蜂窝D2D通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法

摘要

本发明公开了蜂窝D2D通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法，该方法将基站作为D2D系统中的双向放大转发(AF)中继，同时基站还与其他蜂窝用户进行正常通信。具体步骤为：第一时隙中，D2D用户1分别通过直接链路和中继链路发送信号给D2D用户2和中继(基站)，同时基站还收到来自其他蜂窝用户的上行信号；第二时隙中，D2D用户2分别通过直接链路和中继链路发送信号给D2D用户1和中继(基站)，同时基站发送下行信号到其他蜂窝用户；在第三个时隙中，中继(基站)将前两个时隙接收的混合信号放大后，分别转发给两个D2D用户。本发明相比于传统D2D通信，在抑制来自蜂窝用户干扰的同时，极大地提升了系统的中断性能。

权利要求

1.蜂窝D2D通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法，其特征在于，所述方法通过将基站作为一个双向放大转发中继，包括以下步骤：步骤1：蜂窝网络中的D2D通信系统包括一对D2D用户、双向放大中继，即：基站、蜂窝用户；它们分别用D2D1,D2D2,R和CU表示，D2D1,D2D2,R和CU的发送功率分别为P1,P2,PR,PC；

步骤2：在第一时隙时，蜂窝用户CU发送上行信号SC给基站；而在D2D链路中D2D用户1通过中继链路发送信号S1给中继R，即：基站，同时通过直接链路发送信号S1给D2D用户2；此时对于D2D链路，中继R，即：基站和D2D用户2都受到来自蜂窝用户CU的干扰；

步骤3：在第二时隙中，基站发送下行信号SR给蜂窝用户CU；而在D2D链路中D2D用户2通过中继链路发送信号S2给中继R，即：基站，同时通过直接链路发送信号S2给D2D用户1；

步骤4：在第三时隙中，中继R，即：基站将前两个时隙接收的混合信号进行放大，放大增益为G，G表示为中继发送功率与混合信号功率之比的算术平方根；中继R，即：基站分别将放大信号发送给D2D用户1和D2D用户2；

步骤5：根据D2D用户1在第二时隙和第三时隙接收的信号，得到D2D用户1的接收信干噪比；根据D2D用户2在第一时隙和第三时隙接收的信号，得到D2D用户2的接收信干噪比；

步骤6：根据上述步骤5确定的D2D用户1和D2D用户2的信干噪比，定义D2D链路的中断概率Pout为:Pout＝P[min(SINR1,SINR2)≤γth]；其中SINR1为D2D用户1的信干噪比；SINR2为D2D用户2的信干噪比；γth为预先设定的门限值；

步骤7：根据分区域积分的方法，将上述步骤6定义的中断概率Pout按积分区域分解为两个积分之和的形式；分别求出两个积分的结果相加，得到提出的D2D传输策略的中断概率；

再考虑高信噪比情况下D2D用户端来自蜂窝用户CU的干扰要远远大于噪声的功率，得到高信噪比下系统中断概率的近似形式；

步骤8：以系统中断概率最小为优化目标，提出了最优功率分配问题，优化对象为D2D用户对和中继的发送功率P1,P2,PR，约束条件为P1+P2+PR＝P，其中P为固定的总发送功率，利用序列二次规划算法解出最优值作为系统的最优功率分配方案。

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝D2D通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法，其特征在于：所述方法是采用直接链路和中继链路相结合的方式，将基站作为D2D链路的双向放大转发中继，使得D2D用户能在两个不同时隙内接收到目标信号。

说明书

蜂窝D2D通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及在蜂窝D2D通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法，属于通信技术领域。

背景技术

[0002] 随着现代通信技术的迅猛发展，移动用户的基数越来越庞大，但频谱资源是有限的，这对频谱资源的利用率提出了严峻的挑战。为了解决这一问题，基于蜂窝网络的D2D通信领域引起了越来越多的关注。基于蜂窝网络的D2D通信不仅可以提升频谱资源的利用率和小区吞吐量，而且以较低的发送功率在较短的距离内实现了信息的可靠传输。

[0003] 尽管D2D通信有着显著的优越性，但是仍然存在着安全性和有害干扰的问题。因此，如何将中继网络的安全性能引入到D2D链路的研究成为了一个新的探索方向。在中继网络中，信源可以利用一个未被认证的放大转发中继增加直接传输到目的节点的保密信息，在衰落的情况下，即使窃听者比合法接收者有更好的平均信噪比，仍然可以实现信息安全传输。而且在中继网络中可以引入人工干扰节点，通过它发送人工干扰噪声迷惑窃听节点，避免信息在传输过程成被窃听。

[0004] 对于如何避免D2D通信环境下的有害干扰，近年来已经提出了许多方案。比如适当地选择蜂窝设备和D2D用户共享无线资源，在没有降低蜂窝链路性能的前提下，减少对D2D接收者的干扰；利用蜂窝网络控制D2D链路的发射功率和无线资源，通过合适的功率控制，协调两个服务设备之间干扰使得整个系统性能提升；在基于蜂窝网络的D2D通信中引入双向解码和转发(DF)中继，利用帕托雷优化方法协调D2D和蜂窝链路的干扰，最大化和速率。但这些协议在系统中断性能的提升上存在一定的局限性。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

[0005] 本发明目的是提供一种应用于蜂窝D2D通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法，该方法通过将基站作为一个双向放大转发(即：AF)中继，使得D2D通信用户利用直接链路和中继链路两种方式的结合互相交换信息，实现了降低信道间有害干扰，大幅度提升了系统的中断性能。

[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：针对蜂窝D2D通信系统场景，本发明提出了将基站作为D2D链路的双向放大转发(即：AF)中继，实现了该策略下D2D链路中断概率封闭形式的表达式和高信噪比下的近似形式，在总发送功率固定的限制下，构建了系统最优功率分配问题，利用序列二次规划(SQP)算法得到最优值。

[0007] 方法流程：

[0008] 步骤1：基于蜂窝网络的D2D通信系统包括一对D2D用户(即：D2D用户1和D2D用户2)、双向放大中继(即：基站)、蜂窝用户。它们分别用D2D1,D2D2,R和CU表示，D2D1,D2D2,R和CU的发送功率分别为P1,P2,PR,PC。

[0009] 步骤2：在第一时隙时，蜂窝用户CU发送上行信号SC给基站；而在D2D链路中D2D用户1通过中继链路发送信号S1给中继R(即：基站)，同时通过直接链路发送信号S1给D2D用户2。此时对于D2D链路，中继R(即：基站)和D2D用户2都受到来自蜂窝用户CU的干扰。

[0010] 步骤3：在第二时隙中，基站发送下行信号SR给蜂窝用户CU；而在D2D链路中D2D用户2通过中继链路发送信号S2给中继R(即：基站)，同时通过直接链路发送信号S2给D2D用户1。

[0011] 步骤4：在第三时隙中，中继R(即：基站)将前两个时隙接收的混合信号进行放大，放大增益为G，G表示为中继发送功率与混合信号功率之比的算术平方根。中继R(基站)分别将放大信号发送给D2D用户1和D2D用户2。

[0012] 步骤5：根据D2D用户1在第二时隙和第三时隙接收的信号，可以得到D2D用户1的接收信干噪比；根据D2D用户2在第一时隙和第三时隙接收的信号，可以得到D2D用户2的接收信干噪比。

[0013] 步骤6：根据上述步骤5确定的D2D用户1和D2D用户2的信干噪比，定义D2D链路的中断概率Pout为:Pout＝P[min(SINR1,SINR2)≤γth]。其中SINR1为D2D用户1的信干噪比；SINR2为D2D用户2的信干噪比；γth为预先设定的门限值。

[0014] 步骤7：根据分区域积分的方法，将上述步骤6定义的中断概率Pout按积分区域分解为两个积分之和的形式。分别求出两个积分的结果相加，得到提出的D2D传输策略的中断概率。再考虑高信噪比情况下D2D用户端来自蜂窝用户CU的干扰要远远大于噪声的功率，得到高信噪比下系统中断概率的近似形式。

[0015] 步骤8：以系统中断概率最小为优化目标，提出了最优功率分配问题，优化对象为D2D用户对和中继的发送功率P1,P2,PR，约束条件为P1+P2+PR＝P，其中P为固定的总发送功率。利用序列二次规划(即：SQP)算法解出最优值作为系统的最优功率分配方案。

[0016] 本发明的上述方法应用于蜂窝D2D通信系统中。

[0017] 有益效果：

[0018] 1、本发明将直接链路和中继链路相结合，在保证蜂窝用户和D2D用户共享相同的频谱资源前提下，减弱了对D2D链路的有害干扰影响，增大了小区的吞吐量。

[0019] 2、本发明将基站作为双向放大(即：AF)中继支持传输，与传统的D2D通信策略相比，中断性能得到了大幅度地提升。

附图说明

[0020] 图1为本发明的系统模型示意图。

[0021] 图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

[0022] 下面结合说明书附图对本发明创造出进一步的详细说明。

[0023] 如图1所示，本发明的蜂窝D2D通信系统包括一对D2D用户、一个蜂窝用户、一个作为AF中继的基站，分别用D2D1,D2D2,CU,R表示。假设一个单小区场景，信道条件为瑞利衰落信道，所有的节点工作在半双工模式下，配备的是单天线，上行和下行信道是互惠不变的，而且高信噪比情况下，来自蜂窝用户对D2D链路的干扰要远远大于噪声功率。

[0024] 用Pi来表示i节点的发送功率，其中i∈{1,2,R,C}。对于瑞利衰落信道，用hij来表示节点i到节点j之间的信道系数，其中i,j∈{1,2,R,C},i≠j。因为信道是互惠不变的，有hij＝hji。i(i∈{1,2,R,C})节点的噪声ni假设为加性高斯白噪声(AWGN),有ni～CN(0,N0)。dij表示节点i到节点j之间的距离，容易得到dij＝dji。α表示路径衰落系数。在j节点来自发送节点i的接收功率为 用Si表示来自节点i(i∈{1,2,R,C})的发送信号。

[0025] 本发明提供的传输策略包含三个时隙，在第一时隙中，D2D1以发送功率P1同时发送信号S1到中继R(基站)和D2D2，蜂窝用户CU以发送功率PC发送信号SC到中继R(基站)。因此D2D链路的中继节点R(基站)和D2D2受到来自CU的干扰影响，第一时隙在D2D2，中继R(基站)的接收信号分别表示为：

[0026]

[0027]

[0028] 其中上述表达式中(1)表示三个时隙中的第一时隙。

[0029] 在第二时隙中，D2D2以发送功率P2同时发送信号S2到中继R(基站)和D2D1，同时基站发送蜂窝链路的下行信号到CU。第二时隙在D2D1和中继R(基站)的接收信号分别表示为：

[0030]

[0031]

[0032] 其中上述表达式中(2)表示三个时隙中的第二时隙。

[0033] 中继R(基站)结合前两个时隙的接收信号，对混合信号进行放大并在第三时隙同时转发给两个D2D用户。则在中继R(基站)的混合信号为：

[0034]

[0035] 中继R(基站)的放大系数表示为：

[0036]

[0037] 放大系数G可以确保中继R(基站)的发送功率为PR。

[0038] 在第三时隙中，D2D1,D2D2接收到来自中继R(基站)的放大转发信号，分别表示为：

[0039]

[0040]

[0041] 其中上述表达式中(3)表示三个时隙中的第三时隙。

[0042] 在公式(7),(8)中代入(5)，在消除自干扰之后，D2D1,D2D2端在第三时隙的接收信号可以写为：

[0043]

[0044]

[0045] D2D1在第二时隙和第三时隙接收到信号，D2D2在第一时隙和第三时隙接收到信号，因此D2D1,D2D2的接收信干噪比(SINR)分别为：

[0046]

[0047]

[0048] 中断概率被定义为瞬时SINR小于一个设定的阈值γth，即

[0049] Pout＝P[SINR≤γth]  (13)

[0050] 本发明基于传统的D2D通信理论，在已有的蜂窝网络基础上，既有效抑制信道间的有害干扰，又能大幅度提升系统中断性能，具体得出该策略下中断性能步骤包括如下：

[0051] 1)系统中断概率

[0052] 两个D2D通信用户D2D1,D2D2都必须正确地接收信号，因此中断性能的度量必须同时考虑D2D1与D2D2的端到端SINR。则D2D链路的中断概率可以被写为：

[0053] Pout＝P[min(SINR1,SINR2)≤γth]  (14)

[0054] 通过将式子X＝P1R|h1R|2,Y＝P2R|h2R|2,Z＝PCR|hCR|2,W＝P12|h12|2,V＝P21|h21|2和T＝PC2|hC2|2代入(11)和(12)中，两个D2D用户接收SINR分别被简化为：

[0055]

[0056]

[0057] 其中a＝G2/P1,b＝G2/P2。

[0058] 因此D2D链路的中断概率被表示成：

[0059]

[0060] 根据(17)推出非中断概率的表达式为：

[0061]

[0062] 其中，

[0063]

[0064] X和Y是独立的指数随机变量，因此(18)式中的积分区域是得到非中断概率的关键。联立方程组 和 计算解出方程组的解即交叉点(X0,Y0)为：

[0065]

[0066]

[0067] 直线 X正经过交叉点(X0,Y0)，将积分区域划分为两个部分。因此根据积分区域，非中断概率表达式可以表示成两个积分之和：

[0068]

[0069] 其中X＝P1R|h1R|2～CN(1/P1R),Y＝P2R|h2R|2～CN(1/P2R)。

[0070] 对(21)进行积分计算，推出非中断概率的表达式为：

[0071]

[0072] 因此得到D2D中断概率的表达式为：

[0073]

[0074] 代入上述已定义的K,L,M,N之后，表达式(23)变为：

[0075]

[0076]

[0077]

[0078] (24)式就是该策略下D2D链路中断概率的精确表达式。

[0079] 2)高信噪比下中断概率的近似形式

[0080] 本发明中在假设高信噪比情况下，对于D2D用户来自蜂窝用户的干扰要远远大于噪声的功率，但是不能忽略噪声在中继R(基站)被放大了。因此，根据公式(24)的结论，得出高信噪比时中断概率的近似表达式为:

[0081]

[0082]

[0083]

[0084] 3)最优功率分配方案

[0085] 对于本发明提供的传输策略，使用中断概率作为度量对D2D链路进行功率的优化分配，目的是通过最优功率分配方案合理地分配发送功率P1,P2,PR使得中断概率达到最小，约束条件是固定的总发送功率P。

[0086] 因此优化问题被阐述为：

[0087]

[0088] s.t. P1+P2+PR＝P

[0089] 根据所述公式(14)的结论，上述优化问题被转化成：

[0090]

[0091] s.t. P1+P2+PR＝P

[0092] 引入辅助变量t使得问题易处理：t＝min(SINR1,SINR2)，目标函数变为 因此最优功率分配问题重新表示为：

[0093]

[0094] s.t. P1+P2+PR＝P  (28)

[0095] SINR1≥t,SINR2≥t

[0096] 上述公式(28)是一个非线性约束优化问题，采用序列二次规划(SQP)算法解出最优值即为该传输策略下的最优功率分配方案。

[0097] 综上所述，本发明是采用直接链路和中继链路相结合的方式，将基站作为D2D链路的双向放大转发中继，使得D2D用户能在两个不同时隙内接收到目标信号，大幅度地提升了系统的中断性能。