Overlay工作模式下D2D通信中基于用戶運(yùn)動(dòng)的中繼選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的通信路由或通信路徑查找技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及使用 選擇性中繼技術(shù)，具體設(shè)及一種D2D通信中基于用戶運(yùn)動(dòng)的中繼選擇方案。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展需求，如何充分利用有限的資源一直是研究的熱點(diǎn)問 題。為了進(jìn)一步提高資源利用率，3GPP組織啟動(dòng)了一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作，如構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、小 區(qū)分簇等，運(yùn)營商也不斷加大對(duì)Small Cell的投資。相對(duì)于投入大量資金鋪設(shè)小型基站，運(yùn) 營商更傾向于系統(tǒng)的平滑演進(jìn)，終端直通近距離服務(wù)(Device Proximity Services,也就 是人們常說的D2D)技術(shù)能夠在沒有基站的中轉(zhuǎn)下，實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備之間的直接通信，拓展了 網(wǎng)絡(luò)連接和接入方式。D2D直接通信技術(shù)是短距離直接通信，信道質(zhì)量高，具有較高的數(shù)據(jù) 速率、較低的時(shí)延和較低的功耗;通過廣泛分布的終端設(shè)備，能夠改善覆蓋，實(shí)現(xiàn)頻譜資源 的高效利用;支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。由此，D2D 技術(shù)是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 在實(shí)際應(yīng)用中，通信系統(tǒng)中還會(huì)出現(xiàn)下列現(xiàn)象：電波在傳播過程中遇到障礙物而 形成陰影區(qū)域，尤其未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)速率主要是在極高頻段實(shí)現(xiàn)的，而高頻段 電磁波的穿透能力較差；由于D2D通信終端發(fā)射功率較小，兩個(gè)相距一定距離的D2D通信終 端不能直通;小區(qū)邊緣用戶通信質(zhì)量較差；由于網(wǎng)絡(luò)中局部業(yè)務(wù)超載而形成的業(yè)務(wù)繁忙區(qū) 域，比如商業(yè)中屯、、體育場館等區(qū)域，該區(qū)域業(yè)務(wù)阻塞率通常會(huì)比較高，用戶體驗(yàn)隨之下降 等等。針對(duì)上述問題，目前正在發(fā)展網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)終端作為中繼節(jié)點(diǎn)提高通信效率和質(zhì)量， 如圖1所示。如何從眾多潛在的中繼中選擇一個(gè)最佳的中繼或一個(gè)最佳的中繼協(xié)作集，從而 有效地利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)吞吐量或優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，成為一個(gè)值得關(guān)注的問題。
[0004] 名稱為"蜂窩小區(qū)間D2D通信傳輸模式切換方法"、公開號(hào)為CN103763744A的發(fā)明 申請(qǐng)公開了一種蜂窩小區(qū)間D2D通信傳輸模式切換方法，它可W根據(jù)蜂窩系統(tǒng)傳輸總可達(dá) 速率最大化準(zhǔn)則，允許D2D用戶在傳統(tǒng)蜂窩通信模式、傳統(tǒng)D2D通信模式和雙向中繼D2D通信 模式=種模式中動(dòng)態(tài)切換。
[0005] 名稱為"D2D中繼資源配置方法、裝置及系統(tǒng)"、公開號(hào)為CN105246027A的另一項(xiàng)方 面申請(qǐng)公開了一種通過基站為具有中繼功能的終端配置?？谟糜诎l(fā)現(xiàn)具有中繼功能的終 端的資源池，從而避免了遠(yuǎn)端終端在多個(gè)資源池內(nèi)切換監(jiān)聽的現(xiàn)象，W提高具有中繼功能 的終端發(fā)現(xiàn)過程的效率，縮短建立D2D通信鏈接過程耗時(shí)的問題。
[0006] 用戶處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)場景是目前蜂窩小區(qū)中D2D通信在實(shí)際工程應(yīng)用面臨的比較突 出而又迫切需要解決的中繼選擇問題。上述公開專利對(duì)于此問題沒有提出有效的解決方 案。用戶處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通信過程中中繼有可能離開D2D中繼協(xié)作區(qū)間而需中繼切換，如果 因中繼選擇不合理而頻繁的中繼間切換，運(yùn)將帶來復(fù)雜的測量、頻繁的初始化、延時(shí)、丟包、 斷線等降低系統(tǒng)性能的現(xiàn)象，基于用戶運(yùn)動(dòng)如何選擇合理的蜂窩用戶作為中繼是一個(gè)重要 研究課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)W上技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種在Overlay工作模式下D2D通信中基于用 戶運(yùn)動(dòng)的中繼選擇方案，盡量減少在用戶運(yùn)動(dòng)的前提下，D2D通信中中繼切換的次數(shù)，從而 提高D2D通信質(zhì)量。Over lay與中繼選擇方案的關(guān)系為:在Over lay工作模式下蜂窩通信和 D2D通信之間沒有干擾，此時(shí)無需考慮蜂窩通信與D2D通信之間的干擾問題，從而無需考慮 蜂窩通信的上下行情況
[000引為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種Overlay工作模式下D2D通信中基于用戶運(yùn)動(dòng)的 中繼選擇方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟一:建立MIMO蜂窩網(wǎng)絡(luò)下基于中繼的D2D通信網(wǎng)絡(luò)，各蜂窩用戶配備單一全向 天線，D2D發(fā)射端DTx和接收端DRx的信號(hào)覆蓋重疊范圍為中繼協(xié)作區(qū)域；
[0010] 步驟二:統(tǒng)計(jì)在中繼協(xié)作區(qū)域內(nèi)可選為中繼的蜂窩用戶CRx的個(gè)數(shù)，W及它們的位 置和移動(dòng)方向；
[0011] 步驟根據(jù)步驟二中提供的數(shù)據(jù)，W最大化中繼持續(xù)時(shí)間和最小化中繼切換率 為目標(biāo)選出最佳中繼。
[0012] 作為優(yōu)選，每個(gè)用戶只有一根天線，用戶的信號(hào)覆蓋半徑為r，D2D發(fā)射端DTx和接 收端DRx之間的距離為d，r<d<^，由于r<d<化，DTx和Dfcc需要蜂窩用戶邸X輔助實(shí)現(xiàn)通 信，初始時(shí)刻一個(gè)D2D用戶對(duì)的中繼協(xié)作區(qū)域Do中有K個(gè)CRx可選為中繼，所有中繼節(jié)點(diǎn)CRx 和D2D用戶是可W移動(dòng)的，分別WDTx、DRx為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。
[001引進(jìn)一步，假設(shè)第k個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)CRxk，其中1含k含K，在t時(shí)刻相對(duì)DTx的坐標(biāo)為（XTk (t)，yTk(t))，速度為(VTk(t)，目Tk(t));第k(l非非)個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)CRxk在t時(shí)刻相對(duì)CRx的坐 標(biāo)為（邸k(t)，yRk(t))，速度為（VRk(t)，目Rk(t));
[0014] (XTk( t)，yTk( t))由邸X與DTx的絕對(duì)位置坐標(biāo)差值得到，VTk( t)為CRxk相對(duì)于DTx移 動(dòng)速度大小的隨機(jī)變量，0Tk ( t )為CRxk相對(duì)于DTx移動(dòng)方向的隨機(jī)變量，（VTk (t)，0Tk( t))由 CRxk和DTx的絕對(duì)速度的矢量差得到，設(shè)VTk( t)，0Tk( t)在t時(shí)刻的概率密度函數(shù)分別為fT (ti)、fT0(白(t));
[001引 （XRk( t)，yRk( t))由CRx與DRx的絕對(duì)位置坐標(biāo)差值得到，VRk( t)為CRxk相對(duì)于Dfcc移 動(dòng)速度大小的隨機(jī)變量，0Rk(t)為CRxk相對(duì)于DRx移動(dòng)方向的隨機(jī)變量，（VRk(t)，0Rk( t))由 CRxk和DRx的絕對(duì)速度的矢量差得到，設(shè)VRk(t)，0Rk(t)在t時(shí)刻的概率密度函數(shù)分別為fRV(V (t))、fR0(白(t))。
[0016] 進(jìn)一步，GTk(t)、GkR(t)分別為在t時(shí)刻的DRx到CRxk、CRx翊DRx的鏈路增益，其中的 GTk(t)、GkR(t)定義為
[0017] GTk(t)=kSTk(t)(d〇/dTk(t))a (1)
[001 引 GkR(t)=kskR(t)(do/dkR(t)r (2)
[0019]
[0020] 前述公式中，k和do為歸一化常數(shù)，dTk(t)和dkR(t)為DRx到CRxk、CRxk至化Rx傳輸距 離，a是路損指數(shù)，STk(t)和skR(t)是陰影衰落因子，表示初始時(shí)刻，第k(l含k含K)個(gè)中繼節(jié) 點(diǎn)CRa運(yùn)動(dòng)到DTx信號(hào)覆蓋外的時(shí)刻為tTk，此時(shí)dTk(tTk) >r，運(yùn)動(dòng)到DRx信號(hào)覆蓋外的時(shí)刻 為tRk，此時(shí)dkR(tRk)>r，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)在激活模式和空閑模式之間相互轉(zhuǎn)換，設(shè)D2D通信服 務(wù)持續(xù)時(shí)間ta、中繼節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)間ti均是服從指數(shù)分布的隨機(jī)變量，均值為
，概率密 度函數(shù)分別為fT(ta)、fV(ti)，貝1J:
[002。 /r(0 = /化-斯，/" > 0 (3)
[0022] 尤(/,')=如心1,/,.>0 (4)。
[0023] CRa相對(duì)于DTx的初始坐標(biāo)為（XTkO，yTk〇)，則：
[0024] XTk(t) =XTkO+VTktCOS目 Tk (5)
[0025] YTk(t) =yTk〇+VTktsin 目 Tk (6)
[0026] 首先計(jì)算 tTk、tRk，
[0027] dTk(tTk)=r (7)
CS)
[0029]根據(jù)式(7)、（8)，可W得到：
C 9：)
[0031]同理：
(10)。
[0033] 中間節(jié)點(diǎn)間發(fā)生切換由下列兩種情況決定：
[0034] (1)中繼節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到中繼協(xié)作區(qū)域外，設(shè)此事發(fā)生的概率為：
[003引巧:二巧> y = r鱗冉。涼。=色為 （11)
[0036] 運(yùn)里tm=min(tTk,t[?k);
[0037] (2)中繼節(jié)點(diǎn)激活-空閑模式的轉(zhuǎn)換，設(shè)此事件發(fā)生的概率為：