蜂窝系统中D2D和固定中继两种协作多播模式的选择方法

摘要

一种蜂窝系统中终端直通D2D和固定中继两种协作多播模式的选择方法，基于多播传输中发送速率受限于最差用户的信道质量，且最差用户通常分布在小区边缘的规律，将一跳传输分为信道质量较好的两跳传输，以实现更高的数据传输速率和更大的吞吐量。本发明方法是根据实际情况比较第二跳时固定中继多播和移动终端D2D多播的两种协作方式的效用值大小，选择最优化的传输策略，提升了蜂窝系统的整体运行效用值。本发明有效结合两种协作中继多播的优点，合理选择中继方式，提升多播业务的传输速率和对边缘用户的覆盖率，优化了蜂窝系统的整体效用，能够获得更好的用户体验；且操作步骤简单，计算复杂度低，技术上容易实现，具有很好的推广应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现多播效用最大化的模式选择方法，确切地说，涉及一 种蜂窝系统中终端直通D2D（Device-to-Device）协作多播与固定中继协作多播 的两种模式选择方法。属于无线通信传输技术领域。

背景技术

随着移动电视、视频/电话会议等宽带多媒体业务需求的不断增加，蜂 窝系统的容量、覆盖及其服务灵活性的性能参数已经成为下一代无线网络亟 需解决的重要问题。因为蜂窝通信系统是以基站为中心的小区覆盖的局限 性，高级国际移动通信系统IMT-Advanced（International Mobile  Telecommunications-Advanced）是一种具有超过IMT-2000能力的新移动系 统，该系统能够提供广泛的电信业务：由移动和固定网络支持的日益增加的 基于包传输的先进的移动业务。该系统还支持从低到高的移动性的应用和很 宽范围的数据速率，满足多种用户环境下用户和业务的需求。此外，该系统 具有在广泛服务和平台下提供显著提升QoS的高质量多媒体应用的能力。 但是，该系统仍然存在覆盖和容量等多方面的问题。

中继技术已被广泛确认为能够有效提高网络吞吐量和实现高带宽信道 传输。尽管中继技术能提高小区覆盖性能，增强小区边缘用户体验。然而， 由于基站与中继站都不具有移动性，其网络结构和业务支持的灵活性仍然不 够丰富，系统覆盖与小区边缘用户的容量仍然存在较高的提升空间。在这样 背景下，利用移动终端作为中继节点的技术以其部署方便、造价低廉等优势， 在近年受到广泛关注。

D2D技术，即终端直通技术，是指地理位置较近的终端不需通过中心节 点（即基站）转发而直接通过两者直传链路传输数据的方式。其传输特点的 优势是：D2D可以复用蜂窝系统的资源，从而实现较高的频谱利用率；D2D 可以通过控制功率等方式，将其对蜂窝用户的干扰控制在可接受范围内；因 D2D采用近距离直接通信方式，可实现较低的功耗、较高的数据速传输率和 较低的时延；由于用户终端分布广泛且数量庞大，可以扩大小区的覆盖范围。 但是，移动终端也存在其移动性强、供电和处理能力弱等若干固有的缺陷。

总之，上述中继站和D2D的两种中继方式对于扩展小区覆盖范围，提 升边缘用户服务体验都有比较好的效果。

近年来，多播业务的传输受到了广泛的关注和研究。传统多播业务是采 用同一频率向移动终端同时发送相同的信号，因此信号强度和发送速率受限 于接收到的信号最差的用户信道质量。一般情况下，这些接收到的信号最差 的用户通常都位于距离基站较远的小区边缘。为了克服这个缺点，Chengjin  Wang提出：通过小区中的固定中继转发来减小单跳组播服务半径提高数据 速率的技术；再应用分层编码技术。因基站的多播主要保证所有用户得到基 本服务，而通过中继转发能够使得高信道质量的用户获得较好的增强型数 据。Bin Zhou等提出：利用D2D技术进行第二阶段的转发，用于解决系统 吞吐量和可靠性之间的矛盾。

通过对比可以发现，上述两种方式在不同的具体场景下各有优势：

模式一采用固定中继，其发送功率相比于移动终端具有更大阈值，覆盖 范围较广；但其占用系统的空闲频谱资源。因此其更适用于在未成功接收用 户分布范围较广且分散的情形。

模式二采用移动终端作为中继，通过D2D直通方式进行转发，因而可 以复用蜂窝用户的频谱资源，但其覆盖范围有限。因此更适用于未成功接收 用户分布集中、且与成功接收用户间距离较近的情形下。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种蜂窝系统中终端直通D2D协作多播与 固定中继协作多播的两种模式选择方法，该方法是一种混合协作的多播策略， 依据不同的实际情形和网络负载状况而选择不同的中继传输模式，以实现系统 最优化的整体效用。本发明关注的是如何以效率最优的方式，即用最少的时间、 频率资源和功率实现第二阶段的多播。本发明方法的操作步骤简单，计算难度 低，技术上容易实现，稳定性和可操作性也比较强，具有很好的实用化前景。

为了达到上述目的，本发明提供了一种蜂窝系统中终端直通D2D协作多播 与固定中继协作多播的模式选择方法，是基于网络负载的两种中继传输模式的 选择方法，其特征在于：所述方法包括下列各个操作步骤：

（1）基站执行第一跳多播传输：基站根据多播业务的传输速率要求执行 第一跳多播，使得多播请求中的部分移动终端成功接收数据，而另一部分移动 终端因为与基站的距离较远或处于无线信道的深衰落中未能成功接收数据；

（2）基站分别判断移动终端与固定中继执行第二跳多播的可行性：基站根 据地理位置的地形地貌及两者之间的距离，分别判断移动终端执行第二跳协作 多播的可行性，以及根据其扇区内是否存在固定中继，判断该固定中继执行第 二跳协作多播的可行性，并分别使用初始值为0的模式变量I_mode记录判断结果：

若移动终端协作方式不可行、但固定中继协作方式可行时，记为I_mode=1；

若移动终端协作多播可行、但固定中继协作方式不可行时，记为I_mode=2；

若移动终端协作方式和固定中继协作方式两者都不可行时，记为I_mode=3；

再判断结果I_mode≠0是否成立，若是，则跳转执行步骤（5）；若否，即I_mode=0， 则表示能够同时选择执行移动终端协作方式或者固定中继协作方式，则执行后 续步骤（3）；

（3）移动终端向基站上传信息：基站先选取成功接收的移动终端作为 备选簇头，并表示为：包含K个元素的集合M={1，2...K}；而将未成功接收的 移动终端作为簇成员，并表示为：包含L个元素的集合N={1，2...L}；然后，所 有备选簇头都向基站上传其传输性能参数矩阵F，该矩阵F中的每个元素f_ij数值分别表示第i个备选簇头M_i与第j个簇成员、即移动终端N_j之间能否建 立连接：若f_ij=1，表示能够建立连接；若f_ij=0，表示不能建立连接；式中， 自然数i和j分别为备选簇头和簇成员的序号，其最大数分别为K和L；

（4）基站根据矩阵F选择最大连接度算法，对移动终端协作多播方案 执行分簇操作；

（5）基站根据步骤（2）的判断结果，选择决策其第二跳多播传输方式：

若I_mode=1，则选用固定中继执行第二跳多播；

若I_mode=2，则选用移动终端进行第二跳多播；

若I_mode=3，则基站进行数据重传；

若I_mode=0，则基站分别计算固定中继和移动终端进行第二跳传输的效用 值，再对该两种传输方式的效用值进行比较，选取效用最大的传输策略进行第 二跳多播。

本发明两种多播中继协作模式的选择方法是通过比较固定终端协作多 播和移动终端协作多播的两种传输模式的效用值大小，选择最优化的传输策 略；其计算复杂度低，实现简便，易于推广。本发明方法创新优点如下：

本发明方法结合了固定中继协作多播与移动中继协作多播的两者优点： 两种多播方式分别适用于不同的实际网络状态和终端分布情形。固定中继协 作多播的覆盖范围较广，但占用系统的空闲频谱资源，因此更适用于在未成 功接收用户分布范围较广、且分散的场合。移动中继协作多播由于采用终端 作为中继节点，通过D2D直通方式进行转发，可复用蜂窝用户的频谱资源， 但其覆盖范围有限，因此更适用于未成功接收用户分布集中、且与成功接收 用户间距离较近的场合。本发明方法根据实际情况合理选择协作多播的模 式，提升了蜂窝系统的整体运行效用值。

总之，本发明通过合理选择中继方式，提升了多播业务的传输速率和对 边缘用户的覆盖率，优化了蜂窝系统的整体效用，从而获得更好的用户体验， 因此，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明D2D协作多播与固定中继协作多播的两种模式选择方法的应 用场景—蜂窝网络架构组成示意图。

图2是本发明D2D与固定中继两种协作多播模式选择方法操作步骤流程图。

图3是本发明实施例中单一多播模式与本发明混合多播模式的效用值随空 闲带宽的变化关系示意图。

图4是本发明实施例中单一多播模式与本发明混合多播模式的效用值随 D2D用户数量比例的变化关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对 本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明移动中继、即D2D协作多播与固定中继协作多播 的两种模式选择方法的应用场景是：由基站、固定中继和位于该小区内的多 个移动终端所组成的小区无线蜂窝网络。当基站执行多播业务时，在某个时 段，部分被服务的移动终端因其处于无线信道的深衰落中，没有成功接收数 据。此时能够选择使用固定中继协作或成功接收数据的移动终端协作方式执 行第二跳传输，即将一跳传输分为信道质量较好的两跳传输：第一跳传输由 基站完成，第二跳则通过比较两种中继协作方式（一种通过蜂窝小区内的固 定中继节点进行协作多播，另一种通过已经成功接收的移动终端以D2D方 式协作多播）的性能，选取每一区域内最优的传输方式。若使用终端协作方 式，则利用D2D技术从第一阶段成功接收的移动终端中，寻找适宜的移动 终端作为簇头中继，再根据最大连接度算法将数据转发给第一阶段未成功接 收的移动终端、即簇成员；且该簇头中继和簇成员两者之间以D2D方式通 信，并保证该两者之间的链路质量良好。若使用固定中继协作方式，则固定 中继在第二阶段对未成功接收的用户进行组播。

参见图2，介绍本发明方法的下述五个操作步骤：

步骤1，基站执行第一跳多播传输：基站根据多播业务的传输速率要求执 行第一跳多播，使得多播请求中的部分移动终端成功接收数据，而另一部分移 动终端因为与基站的距离较远或处于无线信道的深衰落中未能成功接收数据。

步骤2，基站分别判断移动终端与固定中继执行第二跳多播的可行性：基站 根据地理位置的地形地貌及两者之间距离，分别判断移动终端执行第二跳协作 多播的可行性，以及根据其扇区内是否存在固定中继，判断该固定中继执行第 二跳协作多播的可行性，并分别使用初始值为0的模式变量I_mode记录判断结果：

若移动终端协作方式不可行、但固定中继协作方式可行时，记为I_mode=1；

若移动终端协作多播可行、但固定中继协作方式不可行时，记为I_mode=2；

若移动终端协作方式和固定中继协作方式两者都不可行时，记为I_mode=3；

再判断结果I_mode≠0是否成立，若是，则跳转执行步骤5；若否，即I_mode=0， 则表示能够同时选择执行移动终端协作方式或者固定中继协作方式，则执行后 续步骤3。该步骤包括下列操作内容：

（21）基站获知其第一跳多播传输的广播半径R。

（22）以扇区为单位，假设与基站距离最远处的多播请求移动终端与基站 的距离为R'时，计算（R'-R）之差值是否位于D2D通信范围的距离之内；若 是，则认为终端协作方式可行；若否，则认为终端协作方式不可行。

（23）以扇区为单位，判断每个扇区是否设有固定中继，若是，则固定 中继协作方式可行；若否，则固定中继协作方式不可行。

（23）根据上述两个步骤的判断结果，分别给每个扇区赋予相应的协作 传输模式变量I_mode。

步骤3，移动终端向基站上传信息：基站先选取成功接收的移动终端作 为备选簇头中继，并表示为：包含K个元素的集合M={1，2...K}；而将未成功 接收的移动终端作为簇成员，并表示为：包含L个元素的集合N={1，2...L}；然 后，所有备选簇头中继都向基站上传其传输性能参数矩阵F，该矩阵F中的 每个元素f_ij数值分别表示第i个备选簇头中继M_i与第j个簇成员、即移动终 端N_j之间能否建立连接：若f_ij=1，表示能够建立连接；若f_ij=0，表示不能 建立连接；式中，自然数i和j分别为备选簇头中继和簇成员的序号，其最 大数分别为K和L。

该步骤中，传输性能参数矩阵中的每个元素f_ij、即第i个备选簇头M_i与第j 个簇成员、即移动终端N_j之间的可达参数的计算方法包括下列操作内容：

（31）先根据多播业务速率要求和香农公式，确定D2D接收端的最低 信噪比门限值β：式中，P_c是小区中蜂窝用户的发射功率，P_ij是备选簇头中继M_i向其簇成员、即移动终端N_j的发射功率，L_cj和h_cj分别为 蜂窝用户到数据接收终端N_j的大尺度路损和小尺度信道响应，L_ij、h_ij分别为 备选簇头中继M_i与其簇成员N_i之间传输链路的路损和信道响应，α为路损因 子，σ²是高斯白噪声的噪声功率。

（32）为简化分析，将蜂窝用户对D2D用户的干扰均视为相同数值， 再根据实际经验设置一个干扰余量门限常数κ，以使D2D用户的发送功率P_ij必须满足不等式：的要求；式中，为保证D2D链路传输 性能的备选簇头中继M_i向其簇成员N_j发送数据的发射功率最小值；α为路损 因子，β为D2D接收端的最低信噪比门限值。

（33）判断该发射功率最小值是否大于移动终端所能达到的最大发射 功率，即不等式是否成立；若是，则认为备选簇头中继M_i与其簇成员 N_j之间无法建立传输链路，故设置f_ij=0；若否，即则设置f_ij=1。

步骤4，基站根据网络的负载状况矩阵F选择最大连接度算法，对移动 终端协作多播方案执行分簇操作。该步骤包括下列操作内容：

（41）初始化设置该小区内未完成中继选择过程的全部簇成员、即所有的 移动终端构成集合NA：N^A={1，2...L}。

（42）选取能够构成簇成员、即可达接收终端的数量最多的备选簇头中继 M_i作为簇头中继M_i'，式中，簇头中继M_i'的下标是其序号，L' 是移动终端集合N^A中的元素总个数。

再根据公式f_i'j=1是否成立，为该移动终端集合N^A中的每个元素、即簇成员 j分别决策判断其所归属的簇头中继：若该公式成立，则执行后续步骤（43）； 若该公式不成立，则跳转执行步骤（44）。

（43）从移动终端集合N^A中删除该簇成员j，使得该簇成员N_j成为簇头 中继M_i'中的成员，再将该该簇头中继成员N_j与其他备选簇头之间的参数都 置为0，即设置f_ij=0，式中，自然数i是备选簇头序号；

（44）判断移动终端集合N^A中的所有元素是否都已经完成了分簇操作，若 是，则结束为每个簇成员j选择其归属的簇头中继M_i'的分簇操作；否则，返回 执行步骤（42）。

步骤5，基站根据步骤2的判断结果，选择决策其第二跳多播传输方式：

若I_mode=1，则选用固定中继执行第二跳多播；

若I_mode=2，则选用移动终端进行第二跳多播；

若I_mode=3，则基站进行数据重传；

若I_mode=0，则基站分别计算固定中继和移动终端进行第二跳传输的效用 值，再对该两种传输方式的效用值进行比较，选取效用最大的传输策略进行第 二跳多播。

该步骤中，当I_mode=0时，基站选取效用值最大的传输策略进行第二跳多播 需要执行下述操作内容：

（51）因固定中继传输的效用值U₁=λR₁+γP₁+ηB₁，式中，R₁为固定中继多播 时所有用户的速率总和，其数值是未成功接收的移动终端的数量L和中继多播 的传输速率r的乘积：R₁=L·r；P₁是根据固定中继与最差用户之间的信道质量计 算的发送功率；B₁是固定中继进行多播所需要的带宽，正常数λ为单位速率的 效用值，负常数γ和η分别为单位功率的效用值和单位带宽的效用值，且η随系 统中剩余空闲带宽W的增加而增加：c₁,c₂均为大于0的数，c₁为 单位带宽效用值η的线性调节系数，c₂为剩余空闲带宽W影响带宽效用值的调 节系数。

（52）因移动中继传输的效用值U₂=λR₂+γP₂+μB₂+εI，在复用蜂窝上行链路 资源时，R₂为终端多播的吞吐量，且式中，D为D2D簇的数目， R'_i和G_i分别为序号为i的簇的簇头中继发送速率和第i簇的簇成员数目；P₂是所 有被选作簇头中继的移动终端发送功率之和；B₂是D2D传输所需要的带宽；I 是复用蜂窝资源时对基站产生的干扰功率；正常数λ为单位速率的效用值，负 常数γ为和μ分别为单位功率的效用值和单位带宽的效用值，且μ随系统可复用 的蜂窝资源W_D2D的增加而增加；因为资源复用会对基站产生干扰，进而影响蜂 窝用户的接收信噪比，因此负数ε为单位干扰的效用值，且ε也随系统中存在的 D2D通信模式的用户数Q_D2D占系统可容纳的D2D通信模式用户数Q₀比例的增 加而减少。

该步骤中，单位带宽效用值μ的量化计算公式为：其 中，c₃和c₄均为大于0的数，c₃为μ的线性调节系数，c₄为系统可复用的蜂窝资 源W_D2D影响带宽效用值的调节系数；

单位干扰效用值ε的量化计算公式为：其中，c₅和c₆均 为大于0的数，c₅为ε的线性调节系数，c₆为系统中存在的D2D通信模式的用 户比例影响干扰效用值的调节系数。

（53）对上述两个步骤（51）和（52）分别计算出的固定中继传输效用值 与移动中继传输效用值进行比较，选取效用最大的传输策略进行第二跳多播。

本发明已经进行了多次仿真实施试验，下面具体介绍实施例及其性能分析：

仿真实施例是模拟图1所示的无线蜂窝网多播场景。在存在固定中继的单 个小区中，每个扇区的固定中继均位于该扇区的角平分线上。根据基于距离的 中继选择方式，将小区分割为两大区域：内区域和外区域。固定中继选择采用 SDR方式，内区域的移动终端都选择连接基站，称为基站用户。外区域则进一 步划分为多个面积相等的小区域，每个固定中继服务其所在的一个小区域。将 数量为N的多播请求终端随机布撒于一个扇区内。

假设基站有某个多播业务数据要发送给移动终端，实施例的仿真参数预设 如下表所示：

参见图3，介绍单一多播模式与本发明混合多播模式的效用值随空闲带宽 变化的关系示意图。由图3可知，本发明混合协作多播模式与单独使用移动终 端协作多播或单独使用中继协作多播相比较，具有更高的效用值。这是因为在 模式选择时，总是选择效用值最高的协作多播模式。

参见图4，介绍单一多播模式和本发明混合多播模式的效用值随当前D2D 用户数目/可容纳的D2D用户总数变化的关系示意关系图。由图4可知，当D2D 用户数目比例接近阈值时，移动终端中继模式的效用值下降，此时采用固定中 继模式能够获得更高的效用。

总之，本发明方法实施例的试验是成功的，实现了发明目的。