OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法

摘要

本发明公开一种OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法，该方法包括如下步骤：S1、在基站和与基站不能正常通信的蜂窝用户之间选择空闲D2D用户作为中继节点；S2、基站将待发送给蜂窝用户的下行信号发送至中继节点，蜂窝用户将已知信号发送至中继节点，两个发送过程均使用基站原本欲分配给蜂窝用户的信道；同时，中继节点采用功率分割的方式接收信号，分别对分出的一部分信号进行能量收集，对另一部分信号进行信息解码；S3、中继节点利用收集的能量将下行信号中的信息转发至蜂窝用户，转发过程复用小区中其他D2D对的信道。本发明所述技术方案中的中继节点同时从基站和蜂窝用户两处收集能量，提高能量收集的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及移动通信领域。更具体地，涉及一种OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing)蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法。

背景技术

近年来，移动通信技术快速发展，高速率、低能耗、低时延、个性化等业务需求为其带来新的挑战，并促进了学术界对新兴通信技术的研究。终端直通(Device-to-Device，D2D)通信技术即是一项在未来移动通信系统中极具发展前景的技术。D2D通信技术可在距离较近的终端之间直接建立通信链路，能够有效降低基站负载，提升数据传输效率等。同时，D2D通信作为近距离通信，发送功率低，传输速率高，有利于能量的有效使用。图1示出了蜂窝网络中D2D通信的示意图。在图1中共有三个用户设备(User Equipment，UE)，其中UE1是传统蜂窝用户设备(Cellular User Equipment，CUE)，L1和L2分别是UE1和基站(Base Station，BS)间的下行与上行传输链路。UE2和UE3是D2D用户设备(D2D User Equipment，DUE)，一般距离较近。L3是UE2与UE3之间的通信链路，可复用L1或L2的频谱资源，该复用方式可提高频谱资源利用效率，但同时会对L1或L2链路上的数据传输造成干扰；L3也可使用与蜂窝链路正交的频谱资源，此时不会对小区原有用户带来额外的干扰，但需耗费额外频谱资源。L4与L5是基站向UE2和UE3发送的控制信息，可用于D2D通信的频谱资源分配、功率分配及其它调度等。

D2D通信技术在多种场景下有均有重要应用。例如，可在两个移动设备之间直接建立通信链路，用于用户距离较近时的语音通话、文件传输等，这是最基本的D2D通信方式。若扩展成多播的D2D通信，则可用于商场中商家向周围顾客的优惠信息推送。若引入“簇(cluster)”的思想，用户可发现周围有类似通信需求的设备，与其建立小型的网络，可用作联机游戏对战或应急通信网络。另外，也可构建D2D协作通信网络，用于由阻挡导致的直通链路不能建立的情形。

射频信号中同时含有信息与能量，多数研究工作只关注其中的信息部分，而能量收集技术可将部分射频信号转化为可供接收机使用的能量，实现能量与信息的同时传输。具有能量收集功能的设备除收发信息用的电路外，还含有能量收集电路，由电容、电压倍增器、阻抗匹配等组成，可将射频信号中的能量转化为直流输出。所收集的能量可立即使用，也可先储存，待需要时再使用。

接收端若要同时进行能量的收集与信息的解码，就需要根据一定的原则在两种模式之间切换。常见的方法有两种，一种为时间切换(time switching，TS)，即在一个传输周期内，将一定比例时间接收的信号全部转化为能量，而在剩余时间段内接收的信号全部用于信息解码；另一种称为功率分割(powersplitting，PS)，即在一个周期内连续地接收信号，将其按比例分为两部分，一部分经由能量转化电路转换成能量，剩余的用于解码以完成信息接收。

能量收集思想可应用于无线感知网和体域网等能量受限的网络中，网络中的设备通过能量收集方式获取相互通信所需的能量，而不需安装电池，以减小设备的体积与重量。另外，该思想多与中继相结合，例如，有研究提出一种先收集再协作的协议方法，在下行链路中，源结点和中继结点均从无线访问节点(Access Point，AP)中收集能量，在相应的上行链路中，中继节点可以协助源节点传输上行信息。

因此，需要提供一种OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法，利用空闲D2D用户作为中继节点向蜂窝用户转发基站的下行信号中的信息，中继节点在保证蜂窝信息传输的前提下同时从基站和蜂窝用户两处收集信号中的能量，以作为转发下行信号中的信息时的收益，解决现有的能量收集方案中，中继节点只从源节点或目的节点处收集能量，由于中继节点位置具有不确定性，其可能距能量提供源较远，从而导致能量收集效率低的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法，该方法包括如下步骤：

S1、在基站和与基站不能正常通信的蜂窝用户之间选择空闲D2D用户作为基站和蜂窝用户之间通信的中继节点；

S2、基站将待发送给蜂窝用户的下行信号发送至中继节点，蜂窝用户将已知信号发送至中继节点，两个发送过程使用的链路均为基站原本欲分配给蜂窝用户的信道；同时，中继节点采用功率分割的方式接收下行信号和已知信号，分别对分出的一部分下行信号和已知信号进行能量收集，对分出的另一部分下行信号和已知信号进行信息解码；

S3、中继节点利用步骤S2收集的能量将下行信号中的信息转发至蜂窝用户，该转发过程使用的链路复用小区中其他D2D对的信道。

优选地，中继节点采用半双工模式通信，且采用译码转发的协作方式。

优选地，步骤S2中对分出的一部分下行信号和已知信号进行能量收集过程中继节点在单个传输周期T中所能收集的能量E_EH为：

E_EH＝T₁·η·ρ·(P_Bh_BRd_BR^-α+P_Ch_CRd_CR^-α+I₁)

公式中，T₁为单个传输周期T中步骤S2所占的时间长度，η为中继节点的能量收集电路转换效率，ρ为功率分割参数，P_B、P_C分别为基站、蜂窝用户的发射功率，h_BR、h_CR分别为基站与中继节点之间、蜂窝用户与中继节点之间链路的小尺度衰落，d_BR、d_CR分别为基站与中继节点之间、蜂窝用户与中继节点之间的链路长度，α为路径损耗因子，d_BR^-α、d_CR^-α分别为相应链路上的路径损耗，I₁是单个传输周期T中步骤S2所占的时间长度中信号所经历的干扰，I₁＝I_BR+I_CR，I_BR和I_CR分别为其它小区使用同一信道发送信息的基站及使用同一信道为中继节点发送已知信号序列的蜂窝用户对中继节点造成的干扰。

优选地，步骤S2中对分出的另一部分下行信号和已知信号进行信息解码中对分出的另一部分下行信号进行信息解码过程在单个传输周期T中的信号干扰比SIR₁为：

公式中，P_B为基站的发射功率，h_BR为基站与中继节点之间链路的小尺度衰落，d_BR为基站与中继节点之间链路长度，α为路径损耗因子，d_BR^-α为基站与中继节点之间链路上的路径损耗，I_BR和I_CR分别为其它小区使用同一信道发送信息的基站及使用同一信道为中继节点发送已知信号序列的蜂窝用户对中继节点造成的干扰。

优选地，步骤S3中中继节点利用步骤S2收集的能量将信息转发至蜂窝用户过程中继节点在单个传输周期T中将信息转发至蜂窝用户的转发功率P_R：

公式中，T₂为单个传输周期T中步骤S3所占的时间长度。

优选地，其特征在于，步骤S3中中继节点利用步骤S2收集的能量将下行信号中的信息转发至蜂窝用户在单个传输周期中的信号干扰比SIR₂为：

公式中，P_R为中继节点在单个传输周期T中将信息转发至蜂窝用户的转发功率，h_RC和d_RC^-α分别为中继节点到蜂窝节点间链路的信号功率所对应的小尺度衰落与路径损耗，α为路径损耗因子，I_DC为同信道上的D2D通信对目的蜂窝用户的干扰，I_RC为其它小区在相同信道上为蜂窝用户转发基站信息的中继节点的发射信号对目的蜂窝用户的干扰。

优选地，其特征在于，蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法的通信中断概率P_o为：

P_o＝1-P(SIR₁>θ)P(SIR₂>θ)

公式中，SIR₁和SIR₂分别为步骤S2中对分出的另一部分下行信号和已知信号进行信息解码中对分出的另一部分下行信号进行信息解码过程在单个传输周期T中的信号干扰比和步骤S3中中继节点利用步骤S2收集的能量将下行信号中的信息转发至蜂窝用户过程在单个传输周期T中的信号干扰比，θ是信号干扰比门限值，P(SIR₁>θ)为步骤S2中对分出的另一部分下行信号和已知信号进行信息解码中对分出的另一部分下行信号进行信息解码过程在单个传输周期T中的通信成功概率，P(SIR₂>θ)为步骤S3中中继节点利用步骤S2收集的能量将下行信号中的信息转发至蜂窝用户过程在单个传输周期T中的通信成功概率。

优选地，OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法中蜂窝用户获得的信道容量C为：

公式中，T₁为单个传输周期T中步骤S2所占的时间长度，B为通信带宽，SIR₁和SIR₂分别为步骤S2中对分出的另一部分下行信号和已知信号进行信息解码中对分出的另一部分下行信号进行信息解码过程在单个传输周期T中的信号干扰比和步骤S3中中继节点利用步骤S2收集的能量将下行信号中的信息转发至蜂窝用户过程在单个传输周期T中的信号干扰比。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明所述技术方案中，在蜂窝小区中同时存在普通蜂窝通信和D2D通信，空闲D2D用户作为中继节点为蜂窝用户转发来自基站的下行信号中的信息，提升蜂窝链路的通信质量；同时，中继节点可将一部分射频信号转化成自身能量，作为协作通信的补偿与激励。

(2)本发明所述技术方案考虑到中继节点位置的随机性，中继节点同时从基站和蜂窝用户两处收集信号中的能量，提高能量收集的效率，使中继节点能够在单位传输周期中收集到更多能量，且保证中继节点位置变化时仍能有较为稳定的能量收益。

(3)本发明所述技术方案中虽然蜂窝用户和基站在同一信道上向中继节点发送信号，但蜂窝用户发送的信号中信息序列对于中继节点已知，因而不会对所需信息的传输造成影响。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出OFDM蜂窝网络中D2D通信示意图。

图2示出OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法所适用场景的单小区示意图。

图3示出单个传输周期分为第一跳和第二跳两部分的示意图。

图4示出OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

针对有D2D通信协助的蜂窝下行信息传输系统，本实施例提出的OFDM蜂窝网络中进行能量收集的D2D协作通信方法中的能量收集方法，思路为充当中继节点的空闲D2D用户需为蜂窝用户转发来自基站的下行信号，同时可将来自基站的一部分射频信号和来自蜂窝用户的一部分射频信号转化为自身能量作为中继的收益，且来自蜂窝用户的信息序列对于中继节点是已知的，不会影响有用信号的传输。

本实施例应用场景的初始设定条件为：

(1)在本实施例所设定的多小区场景中，任意蜂窝小区中都同时存在普通蜂窝通信链路与D2D通信链路，以及多个空闲D2D用户(指在所使用的中继选择策略下，总存在可被选择的空闲D2D用户)。

(2)本实施例基于正交频分复用——OFDM通信系统，同一小区中的不同蜂窝链路使用相互正交的信道；D2D通信使用与蜂窝系统正交的频谱资源，且一个信道可同时被多个D2D对复用。如图2所示，同一小区中的各蜂窝用户CUE，如CUE1和CUE2，其与基站BS之间的链路使用正交信道，基站BS发送的下行信号不会对彼此带来干扰。小区中的D2D通信链路，D2D对例如DUE2和DUE3之间的链路L5，使用与蜂窝信道L1正交的频谱资源，即划分给D2D通信的专用资源。

(3)在蜂窝小区中，存在某些蜂窝用户CUE，如CUE1，其与基站BS间的链路因为地形等原因不能正常建立，或损耗过大导致中断率过高，此时需选择位于中继区域的空闲D2D用户，如图2中的DUE1，将来自基站BS的信号转发给目的节点CUE1。基站BS向中继节点DUE1发送下行信号的链路L1使用基站BS原本欲分配给目的节点CUE1的信道，目的节点CUE1向中继节点DUE1发送已知信号的链路L2也使用基站BS原本欲分配给CUE1的信道，而中继节点DUE1向目的节点CUE1转发下行信号的链路L3复用D2D用户DUE2和D2D用户DUE3之间的链路L5的信道，即划分用于D2D通信的专用信道。中继节点DUE1采用半双工模式通信，且采用译码转发(Decode and Forward，DF)的协作方式。

(4)本实施例设定基站BS和蜂窝用户CUE1总能够通过彼此的信令交互，依据一定的选择准则，选出合适的空闲D2D用户作为D2D协作通信的中继节点DUE，所选定的中继节点DUE应位于基站BS和蜂窝用户CUE1之间，而非远离二者的方向。

(5)由于所适用的场景为干扰受限网络，当某一条链路对应的信号干扰比(Signal to Interference Ratio，SIR)小于所设定门限时，即认为该条链路对应的接收端无法成功接收数据，发生中断。

如图3所示，本实施例提供的蜂窝网络中基于D2D协作通信的能量收集方法的一个传输周期内的通信过程如下：

由于中继节点DUE采用半双工方式通信，可将一个传输周期T分为第一跳与第二跳两部分。在第一跳中，基站BS将待发送给蜂窝用户CUE的下行信号发送至中继节点DUE，同时蜂窝用户CUE将已知信号发送至中继节点DUE，而中继节点DUE采用功率分割的方式对来自基站BS和蜂窝用户CUE的信号进行能量收集和信息解码；在第二跳中，中继节点DUE将所接收到的来自基站BS的信息转发给蜂窝用户CUE。

如图4所示，本实施例提供的蜂窝网络中基于D2D协作通信的能量收集方法包括如下步骤：

Step1、在基站BS和与基站BS不能正常通信的蜂窝用户CUE之间选择空闲D2D用户作为该基站BS和该蜂窝用户CUE之间通信的中继节点DUE；

Step2、基站BS将待发送给蜂窝用户CUE的下行信号发送至中继节点DUE，该发送过程使用的链路为基站BS原本欲分配给蜂窝用户CUE的信道；蜂窝用户CUE将已知信号发送至中继节点DUE，用于为中继节点DUE充电，已知信号的含义为对于中继节点DUE是已知的，这一发送过程使用的链路也是基站BS原本欲分配给该蜂窝用户CUE的信道，从而保证中继节点DUE可在一个频段上接收来自基站BS和蜂窝用户CUE的信号；

同时，中继节点DUE采用功率分割的方式接收下行信号和已知信号，分别对分出的一部分下行信号和已知信号进行能量收集，对分出的另一部分下行信号和已知信号进行信息解码；

Step3、中继节点DUE利用步骤Step3收集的能量将下行信号中的信息转发至蜂窝用户CUE，该转发过程使用的链路复用小区中其他D2D对的信道。

其中

步骤Step2中“对分出的一部分下行信号和已知信号进行能量收集”的收集策略为：

能量收集(Energy Harvesting，EH)，所选中继节点DUE同时接收来自基站BS和蜂窝用户CUE的射频信号，以功率分割方式令部分信号进入中继设备的能量收集模块，其余部分进入信息处理模块，从而同时完成信息的传输和能量的收集。

为保证中继节点DUE在一个频段上接收信号，在第一跳中，基站BS和蜂窝用户CUE使用相同信道向中继节点DUE发送信号，其发送功率分别为P_B、P_C。设功率分割参数为ρ(0<ρ<1)，即若中继节点DUE所接收到的信号功率为P，则有ρ·P大小的信号功率进入中继节点DUE的能量收集模块，经过转换模块转换成能量供中继节点DUE使用，该转换模块的能量收集电路转换效率为η(0<η<1)；剩余(1-ρ)·P的信号功率则将进入中继节点DUE的信息处理模块，完成信息解码。在该阶段中，中继节点DUE所接收到的同信道干扰信号也被能量收集模块转换为能量，故中继节点DUE在单个传输周期T中所能收集的能量E_EH为：

E_EH＝T₁·η·ρ·(P_Bh_BRd_BR^-α+P_Ch_CRd_CR^-α+I₁)  公式(1)

公式中：

T₁是单个传输周期T中第一跳所占的时间长度；

h_BR、h_CR分别是基站BS与中继节点DUE之间、蜂窝用户CUE与中继节点DUE之间链路的小尺度衰落，是对于信号功率的衰减测度；

d_BR、d_CR分别是基站BS与中继节点DUE之间、蜂窝用户CUE与中继节点DUE之间的链路长度，α是路径损耗因子，d_BR^-α和d_CR^-α分别是相应链路上的路径损耗；

I₁是第一跳中信号所经历的干扰，I₁＝I_BR+I_CR，I_BR和I_CR分别为其它小区使用同一信道发送信息的基站BS及使用同一信道为中继节点DUE发送已知信号序列的蜂窝用户CUE对中继节点DUE造成的干扰。

由于小尺度衰落的随机性，在实际求解时，可对公式(1)的结果求期望，以得到对某一位置确定的中继节点DUE的能量收集值。

本实施例在能量收集过程中采用基站BS和蜂窝用户CUE联合能量收集方式，其优点在于，该方式可提高能量收集的效率，并可保证较为稳定的能量获取值。在协作通信网络中，若要保证总体中断概率在理想范围内，则中继节点DUE的位置应更靠近源节点与目的节点中信道质量较差的一方。而蜂窝用户CUE位置、小区中D2D用户的通信状态(正在通信或空闲)具有一定随机性，因而无法确定最优中继节点DUE位置。采用本实施例提供的方法，可保证所收集能量的稳定性。

步骤Step2中“对分出的另一部分所述下行信号和所述已知信号进行信息解码”的解码策略为：

信息解码(Information Decoding，ID)，目的是完成信息传输。设基站BS和蜂窝用户CUE的发送信号分别为S_B、S_C，二者在相同信道上传输，中继节点DUE所接收的信号为两者的和(异或)：

S_R＝S_B⊕S_C

由于蜂窝用户CUE向中继节点DUE发送信号的目的是为中继节点DUE充电，并非信息传输，故在本实施例中，认为蜂窝用户CUE发送的信息序列对于中继节点DUE是已知的，不影响有用信号S_B的传输。中继节点DUE所收到的信号S_R经由信号判决后，将所得序列与已知蜂窝用户CUE序列异或，便可得到所需要的基站BS发送信号，即：

S_R⊕S_C＝S_B

由于本实施例中设定蜂窝用户CUE向中继节点DUE发送信号为已知信号，不含信息量，因而只有(1-ρ)·P_B大小的信号和(1-ρ)·I₁大小的干扰将进入中继节点DUE的信息处理模块，故第一跳阶段的信号干扰比SIR₁为：

步骤Step3中“中继节点DUE利用步骤Step2收集的能量将下行信号中的信息转发至蜂窝用户CUE”的转发策略为：

信息转发(Information Relaying，IR)，指所选中继节点DUE向目的蜂窝用户CUE节点转发信息的过程，即图3中的第二跳阶段，所占时间长度为T₂，其值应满足T₁+T₂＝T。以P_R表示中继节点DUE的转发功率，该功率大小可为固定值，或根据信道状态采用相应的功率控制策略，或使用第一跳中所收集的能量。本实施例采用将第一跳中收集的全部能量用于转发，则中继DUE无需耗费自身电能，其功率值可由下式计算：

提高第一跳的时间长度T₁，或提升功率分割参数ρ都可使转发功率P_R增大，但会导致用于信息传输的时间或功率变小，因而应根据实际网络所需性能确定本实施例中的参数设置。

在第二跳中，蜂窝用户CUE是接收端。中继节点DUE与蜂窝用户CUE之间的链路是设备到设备的直通链路，复用其它D2D对所使用的、与蜂窝频谱相正交的专用信道。该链路上信号所受干扰来自于两方面，一方面为所有D2D对的发送端，另一方面为其它小区在相同信道上为目的蜂窝用户CUE转发信息的中继节点DUE，可表示为：

I₂＝I_DC+I_RC

综上，第二跳的信号干扰比SIR₂为

h_RC和d_RC^-α分别是中继节点DUE到蜂窝节点CUE(目的节点)间链路的信号功率所对应的小尺度衰落与路径损耗。

由于本实施例所设定中继节点DUE通信方式为译码转发DF方式，故当且仅当第一跳和第二跳上的数据均成功传输时，蜂窝用户CUE才能成功接收来自基站BS的信号。因此，本实施例提供的D2D协作通信网络的通信中断概率可表示为：

P_o＝1-P(SIR₁>θ)P(SIR₂>θ)

公式中，SIR₁和SIR₂分别是第一跳和第二跳对应的信号干扰比SIR，θ是信号干扰比SIR的门限值，P(SIR₁>θ)为第一跳的通信成功概率，P(SIR₂>θ)为第二跳的通信成功概率，对于任意链路，若其对应的SIR值大于θ，则该链路上的数据可成功传输，否则认为该链路发生中断。

该D2D协作通信网络的信道容量决定于信道质量较差的一跳，设通信带宽为B，则该D2D协作通信网络中蜂窝用户CUE获得的信道容量C为：

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。