一种基于同时同频全双工D2D通信的频谱效率提升方法

一种基于同时同频全双工d2d通信的频谱效率提升方法
技术领域
1.本发明属于通信领域，具体涉及一种基于同时同频全双工(co-time co-frequency fullduplex，ccfd)d2d(device to device，设备到设备)通信的频谱效率提升方法。


背景技术：

2.2020年，我国5g网络部署进入快车道，全国超过48万个5g基站已经建成，5g上网终端连接数超过1亿。随着5g在交通、能源、视频娱乐、工业、智慧城市、医疗、农业、金融、教育九大垂直领域的不断渗透，对6g的设想也逐渐被提上了日程。面向2030， 6g将在5g的基础上，结合当前人工智能等科学技术的进步，全面地支撑整个世界的数字化、智能化，实现人类智慧的泛在可取；以及，全面赋能世界中的万事百物，推动人类社会进一步走向更加虚拟与现实相互结合的“数字孪生”世界。围绕这一发展的总体愿景，6g网络将在“智享生活、智赋生产、智焕社会”三个领域内催生全新的应用场景，比如孪生数字人、全息交互、超能交通、通感互联、智能交互等。由于这些新的应用的产生，人们对于互联网的需求会越来越高，对通信速率以及用户服务质量的要求也在逐渐增强。
3.相较于以往任何一代通信系统，6g需要满足更加多样化的场景和极致性能的挑战，这就要求对支持6g新标准的候选频段进行全频段布局。然而，低频段已经异常拥挤，且大多涉及与其他系统的干扰保护，因此不得不选用其他频段来保证更好的通信质量。在世界上大多数国家地区，目前最直接的选择途径是充分利用频率相对较高的频段，其中包括6ghz以下的3ghz左右频段及24ghz以上毫米波频段。与异常拥挤的低频段相比，这些频段拥有更多可供自由选择选择使用的带宽。然而在寻求新的能够使用的频谱资源的过程中，也面临着前所未有的技术挑战。此外，虽然一些较高频段具有可供选择的带宽，但是6g网络的频谱资源依旧稀缺。
4.因此，如何能够更好地解决6g网络的频谱资源不足问题对于6g的发展十分重要。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于同时同频全双工d2d 通信的频谱效率提升方法。
6.本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.一种基于同时同频全双工d2d通信的频谱效率提升方法，包括：
8.在蜂窝网络中，使用d2d通信的中继对，将来自于基站的数据在同一频谱资源上同时地转发至该中继对连接的边缘通信设备；
9.其中，所述基站与所述中继对构成多用户-多输入多输出的子系统；所述基站采用了迫零波束成形技术向所述中继对发送数据；所述中继对中的每个中继均采用了基于功率域复用的非正交多址接入技术和至少一种自干扰消除技术以降低自干扰和同信道干扰；所述中继对和所述边缘通信设备均采用了串行干扰消除技术对收到的数据进行译码。
10.可选地，所述中继包括：支持d2d通信的终端设备。
11.可选地，每个所述中继同时同频地向自身连接的边缘通信设备发送数据的功率，小于该中继向d2d通信的对方中继发送数据的功率。
12.可选地，所述转发为译码转发。
13.可选地，所述基站向所述中继对中的第一中继发送数据时的发射功率、所述基站向所述中继对中的第二中继发送数据时的发射功率、所述第一中继的总发射功率以及所述第二中继的总发射功率取自于一组经验值；所述一组经验值是通过构建并求解一频谱效率优化问题得到的；
14.其中，所述频谱效率优化问题的优化目标为：使所述基站、所述中继对以及所述边缘通信设备所组成系统的频谱效率最大化。
15.可选地，所述频谱效率优化问题为：
[0016][0017]
r＝r
d1
+r
d2
+r
c1
+r
c2
，
[0018]
p＝[p1,p2,p
d1
,p
d2
]；
[0019]
s.t.
[0020][0021][0022][0023][0024]rd1_x4
＞r
c2_x4
；
[0025]rd2_x3
＞r
c1_x3
；
[0026]
其中，se表示频谱效率；w表示信道带宽；r
d1
表示所述中继对中的第一中继的信息传输速率，r
d2
表示所述中继对中的第二中继的信息传输速率，r
c1
表示所述第一中继连接的边缘通信设备的信息传输速率，r
c2
表示所述第二中继连接的边缘通信设备的信息传输速率，r表示所述基站、所述第一中继、所述第二中继以及所述边缘通信设备所组成系统的总信息传输速率；p1表示所述基站向所述第一中继发送数据时的发射功率，p2表示所述基站向所述第二中继发送数据时的发射功率、p
d1
表示所述第一中继的总发射功率，p
d2
表示所述第二中继的总发射功率；s.t.表示受约束于的含义；表示基站的额定发射功率，表示中继的额定发射功率，表示中继的最低容忍信息传输速率，表示边缘通信设备的最低容忍信息传输速率，r
d1_x4
表示所述第一中继对第一干扰信号进行译码所能获得的信息传输速率，所述第一干扰信号来自于所述第二中继向自身连接的边缘通信设备发送的数据；r
d2_x3
表示所述第二中继对第二干扰信号进行译码所能获得的信息传输速率，所述第二干扰信号来自于所述第一中继向自身连接的边缘通信设备发送的数据；r
c1_x3
表示所述第一中继连接的边缘通信设备对该第一中继发来的有用数据进行译码所能获得的信息传输速率，r
c2_x4
表示所述第二中继连接的边缘通信设备对该第二中继发来的有用数据进行译码所
能获得的信息传输速率。
[0027]
可选地，对所述频谱效率优化问题进行求解的过程包括：
[0028]
将所述频谱效率优化问题等效为一dc规划问题；
[0029]
采用ccp算法将所述dc规划问题转化为凸优化问题；
[0030]
利用迭代算法对所述凸优化问题进行求解，得到频谱效率最大化时对应的最优解；
[0031]
其中，所述一组经验值是根据多个所述最优解得到的。
[0032]
可选地，所述基站中包含有一频谱效率提升模块；
[0033]
所述频谱效率提升模块用于根据所述频谱效率优化问题确定所述一组经验值，以从所述一组经验值中提取p1、p2、p
d1
以及p
d2
的数值。
[0034]
可选地，所述基站为半双工基站。
[0035]
可选地，所述边缘通信设备为半双工通信设备。
[0036]
本发明提供的基于同时同频全双工d2d通信的频谱效率提升方法中，使用d2d通信的中继对，将来自于基站的数据在同一频谱资源上同时地转发至该中继对连接的边缘通信设备；相较于现有技术中继大多工作在时分双工或者频分双工的半双工模式而言，本发明使用全双工的中继可将系统的频谱效率提升近一倍。并且，本发明通过使用迫零波束成形技术、多用户-多输入多输出(multi-user multiple-input multiple-output， mu-mimo)技术、基于功率域复用的非正交多址接入(non-orthogonal multiple access， noma)技术、自干扰消除技术以及串行干扰消除技术，解决了ccfd技术带来的自干扰问题和同信道干扰问题，使得d2d通信的中继对可同时同频工作而不会因此影响自身以及边缘通信设备的通信质量，即两个中继可以同时占用同一个频谱资源执行数据转发，从而更进一步地提高了对频谱资源的利用率，即提高了频谱效率。
[0037]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0038]
图1是在蜂窝网络中使用本发明实施例提供的基于同时同频全双工d2d通信的频谱效率提升方法的示意图；
[0039]
图2示出了ccfd与tdd(时分双工)、fdd(频分双工)在时域资源、频域资源上的不同划分情况；
[0040]
图3是本发明实施例中的中继在进行数据传输时所面临的各项干扰信号的示意图；
[0041]
图4是本发明实施例中的边缘通信设备在接收数据时所面临的各项干扰信号的示意图；
[0042]
图5是本发明实施例提供的一种基于同时同频全双工d2d通信的通信系统的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0044]
为了能够在确保通信质量的前提下提升6g网络的频谱效率，本发明实施例提供了一种基于同时同频全双工d2d通信的频谱效率提升方法，该方法包括：在蜂窝网络中，使用d2d通信的中继对，将来自于基站的数据在同一频谱资源上同时地转发至该中继对连接的边缘通信设备。
[0045]
其中，基站与中继对构成多用户-多输入多输出的子系统；基站采用了迫零波束成形技术向中继对发送数据；中继对中的每个中继均采用了基于功率域复用的非正交多址接入技术和至少一种自干扰消除技术以降低自干扰和同信道干扰；中继对和边缘通信设备均采用了串行干扰消除技术对收到的数据进行译码。
[0046]
可以理解的是，中继对连接的边缘通信设备，包括了该中继对中的两个中继各自连接的边缘通信设备；在执行转发操作时，这两个中继各自将自身待转发的数据发送至与所连接的边缘通信设备。其中，中继执行转发的方式可以包括：放大转发 (amplify-and-forward，af)、译码转发(decode-and-forward，df)、选择性中继(selectiverelay，sr)、压缩转发中继(compress forward,cf)或者增量型中继(incremental relaying， ir)等。
[0047]
图1示出了在蜂窝网络中使用本发明实施例提供的基于同时同频全双工d2d通信的频谱效率提升方法的示意图；如图1所示，基站(base station，bs)采用迫零波束成形技术向中继对发送含有数据a和数据b的混合发射信号。其中，数据a是发给该中继对中的第一中继d1的，数据b是发给该中继对中的第二中继d2的。可以理解的是，由于该发射信号是基站采用破零波束成形技术产生的，故而相当于基站向第一中继d1发送了数据a、向第二中继d2发送了数据b。第一中继d1收到基站发来的信号后，对其进行译码得到数据a’，将数据a’转发至边缘通信设备c1，同时第一中继d1还可以向第二中继d2发送数据 c。第二中继d2收到基站发来的信号后，对其进行译码得到数据b’，将数据b’转发至边缘通信设备c2，同时第二中继d2还可以向第一中继d1发送数据d。
[0048]
本发明实施例中，相较于现有技术的中继大多工作在半双工模式而言，本发明实施例使用全双工的中继可将系统的频谱效率提升近一倍，这是因为ccfd模式与传统的 tdd、fdd在时域资源、频域资源上的划分情况是不同的(如图2所示)，中继工作在ccfd 模式下，既可以同时进行数据的接收与发送，又可以与其他中继共用相同的频谱资源。
[0049]
并且，本发明实施例通过使用迫零波束成形技术、mu-mimo技术、基于功率域复用的noma技术、自干扰消除技术以及串行干扰消除技术，解决了ccfd带来的自干扰问题和同信道干扰问题，使得d2d通信的中继对可同时同频工作而不会因此影响自身以及边缘通信设备的通信质量，即两个中继可以同时占用同一个频谱资源执行数据转发，从而更进一步地提高了对频谱资源的利用率，即提高了频谱效率。
[0050]
具体而言，对于工作在ccfd+d2d模式的中继对而言，其所包含的每个中继将面临多种多样的干扰，这是因为在同一时刻的同一频谱资源上，该中继对与基站、边缘通信设备形成的系统内部可以进行多方的数据传输。参见图3中的实线箭头所示，在不考虑干扰的情况下，在同一时刻的相同频谱资源上，中继对与基站、边缘通信设备之间的数据传输包括：
[0051]
(a)基站采用迫零波束成形技术向第一中继d1和第二中继d2发送混合有数据x1和数据x2的发射信号，相当于基站向第一中继d1发送数据x1，向第二中继d2发送数据x2。
[0052]
(b)第一中继d1接收基站发来的数据x1、接收第二中继d2发来的数据x
21
、向第二中继d2发送数据x
12
，并向边缘通信设备c1发送数据x3；该数据x3是第一中继d1对数据x1进行译
的数据x
21
和发给边缘通信设备c2的数据x4的功率大小是不同的；这样，图3中的第一中继d1同时同频地收到有用数据x1、干扰数据x2、干扰数据x
12
、有用数据x
21
、干扰数据x4以及干扰数据x3后，干扰数据x2被迫零波束成形技术被解决了，干扰数据x
12
和干扰数据x3被自干扰消除技术解决了，剩下的便是有用数据x1、有用数据x
21
以及干扰数据x4；由于第一中继d1与第二中继d2是近距离d2d通信的，故而数据x1的功率是小于数据x
21
和数据x4的，而数据x
21
和数据x4又因基于功率域复用的noma技术被限定了大小关系，故而数据x1、数据x
21
以及数据x4的大小关系是确定的，由此中继便可以根据他们三者的大小顺序选择适应的译码顺序将这三种数据进行分离；也就是说，第一中继d1受到的来自于第二中继d2发出的数据x4的同信道干扰问题也可以被解决了。
[0063]
再例如，采用了基于功率域复用的noma技术后，图4中的第二中继d2发给第一中继d1的数据x
21
和发给边缘通信设备c2的数据x4的功率大小是不同的；同理，第一中继 d1发给第二中继d2的数据x
12
和发给边缘通信设备c1的数据x3的功率大小也是不同的。例如，在一个实施例中，每个中继同时同频地向自身连接的边缘通信设备发送数据的功率，小于该中继向d2d通信的对方中继发送数据的功率。因此，这里假设x
12
大于x3， x
21
大于x4；这样，第一中继c1只需先译数据x
12
，再译数据x3即可，同理第二中继 c2只需先译数据x
21
，再译数据x3即可。
[0064]
当然，在其他实施例中，每个中继同时同频地向边缘通信设备发送数据的功率，也是可以大于向对方中继发送数据的功率的。
[0065]
综上可见，由于本发明实施解决了ccfd技术带来的自干扰问题和同信道干扰问题，使得本发明实施中d2d通信的中继对可同时同频工作而不会因此影响自身以及边缘通信设备的通信质量，即两个中继可以同时占用同一个频谱资源执行数据转发，从而更进一步地提高了对频谱资源的利用率，即提高了频谱效率。
[0066]
在实际应用中，上述的中继可以包括：支持d2d通信的终端设备；或者集成有d2d 通信模块的中继设备或其他通信设备等。
[0067]
可选地，上述基站可以为半双工基站，当然并不局限于此。上述边缘通信设备可以为半双工通信设备，同样并不局限于此。
[0068]
优选地，在一种实现方式中，基站向中继对中的第一中继d1发送数据时的发射功率 p1、基站向中继对中的第二中继d1发送数据时的发射功率p2、第一中继的总发射功率 p
d1
以及第二中继的总发射功率p
d2
，取自于一组经验值，该组经验值是通过构建并求解一频谱效率优化问题得到的。该频谱效率优化问题的优化目标为：使基站、中继对以及边缘通信设备所组成系统的频谱效率最大化。
[0069]
在具体构建该频谱效率优化问题时，可以将p＝[p1,p2,p
d1
,p
d2
]中的各项元素为求解参数来构建目标函数，该目标函数是计算频谱效率的函数；然后，利用迭代算法求解目标函数取最大值时对应的最优解。
[0070]
或者，可以将p＝[p1,p2,p
d1_d2
,p
d1_c1
,p
d2_d1
,p
d2_c2
]的各项元素作为求解参数来构建计算频谱效率的目标函数，同样利用迭代算法求解目标函数取最大值时对应的最优解。求得最优解后，从中提取p1,p2,p
d1
,p
d2
四项参数的具体数值即可。
[0071]
其中，p
d1_d2
表示第一中继d1发给第二中继d2的数据x
12
的功率，p
d1_c1
表示第一中继d1发给边缘通信设备c1的数据x3的功率，p
d1_d2
+p
d1_c1
＝p
d1
；p
d2_d1
表示第二中继d2发给第一中
继d1的数据x
21
的功率，p
d2_c2
表示第二中继d2发给边缘通信设备c2的数据x4的功率，p
d2_d1
+p
d2_c2
＝p
d2
。
[0072]
另外，在构建目标函数的过程中，涉及到的基站与中继之间、中继与中继之间以及中继与边缘通信设备之间的信道参数，可以通过信道估计的方式获取。具体而言，基站进行信道估计，可以得到基站与中继之间的下行信道信息；中继进行执行信道估计，可以得到中继与边缘通信设备之间的下行信道信息；中继之间的信道信息也可以由两个中继各自执行信道估计来得到；并且，由于中继是ccfd工作的，故而从第一中继d1到第二中继d2的信道参数，与从第二中继d2到第一中继d1的信道参数是可以互易的。
[0073]
下面，以求解参数为p＝[p1,p2,p
d1
,p
d2
]为例，对频谱效率优化问题的构建以及求解过程进行进一步的举例说明。
[0074]
借用图3和图4中所示的各项数据的符号，可以将基站的发射信号x
bs
表示为：
[0075][0076]
其中，u1＝[u
11
,u
12
]
t
,u2＝[u
21
,u
22
]
t
，二者分别是数据x1,x2的预编码向量，是基站采用预编码技术对发射信号预处理时要用到的。这里，预编码技术是mimo系统中基站对发射信号进行预处理的一种常见技术手段，目的是有效地抑制mimo信道中的多用户干扰。在本发明实施例中，正是因为预编码向量的使用，使得两个中继的信道向量正交，因此第一中继d1只接收数据x1，而不受数据x2的影响，且第二中继d2只接收数据x2，而不受数据x1的影响。上文中所说的迫零波束成形技术即是一种预编码技术。
[0077]
第一中继d1发给边缘通讯设备c1的数据x3的功率为α1p
d1
，第一中继d1发给第二中继d2的数据x
12
的功率为α2p
d1
，α1,α2为第一中继d1已知的功率分割因子，α1+α2＝1。另外，假设第一中继d1和第二中继d2均为支持d2d通信的终端用户，由于终端用户首先要接收d2d通信对象发来的信息，其次才作为中继节点转发属于蜂窝用户的信息，因此在这里设定α1＜α2。同理，第二中继d2以功率β1p
d2
给边缘通信设备 c2发送数据x4、并以功率β2p
d2
给第一中继d1发送数据x
21
，β1,β2为第二中继d2已知的功率分割因子，β1+β2＝1，且假设β1＜β2。
[0078]
由此，第一中继d1的发射信号x
d1
以及第二中继d2的发射信号x
d2
分别如下所示：
[0079][0080]
参见图3中所示出的数据传输以及干扰模型，第一中继d1的接收信号y
d1
如下所示：
[0081][0082]
其中，h
b1
＝[h
b11
,h
b12
]表示基站发送数据x1到第一中继d1时的信道参数， h
b2
＝[h
b21
,h
b22
]表示基站发送数据x2到第二中继d2时的信道参数， [h
b1
,h
b2
]
t
[u1,u2]＝i，i为单位矩阵。hd表示第一中继d1与第二中继d2间的信道参数；h
li
表示第一中继d1、第二中继d2各自的回路自干扰信道参数；n0＝-174dbm/hz，是加性高斯白噪声的功率谱密度；w表示信道带宽。
[0083]
由于基站使用了迫零波束成形技术，故而式(3)中的求和项故式(3) 可以化简为：
[0084][0085]
同理的，第二中继d2的接收信号y
d2
如下所示：
[0086][0087]
对于第一中继d1而言，采用串行干扰消除技术对接收信号进行分层译码，译码顺序为x
21
→
x4→
x1。因此，第一中继d1对数据x
21
进行译码所能获得的信干噪比为：
[0088][0089]
第一中继d1对数据x
21
译码后，便可以将数据x
21
从接收信号中分离；由此使得后续对其他数据进行解码时，数据x
21
不再是未知的干扰项，从而提高了后续对其他数据进行解码时的信干噪比。
[0090]
然后，第一中继d1继续对数据x4进行译码，此时第一中继d1对数据x4进行译码所能获得的信干噪比为：
[0091][0092]
可以看到，此时公式(7)中分母里的干扰项并没有考虑数据x
21
对应的干扰项β2p
d2
|hd|2。
[0093]
第一中继d1对数据x4译码后，便可以进一步将数据x4从剩余的接收信号中分离，后续第一中继d1对数据x1进行解码时，数据x4不再是未知的干扰项；因此，第一中继 d1对数据x1进行译码时的信干噪比为：
[0094][0095]
可以看到，此时公式(8)中分母里的干扰项并没有数据x4对应的干扰项β1p
d2
|hd|2，也没有数据x
21
对应的干扰项β2p
d2
|hd|2。
[0096]
同理的，对于第二中继d2而言，采用串行干扰消除技术对接收信号进行分层译码，译码顺序为x
12
→
x3→
x2；第二中继d2对这三种数据进行译码所能获得的信干噪比依次为：
[0097]
[0098][0099][0100]
在边缘通信设备一侧，边缘通信设备c1会接收第一中继d1转发的信号x
d1
。同时， c1还可能会收到第二中继d2转发给边缘通信设备c2的信号x
d2
。同理，边缘通信设备c2会接收第二中继d2转发的信号x
d2
。同时，c2还可能会收到第一中继d1转发给边缘通信设备c1的信号x
d1
；由此，c1和c2的接收信号分别如下所示：
[0101][0102][0103]
令h1＝[h
11
,h
12
]，其中的h
11
,h
12
分别表示第一中继d1到c1、c2的信道参数；令 h2＝[h
21
,h
22
]，其中的h
21
,h
22
分别表示第二中继d2到c1、c2的信道参数。
[0104]
由于提前假设了α1＜α2，故c1的译码顺序是x
12
→
x3，相应的，c1对这两种数据进行译码所能获得的信干噪比依次为：
[0105][0106][0107]
由于提前假设了β1＜β2，故c2的译码顺序是x
21
→
x4，相应的，c2对这两种数据进行译码所能获得的信干噪比依次为：
[0108]
[0109][0110]
其中，基于功率复用的noma技术的使用前提要求γ
d1_x4
＞γ
c2_x4
，以及要求γ
d2_x3
＞γ
c1_x3
。这里，要求γ
d2_x3
＞γ
c1_x3
是为了保证边缘通信设备c1能够连续译码，即为了保证边缘通信设备c1对数据x
12
译码后能够继续对数据x3进行译码。同理，要求γ
d1_x4
＞γ
c2_x4
为了保证边缘通信设备c2对数据x
21
进行译码后能够继续对数据 x4进行译码。
[0111]
根据香农定理可知：信息传输速率为r＝wlog2(1+γ)；γ为广义的信干噪比；因此，根据上述的式(6)～(11)以及式(14)～(17)可计算出各项信干噪比对应的信息传输速率。
[0112]
假设两个中继都采用译码转发的方式进行数据转发，则可以确定：
[0113]rd1
＝r
d1_x21
ꢀꢀꢀ
(18)；
[0114]rd2
＝r
d2_x12
ꢀꢀꢀ
(19)；
[0115]rc1
＝min{r
d1_x1
,r
c1_x3
}
ꢀꢀꢀ
(20)；
[0116]rc2
＝min{r
d2_x2
,r
c2_x4
}
ꢀꢀꢀ
(21)。
[0117]
其中，r
d1
表示第一中继d1的信息传输速率；r
d2
表示第二中继d2的信息传输速率，r
c1
表示边缘通信设备c1的信息传输速率，r
c2
表示边缘通信设备c2的信息传输速率。r
d1_x21
表示第一中继d1对第二中继d2发来的有用数据x
21
进行译码所能获得的信息传输速率，r
d2_x12
表示第二中继d2对第一中继d1发来的有用数据x
12
进行译码所能获得的信息传输速率，r
d1_x1
表示第一中继d1对基站发来的有用数据x1进行译码所能获得的信息传输速率，r
c1_x3
表示边缘通信设备c1对第一中继d1发来的有用数据x3进行译码所能获得的信息传输速率，r
d2_x2
表示第二中继d2对基站发来的有用数据x2进行译码所能获得的信息传输速率，r
c2_x4
表示边缘通信设备c2对第二中继d2发来的有用数据x4进行译码所能获得的信息传输速率。
[0118]
已知基站、中继以及边缘通信设备所构成系统的总信息传输速率为：
[0119]
r＝r
d1
+r
d2
+r
c1
+r
c2
ꢀꢀꢀ
(22)。
[0120]
至此，根据这一总信息传输速率r的数学模型，以频谱效率最大化为目标，构建频谱效率优化问题如下：
[0121][0122]
其中，se表示频谱效率；w表示信道带宽；s.t.表示受约束于的含义；表示基站的额定发射功率，表示中继的额定发射功率，表示中继的最低容忍信息传输速率，表示边缘通信设备的最低容忍信息传输速率；r
d1_x4
表示第一中继d1对第一干扰信号进行译码所能获得的信息传输速率，该第一干扰信号来自于第二中继d2向自身连接的边缘通信设备c2发送的数据x4；r
d2_x3
表示第二中继d2对第二干扰信号进行译码所能获得的信息传输速率，该第二干扰信号来自于第一中继d1向自身连接的边缘通信设备c1发送的数据x3；r
c1_x3
表示第一中继连接的边缘通信设备c1对该第一中继 d1发来的有用数据x3进行译码所能获得的信息传输速率，r
c2_x4
表示第二中继d2连接的边缘通信设备c2对该第二中继d2发来的有用数据x4进行译码所能获得的信息传输速率。
[0123]
该频谱效率优化问题中，约束条件(a)是对基站两个等效发射天线的发射功率的约束；约束条件(b)是对两个中继的发射功率的约束；约束条件(c)是确保中继的服务质量的约束；约束条件(d)是确保边缘通信设备的服务质量的约束；若中继和边缘通信设备都是用户终端设备，则该约束条件(c)和(d)便是确保用户服务质量的最低要求。约束条件(e)是为了确保边缘通信设备c2能够连续译码的约束，约束条件(f)则是为了确保边缘通信设备c1能够连续译码的约束。
[0124]
然后，对上述频谱优化问题进行求解，求解过程简述来说包括以下几个子步骤：
[0125]
(1)将频谱效率优化问题等效为一dc规划(凸函数/凹函数之差)问题；
[0126]
(2)采用ccp(convex-concave procedure)算法将dc规划问题转化为凸优化问题；
[0127]
(3)利用迭代算法对凸优化问题进行求解，得到频谱效率最大化时对应的最优解。
[0128]
具体而言，通过分析该频谱优化问题的数学模型可知，该频谱优化问题的目标函数和部分约束条件都不是凸的或凹的，即该频谱优化问题的模型是非凸优化模型，无法采取凸优化的方法求取最大值。因此，可以通过数学理论分析和推导将其转化成凸优化模型。具体转化过程如下：
[0129]
首先将目标函数中的各个分量展开，化成两个函数相减的形式，如下所示：
[0130][0131][0132]
[0133][0134]
通过对fi(p),gi(p)i＝1,2,3,4求hessian矩阵(译为黑塞矩阵、海森矩阵、海瑟矩阵或海塞矩阵)可知，fi(p)和gi(p)都是凹函数，从而推导得出和也是凹函数。因此目标函数r就可以等效为凹减去凹的形式，即 r＝f(p)-g(p)。
[0135]
然后，对频谱效率优化问题的约束条件进行分析：显而易见，式(23)的约束条件(a) 和(b)为线性约束条件；对于约束条件(c)和(d)来说，由于和是常数，一个凹减凹的函数再减去一个常数并不影响其本身的凹凸性，因此式(23)的约束条件(c)和(d)可以化为凹减凹的形式，如下所示：
[0136]fi
(p)-(gi(p)+r
min
)》0 i＝1,2,3,4
ꢀꢀꢀ
(28)。
[0137]
其中，r
min
在i取1，2时为r
min
在i取3，4时为
[0138]
将式(23)的约束条件(e)和(f)化简可得：
[0139]
|hd|2(p
d1
|h
21
|2+wn0)-|h
22
|2(p1|h
b1
u1|2+p
d1
|h
li
|2+wn0)＞0
ꢀꢀꢀ
(29)；
[0140]
|hd|2(p
d2
|h
12
|2+wn0)-|h
11
|2(p2|h
b2
u2|2+p
d2
|h
li
|2+wn0)＞0
ꢀꢀꢀ
(30)。
[0141]
可见化简后的约束条件(e)和(f)为线性约束条件。
[0142]
至此，通过对目标函数和约束条件进行分析推导可以看出该频谱优化问题是一个典型的dc规划问题，由此可将该频谱优化问题简单表示为：
[0143][0144]
为了解决该dc规划问题，可以采用ccp算法，将dc规划问题转化为凸优化问题，然后通过迭代算法求取频谱效率的最优解。
[0145]
具体的，如果gi(p)近似为一阶泰勒展开式，则fi(p)-gi(p)就可以近似为：
[0146][0147]
因此，按照式(32)中所示的展开方式，将式(24)～(27)分别进行一阶泰勒展开近似可得：
[0148][0149]
[0150][0150][0151][0152]
把式(33)～(36)代入式(31)中后，该频谱效率优化问题的目标函数和约束条件都转化为了凹函数和凹约束，属于典型的凸优化问题，因此可以通过迭代算法来进行求解，得到频谱效率最大时的最优解p
*
。其中，式(33)～(36)中的依次是第k＝0 次迭代时为p1,p2,p
d1
,p
d2
设置的初始值；k为迭代次数的标记，后续随着迭代次数的增加，式(33)～(36)中的会被分别替换为第k次迭代时p1,p2,p
d1
,p
d2
的具体值，即具体的迭代求解过程可参见现有技术运用迭代算法求解问题的方式，本发明实施例不再进行赘述。
[0153]
以上，便是以p＝[p1,p2,p
d1
,p
d2
]为求解参数，构建并求解频谱效率优化问题的例子的详细过程。
[0154]
另外，在构建好频谱效率优化问题的模型后，可以多次地获取信道参数、并将每次获取的信道参数代入问题中进行求解；每次求解都可以得到一个最优解，每个最优解都是一组参考的经验值。这样，通过对这些经验值进行统计或求取平均方式，便可以得到最优的一组经验值。然后，便可以按照该组经验值控制基站以及中继的发射功率，从而使基站、中继以及边缘通信设备构成的系统实现较高的频谱效率。
[0155]
在一个实施例中，基站中可以包含有一频谱效率提升模块，该频谱效率提升模块用于根据频谱效率优化问题确定上述的一组经验值，以从该组经验值中提取p1、p2、p
d1
以及
p
d2
的数值。
[0156]
具体而言，该频谱效率提升模块是一个计算机程序模块，程序中设置有频谱效率优化问题的数学模型。基站通过信道估计以及与中继交互的方式可以获得实际的信道参数；基站将获得的信道参数代入到频谱效率优化问题中进行求解，每次求解都可以得到一组参考的经验值。基站通过多次地获取信道参数、求解问题，可以得到多组参考的经验值；然后，基站可以对这些经验值进行统计或求取平均，得到最优的一组经验值，并从中提取最优的一组p1、p2、p
d1
以及p
d2
。然后，基站便可按照p1、p2的大小分别给两个中继发射数据。并且，基站将p
d1
以及p
d2
的大小发送至中继后，可以使中继按照相应的功率大小进行数据的转发以及d2d通信。这样，基站、中继以及边缘通信设备构成的系统便可以获得较高的频谱效率。
[0157]
在另一个实施例中，上述频谱效率提升模块可以是应用于计算机中的程序模块。将提前获取的信道参数导入该程序模块中，使计算机运行该频谱效率提升模块，得到一组经验值，再将该组经验值中的p1、p2、p
d1
以及p
d2
分别固化到基站和中继中，这种提升频谱效率的实现方式也是实际可以使用的。
[0158]
综上可见，本发明实施例提供的频谱效率提升方法可以较好地提高频谱效率，也可以为蜂窝网络下，与基站之间信道条件差的边缘蜂窝用户提供一种新的有效通信方法，且数据传输速率较高。更为重要的是，本发明实施例为未来移动通信系统用户数据密集，高谱效、低能耗的趋势提供了较佳的参考解决方案。
[0159]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于同时同频全双工d2d通信的通信系统，该系统包括：基站bs、中继对以及该中继对连接的边缘通信设备。
[0160]
其中，基站与中继对构成多用户-多输入多输出的子系统；基站用于采用迫零波束成形技术向中继对发送数据；中继对中的每个中继在将来自于基站的数据进行转发的过程中，与同在中继对中的对方中继进行d2d通信；并且，中继均采用了基于功率域复用的非正交多址接入技术和至少一种自干扰消除技术以降低自干扰和同信道干扰；中继对和边缘通信设备均采用串行干扰消除技术对收到的数据进行译码。
[0161]
可选地，上述的中继可以包括：支持d2d通信的终端设备，或者是集成有d2d通信模块的中继设备等。
[0162]
可选地，上述的边缘通信设备可以是终端设备，当然并不局限于此。
[0163]
图5示例性的示出一种基于同时同频全双工d2d通信的通信系统，该系统中，中继为支持d2d通信的终端设备，边缘通信设备也是终端设备。
[0164]
可选地，上述的基站可以为半双工基站。
[0165]
可选地，上述边缘通信设备为半双工通信设备。
[0166]
可选地，每个中继同时同频地向自身连接的边缘通信设备发送数据的功率，小于该中继向d2d通信的对方中继发送数据的功率。
[0167]
可选地，中继执行转发的方式为译码转发。
[0168]
可选地，系统中基站向中继对中的第一中继发送数据时的发射功率、基站向中继对中的第二中继发送数据时的发射功率、第一中继的总发射功率以及第二中继的总发射功率，取自于一组经验值；该组经验值是通过构建并求解一频谱效率优化问题得到的；
[0169]
其中，该频谱效率优化问题的优化目标为：使基站、中继对以及边缘通信设备所组
成系统的频谱效率最大化。
[0170]
可选地，该频谱效率优化问题为：
[0171][0172]
r＝r
d1
+r
d2
+r
c1
+r
c2
，
[0173]
p＝[p1,p2,p
d1
,p
d2
]；
[0174]
s.t.
[0175][0176][0177][0178][0179]rd1_x4
＞r
c2_x4
；
[0180]rd2_x3
＞r
c1_x3
；
[0181]
其中，se表示频谱效率；w表示信道带宽；r
d1
表示中继对中的第一中继的信息传输速率，r
d2
表示中继对中的第二中继的信息传输速率，r
c1
表示第一中继连接的边缘通信设备的信息传输速率，r
c2
表示第二中继连接的边缘通信设备的信息传输速率， r表示基站、第一中继、第二中继以及边缘通信设备所组成系统的总信息传输速率；p1表示基站向第一中继发送数据时的发射功率，p2表示基站向第二中继发送数据时的发射功率、p
d1
表示第一中继的总发射功率，p
d2
表示第二中继的总发射功率；s.t.表示受约束于的含义；表示基站的额定发射功率，表示中继的额定发射功率，表示中继的最低容忍信息传输速率，表示边缘通信设备的最低容忍信息传输速率， r
d1_x4
表示第一中继对第一干扰信号进行译码所能获得的信息传输速率，第一干扰信号来自于第二中继向自身连接的边缘通信设备发送的数据；r
d2_x3
表示第二中继对第二干扰信号进行译码所能获得的信息传输速率，该第二干扰信号来自于第一中继向自身连接的边缘通信设备发送的数据；r
c1_x3
表示第一中继连接的边缘通信设备对该第一中继发来的有用数据进行译码所能获得的信息传输速率，r
c2_x4
表示第二中继连接的边缘通信设备对该第二中继发来的有用数据进行译码所能获得的信息传输速率。
[0182]
可选地，对频谱效率优化问题进行求解的过程包括：
[0183]
将频谱效率优化问题等效为一dc规划问题；
[0184]
采用ccp算法将dc规划问题转化为凸优化问题；
[0185]
利用迭代算法对凸优化问题进行求解，得到频谱效率最大化时对应的最优解，作为决定上述一组经验值所需的多组参考值中的一组。
[0186]
可选地，基站中包含有一频谱效率提升模块；
[0187]
该频谱效率提升模块用于根据频谱效率优化问题确定上述的一组经验值，以从该组经验值中提取p1、p2、p
d1
以及p
d2
的数值。
[0188]
本发明实施例提供的基于同时同频全双工d2d通信的通信系统中，使用d2d通信的
中继对，将来自于基站的数据在同一频谱资源上同时地转发至该中继对连接的边缘通信设备；相较于现有通信系统中继大多工作在时分双工或者频分双工的半双工模式而言，本发明实施例使用全双工的中继可将系统的频谱效率提升近一倍；并且，本发明实施例通过在系统中使用迫零波束成形技术、多用户-多输入多输出技术、基于功率域复用的非正交多址接入技术、自干扰消除技术以及串行干扰消除技术，解决了ccfd技术带来的自干扰问题和同信道干扰问题，使得d2d通信的中继对可同时同频工作而不会因此影响自身以及边缘通信设备的通信质量，即两个中继可以同时占用同一个频谱资源执行数据转发，从而更进一步地提高了系统对频谱资源的利用率，即提高了系统的频谱效率。
[0189]
需要说明的是，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0190]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0191]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
[0192]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0193]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。