蜂窝系统中D2D和固定中继两种协作多播模式的选择方法技术方案

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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
蜂窝系统中D2D和固定中继两种协作多播模式的选择方法
本专利技术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

技术介绍
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(InternationalMobileTelecommunications-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，ChengjinWang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。BinZhou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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，基站的第一跳多播传输的广播半径R，以及以扇区为单位，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，则认为该移动终端协作方式可行；若否，则认为该移动终端协作方式不可行；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Imode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Imode＝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Imode＝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Imode＝3；再判断结果Imode≠0是否成立，若是，则跳转执行步骤(5)；若否，即Imode＝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fij数值分别表示第i个备选簇头Mi与第j个簇成员、即移动终端Nj之间能否建立连接：若fij＝1，表示能够建立连接；若fij＝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Imode＝1，则选用固定中继执行第二跳多播；若Imode＝2，则选用移动终端进行第二跳多播；若Imode＝3，则基站进行数据重传；若Imode＝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。本专利技术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。本专利技术方法创新优点如下：本专利技术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文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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Imode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Imode=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Imode=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Imode=3；再判断结果Imode≠0是否成立，若是，则跳转执行步骤（5）；若否，即Imode=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fij数值分别表示第i个备选簇头Mi与第j个簇成员、即移动终端Nj之间能否建立连接：若fij=1，表示能够建立连接；若fij=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Imode=1，则选用固定中继执行第二跳多播；若Imode=2，则选用移动终端进行第二跳多播；若Imode=3，则基站进行数据重传；若Imode=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。...

【技术特征摘要】
1.一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，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，基站的第一跳多播传输的广播半径R，以及以扇区为单位，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，则认为该移动终端协作方式可行；若否，则认为该移动终端协作方式不可行；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Imode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Imode＝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Imode＝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Imode＝3；再判断结果Imode≠0是否成立，若是，则跳转执行步骤(5)；若否，即Imode＝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fij数值分别表示第i个备选簇头Mi与第j个簇成员、即移动终端Nj之间能否建立连接：若fij＝1，表示能够建立连接；若fij＝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Imode＝1，则选用固定中继执行第二跳多播；若Imode＝2，则选用移动终端进行第二跳多播；若Imode＝3，则基站进行数据重传；若Imode＝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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法的应用场景是：由基站、固定中继和位于该基站为中心的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；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。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，传输性能参数矩阵中的每个元素fij、即第i个备选簇头Mi与第j个簇成员、即移动终端Nj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，Pc是小区中蜂窝用户的发射功率，Pij是备选簇头、即成功接收的移动终端Mi向其簇成员、即未成功接收的移动终端Nj的发射功率，Lcj和hcj分别为蜂窝用户到数据接收终端Nj的大尺度路损和小尺度信道响应，Lij、hij分别为备选簇头Mi与其簇成员Nj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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓湘，杜明君，王冬宇，王玉龙，魏鹏，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：