宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法技术

本发明专利技术公开了一种宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，该D2D通信方法提出了5种D2D通信模式：包括专用模式、宏蜂窝模式和复用宏蜂窝信道模式、小蜂窝模式和复用小蜂窝信道模式，D2D用户选择采用系统能量效率最高的D2D通信模式进行通信。本发明专利技术的D2D通信方法在现有的D2D通信方法中增加了小蜂窝模式和复用小蜂窝信道模式，丰富了D2D用户所能选择的模式数量，增加了D2D模式选择的自由度，且充分利用了宏蜂窝和小蜂窝异构网络下的工作特点，提高了频谱利用率，且D2D用户采用系统能量效率最高的D2D通信模式进行通信，综合考虑D2D通信的频谱利用率和能量损耗，在提高频谱利用率的同时尽可能的降低能耗。

【技术实现步骤摘要】
宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法
本专利技术涉及通信领域，特别涉及一种宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法。
技术介绍
随着无线通信系统的迅猛发展，已有的单一网络系统已经无法满足高速率、大信道容量、高服务质量的通信要求，下一代无线通信技术正朝着多种无线网络异构融合的方向发展。异构网络是指在宏基站覆盖的范围内，引入其他通信方式，有针对性地加强特定区域的覆盖，形成多层覆盖的一种网络结构，具有网络建网灵活，维护成本低廉，因而受到了广泛的关注。在单一的宏蜂窝网络中引入小蜂窝是目前使用较为广泛的异构网络，小蜂窝分布于宏蜂窝内，每个小蜂窝都有独立的小基站(smallcellbasestation，SBS)。小蜂窝是指覆盖范围相对宏蜂窝覆盖较小的蜂窝网络。每个小蜂窝小基站可以由蜂窝网络运营商或者消费者部署。通过引入小蜂窝能够有效地减轻宏蜂窝负载量，提高用户通信质量。终端直通(Device-to-Device,D2D)通信是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用蜂窝信道进行直连通信的新型技术，它能够增加蜂窝系统的频谱利用效率、减轻蜂窝小区基站的负荷、降低终端发射功率、提升系统整体吞吐量，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。D2D通信模式是D2D通信中非常重要的一个问题，通过选择合适的通信模式，蜂窝网络的频谱效率可以得到极大的提高。在单一网络中，D2D用户(即D2D通信双方，包括D2D发射端和D2D接收端)可以采用三种模式进行通信：(1)宏蜂窝模式：与传统的蜂窝通信模式一样，以宏基站作为中继来实现D2D用户之间的信息传输，且使用未被同小区内其他蜂窝用户使用的宏蜂窝信道，该信道在D2D用户不通信时，可被宏蜂窝用户使用；(2)专用模式：两用户直接通信，不需要通过基站中继，使用宏蜂窝专门为其分配的专用信道，该专用信道未被其他宏蜂窝用户使用的宏蜂窝信道，且只能被D2D用户使用，在D2D用户不通信时该信道空闲，不可被宏蜂窝用户使用；(3)复用宏蜂窝信道模式：两用户直接通信。与专用信道模式不同，复用信道模式下，D2D用户与被复用蜂窝用户共同使用相同的信道。在宏蜂窝和小蜂窝异构网络中，蜂窝的信道资源与单一网络有很大不同，小蜂窝会占用部分宏蜂窝信道资源或者使用新的信道资源。因此，在异构网络下，D2D模式选择会与单一宏蜂窝网络下的模式选择会有很大不同，且宏蜂窝和小蜂窝异构网络中由于引入一定数量的小蜂窝，进行信道复用提高了频谱利用率，但是由于信道复用，使通信系统的干扰增强，进而导致整个异构网络的能耗增大，因此可以认为提高频谱利用率和降低能耗存在一定的矛盾。在提高频谱利用率的同时尽可能的降低能耗，解决二者之间的矛盾，是宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信所要解决的一个重要问题。而现有文献未考虑宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信的D2D模式选择问题，更未同时考虑提高频谱利用率和降低能耗问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有的宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信存在的不足，提供了一种宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，该方法能够有效提高频谱利用率和降低能耗问题。一种宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，所述的宏蜂窝和小蜂窝异构网络具有5种可供选择的D2D通信模式，分别为专用模式、宏蜂窝模式、复用宏蜂窝信道模式、小蜂窝模式和复用小蜂窝信道模式，在小蜂窝模式下，D2D用户以小基站为中继进行通信，并使用干扰最小的小蜂窝信道，在复用小蜂窝信道模式下，D2D用户直接通信，并复用对D2D接收端干扰最小的小蜂窝用户的信道；所述的D2D通信方法包括：(1)分别计算5种D2D通信模式下的D2D通信系统的系统能量效率，(2)比较并确定统能量效率最高的D2D通信模式，(3)D2D用户采用步骤(2)确定的D2D通信模式进行通信；所述的D2D通信系统包括D2D用户、被复用宏蜂窝用户、被复用小蜂窝用户和被干扰小蜂窝用户；所述的系统能量效率为D2D通信系统中所有用户的总信道容量与总带宽和总发射功率之积的比值。被复用宏蜂窝用户定义为D2D采用复用宏蜂窝模式时与D2D用户共享信道的宏蜂窝用户，被复用小蜂窝用户定义为D2D采用复用小蜂窝模式时与D2D用户共享信道的小蜂窝用户，被干扰小蜂窝用户定义为D2D采用小蜂窝模式时与D2D用户共享信道的小蜂窝用户。本专利技术，在任何模式下，被复用宏蜂窝用户，被复用小蜂窝用户和被干扰小蜂窝用户均存在，被视为D2D通信系统。本专利技术的D2D通信方法相对于现有的单一蜂窝网的D2D通信方法，除了现有的3种D2D通信模式(包括专用模式、宏蜂窝模式和复用宏蜂窝信道模式)外，还提供了小蜂窝模式和复用小蜂窝信道模式，充分利用了宏蜂窝和小蜂窝异构网络的特点，提高了频谱利用率。且本专利技术还定义了系统能量效率，D2D用户采用系统能量效率最高的D2D通信模式进行通信，综合考虑D2D通信的频谱利用率和能量损耗，系统能量效率最高时，频谱利用率和能量损耗均达到最佳值，使二者相互平衡，有效解决了二者之间的矛盾。所述的宏蜂窝模式和小蜂窝模式的系统能量效率可根据D2D用户所处位置确定：若D2D用户处于小蜂窝的覆盖范围内，则令宏蜂窝模式的系统能量效率为0；否则，令小蜂窝模式的系统能量效率为0。其中，根据D2D用户接收到的信号强度判断D2D用户是否处于同一小蜂窝的覆盖范围：若D2D用户接收到的宏基站的信号强度小于来自同一小基站的信号强度，则判定D2D用户处于同一小蜂窝覆盖范围内；否则，判定D2D用户处于小蜂窝覆盖范围外。D2D用户处于同一小蜂窝覆盖范围内，则采用小蜂窝模式进行通信必定比采用宏蜂窝模式进行通信时的系统能量效率低，反之，采用宏蜂窝模式进行通信必定比采用小蜂窝模式进行通信时的系统能量效率低。由于D2D用户选择系统能量效率最大的D2D通信模式，则根据D2D用户是否处于同一小蜂窝覆盖范围内直接确定宏蜂窝模式或小蜂窝模式的系统能量效率为0，能够有效减小运算量，提高通信速率。所述的系统能量效率根据公式：计算，其中：C1表示D2D用户的信道容量，C2表示被复用宏蜂窝用户的信道容量，C3表示所有被复用小蜂窝用户的总信道容量，C4表示所有被干扰小蜂窝用户的总信道容量，P为D2D通信系统中所有用户的发射功率之和，W为D2D通信系统中所有用户的信道带宽之和。信道容量是指信道能提供的最大速率，信道容量根据香农(Shannon)信道容量公式：计算，其中S，I，N分别表示为接收端的接收到的信号强度、干扰和噪声功率,W表示为信道带宽，计算不同用户的信道容量时S，I和N的取值不同。5种D2D通信模式下D2D发射端的发射功率：(a)专用模式：(b)宏蜂窝模式：(c)复用宏蜂窝信道模式：(d)小蜂窝模式：(e)复用小蜂窝信道模式：其中，PD表示D2D发射端的发射功率，γdth为D2D通信链路的信干噪比门限，N0为噪声功率谱密度，Hab为D2D通信双方之间的信道增益，HaB为D2D发射端与宏基站之间的信道增益，为D2D发射端与其所属小基站之间的信道增益，IMR为被复用宏蜂窝用户对D2D接收端的干扰，为被干扰小蜂窝用户对D2D用户所属小基站的干扰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，其特征在于，所述的宏蜂窝和小蜂窝异构网络具有5种可供选择的D2D通信模式，分别为专用模式、宏蜂窝模式、复用宏蜂窝信道模式、小蜂窝模式和复用小蜂窝信道模式，在小蜂窝模式下，D2D用户以小基站为中继进行通信，并使用干扰最小的小蜂窝信道，在复用小蜂窝信道模式下，D2D用户直接通信，并复用对D2D接收端干扰最小的小蜂窝用户的信道；所述的D2D通信方法包括：（1）分别计算5种D2D通信模式下的D2D通信系统的系统能量效率，（2）比较并确定统能量效率最高的D2D通信模式，（3）D2D用户采用步骤（2）确定的D2D通信模式进行通信；所述的D2D通信系统包括D2D用户、被复用宏蜂窝用户、被复用小蜂窝用户和被干扰小蜂窝用户；所述的系统能量效率为D2D通信系统中所有用户的总信道容量与总带宽和总发射功率之积的比值。

【技术特征摘要】
1.一种宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，其特征在于，所述的宏蜂窝和小蜂窝异构网络具有5种可供选择的D2D通信模式，分别为专用模式、宏蜂窝模式、复用宏蜂窝信道模式、小蜂窝模式和复用小蜂窝信道模式，在小蜂窝模式下，D2D用户以小基站为中继进行通信，并使用干扰最小的小蜂窝信道，在复用小蜂窝信道模式下，D2D用户直接通信，并复用对D2D接收端干扰最小的小蜂窝用户的信道；所述的D2D通信方法包括：(1)分别计算5种D2D通信模式下的D2D通信系统的系统能量效率，(2)比较并确定统能量效率最高的D2D通信模式，(3)D2D用户采用步骤(2)确定的D2D通信模式进行通信；所述的D2D通信系统包括D2D用户、被复用宏蜂窝用户、被复用小蜂窝用户和被干扰小蜂窝用户；所述的系统能量效率为D2D通信系统中所有用户的总信道容量与总带宽和总发射功率之积的比值。2.如权利要求1所述的宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，其特征在于，所述的宏蜂窝模式和小蜂窝模式的系统能量效率根据D2D用户所处位置确定：若D2D用户处于同一小蜂窝的覆盖范围内，则令宏蜂窝模式的系统能量效率为0；否则，令小蜂窝模式的系统能量效率为0。3.如权利要求2所述的宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，其特征在于，根据D2D用户接收到的信号强度判断D2D用户是否处于同一小蜂窝的覆盖范围：若D2D用户接收到的宏基站的信号强度小于来自同一小基站的信号强度，则判定D2D用户处于同一小蜂窝覆盖范围；否则，判定D2D用户处于小蜂窝覆盖范围外。4.如权利要求3所述的宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，其特征在于，所述的系统能量效率根据公式：计算，其中：C1表示D2D用户的信道容量，C2表示被复用宏蜂窝用户的信道容量，C3表示所有被复用小蜂窝用户的总信道容量，C4表示所有被干扰小蜂窝用户的总信道容量，P为D2D通信系统中所有用户的发射功率之和，W为D2D通信系统中所有用户的信道带宽之和。5.如权利要求4所述的宏蜂窝和小蜂窝异构网络中的D2D通信方法，其特征在于，5种D2D通信模式下D2D发射端的发射功率：(a)专用模式：(b)宏蜂窝模式：(c)复用宏蜂窝信道模式：(d)小蜂窝模式：(e)复用小蜂窝信道模式：其中，PD表示D2D发射端的发射功率，γdth为D2D通信链路的信干噪比门限，N0为噪声功率谱密度，Hab为D2D用户之间的信道增益，HaB为D2D发射端与宏基站之间的信道增益，为D2D发射端与其所属小基站之间的信道增益，IMR为被复用宏蜂窝用户对D2D接收端的干扰，为被干扰小蜂窝用户对D2D用户所属小基站的干扰，ISR为所有被复用小蜂窝用户对D2D接收端的干扰，WD为D2D发射端的信道带宽。6.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：余官定，鲍鹏程，殷锐，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：