單源單宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在直通單源單宿中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法，該方法包括資源分配和數(shù)據(jù)傳輸兩個部分，單源單宿是指通信由一個發(fā)送源端直通用戶向一個接收宿端用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。資源分配過程是指直通用戶在建立通信鏈路之前需要向基站申請頻率資源的過程，基站需要根據(jù)申請用戶的地理位置、傳輸環(huán)境、業(yè)務的數(shù)據(jù)類型等判決該如何向該直通用戶分配理想的頻率資源，在保證直通鏈路通信的有效性和可靠性的同時，不影響蜂窩系統(tǒng)的正常運行。數(shù)據(jù)傳輸過程是指在直通用戶獲得頻率資源之后，如何使用該資源進行高效通信的過程。該過程中我們采用自適應編碼調(diào)制和混合自動重傳相結(jié)合的方式進行鏈路通信。
【專利說明】單源單宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機通信【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種單源單宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中引入直通技術(shù)(D2D)可以克服MT-Advanced系統(tǒng)中隨著無線多媒體業(yè)務發(fā)展帶來的以基站為中心的小區(qū)業(yè)務提供模式在適應本地業(yè)務發(fā)展方面的局限性，D2D技術(shù)能夠改善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、增強覆蓋、提高系統(tǒng)容量。
[0003]但是，D2D技術(shù)的提出帶來新的問題:需要基站協(xié)助對其進行合適的資源分配；在基站分配給D2D與蜂窩相同資源時，被復用蜂窩用戶由于與D2D通信占用相同的資源(時間或頻率)，使得這兩種通信之間存在相互干擾；用戶設(shè)備的體積功耗限制使D2D通信的功率和距離受限。
[0004]為了解決D2D中的問題，需要有效的機制提高D2D的資源利用率，包括給D2D用戶分配合理的資源和一旦分配資源D2D用戶必須高效利用資源兩個內(nèi)容。本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。距離的限制可以通過中繼的輔助，一方面可以增強D2D鏈路性能，提升系統(tǒng)容量，另一方面可降低D2D發(fā)射方功率，降低對蜂窩用戶干擾。自適應編碼調(diào)制和混合自動請求重傳結(jié)合方案可以很好地解決高效性問題。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供了一種直通單源單宿中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法，該方法能夠增強D2D鏈路性能，提升系統(tǒng)資源利用率，并且能夠降低D2D發(fā)射方功率，降低對蜂窩用戶干擾，通過跨層設(shè)計和中繼輔助將帶來更大性能提升。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明是一種直通單源單宿中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法，該方法為實現(xiàn)多對單源單宿D(zhuǎn)2D對空閑競爭時的中繼分配方法，適用于下一代蜂窩系統(tǒng)，該方法提出了使用跨層設(shè)計的資源分配和利用問題。
[0007]方法流程:
[0008]本發(fā)明提供了一種直通單源單宿中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法，該方法為基于蜂窩系統(tǒng)的單源單宿中繼實現(xiàn)方法，其包括如下步驟:
[0009](1)通信場景(如圖1所示):
[0010]直通蜂窩用戶的發(fā)端記為Dt，接收端記為Dr，中繼記為R。如果Dr在Dt的有效通信距離內(nèi)，兩者可以直接建立通信鏈路；如果Dr不在Dt的有效通信距離內(nèi)，Dt需要通過中繼R與Dr進行通信，此時Dt和R構(gòu)成了一對D2D通信；R和Dr也構(gòu)成了一對D2D通信，R復用蜂窩用戶的頻率資源。圖中實箭頭表示D2D用戶之間的通信鏈路，虛箭頭表示D2D通信鏈路建立之前，與基站取得聯(lián)系獲取通信信道資源的鏈路。
[0011]D2D用戶有兩種情形，一種是用戶設(shè)備跟蜂窩用戶設(shè)備相同，可以使用蜂窩系統(tǒng)中各個頻點發(fā)射信號，但是沒有被分配蜂窩系統(tǒng)資源；另一種是用戶本身就是蜂窩用戶，已經(jīng)分配了信道資源，可以轉(zhuǎn)發(fā)信號，具有中繼節(jié)點功能。在此，我們針對第一種用戶進行討論；
[0012]在本發(fā)明中，我們主要關(guān)注邊緣D2D通信場景。D2D用戶的發(fā)射功率很低，通信距離很短，不足以向較遠距離的基站發(fā)送信號，除基站附近的D2D用戶外，需要通過與附近的蜂窩用戶通信的方式與基站取得聯(lián)系；
[0013]D2D用戶在接收信號的同時可以轉(zhuǎn)發(fā)信號給其他D2D用戶；
[0014](2)基站對直通用戶的資源分配流程如下(如圖2所示):
[0015]步驟一:D2D發(fā)送端首先在CCCH上廣播發(fā)送會話請求；
[0016]步驟二:如果在其有效通信范圍內(nèi)存在愿意幫助D2D用戶轉(zhuǎn)發(fā)信號的蜂窩用戶，那么該蜂窩用戶就向D2D的發(fā)送端回復一個確認信號，同時將D2D的請求發(fā)給基站
[0017]步驟三:基站監(jiān)測直通用戶附近用戶的CCCH上的信息，并根據(jù)信息測量附近存在的干擾狀況；
[0018]步驟四:基站在接收到該請求后，根據(jù)跨層優(yōu)化的準則為D2D用戶分配可用的頻率等資源，并通過CCCH通知D2D發(fā)送端；
[0019]步驟五:D2D發(fā)送端根據(jù)基站分配的資源進行通信；
[0020]步驟六:如果D2D發(fā)送端沒有收到接收端的確認信息，則根據(jù)基站的分配信息，向?qū)姆涓C用戶發(fā)出中繼請 求，如果收到確認信息，則D2D成功建立通信鏈路。
[0021](3)資源分配過程的跨層優(yōu)化準則
[0022]設(shè)計原則:
[0023]1、通信鏈路必須能夠滿足直通用戶的用戶需求，包括業(yè)務類型、數(shù)據(jù)傳輸速率、可允許的錯誤概率參數(shù)；
[0024]2、在申請資源分配時，直通用戶有效通信范圍內(nèi)的蜂窩用戶愿意為直通用戶向基站轉(zhuǎn)發(fā)信息；在中繼鏈路建立過程中，蜂窩用戶愿意并且能夠為直通用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
[0025]根據(jù)以上原則，在基站處，需要綜合考慮各個鏈路流量、鏈路費用、鏈路傳輸環(huán)境、功率損耗、傳輸可靠性方面的問題，為此定義效用函數(shù)Φ (Pd)如下:
[0026]Φ(Ρ,) ^rdPd+(Xiltli +XcidlMli,⑴
[0027]其中，符號Pd表示直通用戶發(fā)送端的功_ d, g示直通用戶發(fā)送端到其有效通信范圍內(nèi)的第i個蜂窩用戶Ci的距離，K表示直通用戶發(fā)送端到Ci用戶的衰落路徑損耗，rd
表示直通用戶的數(shù)據(jù)傳輸速2 P表示直通用戶發(fā)送端與Ci用戶建立鏈路傳輸單位比特
數(shù)據(jù)所需要的費用，同時假設(shè)該費用與Ci用戶向直通鏈路接收端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的鏈路上的費用相同，α表示直通用戶發(fā)送端到Ci用戶的路徑損耗。
[0028]在基站處通過對效用函數(shù)進行優(yōu)化得到所需要的資源分配策略，優(yōu)化方法如下:
【權(quán)利要求】
1.一種單源單宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)基站對直通用戶(D2D)的資源分配流程，包括如下步驟: 步驟一:D2D發(fā)送端首先在前向公共控制信道(CCCH)上廣播發(fā)送會話請求； 步驟二:如果在其有效通信范圍內(nèi)存在愿意幫助D2D用戶轉(zhuǎn)發(fā)信號的蜂窩用戶，那么該蜂窩用戶就向D2D的發(fā)送端回復一個確認信號，同時將D2D的請求發(fā)給基站 步驟三:基站監(jiān)測直通用戶附近用戶的CCCH上的信息，并根據(jù)信息測量附近存在的干擾狀況； 步驟四:基站在接收到該請求后，根據(jù)跨層優(yōu)化的準則為D2D用戶分配可用的頻率等資源，并通過CCCH通知D2D發(fā)送端； 步驟五:D2D發(fā)送端根據(jù)基站分配的資源進行通信； 步驟六:如果D2D發(fā)送端沒有收到接收端的確認信息，則根據(jù)基站的分配信息，向?qū)姆涓C用戶發(fā)出中繼請求，如果收到確認信息，則D2D成功建立通信鏈路； (2)資源分配過程的跨層優(yōu)化準則； (3)直通用戶實現(xiàn)高效傳輸?shù)牧鞒?，包括如下步驟: 步驟一:直通用戶 獲得基站分配的最優(yōu)信道； 步驟二:直通用戶向其直通通信的接收端發(fā)送發(fā)送數(shù)據(jù)的請求； 步驟三:直通用戶發(fā)送端等待接收端的確認信息，如果D2D發(fā)送端沒有收到接收端的確認信息，則轉(zhuǎn)向步驟十二，如果收到確認信息，轉(zhuǎn)向步驟四； 步驟四:向接收端用戶發(fā)送建立連接請求，建立通信鏈路； 步驟五:如果直通用戶收到接收端的確認信號，直通發(fā)送端開始向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，首先根據(jù)當前檢測的信號干擾噪聲比(SINR)值選擇相應的自適應調(diào)制編碼(AMC)方案，根據(jù)相應的方案對數(shù)據(jù)進行調(diào)整編碼； 步驟六:發(fā)送數(shù)據(jù)； 步驟七:直通用戶發(fā)送端等待接收端是否正確接收到信號的確認信息，如果正確接收，轉(zhuǎn)向步驟九，否則轉(zhuǎn)向步驟八； 步驟八:如果發(fā)送端沒有收到接收端的確認(ACK)，則發(fā)送端啟動混合自動請求重傳(HARQ)機制，判斷是否超過最大重傳次數(shù)，如果沒有則轉(zhuǎn)向步驟六，直到達到最大傳輸次數(shù)，如果在沒有達到最大傳輸次數(shù)時就已經(jīng)收到ACK，則進入步驟六，否則結(jié)束HARQ，轉(zhuǎn)向步驟十； 步驟九:判斷數(shù)據(jù)是否傳輸完畢，如果傳輸完畢則轉(zhuǎn)向步驟十三，否則，轉(zhuǎn)向步驟六； 步驟十:重新估價SINR ； 步驟十一:判斷SINR是否變化，如果SINR值沒變，說明該信道不適合直通傳輸，轉(zhuǎn)向步驟一，直通用戶重新向基站申請可用資源，如果SINR值改變，則轉(zhuǎn)向步驟五，直通用戶發(fā)送端根據(jù)變化的SINR值，調(diào)整AMC方案，繼續(xù)使用該信道發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束； 步驟十二:根據(jù)基站的分配信息，向?qū)姆涓C用戶發(fā)出中繼請求； 步驟十三:釋放信道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單源單宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述方法中的資源分配過程的跨層優(yōu)化準則包括:. 1、通信鏈路必須能夠滿足直通用戶的用戶需求，包括業(yè)務類型、數(shù)據(jù)傳輸速率、可允許的錯誤概率參數(shù)；. 2、在申請資源分配時，直通用戶有效通信范圍內(nèi)的蜂窩用戶愿意為直通用戶向基站轉(zhuǎn)發(fā)信息；在中繼鏈路建立過程中，蜂窩用戶愿意并且能夠為直通用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)； 根據(jù)以上原則，在基站處，需要綜合考慮各個鏈路流量、鏈路費用、鏈路傳輸環(huán)境、功率損耗、傳輸可靠性方面的問題，為此定義效用函數(shù)Φ (Pd)如下:
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單源單宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，所述方法的公式中條件包括: 公式中條件(2.a)是對節(jié)點流量進行約束，表明對在直通用戶有效通信距離內(nèi)的任意蜂窩用戶而言，從該用戶出流入的流量，即直通用戶發(fā)給蜂窩用戶的流量，與蜂窩用戶向基站發(fā)送自己數(shù)據(jù)的流量，和向直通的接收端用戶轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)流量之和應該不大于蜂窩用戶的最大節(jié)點流量； 公式中的條件(2.b)是對Ci用戶發(fā)送功率的限制，Ci用戶發(fā)送4比特數(shù)據(jù)的總功率和轉(zhuǎn)發(fā)直通用戶rd比特數(shù)據(jù)的總功率之和不能超過Ci用戶發(fā)送自身最大比特數(shù)據(jù)的最大發(fā)送總功率； 公式中條件(2.c)是對Ci用戶和直通用戶發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)功率的限制，兩者都不能低于最低功率也不能聞于最聞功率限制； 公式中條件(2.d)是對不需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)的直通通信的Dr用戶的信號信道噪聲比的限制，在Dr用戶端要保證使用Ci用戶頻率資源的通信 鏈路不會對Dr用戶的接收產(chǎn)生有害干擾。
【文檔編號】H04W8/14GK103796192SQ201410041338
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】孫君, 朱洪波 申請人:南京郵電大學