专利名称：基于imt-a标准的后续演进嵌入式d2d实现方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及终端直通D2D的传输机制，可用于頂T-A标准后续演进的蜂窝网络。
背景技术：
D2D技术是ー种近年来学术界和エ业界所密切关注和研究的无线通信新技木。所谓D2D技术，是指在不影响整体蜂窝网络运行的情况下，蜂窝小区内终端设备之间建立通信链路进行直接通信，不通过基站中转的数据传输技术。通过引入D2D技术，可以实现蜂窝资源的重用、提高传输效率、降低終端能耗，进而大幅提高蜂窝系统的整体性能。已有研究表明，采用D2D机制的蜂窝系统容量可以提升3-7倍之多，可有效缓解通信资源制约带来的影响。
诺基亚公司是エ业界在D2D领域的主要推动者，基于MT-A的D2D技术研究始于2008年左右，在2009至2010年间有较多讨论和学术成果出现。目前的学术研究方向主要集中在系统建模、性能分析、模式选择、功率控制、资源分配、干扰控制与抵消、以及基于D2D的协作中继与网络编码等。当前虽发布了一些初步的学术成果，但这些结论的成熟度与实用性仍很有限，研究成果大都是在特定的模型下所取得。而对于具体的D2D关键技木，已公开的研究成果仍然有限，所提出的观点、算法等缺少学术争论与相互印证。D2D系统可基于频分双エFDD，也可基于时分双エTDD，二者各有利弊。KlausDoppler 社又 早“Device-to-Device Communications:Functional Prospects forLTE-Advanced Networks”中介绍了一种基于3GPP LTE-A蜂窝网中的D2D工作流程。虽然该方法能在现在有的3GPPLTE-A网络中实现嵌入式D2D服务，但在功率控制和模式选择上仍存在缺陷。并且国外对D2D的研究多是针对基于频分双エ系统的，在进行非対称业务的数据交换时，频谱利用率不高。与此相反，TD-LTE由于其能够灵活配置频率、调整上下行时隙比例等技术上的优势越来越受到人们的重视。目前，基于TD-LTE网络中嵌入D2D通信的研究并不多，YuLi 在文章“Adaptive TDD UL/DL slot utilization for cellular controlled D2Dcommunications”中介绍了ー种在TD-LTE网络中D2D自适应共用上行或下行资源的策略，并在该策略的基础上引入了ー种D2D建立机制。然而该方案是建立在ー种理想的具有严格功率控制的环境下，忽略了 D2D用户对蜂窝用户的影响，在应用中有着很多局限性，在实际操作中效果并不理想。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术的不足，提出一种基于頂T-A标准的后续演进嵌入式D2D实现方法，即在现有蜂窝网络的基础上，对终端与其邻近终端进行扩展，实现两者的直达通信，提高系统的频谱利用率。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤(I)基站定期与各用户建立联系获得用户与基站间信道状态信息，并通过全球定位系统GPS得到用户位置信息，形成邻近用户列表；(2)在传输帧的下行时期，用户获得上行资源分配信息并在传输帧的上行时期，用户按照上行资源分配信息感知邻近用户，获得邻近用户功率等级列表并上传到基站；(3)基站结合邻近用户列表、用户与基站间信道状态信息以及用户上传的邻近用户功率等级列表，形成全网信道増益列表，该全网信道増益列表，是指基站端获知每个用户的位置信息、每个用户到基站的信道状态信息，以及用户之间的平均信道増益；(4)基站根据全网信道増益列表，按照满足終端直通D2D传输所需的最小用户服务质量QoS需求的准则，形成終端直通D2D潜在簇，该潜在簇是指以发射用户为中心，包括与其能建立終端直通D2D连接的用户集合； (5)終端用户通过控制信道与基站建立连接，并发送业务请求；(6)基站根据全网信道増益列表和用户服务质量QoS需求，以及终端直通D2D潜在簇信息，结合频率、功率以及空间资源的联合优化分配方法，从非正交资源复用模式、正交资源复用模式以及标准蜂窝模式中选择最优的传输模式；(7)基站根据模式选择的结果为终端用户分配时间、频率、功率以及空间资源；(8)经过模式选择和资源分配后，終端用户与目标用户建立通信，井根据选择的最优传输模式确定通信方式以及系统传输巾贞，若选择非正交资源复用模式或正交资源复用模式，则终端用户在传输期中与目标用户进行终端直通D2D通信，若选择标准蜂窝模式，则终端用户在传输期中与目标用户进行标准蜂窝通信。上述步骤(I)所述的基站通过全球定位系统GPS得到用户位置信息形成邻近用户列表，按如下步骤进行(Ia)用户通过全球定位系统GPS得到自己的位置信息井上传基站；(Ib)基站整理各用户上传的位置信息计算出用户与邻近用户的距离d，并根据信道衰落模型，计算出用户和邻近用户的理论信道増益g=d_a其中，d为用户间的距离，a为信道衰落指数；( Ic)基站将这些邻近用户的身份标识和理论信道増益一一对应，形成邻近用户列表;(Id)用户定期更新并上传自己位置信息，使基站更新邻近用户列表。上述步骤(2)所述的在传输帧的下行时期，用户获得上行资源分配信息并在传输帧的上行时期，用户按照上行资源分配信息感知邻近用户，获得邻近用户功率等级列表并上传基站，按如下步骤进行(2a)在传输帧的下行时期，用户侦听物理下行控制信道HXXH，获得上行资源分配信息并存储；(2b)在传输帧的上行时期，用户按照上行资源分配信息感知邻近用户，获得邻近用户的身份信息以及接收信号功率信息；(2c)用户对接收的信号功率量化，按功率大小划分等级，形成ー张包含邻近用户标识、功率等级的邻近用户功率等级列表；
(2d)用户上传邻近用户功率等级列表给基站；(2e)用户重复步骤(2a)_ (2d)定期更新列表井上传给基站。上述步骤(3)所述的基站结合邻近用户列表、用户与基站间信道状态信息以及用户上传的邻近用户功率等级列表形成全网信道増益列表，按如下步骤进行(3a)基站结合邻近用户列表、用户与基站间信道状态信息以及用户上传的邻近用户功率等级列表综合分析，获取用户的身份标识，用户与邻近用户之间的相邻关系，以及用户与邻近用户之间的平均信道増益；(3b)基站以用户身份标识为索引，检索出用户位置信息及用户与基站间信道状态信息，并形成用户信息表，用户信息表中第一项为用户身份标识 ，第二项为用户与基站间信道状态信息，第三项为用户位置信息，末项为添加的邻近用户表指引项，将用户信息表中的邻近用户表指引项指向用户的邻近用户表，邻近用户表包含用户与邻近用户之间的相邻关系，及用户与邻近用户之间的平均信道増益，用户信息表和邻近用户表共同构成全网信道增益列表。上述步骤(6)所述的选择最优的传输模式，按如下步骤进行(6a)基站根据全网信道増益列表和服务质量QoS需求，按照最小化总发射功率的准则，计算出下述三种传输模式下的总发射功率最小值，即非正交资源复用模式下总发射功率最小值P1 :P1=Hiin ( E N_MPC+ E PC+ E MPD)，正交资源复用模式下总发射功率最小值P2 P2=min ( E NPC+ E MPD)，标准蜂窝模式下总发射功率最小值P3 P3=Inin ( E NPC+ E 2MPD),其中，P。表示标准蜂窝通信的发射功率，Pd表示D2D通信的发射功率，N表示进行标准蜂窝通信的用户数，M表示进行D2D通信的用户对的数量，且N > M ;(6b)令Pmin=Hiin (P1, P2, P3)，Pmin所对应的模式，即为所选择的最优传输模式；(6c)确定最优传输模式后，将该模式下的发射功率，作为最优的功率分配結果。本发明与传统蜂窝系统比较具有以下优点(I)频谱利用率得到有效提高。本发明从三个途径提高了频谱利用率第一，当两个设备采用D2D通信吋，仅需要一对时频资源即可，而如采用标准蜂窝通信方式吋，必须要使用两对时频资源；第二，在两对D2D链路间相互干扰低于门限的条件下，相同的时频资源可以在两对D2D链路上重用；第三，相同时频资源也可以在D2D链路和传统蜂窝链路上重用。(2)本发明的通信建立是在干扰条件允许的前提下，通过功率分配技术手段实现的，对标准蜂窝通信没有破坏和显著干扰；设备在D2D通信时所采用的功率远低于标准蜂窝通信的，因此本发明可以降低蜂窝小区内単位容量的能量消耗，且更加“緑色”，也使电池供电的移动终端具有更长的耐久力；(3)本发明通信将原本需要通过基站中转的数据流改为设备间直传，因此卸载了基站的部分负担，并且传输帧的长度保持不变，则对系统容量的提升，并不需要额外的空ロ资源，也与传统上的小区分裂不同，不会带来系统设备，如基站的倍増。
图I是本发明嵌入式D2D的工作流程图；图2是本发明嵌入式D2D的帧结构图；图3是本发明使用的IMT-A蜂窝网络场景示意图。
具体实施例方式不失一般性，将本发明应用于一个便于理解的网络中进行举例说明，传输帧结构如图2所示，该传输帧是在不显著改变原有蜂窝通信传输帧结构的基础上，D2D用户利用蜂窝通信上行资源进行传输。本发明使用的网络场景，如图3所示。图3中三个用户分别为UE1, UE2和UE3，它们都在基站BS的覆盖范围内，在当前时刻UEpUE2和UE3与基站之间进行标准蜂窝通信，在下ー时刻UE2与UE3之间有相互通信需求。令gu，i = I, 2,3; j=l, 2，3为UEi与UEj之间的信道増益，b j=l, 2，3为UEj与基站BS之间的信道増益，Ij, j=l, 2，3为通过GPS获得的UEj的位置信息，D2D通信共用蜂窝通信上行传输资源并工作在时分双エTDD方式下，且D2D通信的收发时隙比例为1:1。參照图I，本发明的具体实现过程为步骤I :基站定期与各用户建立联系获得用户与基站间信道状态信息并通过全球定位系统GPS得到用户位置信息形成邻近用户列表。(Ia)用户通过全球定位系统GPS得到自己的位置信息井上传基站；(Ib)基站整理各用户上传的位置信息计算出用户与邻近用户的距离d，并根据信道衰落模型，计算出用户和邻近用户的理论信道増益g=d_a其中，d为用户间的距离，a为信道衰落指数；( Ic)基站将这些邻近用户的身份标识和理论信道増益一一对应，形成邻近用户列表I ;表I邻近用户列表
权利要求
1.一种基于IMT-A标准的后续演进嵌入式D2D实现方法，包括如下步骤 (1)基站定期与各用户建立联系获得用户与基站间信道状态信息，并通过全球定位系统GPS得到用户位置信息，形成邻近用户列表； (2)在传输帧的下行时期，用户获得上行资源分配信息并在传输帧的上行时期，用户按照上行资源分配信息感知邻近用户，获得邻近用户功率等级列表并上传到基站； (3)基站结合邻近用户列表、用户与基站间信道状态信息以及用户上传的邻近用户功率等级列表，形成全网信道增益列表，该全网信道增益列表，是指基站端获知每个用户的位置信息、每个用户到基站的信道状态信息，以及用户之间的平均信道增益； (4)基站根据全网信道增益列表，按照满足终端直通D2D传输所需的最小用户服务质量QoS需求的准则，形成终端直通D2D潜在簇，该潜在簇是指以发射用户为中心，包括与其能建立终端直通D2D连接的用户集合； (5)终端用户通过控制信道与基站建立连接，并发送业务请求； (6)基站根据全网信道增益列表和用户服务质量QoS需求，以及终端直通D2D潜在簇信息，结合频率、功率以及空间资源的联合优化分配方法，从非正交资源复用模式、正交资源复用模式以及标准蜂窝模式中选择最优的传输模式； (7)基站根据模式选择的结果为终端用户分配时间、频率、功率以及空间资源； (8)经过模式选择和资源分配后，终端用户与目标用户建立通信，并根据选择的最优传输模式确定通信方式以及系统传输巾贞，若选择非正交资源复用模式或正交资源复用模式，则终端用户在传输期中与目标用户进行终端直通D2D通信，若选择标准蜂窝模式，则终端用户在传输期中与目标用户进行标准蜂窝通信。
2.根据权利要求I所述的方法，其中步骤(I)所述的基站通过全球定位系统GPS得到用户位置信息形成邻近用户列表，按如下步骤进行 (Ia)用户通过全球定位系统GPS得到自己的位置信息并上传基站； (Ib)基站整理各用户上传的位置信息计算出用户与邻近用户的距离d，并根据信道衰落模型，计算出用户和邻近用户的理论信道增益g=d_a 其中，d为用户间的距离，a为信道衰落指数； (Ic)基站将这些邻近用户的身份标识和理论信道增益一一对应，形成邻近用户列表； (Id)用户定期更新并上传自己位置信息，使基站更新邻近用户列表。
3.根据权利要求I所述的方法，其中步骤(2)所述的在传输帧的下行时期，用户获得上行资源分配信息并在传输帧的上行时期，用户按照上行资源分配信息感知邻近用户，获得邻近用户功率等级列表并上传基站，按如下步骤进行 (2a)在传输帧的下行时期，用户侦听物理下行控制信道H)CCH，获得上行资源分配信息并存储； (2b)在传输帧的上行时期，用户按照上行资源分配信息感知邻近用户，获得邻近用户的身份信息以及接收信号功率信息； (2c)用户对接收的信号功率量化，按功率大小划分等级，形成一张包含邻近用户标识、功率等级的邻近用户功率等级列表； (2d)用户上传邻近用户功率等级列表给基站；(2e)用户重复步骤(2a) - (2d)定期更新列表并上传给基站。
4.根据权利要求I所述的方法，其中步骤(3)所述的基站结合邻近用户列表、用户与基站间信道状态信息以及用户上传的邻近用户功率等级列表形成全网信道增益列表，按如下步骤进行 (3a)基站结合邻近用户列表、用户与基站间信道状态信息以及用户上传的邻近用户功率等级列表综合分析，获取用户的身份标识，用户与邻近用户之间的相邻关系，以及用户与邻近用户之间的平均信道增益； (3b)基站以用户身份标识为索引，检索出用户位置信息及用户与基站间信道状态信息，并形成用户信息表，用户信息表中第一项为用户身份标识，第二项为用户与基站间信道状态信息，第三项为用户位置信息，末项为添加的邻近用户表指引项，将用户信息表中的邻近用户表指引项指向用户的邻近用户表，邻近用户表包含用户与邻近用户之间的相邻关系，及用户与邻近用户之间的平均信道增益，用户信息表和邻近用户表共同构成全网信道增益列表。
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述步骤(4)中最小用户服务质量QoS需求的准贝U，是指在最大发射功率的限制下，保证D2D传输的信号干扰噪声比SINR不低于基站设定的门限。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述步骤(4)中的形成终端直通D2D潜在簇，是基站根据全网信道增益列表，判断用户与邻近用户信道条件是否满足进行D2D通信所需的最小用户服务质量QoS需求，将满足该需求的邻近用户的集合作为用户的D2D潜在簇。
7.根据权利要求I所述的方法，其中步骤(6)所述的选择最优的传输模式，按如下步骤进行 (6a)基站根据全网信道增益列表和服务质量QoS需求，按照最小化总发射功率的准贝U，计算出下述三种传输模式下的总发射功率最小值，即 非正交资源复用模式下总发射功率最小值P1 P1-Hiin ( Σ N-MPC+ Σ MPC+ Σ MPD)， 正交资源复用模式下总发射功率最小值P2 P2=min ( Σ NPC+ Σ MPD)， 标准蜂窝模式下总发射功率最小值P3 P3=min ( Σ NPC+ Σ 2MPD)， 其中，Pc表示标准蜂窝通信的发射功率，Pd表示D2D通信的发射功率，N表示进行标准蜂窝通信的用户数，M表示进行D2D通信的用户对的数量，且N > M ; (6b)令Pmin=Hiin (P1, P2, P3)，Pmin所对应的模式，即为所选择的最优传输模式； (6c)确定最优传输模式后，将该模式下的发射功率，作为最优的功率分配结果。
8.根据权利要求I所述的方法，其中步骤(8)中的传输帧，是由蜂窝传输期和D2D传输期组成，这两部分的长度根据网络需求动态调整，但总的传输帧长度保持不变，即蜂窝网络空口传输资源不变。
全文摘要
本发明公开了一种基于IMT-A标准的后续演进嵌入式D2D实现方法，主要解决嵌入D2D技术的蜂窝网络通信建立过程中模式选择过于复杂和资源分配策略单一的问题。其实现步骤是基站获取用户与基站间信道状态信息并通过全球定位系统GPS形成邻近用户列表；用户感知邻近用户，获得邻近用户功率等级列表并上传基站；基站形成全网信道增益列表并生成用户的D2D潜在簇；当终端用户向基站发送业务申请时，基站根据全网信道增益列表和用户服务质量QoS需求以及D2D潜在簇信息，结合资源的联合优化分配方法，选择最优的传输模式；终端用户根据选择的最优传输模式，与目标用户建立通信。本发明与传统蜂窝通信相比，可提高频谱利用率，增加系统的容量，并降低小区整体功率消耗。
文档编号H04W76/02GK102858012SQ201210344549
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者李勇朝, 孙鹏, 刘毅, 李丹萍, 任智源, 张海林, 梁海涛, 张锐, 韩鹍 申请人:西安电子科技大学