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CN109151775A - 蜂窝小区间基于中继的d2d通信传输模式切换方法 - Google Patents

蜂窝小区间基于中继的d2d通信传输模式切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，该方法涉及的蜂窝系统为有交汇的相邻小区，每个小区内有一个基站、一个蜂窝用户、一个D2D用户，小区交汇处有一个中继用户；蜂窝系统的通信传输模式包括传统D2D通信模式、基于AF中继的D2D通信模式和基于DF中继的D2D通信模式，其切换方法为：在一对D2D用户完成一次通信的若干时隙内，获取所述三种通信传输模式的发送功率及链路状态信息，得到链路最大可达速率的闭合表达式，将模式间的最大可达速率进行比较，选择使蜂窝系统总可达速率最大的传输模式为最优传输模式，进行动态的模式切换。本发明的方法可充分地利用链路信息，适应性强，并可提高系统的可达总速率和蜂窝资源的利用率。

Description

蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法
技术领域
本发明涉及蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，属于通信技术领域。
背景技术
随着智能手机及各种移动终端设备的功能日益强大，用户对网络流量和网络速度的要求越来越高。由于4G通信技术中的蜂窝通信在移动通信业务量和用户量“爆炸式”增长的情况下难以满足需求，具有高最大可达速率、传输速率快、开销小等特点的5G通信技术的发展愈加迫切。而Device-to-Device(以下简称为D2D)，即终端直通，作为5G通信技术的关键技术以及新一代移动通信系统的发展框架中不可或缺的组成部分，掀起了通信领域的研究热潮。
通过采用D2D通信技术，相距一定距离内的用户终端可建立直接通信的链路，无需通过基站的中转，进而减轻基站的负荷。D2D用户间通信距离一般较短，传输信道质量较高，因此用户可以得到较低的传输时延，较高的传送速率，大量的信息交互等体验，并且其较小的功耗可以有效增加移动设备的续航时间。由于D2D技术工作在蜂窝系统的频段，即使D2D用户间的通信距离增加，也可以保证通信受到的干扰很小。中继技术因其低成本和高灵活度在4G蜂窝系统中得到广泛的运用，在D2D通信系统中引用中继技术可以有效避免信道衰落时的信号中断，提高传输可靠性，同时可以扩大通信范围，增加系统最大可达速率。
在传统的通信系统研究中存在传统蜂窝通信模式与D2D通信模式间的选择。为了最大化传输速率和分集增益，在系统中合理选择传输模式至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，该方法涉及的蜂窝系统为有交汇的相邻小区，每个小区内有一个基站、一个蜂窝用户、一个D2D用户，小区交汇处有一个中继用户；
所述蜂窝系统的通信传输模式包括传统D2D通信模式、基于AF中继的D2D通信模式和基于DF中继的D2D通信模式；
所述通信传输模式的切换方法为：在一对D2D用户完成一次通信的若干时隙内，获取所述三种通信传输模式的发送功率及链路状态信息，得到链路最大可达速率的闭合表达式，将模式间的最大可达速率进行比较，选择使蜂窝系统总可达速率最大的传输模式为最优传输模式，进行动态的模式切换。
进一步的，所述通信传输模式的切换方法包括：
将传统D2D通信模式，记为A模式；基于AF中继的D2D通信模式记为B模式；基于DF中继的D2D通信模式记为C模式；
在一对D2D用户完成一次通信的若干时隙内，获取三种通信传输模式的发送功率及链路状态信息，计算各链路的接收信干噪比SINR；
基于信干噪比SINR，采用香农公式的变化式计算三种模式下的最大可达速率；
对比A模式、B模式、C模式两两之间的最大可达速率，分别获取A、B模式，B、C模式，A、C模式切换时的临界点，即阈值YAB、YBC和YAC；
假设D2D用户到中继用户间的距离为dDR，对比所述距离dDR和阈值YAB、YBC和YAC，选择使蜂窝系统总最大可达速率最大的传输模式为最优传输模式；
进一步的，基于三种模式下基站、蜂窝用户、D2D用户、中继用户的发送功率衰减情况，计算各链路的接收信干噪比SINR。其计算方式为：
将衰减后的D2D用户发送功率和衰减后的中继用户发送功率类比为实际接收到的有用信号强度，衰减后的基站总发送功率，衰减后的蜂窝用户总发送功率及噪声类比为实际接收到的干扰信号，则实际接收的有用信号强度与实际接收到的干扰信号强度及噪声之和的比值即为链路的接收信干噪比SINR；
其中，衰减后的基站总发送功率为本小区及相邻小区衰减后的基站发送功率总和；衰减后的蜂窝用户总发送功率为本小区及相邻小区衰减后的蜂窝用户发送功率总和。
进一步的，由于C模式下一对D2D用户的通信需要经历两个时隙且两个时隙中的链路状态不同，C模式中链路最大可达速率需取两个时隙中的较小值；
进一步的，通信过程将链路分成多条单一链路，由此获取香农公式的变化式如下：
式中C为信道容量，B为信道带宽，R为单位带宽的容量，即链路的最大可达速率。
进一步的，由于传输总时间受限，中继传输需要在4个时隙内完成一次D2D用户的信息交互，而基站与蜂窝用户在4个时隙内可以完成两次信息交互，因此各链路的最大可达速率可集中表示为
进一步的，上述内容中获取的最大可达速率的表达式较为复杂，不易计算，因此根据Jensen不等式E[log(1+x)]≤log(1+E[x])进行简化。各链路信道系数可近似相等，接收信干噪比(SINR)表达式中所有衰减后的发送功率的信道系数均可忽略，得到消去无关因素，方便计算的最大可达速率表达式。
进一步的，将A、B模式，B、C模式，A、C模式的最大可达速率分别做差比较，获取模式切换时的临界点。
进一步的，对比D2D用户到中继用户间的距离dDR和阈值YAB、YBC和YAC，dDR＜YAB，则选择B模式进行传输；如果YAB＜dDR＜YBC，则选择A模式进行传输；否则选择C模式进行传输。
本发明的方法通信传输模式包括传统D2D通信模式、基于AF中继的D2D通信模式和基于DF中继的D2D通信模式，基于链路最大可达速率进行模式切换；模式切换方式操作复杂度低。通过将选定的参数与设置的阈值比较，便可以为D2D用户选择最佳的传输模式进行传输。其中阈值是由理论求解得到，具有一定的可靠性；此外，本发明的方法能够充分地利用链路的信息，可以根据链路状态的动态变化进行合理选择，适应性强，可提高系统的可达总速率和蜂窝资源的利用率。
附图说明
图1为本发明方法中传输时隙划分及操作步骤的流程图；
图2为本发明方法模块切换方式的流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，进一步阐释本发明的理念。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的使用范围，在了解了本发明后，本领域研究人员对本发明的各种等价形式的修改需落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤101：在传输时隙1中，D2D用户在当前传输模式下进行传输；
步骤102：传输时隙1结束时，D2D用户进行传输模式的选择。分别分析三种通信模式下发送功率衰减情况，得到衰减后的D2D用户发送功率PD，衰减后的中继用户发送功率PR，衰减后的基站总发送功率∑PB，衰减后的蜂窝用户总发送功率∑PC及噪声N0，推导出各链路的接收信干噪比(SINR)表达式；
其中，衰减后的D2D用户发送功率PD和衰减后的中继用户发送功率PR可类比为实际接及噪声N0可类比为实际接收到的干扰信号。因此，实际接收的有用信号强度与实际接收到的干扰信号强度及噪声之和的比值即为链路的接收信干噪比(SINR)表达式，即下式：
其中，衰减后的基站总发送功率为本小区及相邻小区衰减后的基站发送功率总和，其计算方式如下：
衰减后的蜂窝用户总发送功率，为本小区及相邻小区衰减后的蜂窝用户发送功率总和，其计算方式如下：
式中，式中PBT为基站发送功率，PCT为蜂窝用户发送功率，C1、C2分别是本小区和相邻小区蜂窝用户终端，B1、B2分别是本小区和相邻小区的基站终端，1、2分别是D2D用户终端，dij(i,j＝Bk,Ck,1,2,R；i≠j,k＝1,2)为终端i到终端j的距离，α为信道衰落系数(常数)，hij(i,j＝Bk,Ck,1,2,R；i≠j,k＝1,2)为i-j链路的信道系数；
步骤103：根据步骤102所获得的接收信干噪比表达式，结合香农公式的变化式，得到三种模式下的最大可达速率表达式；
由于通信过程将链路分成多条单一链路，香农公式C＝B*log2(1+SINR)变化为：
式中C为信道容量，B为信道带宽，R为单位带宽的容量，即链路的最大可达速率。
得到三种D2D通信模式下单位链路的最大可达速率表达式；其中，由于传输总时间受限，中继传输需要在4个时隙内完成一次D2D用户的信息交互，而基站与蜂窝用户在4个时隙内可以完成两次信息交互，因此各链路的最大可达速率可集中表示如下：
由于C模式下一对D2D用户的通信需要经历两个时隙且两个时隙中的链路状态不同，C模式中链路最大可达速率需取两个时隙中的较小值，将步骤一中衰减后的基站总发送功率∑PB与衰减后的蜂窝用户总发送功率∑PC进行比较，确定C模式的链路最大可达速率表达式；
根据Jensen不等式E[log(1+x)]≤log(1+E[x])，简化上述最大可达速率表达式。根据Jensen不等式，且各链路信道系数可近似相等，接收信干噪比SINR表达式中所有衰减后的发送功率的信道系数均可忽略，得到消去无关因素后最终的三种模式下最大可达速率表达式；
步骤104：为使系统总最大可达速率最大化，将不同模式的最大可达速率比较，得到模式间切换时距离的临界点，即阈值，得到下一时隙使蜂窝系统总可达速率最大的最优传输模式，如图2所示。
由于三种模式的最大可达速率表达式以同底对数的形式表示，可以直接比较真数，即(1+SINR)的大小。将两种模式间最大可达速率做差比较，得到关于dDR的一元二次不等式，令这个不等式等于0，解出临界点，即阈值。将A模式和B模式的最大可达速率进行做差比较，得到A、B模式间切换时dDR的临界点，即阈值YAB，即A模式和B模式的模式切换点；将B模式和C模式的最大可达速率进行做差比较，得到B、C模式间切换时dDR的临界点，即阈值YBC，即B模式和C模式的模式切换点；将A模式和C模式的最大可达速率进行做差比较，得到A、C模式间切换时dDR的临界点，即阈值YAC，即A模式和C模式的模式切换点；
将D2D用户到中继用户间的距离参数dDR与步骤四中计算得到的阈值相比较，选择使蜂窝系统总可达速率最大的最优传输模式；
如果dDR＜YAB，则选择B模式进行传输；如果YAB＜dDR＜YBC，则选择A模式进行传输；否则选择C模式进行传输。。
步骤105：得到下一传输时隙的最优传输模式后，进入传输时隙2，D2D用户在最优传输模式下进行传输。

Claims (10)

1.一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于：该方法涉及的蜂窝系统为有交汇的相邻小区，每个小区内有一个基站、一个蜂窝用户、一个D2D用户，小区交汇处有一个中继用户；
所述蜂窝系统的通信传输模式包括传统D2D通信模式、基于AF中继的D2D通信模式和基于DF中继的D2D通信模式；
所述通信传输模式的切换方法为：在一对D2D用户完成一次通信的若干时隙内，获取所述三种通信传输模式的发送功率及链路状态信息，得到链路最大可达速率的闭合表达式，将模式间的最大可达速率进行比较，选择使蜂窝系统总可达速率最大的传输模式为最优传输模式，进行动态的模式切换。
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，所述通信传输模式的切换方法包括：
将传统D2D通信模式，记为A模式；基于AF中继的D2D通信模式记为B模式；基于DF中继的D2D通信模式记为C模式；
在一对D2D用户完成一次通信的若干时隙内，获取三种通信传输模式的发送功率及链路状态信息，计算各链路的接收信干噪比SINR；
基于信干噪比SINR，采用香农公式的变化式计算三种模式下的最大可达速率；
对比A模式、B模式、C模式两两之间的最大可达速率，分别获取A、B模式，B、C模式，A、C模式切换时的临界点，即阈值YAB、YBC和YAC；
假设D2D用户到中继用户间的距离为dDR，对比所述距离dDR和阈值YAB、YBC和YAC，选择使蜂窝系统总最大可达速率最大的传输模式为最优传输模式。
3.根据权利要求1所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，基于三种模式下基站、蜂窝用户、D2D用户、中继用户的发送功率衰减情况，计算各链路的接收信干噪比SINR。
4.根据权利要求2或3所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，接收信干噪比SINR的计算方式为：
获取三种通信模式下衰减后的D2D用户发送功率，衰减后的中继用户发送功率，衰减后的基站总发送功率，衰减后的蜂窝用户总发送功率及噪声；
将衰减后的D2D用户发送功率和衰减后的中继用户发送功率类比为实际接收到的有用信号强度，衰减后的基站总发送功率，衰减后的蜂窝用户总发送功率及噪声类比为实际接收到的干扰信号，则实际接收的有用信号强度与实际接收到的干扰信号强度及噪声之和的比值即为链路的接收信干噪比SINR；
其中，衰减后的基站总发送功率为本小区及相邻小区衰减后的基站发送功率总和；衰减后的蜂窝用户总发送功率为本小区及相邻小区衰减后的蜂窝用户发送功率总和。
5.根据权利要求2所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，C模式中，链路最大可达速率取两个时隙中的较小值。
6.根据权利要求2所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，通信过程将链路分成多条单一链路，由此获取香农公式的变化式如下：
式中C为信道容量，B为信道带宽，R为单位带宽的容量，即链路的最大可达速率。
7.根据权利要求6所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，将链路的最大可达速率集中表示如下：
8.根据权利要求2、6、7任一项所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，所述方法还包括：根据Jensen不等式对基于香农公式变化式获取的最大可达速率表达式进行简化。
9.根据权利要求2所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，将A、B模式，B、C模式，A、C模式的最大可达速率分别做差比较，获取模式切换时的临界点。
10.根据权利要求2所述的一种蜂窝小区间基于中继的D2D通信传输模式切换方法，其特征在于，对比D2D用户到中继用户间的距离dDR和阈值YAB、YBC和YAC，dDR＜YAB，则选择B模式进行传输；如果YAB＜dDR＜YBC，则选择A模式进行传输；否则选择C模式进行传输。
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