射功率Pf和最优功率 比例a _，通过专用控制信道传输给发射端R，控制发射端R使用最优发射功率P?1和最优 发射功率比例a w分别向接收端C和接收端E发射数据信息； h. 当?，则基站B需要在Fwt 2,?以及总发射功率受限的条件下工作,通过
信干噪比:基站B将重新计算得到的发射端R最优发射功率和最优功率比例a °pt通 过专用控制信道传输给发射端R，控制发射端R使用最优发射功率P；T和最优发射功率比例 a °pt分别向接收端C和接收端E发射数据信息； i. 基站B使用功率片f向蜂窝接收端C发射能量归一化信息码元x。，此时D2D发射端 R的使用接收天线获得码元x。，对基站B发射的码元X。进行接收、解码处理，解码后的信息 码元为D2D发射端R将发射功率彳f加载到信息码元&,中，将发射功率 加载到向接收端E发射的能量归一化信息码元xE中，发射端R的发射天线天线同时向处于 接收状态的接收端C和接收端E广播信息码元信息
j. 接收端C接收发射端R广播的数据时，同时接收到基站B发射的信号，接收端C将基 站B发射的数据以及码元xK中的x E部分当作干扰，仅对^部分进行解码；接收端E同时接 收到的发射端R和基站B发射的信号，接收端E将基站B发射的信号以及码元x K中的^部 分当作干扰，仅对XE部分进行解码，功率控制流程结束。
2. 根据权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方 法，其特征在于：所述步骤b中基站B向D2D发射端R发送数据中继请求后发射端R作 为蜂窝通信链路的中继节点需要通过公式：< min { Y B，K, Y B，J判断，当公式Y < min { Y B;K，Y B; J为真时，则D2D发射发射端R作为蜂窝通信链路的中继节点，将处于深度 衰落甚至无法保证通信质量的基站B到接收端C单跳蜂窝通信链路分裂为两跳数据链路； 当公式Y < min { Y B;K，Y B，。}为假时，则D2D发射端R无法提高蜂窝通信链路的信道质 量，发射端R不对基站B到接收端C单跳蜂窝通信链路进行中继。
3. 根据权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，其 特征在于：所述步骤e中在总发射功率受限的条件下，建立基站B和D2D发射发射端R的联 合功率控制满足的条件为：
Pb+Pr = P，Pb 彡 〇, Pr 彡 〇， 0. a < 1， 其中，Te和T。分别表示D2D接收接收端E和蜂窝接收接收端C的数据吞吐量：
a为发射端R为中继蜂窝用户C的信息码元所分配的功率比例； 通过上述计算从而得到最优功率控制￠/彳r，/r
4. 根据权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，其 特征在于：所述步骤h中在总发射功率受限的条件下，建立基站B和D2D发射发射端R的联 合功率控制满足的条件为：
通过上述计算从而得到最优功率控制〇
5. 根据权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于全双工中继的功率控制方法，其 特征在于：所述步骤h通过公式
分 别得到了蜂窝用户C和D2D用户E的最大瞬时吞吐量TTt和7T1?
【文档编号】H04W52/06GK104284407SQ201410589654
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月28日 优先权日:2014年10月28日
【发明者】张国鹏, 刘鹏 申请人:中国矿业大学