中在BS處檢測(cè)D1信號(hào)時(shí)的誤符號(hào)率曲線示意圖；
[0052]圖5為仿真實(shí)驗(yàn)中D1^D2傳輸鏈路的誤符號(hào)率曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0054] 參考圖1，本發(fā)明所述的協(xié)作式D2D系統(tǒng)中基于信號(hào)對(duì)齊的干擾避免和安全傳輸方 法，協(xié)作式D2D系統(tǒng)包括基站BS、用戶D 1、用戶02以及蜂窩用戶⑶，基站BS與蜂窩用戶⑶構(gòu)成 蜂窩子系統(tǒng)，用戶Di與用戶D2構(gòu)成D2D子系統(tǒng)，D2D子系統(tǒng)與蜂窩子系統(tǒng)之間進(jìn)行協(xié)作，用戶 〇:作為中繼節(jié)點(diǎn)輔助基站BS與蜂窩用戶CU完成雙向數(shù)據(jù)交互，蜂窩子系統(tǒng)允許用PD 1及用 戶出使用蜂窩網(wǎng)頻譜進(jìn)行通信，具體包括：
[0055] 基站BS、用戶D1、用戶02以及蜂窩用戶⑶在信息傳輸時(shí)，先將信號(hào)星座點(diǎn)經(jīng)過信號(hào) 星座旋轉(zhuǎn)后再發(fā)送出去；
[0056] D2D子系統(tǒng)和蜂窩子系統(tǒng)之間的每次協(xié)作傳輸由兩個(gè)階段構(gòu)成，其中，在第一階 段，基站BS、蜂窩用戶⑶、用戶D2分別發(fā)送各自的信號(hào)至用戶D 1;在第二階段，用戶D1轉(zhuǎn)發(fā)由 基站BS發(fā)送的信號(hào)及蜂窩用戶CU發(fā)送的信號(hào)組合成的復(fù)合信號(hào)，實(shí)現(xiàn)蜂窩用戶CU和基站BS 之間的雙向信息傳遞，同時(shí)，用戶D1將自身需要發(fā)送的信號(hào)傳輸至用戶D2。
[0057] 基站BS、蜂窩用戶⑶、用戶D1及用戶02的星座旋轉(zhuǎn)角度滿足的條件為：
[0058] 當(dāng)XQ為取自原始星座集X的符號(hào)，旋轉(zhuǎn)后的符號(hào)X = e#XQ，旋轉(zhuǎn)角度Θ滿足：
[0060] 其中，i矣k，《{4及界:行分別為符號(hào)X的實(shí)部和虛部，X1和Xk分別為旋轉(zhuǎn)后的星座 集合中任意兩個(gè)星座點(diǎn)；
[0061] 滿足式（1)的旋轉(zhuǎn)角度顯然是不唯一的，因此，各節(jié)點(diǎn)須要在所有滿足式（1)的旋 轉(zhuǎn)角度中選擇最佳的角度值，具體的，對(duì)于基站BS和蜂窩用戶CU，蜂窩用戶CU和基站BS使用 的星座旋轉(zhuǎn)角度疼^/及巧s滿足：
[0063] 其中，<iD.s及尤n,c分別為基站BS和蜂窩用戶⑶處星座點(diǎn)之間的最小平方距離，
乂8和命分別為基站BS經(jīng) 信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，XC和於7分別為蜂窩用戶CU經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后 的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，hB#PhQ分別為鏈路信道系數(shù)及鏈路⑶^D1的信道系數(shù)；
[0064] 用戶Di和用戶D2使用的星座旋轉(zhuǎn)角度^^及^^滿足：
[0066] 其中，<lin.D1&<^in,D2分別為用戶D 1和用戶D2處星座點(diǎn)之間的最小平方距離，

和〃.?分別為用戶D1經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后 的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，$.?和對(duì)分別為用戶D2經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的任意兩個(gè)信號(hào)星座 點(diǎn)，hi2為鏈路Dl-D2的信道系數(shù)。
[0067] 在第一階段中，基站BS發(fā)送信號(hào)
蜂窩用戶CU發(fā)送信號(hào)
至用戶Dl中，其中，XB、XC、2?分別 為基站BS、蜂窩用戶CU及用戶D2經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的復(fù)星座點(diǎn)，P為基站BS、蜂窩用戶CU 及用戶D2的發(fā)射功率;hBi為基站BS與用戶Di之間的信道系數(shù)，hci為蜂窩用戶CU與用戶Di之 間的信道系數(shù)，hi2為用戶Di與用戶D2之間的信道系數(shù)；ZhBi、Zhci及Z hi2分別為hBi的相位、 1^的相位及h12的相位，則用戶以接收到的信號(hào)為：
[0069] 其中，》為第一階段中用戶D1處的信道加性噪聲，釋為用戶〇1提取^@的虛 部并利用最大似然準(zhǔn)則估計(jì)的值，然后再根據(jù)及式（1)確定^ 從而獲得用戶〇2的 信息。
[0070] 由于D2D子系統(tǒng)和蜂窩子系統(tǒng)之間彼此互不信任，因此對(duì)于蜂窩子系統(tǒng)而言，用戶 D1被看作是一個(gè)竊聽者，用戶Dr#根據(jù)式(4)解碼基站BS和蜂窩用戶CU的信息，具體來說，用 PD1提取ι/g的實(shí)部得：
[0072] 根據(jù)式（5)，用戶0:采用聯(lián)合最大似然檢測(cè)算法來估計(jì)輪(?}和辦吻}，然而由于 ?{_}和》{W}在用戶D1處對(duì)齊于同一方向，因此增加了用戶碼基站BS和蜂窩用戶⑶ 數(shù)據(jù)的難度，從而提升了基站BS和蜂窩用戶CU之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?br>[0073] 第二階段中，用戶D1發(fā)送的信號(hào)4"廠>的表達(dá)式為：
[0075]其中，為用戶D i發(fā)送給用戶D 2的數(shù)據(jù)，α和β為功率歸一化因子，
則用戶D2接收到的信號(hào)的表達(dá)式 為
[0077] 其中，h12為用戶Dl和用戶D2之間的信道系數(shù)，《||為第二階段中用戶仏處的信道加 性噪聲；
[0078] 用戶02對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，然后提取濾波后的信號(hào)的虛部，再根據(jù) 濾波后的信號(hào)的虛部得判決統(tǒng)計(jì)量

[0080]其中，
由于；對(duì).為用戶〇2在第一階段發(fā)送 的信號(hào)，用戶D2從式(8)中減去f 消除自身干擾，然后再利用最大似然準(zhǔn)則檢 測(cè)辦抑：^.}，恢復(fù)出信號(hào)
[0081]用戶D2被看作是蜂窩子系統(tǒng)的潛在竊聽者，會(huì)竊取基站BS和蜂窩用戶CU的數(shù)據(jù)， 為了實(shí)現(xiàn)竊聽，用戶D2構(gòu)造如下的判決統(tǒng)計(jì)量：
[0083]由式(9)可以看出，基站BS和蜂窩用戶CU的信號(hào)對(duì)齊于同一方向，因此增加了用戶 D2對(duì)這兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合譯碼的難度，從而增強(qiáng)了信息傳輸?shù)陌踩浴?br>[0084]第二階段中，基站BS的接收信號(hào))組的表達(dá)式為：
[0086]基站BS首先用
乘以接收信號(hào)^，提取所得結(jié)果的實(shí)部得判決統(tǒng)計(jì)量
其中，
[0088] 其中，
中減去
自干擾消除，得信號(hào)⑥0，其中，
[0090] 基站BS根據(jù)式(12)利用最大似然準(zhǔn)則完成對(duì)的檢測(cè)，再根據(jù)式(1)確定蜂窩 用戶CU經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的復(fù)星座點(diǎn)Xc，從而獲得蜂窩用戶CU的信息。
[0091] 從信息傳輸安全性的角度來考慮，我們假設(shè)基站BS對(duì)于用Pd1和用戶02之間的數(shù) 據(jù)交換來說是一個(gè)竊聽者，為了實(shí)現(xiàn)竊聽，基站BS用
乘以接收信號(hào),v5g，然后提取虛部 以獲得如下判決統(tǒng)計(jì)量：
[0093] 根據(jù)式（13)，基站BS完成對(duì)$仿和··9?的聯(lián)合最大似然檢測(cè)，然而由于用戶Di和用 戶〇2的信號(hào)在公式（13)中對(duì)齊于同一方向，因此其檢測(cè)性能將非常差，從而保障了 1? 〇 1?傳輸?shù)陌踩浴?br>[0094]由于鏈路⑶^D1HBS和鏈路BS^D1H⑶的對(duì)稱性，蜂窩用戶⑶所完成的信號(hào)檢測(cè) 過程與上述給出的基站BS所完成的信號(hào)檢測(cè)過程相同。
[0095]所述星座旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)則還滿足：當(dāng)k矣I，則有，
[0097] 其中，基站BS所采用的任意兩個(gè)原始星座點(diǎn)6 蜂窩用戶⑶所采用的 任意兩個(gè)原始星座點(diǎn)
[0098] 公式（14)所給出的限制條件破壞了對(duì)齊信號(hào)，即Pm陳(?} +丨^ ，辦吻} 和丨）之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，其效果是：即使系統(tǒng)的平均信噪比SNR趨于無窮從而使得 用戶D 1或用戶D2能夠無誤地譯碼對(duì)齊信號(hào)，也無法唯一地確定出和戈{〇、}分別為何 值，從而使用戶D 1或用戶D2在進(jìn)行竊聽時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤碼平臺(tái)和極高的檢測(cè)錯(cuò)誤概率。
[0099]然而式（14)給出了為了增強(qiáng)安全性星座旋轉(zhuǎn)角度所應(yīng)當(dāng)滿足的條件，但是該式 (14)并未給出明確的準(zhǔn)則，為了解決這一問題，設(shè)基站BS和蜂窩用戶CU采用相同的調(diào)制方 式，即Xbs = Xqj = X，則式（14)轉(zhuǎn)換為：
[0101]設(shè)u(k)-U(1)為實(shí)數(shù)，由式(15)得：
[0102] hBi I cos0bs= I hci | cos0Cu (16)
[0103] 以能夠最大化蜂窩鏈路最小平方歐氏距離為目標(biāo)求解式(16)，得：
[0105] 其中，
.分別為基站BS和蜂窩用戶⑶處星座點(diǎn)之間的最小平方距離，
.分別為基站BS經(jīng) 信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，紅和分別為蜂窩用戶CU經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后 的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，hBjPha分別為鏈路BS^DjP鏈路⑶^D1的信道系數(shù)。
[0106] 仿真實(shí)驗(yàn)
[0107] 為了驗(yàn)證本發(fā)明所提出的方法的性能，我們進(jìn)行了如下的計(jì)算機(jī)仿真：
[0108] 在仿真中，我們假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都分布在二維平面，不失一般性，設(shè)基站BS和蜂窩用 戶CU分別位于(0,0)和（1，1);用戶0:在1\1直角坐標(biāo)系的第一象限內(nèi)隨機(jī)分布，對(duì)于任意 一個(gè)給定的用PD1的位置坐標(biāo)，限定另一個(gè)D2D用戶D2與用戶D1之間的距離不超過L，其中，L 的取值遠(yuǎn)小于BS和CU之間的距離，在仿真中我們?cè)O(shè)L = O.3,信道系數(shù)服從復(fù)高斯隨機(jī)分布 模型，即：
其中，du為節(jié)點(diǎn)i和j之間的距離，ri = 3為路徑損耗指 數(shù)，除非特別說明，在下面的仿真中各節(jié)點(diǎn)均采用QPSK作為調(diào)制方式，為了與已有的方法進(jìn) 行對(duì)比，考慮疊加編碼方法和協(xié)作雙向傳輸方法。需要指出的是，疊加編碼方法是一種單向 的傳輸方案，而協(xié)作雙向傳輸方法和本發(fā)明所提方法都是雙向傳輸方案，因此，為了進(jìn)行公 平的對(duì)比，我們假設(shè)在疊加編碼方法中各節(jié)點(diǎn)使用16QAM的調(diào)制方式。
[0109] 參考圖2,圖2給出了在D1*檢測(cè)蜂窩用戶CU時(shí)的誤符號(hào)率（Symbol Error Probability ,SEP)仿真結(jié)果，由圖2可知，采用兩種基準(zhǔn)方法時(shí)，誤符號(hào)率會(huì)隨信噪