一种蜂窝网络中采用D2D技术的扩频通信方法

摘要

本发明公开了一种蜂窝网络中采用D2D技术的扩频通信方法，包括如下步骤：在蜂窝系统场景下存在D2D用户需求，判断是否能够建立D2D链路，再将D2D用户之间需要传输的符号扩频到整个频带的多段载波上，D2D用户发送信号通过扩频码进行频域扩展后再传输。该方法可以显著的提升系统的容量，对蜂窝用户的干扰小，信令简单，具有很强的实际操作可能性。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种蜂窝系统中D2D之间的链路传输方法。

背景技术

未来无线蜂窝通信网络的必然趋势是高速率、大容量以及更高的QoS，如何有效地使用有限的带宽资源实现无线宽带化显得尤为重要。而当前移动互联网中迅猛发展的本地业务，例如视频/音乐分享，也迫切需要在现有蜂窝网中引入新的技术来支持。传统的蜂窝移动通信网络都是集中式控制的，即使两个终端设备相邻很近，终端设备之间的通信须通过基站和核心网进行。集中式控制系统便于资源管理以及干扰控制，但有个缺点日渐显著，即在一定场景下其资源使用效率不是很高。比如，即使两个UE（终端设备）相距很近，也要使用双倍的资源来进行通信，包括空口资源和基站回传资源。其中第二个问题，已经被业界认识到，并在3GPPR10中对相应解决方案进行标准化。

为了提高空口频谱使用效率，降低传统蜂窝网的沉重负载，获得更高的系统吞吐量，蜂窝网络下的终端直通（Device-to-Device communication，D2D）研究日益受到重视。D2D的终端可以直接、或在基站控制下，在继续保持通过基站进行的通信同时，与另一个终端直接进行数据通信，从而降低空口资源的占用，提高系统吞吐率，同时还可以减少通信延时、降低干扰水平、节省终端能量。

终端直通技术的应用场景多为本地服务的类型，比如数据多播业务和本地文件共享业务。在多播数据业务中，服务的提供者，如音乐会或者其他大型活动的组织者，需要向集会的参与者发送内容相同的数据，组织者可以利用D2D通信技术，即时可靠地完成服务。若用户的本地数据（如文件、照片、视频等）需要在相邻的终端间进行共享时，也可通过D2D建立终端集群，完成数据共享。此外，D2D可提供的业务还包括移动状态中的多人协作游戏、移动广告业务、交友业务、车辆间通信、移动中继等。

与可以支持相似业务、使用未授权频段的WLAN、蓝牙相比，蜂窝通信系统中的终端直通在基站的控制下，使用基站分配的授权频带资源，可以控制系统干扰水平以获得高数据率的终端直接通讯，同时还能享受蜂窝通信系统带来的移动性优势。加之D2D通信对终端用户的透明性，其无需在WLAN及蓝牙中那样进行繁琐的手动配对以及接入点设置，从而提高用户的感受，便于业务的推广。

目前D2D传输的研究还不多，大多数涉及D2D的研究更加侧重于资源的分配以及干扰的控制。D2D用户复用蜂窝用户的资源时，系统为了避免干扰影响蜂窝用户的正常通信，资源调度的算法很复杂，造成很大的系统开销。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蜂窝网络中采用D2D技术的扩频通信方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

假设系统中存在W个蜂窝用户，U对D2D用户，该通信方法的具体步骤为：

1）各对D2D用户通过公共信道向基站发送D2D链路建立请求信息；

2）基站收到D2D链路建立请求信息后，由基站为每对D2D用户分配子载波，然后基站通过公共信道将子载波分配信息和正交扩频码传送给每对D2D用户；

3）经过步骤2）后，由基站判断每对D2D用户是否具备D2D链路建立的条件；

4）对于具备链路建立条件的每对D2D用户，使用基于物理层的频域扩频方法得到频域扩频后的时域信号。

所述D2D链路建立的条件为D2D用户对蜂窝用户的干扰功率，或其他控制D2D用户对蜂窝用户干扰的途径，所述途径包括距离或者用户相对于基站的角度。

所述步骤3）的具体方法为：

D2D发送用户通过分配的子载波向D2D接收用户发送信号，由基站判断D2D用户对每个蜂窝用户的干扰功率是否满足公式（1），若干扰功率满足公式（1）则进入步骤4），

$>R<B{\log }_2(1+\frac{P}{(N_0+P_I)})---\left(1\right)$>

，公式（1）中，R为蜂窝用户需要的信息速率，B为每个蜂窝用户所占带宽，P为接收功率，当复用上行频率资源时,P为基站端接收功率，当复用下行频率资源时，P为用户端的接收功率，P_I为D2D用户对每个蜂窝用户的干扰功率，N₀为高斯白噪声功率谱密度。

若D2D用户对蜂窝用户的干扰功率不满足公式（1），则该基站让D2D用户使用更低的发射功率降低D2D用户对每个蜂窝用户的干扰功率或者使用更长的正交扩频码，直至D2D用户具备D2D链路建立的条件。

所述步骤4）的具体方法为：

D2D发送用户根据正交扩频码选择长度为M的扩频序列C_k，C_k=[c_k(0),c_k(1),...,c_k(M-1)]，然后D2D发送用户根据子载波分配信息将D2D的发送信息符号经过扩频序列扩频后映射到相应的子载波上，得到符号时域采样值，如公式（2）所示，符号时域采样值通过子载波传递至D2D接收用户，

$>s\left(m\right)=\frac{a}{\sqrt{M}}\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{C}_k\left(i\right)e^{j\frac{2\pi }{M}\mathrm{im}},$>0≤m≤M-1 （2）

，公式（2）中s(m)为D2D用户发送的符号时域采样值，a为发送信息符号，j表示复数，

所述扩频序列为自相关程度大、互相关程度小的序列，如Walsh-Hadamard（沃尔什-哈达玛）序列、M序列或Golden（戈登）序列。

所述步骤4）中，各对D2D用户分配的子载波相互正交、部分重叠或完全重叠，当子载波分配重叠时各对D2D用户通过正交扩频码区分相互之间的信号。根据公共信道发送的信息，第一对D2D用户使用系统第K₁到第K₁+N₁-1，共N₁个子载波，第二对D2D用户使用系统第K₂到第K₂+N₂-1，共N₂个子载波，以此类推，第U对D2D用户使用系统第K_U到第K_U+N_U-1，共N_U个子载波，由于各对D2D用户分配的子载波资源相互正交、部分重叠或完全重叠，一个子载波会被多个D2D用户占用，因此从C_k中选择序列时必须保证被多个D2D用户占用的子载波的扩频序列之间正交，保证当子载波分配重叠时各对D2D用户通过各自的正交扩频码可以区分相互之间的信号。

本发明的有益效果是：

本发明针对蜂窝网络中存在一对或多对D2D用户直接通信，提出一种简单的D2D用户复用频率资源的方法，使它们通过共享蜂窝网络中的资源来完成通信。本发明方法的核心是用多个子载波传送一个符号的信息，且这多个子载波传送的是这个符号对应的扩频后的符号，D2D用户可以复用多个蜂窝网的资源进行通信，这种方法可以提升系统容量却不需要复杂的算法和很大的信令开销。

本发明方法是一种针对蜂窝系统下的D2D传输技术，在OFDM，或SC-FDMA的基础上对信号在频域进行扩频，这样，就将D2D用户对蜂窝用户的干扰白化，使得D2D用户对每个蜂窝用户的干扰都较小，尽管此时D2D链路的信干噪比降低，但是带宽的增加以及扩频带来的误码率增益，都会使得D2D链路能够获得较大的吞吐量。除此以外，当D2D用户对增加的时，蜂窝用户收到的干扰增加不显著，但是整个系统的容量却有较大的提升。

附图说明

图1是含有一对D2D链路、十个蜂窝用户的LTE系统场景图；

图2表示蜂窝用户和扩频后D2D用户占用频带示意图；

图3(a)是城市宏小区场景下各种资源分配方式的系统总容量对比；

图3(b)是郊区宏小区场景下各种资源分配方式的系统总容量对比；

图3(c)是城市微小区场景下各种资源分配方式的系统总容量对比；

模式说明：

模式一，不含D2D用户的系统容量；

模式二，一对D2D用户复用一个蜂窝用户连续1M频带资源的系统容量；

模式三，一对D2D用户复用整段资源的系统容量。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，为了便于理解，本发明以一个LTE-A系统下的D2D通信网络为例，来说明D2D技术应用于蜂窝网络，并复用多段频率资源块的方法。假设系统有10MHz带宽，有十个蜂窝用户，有一对D2D用户。这里的蜂窝用户和D2D用户数都可以是不同的。本发明对所有具有这种网络结构模型的场景都普遍适用的，这些D2D用户在基站的协调之下进行通信，并且D2D用户共享蜂窝用户的网络资源。含有D2D的LTE网络相比于传统LTE系统实现更好的频谱利用率和更大的系统容量，并且可以有效的提升小区边缘用户的频谱效率。但是由于新的链路引入，窝蜂用户对D2D用户、以及D2D用户对窝蜂用户都会存在干扰。本发明针对LTE系统中加入D2D链路后所带来的干扰，提出了一种干扰平均的方法，能够有效的提升系统的容量。下面结合仿真和附图对本发明做详细描述。具体包括以下步骤：

1）根据3GPP TR36.814对于三种典型的中继系统无线场景模型的定义，即Case1（城市宏小区Urban macro）、Case2（郊区宏小区Suburban macro）和Case3(城市微小区Urban micro)，选择仿真场景，进行基站的放置和用户的随机撒播，并生成仿真系统中直连链路、D2D链路的大尺度参数；

2）在LTE无线场景中放置的用户是蜂窝用户和D2D用户，并且蜂窝用户数为10，占用完整带宽10M，每个蜂窝用户占用1M连续带宽。基站根据D2D用户对蜂窝用户的干扰功率判断是否满足链路建立的条件：蜂窝用户的信息速率小于信道的容量。即

$>R<B{\log }_2(1+\frac{P}{(N_0+P_I)})$>

R为蜂窝用户所需信息速率，B为蜂窝用户带宽1MHz，P为接收功率(当复用上行频率资源时,P为基站端接收功率，当复用下行时，P为用户端的接收功率)，P_I为D2D用户对蜂窝用户的干扰功率，N₀为高斯白噪声功率谱密度。

3）对于具备D2D链路建立条件的每对D2D用户，D2D发送用户根据正交扩频码信息选择长度为M的扩频序列C_k，C_k=[c_k(0),c_k(1)，...,c_k(M-1)]，并且，当k≠l时

$>C_k{C_l}^T=0$>

，T表示矩阵转置。

4)然后D2D发送用户根据子载波分配信息将D2D的发送信息符号经过扩频序列扩频后映射到相应的子载波上，得到符号时域采样值，如下式所示

$>s\left(m\right)=\frac{a}{\sqrt{M}}\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{C}_k\left(i\right)e^{j\frac{2\pi }{M}\mathrm{im}},$>0≤m≤M-1

，公式中s(m)为D2D用户发送的符号时域采样值，a为发送信息符号，j表示复数。

5)将D2D需要发送的每个信息符号均按步骤4）的方法进行扩频后发送，扩频前符号的映射为0≤n≤N-1，d_i为D2D发送信息符号，N为子载波数目，扩频后的符号映射为0≤n≤N-1，D_i为扩频后D2D发送的符号，L为扩频后的子载波的个数。

从图3可以看出，本发明所述传输方法对整个系统的容量有较大的提升，图3c是由于此时小区半径小，D2D用户与蜂窝用户之间的干扰大，影响了整个系统的容量。