D2d蜂窝网络中基于时域半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接收接收端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，使用时域半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】D2D蜂窝网络中基于时域半双工中继的功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种半双工中继的功率控制方法，尤其适用于--种无线通信【技术领域】 中使用的D2D蜂窝网络中基于时域半双工中继的功率控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动通信市场宽带无线数据业务的迅猛增加，提高蜂窝网络的用户容量、扩 展蜂窝小区的覆盖范围以及增强网络的服务质量已经成为当前亟待解决的重要课题。近年 来，移动通信标准化组织3GPP-LTE关注和研究一种全新的短距离数据传输技术，即D2D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通信使用其所在蜂窝小区的工作频段,充分利用了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通信可以扩展蜂窝小区的覆盖范围。
[0003] 目前，D2D通信可以采用正交信道模式和共信道模式复用所在蜂窝小区的频谱资 源。使用正交信道频谱复用模式，D2D通信与蜂窝通信使用正交、非重叠的时域（或频域） 信道进行各自的数据传输，从而可以有效避免多用户通信的互干扰，不过，这也降低了无线 频谱资源的利用效率。而使用共信道频谱复用模式，D2D通信与蜂窝通信使用相同的时域 (或频域）信道进行数据传输，提高了无线频谱资源的利用效率，但是D2D通信和蜂窝通信 之间会产生较为严重的互千扰，必须设计合适的千扰管理和功率控制机制，将上述千扰控 制在可接受范围内。
[0004] 针对D2D蜂窝网络中的功率控制方案可以采用集中式控制或者分布式控制方式 实现。采用集中式控制方式,基站对D2D通信和蜂窝通信的时钟同步、信道状态信息获取和 功率控制进行统一管理；而采用分布式控制方式，D2D终端则需要实时测量、评价网络的千 扰状况，对其发射功率和传输同步进行本地控制。由于集中式控制易于实现，本专利设计的 蜂窝通信和D2D通信联合功率控制方案采用集中式控制方式实现。
[0005] 近年来,无线中继作为一种抗无线信道多径衰落技术，已经被广泛用于提高蜂窝 网络的服务质量，扩展蜂窝小区的覆盖范围。无线中继技术的原理是在单跳无线通信链路 中引入中继节点，将处于深度衰落的单跳通信链路分解成两跳传输的高质量通信链路，从 而可以在不增加信道数量和传输功率的前提下，增强无线通信链路的信道质量。无线中继 技术又可以分为全双工中继和半双工中继两种。全双工中继技术的实现要求中继节点必须 配置两支天线：发射天线用于从数据源节点接收信息；接收天线则用于向目的节点中继转 发信息。全双工中继还必须采用良好的自干扰抵消技术，从而中继节点的发射天线和接收 天线可以在同一物理信道上并发工作，而不会引起较强的自干扰。全双工中继系统的频谱 复用率为1。半双工中继技术仅要求中继节点配置--支天线，由于单天线无法同时接收和发 射信息，因此，中继节点从数据源节点接收信息，以及向目的节点中继转发信息需要占用两 个正交、非重叠的物理信道,如频域的频段，或者时域的时隙。因此，半双工中继系统的频谱 复用率为1/2。
[0006] 在上述应用和研究背景下，利用无线中继实现蜂窝网络中的D2D通信已经引起国 内外学者广泛关注，并已经提出了以下解决方案：
[0007] 文献 1 :C. Yu，K. Doppler, C. B. Ribei.ro, et al，"Resource sharing optimization for device-t〇-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通信方案需要使用基站作为D2D通信 的中继节点，这并不符合D2D通信模式的要求（仅限于在用户终端之间进行）；
[0008] 文献 2 :Y. Pei and Y. C. Liang, "Resource allocation for device-to-device communications overlaying two-way cellularnetworks, ,?IEEE Trans. Wirel. Commun. , v ol. 12, no. 7, pp. 3611-3621，2013.提出了一种适用于双向中继蜂窝系统的蜂窝通信和D2D 通信功率控制方案，在有效避免系统总吞吐量降低的同时，保障蜂窝用户和D2D用户获取 Pareto公平性的吞吐量增益。然而,该方案仅适用于面向蜂窝双向链路（即蜂窝____t行链路 (从用户终端到基站）和下行链路（从基站到用户终端）的联合功率分配，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；
[0009] 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.
[0010] 文献 4 :B. Zhou, H. Hu，S. -Q. Huang andH:· -H. Chen, " Int.raclust.er device-t〇-device relay algorithm with optimal resource utilization, IEEE Trans. Vehicular Technology, vol. 62, no. 5, pp. 2315-2326, 2013.
[0011] 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，CN:[03476140A, 2013-12-25.
[0012] 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。
[0013] 此外，上述文献1至文献5均未考虑D2D通信和蜂窝通信的总体功耗问题。使用 无线中继提高单跳无线链路的信道质量，其前提是不能增加系统的频谱和能量、功率开销。 文献1至文献5均没有对数据源节点和中继节点的联合发射功率进行限制，因此，系统性能 的提升不仅仅是依靠引入无线中继节点也是依靠增加系统的能量消耗获得的，这与当前面 向绿色无线电即低能耗的移动通信系统发展趋势是相违背的。
[0014] 半双工中继理论上只能获得1/2的频谱资源利用率，在D2D通信和蜂窝通信联合 功率约束的条件下如何实现有效的功率控制和干扰管理，在满足蜂窝通信最小数据吞吐量 需求的同时，最大化D2D通信的数据吞吐量，是需要进一步研究解决的问题。
【发明内容】
[0015] 针对上述技术问题的不足之处，本发明提供一种实现了蜂窝通信和D2D通信的正 交信道复用，获得了比传统蜂窝通信更高的频谱利用效率和数据吞吐量的D2D蜂窝网络中 基于时域半双工中继的功率控制方法。
[0016] 为实现上述目标，本发明的D2D蜂窝网络中基于时域半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、接收端C、接收端E均为配置一支 天线的时域半双工移动终端，其方法步骤如下：
[0017] 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；
[0018] 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1^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；
[0019] c.基站B通过蜂窝网专用控制信道（SDCCII)获得基站B到发射端R处的信道功率 增益gB，K，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0 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Ε的信道功率增益gR，E;
[0020] d.基站B通过公式
【权利要求】
1. 一种D2D蜂窝网络中基于时域半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、接收端C、接收端E均为配置一支天线的时域半双工移动终 端，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 ，从接收端C处得到基站B到接收端C的信道功率增益％。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的信道功率增益gK，E; d. 基站B通过公式：7br=
_、7b,c=
、/b,e=
分别计算基站8与发射端 R、基站B与接收端C、基站B与接收端E之间的信道噪声比γβ.κ、γΒ，。、γ Β，Ε，通过公式： rR,c=
· rR,E:
-分别计算发射端R与接收端C、发射端R与接收端E之间的信道噪声 比Y R;t:、Y R>E，式中：发射端R、接收端C、接收端E的噪声功率均为σ -; e. 基站Β通过公式：gpt =
^ PT=
分别求取基站B和发射端R的 最优发射功率和KPt，并通过公式：
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 °pt，式中：ρβ为基站 Β的发射功率，ρκ为发射端R的发射功率，基站Β和发射端R的联合功率约束为Ρ,即ρΒ+ρ κ =P，G为常数，且G = 22〇二1，7Γ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. 基站Β通过公式：=W；p>b,r得到基站Β与发射端R之间的最优信号噪声比， 通过公式：巧$ =
计算出发射端R与接收端C之间的最优信千噪比 并通过公式：=
计算出发射端R与接收端E之间的最优信干噪比 g. 当<7$时，基站B将步骤e中得到的发射端R的最优发射功率/^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使用最优发射功宇.pf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；
h. 当/b,r > 7r,c，则基站B通过公式：a p = niax 重新计算最优功率比例a °pt，并通过公式：: 和i7/ = max
，重新计算基站B和发射端R的 最优发射功率和/>Γ，式中：参数X = (G+l) (^^(PYw-G)，参数
i,R，参数 Z = -2P (G γ R, r)2 γ B, R ; 根据重新获得的最优功率比例a °pt、基站B和发射端R的最优发射功率/>Γ和；^(，基 站Β通过公式：巧思=
重新得到发射端R与接收端C之间的最优信号干 扰噪声比，基站Β通过公式：=
重新得到发射端R与接收端E之间 的最优信号千扰噪声比;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ρΓ和最 优发射功率比例a °pt分别向接收端C和接收端Ε发射数据信息； i. 传输数据信息时，在半双工中继传输的第一个时隙，基站B使用功率向蜂窝接收 端C发射能量归一化信息码元X。,此时D2D发射端R的天线为接收状态,对基站Β发射的码 元X。进行接收、解码处理，解码后的信息码元为乓； j. 在半双工中继传输的第二个时隙，基站Β停止传输信息，D2D发射端R将发射 功率加载到信息码元中，将发射功率
加载到信息码元xE中， 发射端R的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
k. 接收端C在接收到的发射端R中继的集成码兀彳目息xR后，将码兀χκ中的xE部分当 作千扰，仅对知部分进行解码，从而获得数据吞吐量T c ; 接收端E在接收到发射端：R中继的集成码元信息χκ后，将码元χκ中的乓部分当作干 扰，仅对xE部分进行解码,从而获得数据吞吐量ΤΕ。
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Β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：Y R>C < min{ yb，r, yb，J判断，当公式 <min{YB，R，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 R>(：<min{YB;K，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Β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Β和D2D发射端R的联合功 率控制满足的条件为 ：
约束条件= Pb+Pr = P，Pb > ()，Pr > ()， 0 彡 α < 1, 其中，ΤΕ和Te分别表示D2D用户Ε和蜂窝用户C的数据吞吐量： rE = ri〇g2 (1 + fRE)，Tc = wlog2 α+ρΒ Υ β，κ)，厂R'e
α表示发射端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
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发射端R的联合功 率控制满足的条件为： 在总发射功率受限的条件下，建立基站B和D2D发射端R的联合功率控制数学模型：
约束条件：卩= rt_， pB+pR = P，pB 彡 0, pR 彡 0， 0 彡 α < 1， 其中，心=『1(^:(1+心(），心(·:
5. 根据权利要求1所述的D2D蜂窝网络中基于时域半双工中继的功率控制方法，其特 征在于：所述步骤k中，码儿吞的数据吞吐量为
的数据吞吐量为A = Ιο!
L
【文档编号】H04W52/24GK104301984SQ201410588547
【公开日】2015年1月21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