[发明专利]一种蜂窝移动通信D2D系统中自适应协作传输方法

权利要求书

1.一种蜂窝移动通信D2D系统中自适应协作传输方法，其特征在于：该传输方法包括以下步骤：

(1)估算用户平均多普勒频偏：基站调研小区内参与协作的用户终端的平均移动速率，计算小区用户0的多普勒频偏f₀＝f_cv₀/c，然后计算出信道延时相关系数ρ₀＝J₀(2πf₀T_s)，进而计算设备到设备链路接收端用户1的多普勒频偏f₁＝f_cv₁/c，然后计算出信道延时相关系数ρ₁＝J₀(2πf₁T_s)，其中，c表示光速，f_c表示载波频率，v₀表示小区用户0的平均移动速率，v₁表示设备到设备链路接收端用户1的平均移动速率，π表示圆周率，T_s表示每个符号周期的长度，J₀(.)表示第一类零阶贝塞尔函数；

(2)被调度激活用户向基站反馈量化的信道信息：

基站调度选取一个小区用户，将其频带资源共享给边缘用户进行设备到设备间通信，该用户首先进行信道估计以获得信道信息和路径损耗因子，再根据其与基站共知的码本对信道信息进行量化，并将量化信道信息和路径损耗因子反馈给基站；

同时设备与设备通信用户首先进行信道估计以获得信道信息和路径损耗因子，再根据其与基站共知的码本对信道信息进行量化，并将量化信道信息和路径损耗因子反馈给基站；

(3)基站确定近基站用户的协作传输模式：基站根据所述步骤(2)中获得的路径损耗因子，信道信息的量化比特数，以及步骤(1)中获得的信道延时相关系数，在反馈链路反馈实时信道状态信息之前，分别计算最大化速率预编码模式下系统可达传输速率的闭式解R^MR和干扰消除预编码模式下系统可达传输速率的闭式解R^IC，并基于这两个闭式解，对最大化速率预编码模式和干扰消除预编码模式这两种传输模式下获得的性能增益进行比较，选择性能增益高的一种传输模式作为近基站用户采用的传输模式；所述最大化速率预编码模式下系统可达传输速率的闭式解R^MR按照以下流程计算：

首先根据下式计算小区用户0在最大化速率预编码模式下的可达传输速率的闭式解

$R_0^{MR}=F_1\left(L_{b0}{P}_b{\mathrm{\ρ}}_0^2\right(1-2^{-\frac{B_0}{M-1}}),L_{b0}{P}_b(1-{\mathrm{\ρ}}_0^2),L_{s0}{P}_s,M)$

根据下式计算设备到设备链路接收端用户1在最大化速率预编码模式下的可达传输速率的闭式解

$R_1^{MR}=F_1(L_{s1}{P}_s,0,L_{b1}{P}_b,1)$

式中，下标b表示小区基站，下标0表示调度的小区用户，下标s表示D2D链路的发送端用户，下标1表示D2D链路的接收端用户，L_b0表示小区基站b到小区用户0的路径损耗因子，L_b1表示小区基站b到D2D链路接收端用户1的路径损耗因子，L_s0表示D2D链路发送端s到小区用户0的路径损耗因子，L_s1表示D2D链路发送端s到接收端用户1的路径损耗因子，P_b表示小区基站b的发射功率，P_s表示D2D链路发送端s的发射功率，ρ₀表示小区用户0的信道延时相关系数，B₀表示小区用户0反馈的信道状态信息比特数，M表示基站发射天线的数量，函数F₁(c₀,c₁,c₂,M)的定义为：

$F_1(c_0,c_1,c_2,M)={\log }_2\left(e\right){\left(\frac{c_1}{c_1-c_0}\right)}^M\left(I_{01}\right(c_1,c_2)-\frac{c_0}{c_1}\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{l=0}{\overset{i}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{i-l}{\Σ}}\frac{{(c_1-c_0)}^i}{{c_0}^j{c_1}^{i}j!}I(c_0,c_2,i-l,i-l-j+1\left)\right)$

其中，c₀，c₁，c₂，M为函数的自变量，函数式中j！表示j的阶乘，log₂(e)为以2为底的自然数e的对数，与2的自然对数互为倒数，即log₂(e)＝1/ln2，当c₁＝0时，函数F₁(c₀,c₁,c₂,M)简化为：

F₁(c₀,0,c₂,1)＝log₂(e)I₀₁(c₀,c₂)；

函数I(a,b,m,n)的定义如下：

$\begin{array}{c}I(a,b,m,n)\\ =\left\{\begin{array}{cc}\frac{a}{b}{(\frac{a}{b}-1)}^{-n}\left(e^{\frac{1}{a}}\mathrm{\Γ}\left(m+1\right)\mathrm{\Γ}\left(-m,\frac{1}{a}\right)-\underset{s=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(-1\right)}^s\left(\begin{array}{c}m\\ s\end{array}\right){\left(\frac{1}{b}\right)}^s{\left(\frac{1}{a}\right)}^{k-m-1}{\left(\frac{a}{b}-1\right)}^{k-1}{e}^{\frac{1}{b}}\mathrm{\Γ}\left(m-s-k+1,\frac{1}{b}\right)\right)& a\≠b\\ \underset{s=0}{\overset{m}{\Σ}}{(-1)}^s\left(\begin{array}{c}m\\ s\end{array}\right){\left(\frac{1}{a}\right)}^{n+s-m}{e}^{\frac{1}{a}}\mathrm{\Γ}(m-s-n,\frac{1}{a})& a=b\end{array}\right.\end{array}$

其中，a，b，m，n为函数的自变量，函数式中为从m个不同元素中取出s个元素的组合数，为不完全伽马函数，为伽马函数其中，u，x为伽马函数的自变量；

I₀₁(a,b)为函数I(a,b,m,n)在m＝0，n＝1时的特例：

$I_{01}(a,b)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{a}{a-b}\left(e^{\frac{1}{a}}{E}_1\right(\frac{1}{a})-e^{\frac{1}{b}}{E}_1(\frac{1}{b}\left)\right)& a\≠b\\ \frac{1}{a}{e}^{\frac{1}{a}}\mathrm{\Γ}(-1,\frac{1}{a})& a=b\end{array}\right.$

式中是第一阶指数积分函数，其中k为函数的自变量；

然后根据下式计算最大化速率预编码模式下，系统的可达传输速率的闭式解R^MR：

$R^{MR}=R_0^{MR}+R_1^{MR};$

所述干扰消除预编码模式下系统可达传输速率的闭式解R^IC按照以下流程计算：

首先根据下式计算小区用户0在干扰消除预编码模式下的可达传输速率的闭式解

$R_0^{IC}=F_1\left(L_{b0}{P}_b{\mathrm{\ρ}}_0^2\right(1-2^{-\frac{B_0}{M-1}}),0,L_{s0}{P}_s,M-1),$

根据下式计算设备到设备链路接收端用户1在干扰消除预编码模式下的可达传输速率的闭式解

$R_1^{IC}=F_2(L_{s1}{P}_s,L_{b1}{P}_b{\mathrm{\ρ}}_1^2{2}^{-\frac{B_1}{M-1}},L_{b1}{P}_b(1-{\mathrm{\ρ}}_1^2\left)\right),$

式中，ρ₁表示设备到设备链路接收端用户1的信道延时相关系数，B₁表示设备到设备收端用户1向基站反馈的信道状态信息比特数；函数F₂(c₀,c₁,c₂)的定义为：

其中c₀，c₁，c₂为函数的自变量；

然后根据下式计算干扰消除预编码模式下，系统的可达传输速率的闭式解R^IC：

$R^{\mathrm{IC}}=R_0^{\mathrm{IC}}+R_1^{\mathrm{IC}};$

(4)实现数据传输：基站根据所述步骤(3)中选择的传输模式，利用步骤(2)中反馈的量化信道信息计算预编码向量，然后将发送到近基站用户的数据乘以预编码向量，进行数据传输，边缘用户利用同频资源进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的蜂窝移动通信D2D系统中自适应协作传输方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据下式计算最大化速率预编码模式下系统获得的性能增益R^MR,↑：

$R^{MR,\↑}=R_1^{MR}+R_0^{MR}-R_0;$

根据下式计算干扰消除预编码模式下系统获得的性能增益R^IC,↑：

$R^{IC,\↑}=R_1^{IC}+R_0^{IC}-R_0;$

其中，R₀为小区用户0在不引入设备到设备通信条件下的可达速率，根据下式计算得到：

$R_0=F_1\left(L_{b0}{P}_b{\mathrm{\ρ}}_0^2\right(1-2^{-\frac{B_0}{M-1}}),L_{b0}{P}_b(1-{\mathrm{\ρ}}_0^2),0,M);$

然后比较引入了D2D通信之后两种传输模式下系统获得的的性能增益：若满足R^MR,↑≥R^IC,↑，则选择最大化速率预编码模式作为近基站用户采用的传输模式，否则选择干扰消除预编码模式作为近基站用户采用的传输模式。