[发明专利]一种基于带外D2D多跳中继的蜂窝下行吞吐量优化方法

说明书

本发明公开了一种基于带外D2D多跳中继的蜂窝下行吞吐量优化方法，基站通过预选第一中继、预选第二中继和验证预选中继链路吞吐量三个阶段确定每个获得蜂窝信道的UE从基站接收数据的方式，包括直接从基站接收数据、通过选择一个中继中转接收数据和通过选择两个中继进行接力中转接收数据；预选第一中继阶段通过综合考虑吞吐量提升与中继的剩余能量水平来选择第一中继；预选第二中继阶段通过设置能量约束阈值来确保第二中继的剩余能量水平不低于第一中继的相应值来选择第二中继；验证预选中继链路吞吐量阶段，根据吞吐量是否提升决定放弃或保留预选的中继。本发明能有效改善数据接收质量、提高吞吐量、延长网络寿命、减小计算和通信代价。

技术领域

本发明属于计算机网络应用和带外(Outband)D2D(Device-to-Device)通信领域，涉及一种在能量约束与延时约束下通过多跳中继协助进行蜂窝下行吞吐量优化的方法。

背景技术

D2D技术是第五代移动通信网络的关键技术，具有提升频谱利用率、增加系统吞吐量、降低能量消耗、减小基站(Base Station，BS)负载等优点。在一个蜂窝中，若一个用户设备(User Equipment，UE)处于蜂窝边缘或受障碍物遮挡，则它从基站接收数据的质量将受到影响。通过选择其它位置更好的UE充当中继，由该中继从基站接收数据再转发给自己，用户设备可以减轻这种不利影响，从而改善数据接收质量、提高吞吐量。

用户设备之间的通信可采用带内(Inband)D2D通信模式，也可使用带外D2D通信模式。前者允许使用蜂窝网络运营商的授权频谱，后者则使用其它支持直接通信的无线技术(如WiFi、Bluetooth技术)所使用的非授权频谱。

在带内D2D通信模式中，蜂窝用户和D2D用户可以共享授权频谱，因此，蜂窝用户与D2D用户之间可能存在同频干扰。虽然可以通过复杂度高的资源分配方法减小同频干扰，但同时也会产生额外的计算开销。在带外D2D通信模式中，既然D2D用户使用非授权频谱，与蜂窝用户之间不存在同频干扰。然而，由于非授权频谱的不可控性^[1]，随着D2D用户数量的增多，D2D用户之间在非授权频谱上的同频干扰也会随之增大。同时，蜂窝设备必须配备额外的无线接口(如WiFi接口)才能使用非授权频谱。

随着电子设备制造技术的发展，更多的功能将会被集成到蜂窝设备中，而且遵循无线接口标准(如IEEE 802.21)也会使得设备在不同类型接口(如WiFi、LTE和WiMAX)之间的切换变得更加顺畅。因此，越来越多的研究人员开始研究带外D2D通信模式。

关于利用带外D2D通信模式研究吞吐量优化问题，文献[2]提出了一个在延时约束下的机会信道框架模型，并实现了通过一跳中继提升蜂窝下行吞吐量的贪婪算法(即D2DOpportunistic Relay with QoS Enforcement，DORE)，但是仍有以下问题有待解决：第一，在选取作为中继的用户设备时，没有考虑到中继的剩余能量，所以网络寿命可能无法得到保证；第二，DORE通过全局搜索来获得满足选择标准的中继UE，导致通信开销与计算开销过大；第三，对于处于蜂窝边缘的UE来说，即使通过一跳中继的协助，接收端还是可能存在较高的比特误码率(Bit Error Rate,BER)，从而难以获得理想的吞吐量。因此，急需提出一种解决上述问题的新方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于带外D2D多跳中继协助的蜂窝下行吞吐量优化方法，能够有效改善数据接收质量、提高吞吐量、延长网络传输路径的寿命、减小计算和通信代价。

本发明所提供的技术方案为：

一种基于带外D2D多跳中继的蜂窝下行吞吐量优化方法，基站通过预选第一中继、预选第二中继和验证预选中继链路吞吐量三个阶段确定每个获得蜂窝信道的用户设备，即UE从基站接收数据的方式；UE从基站接收数据的方式包括直接从基站接收数据、通过选择一个中继中转接收数据和通过选择两个中继进行接力中转接收数据；