[发明专利]一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法

摘要

本发明公开了一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法，该方法是通过在D2D系统下引入多天线和中继技术，从而达到了改善D2D系统的速率和中断概率；本发明在宽带蜂窝移动通信系统（IMT‑Advanced）中，一对蜂窝用户要进行终端直通，但是由于他们之间的距离超过D2D通信的有效距离，或者他们之间的信道链路质量达不到要求，介于小区内存在大量的空闲的UE用户，利用空闲移动终端作为中继，协助一对蜂窝用户进行D2D通信；一对终端直通蜂窝用户的发端记为D1，接收端记为D2，中继记为R；当D1和R进行通信时，D1复用小区中蜂窝用户和基站通信的频率资源，这时D1和R构成了一对D2D通信。

主权项

一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：用户D1欲与用户D2发起通信，向基站发出会话请求，基站接收到用户D1的信号，发出应答信号，并开始搜索用户D2的位置；步骤二：基站搜索到用户D2的位置，开始判断用户D1与用户D2之间是否满足D2D通信的条件，若满足则采用D2D通信模式，用户D1和用户D2开始D2D通信；步骤三：当用户D1与用户D2不满足D2D通信条件时，判断他们之间的通信是否满足速率的要求，如果满足就采用传统蜂窝模式通信；如果不满足，则采用中继辅助的方法来通信；步骤四：若需要，源端广播RTS信息，目的端广播CTS，周围的空闲用户作为中继，根据接收到的信号RTS、CTS，报告给基站，基站决定参与中继的空闲用户；步骤五：当确定参与通信的中继为R时，首先用户D1向中继R进发送信息，这时用户D1和中继R进行D2D单向通信，中继R接收到信息后再与用户D2进行D2D单向通信；当D2接收到信息后，再发送信息给中继R，中继R在把信息发送给用户D1；步骤六：用户D1和D2确认通信过程完成，分别向基站发出结束会话的请求，基站然后结束中继R的工作状态，整个会话过程结束；所述方法包括直接链路、中继AF模式链路、中继DF模式链路三种链路；在直接链路、中继AF模式链路、中继DF模式链路三种链路下，分别推导了D2D中继MIMO系统的中断概率公式；所述直接链路的中断概率表达式为：Poutsd(r0)=Pr(rsd=Ps||Hsd||F2Pc||Hcd||F2+Mσ2≤r0)=1-e-b(M2-1)!Σk=0M2-1Σi=0kCkiaibk-i(M2+i-1)!k!(a+1)M2+i---(14)]]>其中，其中，M表示用户的天线数；r0为系统信噪比门限值；σ2为复高斯随机噪声矩阵的方差；Ps表示D2D用户的发射功率；Pr表示中继的发射功率；Pc表示蜂窝用户的发射功能；||.||F表示矩阵的F‑范数；表示基站和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；表示基站和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；表示中继和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；表示蜂窝用户和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；表示蜂窝用户和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；所述中继AF模式下的中断概率为：在中继选择AF模式转发信号时，S‑R‑D链路的总的信噪比表达式为：raf=rsrrrdrsr+rrd+1=Ps||Hsr||F2Pc||Hcr||F2+Nσ2Pr||Hrd||F2Pc||Hcd||F2+Mσ2Ps||Hsr||F2Pc||Hcr||F2+Nσ2+Pr||Hrd||F2Pc||Hcd||F2+Mσ2+1---(15)]]>得出中继AF模式下的中断概率最终表达式为：Poutaf(r0)=1-e-r02(1r1σsr2+1r2σrd2)Γ(MN)(2r2)MN(σrd2)MN-1·Σn=0MN-1Σk=0nΣi=0MN-1CnkCMN-1i(r0+1)kr0in!(2r1σsr2)ng(k,i)---(16)]]>其中，所述中继DF模式下的中断概率表示为：Poutdf=Pr(rdf≤r0)=Pr(min(rsr,rrd)≤r0)=1-[1-Pr(rsr≤r0)][1-Pr(rrd≤r0)]---(18)]]>由直接链路中断概率的推导公式得出以下的表达式：Pr(rsr≤r0)=1-e-b0(MN-1)!Σk=0MN-1Σi=0kCkia0ib0k-i(MN+i-1)!k!(a0+1)MN+iPr(rrd≤r0)=1-e-b1(M2-1)!Σk=0MN-1Σi=0kCkia1ib1k-i(M2+i-1)!k!(a1+1)M2+i---(19)]]>其中，a0=r0σcr2PcPsσsr2,b0=r0Nσ22Psσsr2,a1=r0σcd2PcPrσrd2,b1=r0Mσ22Prσrd2]]>其中，M表示用户的天线数；N为中继的天线数；r0为系统信噪比门限值；σ2为复高斯随机噪声矩阵的方差；Ps表示D2D用户的发射功率；Pr表示中继的发射功率；Pc表示C用户总发射功率；||.||F表示矩阵的F‑范数；表示基站和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；表示基站和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；表示中继和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；表示蜂窝用户和中继之间的复高斯随机矩阵的方差；表示蜂窝用户和D2D用户之间的复高斯随机矩阵的方差；Hsd、Hsr、Hrd、Hcr、Hcd表示节点S、D、R、C_UE之间的信道信息；把式(19)代入式(18)中就求出中继DF模式下的系统中断概率。