D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用 課件 第四章

4D2D中繼選擇技術(shù)4.1概述4.3中繼選擇策略4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.4中繼選擇中的功率控制4.5本章小節(jié)（1）

AF放大轉(zhuǎn)發(fā)4.2.1轉(zhuǎn)發(fā)模式類別4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)簡單、中繼節(jié)點直接對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)而不用進(jìn)行額外的處理，具有響應(yīng)速度快、設(shè)備復(fù)雜度低的特點（2）傳輸信道中的噪聲也被放大轉(zhuǎn)發(fā)4.1D2D通信的基本知識D2D通信是一種短距離通信技術(shù)，基站只需提供控制信令，用戶就能夠直接傳輸數(shù)據(jù)。如下圖所示，與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信相比，D2D通信不需要數(shù)據(jù)通過基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而在保證D2D通信的前提下減輕基站通信負(fù)荷。什么是D2D通信？（a）傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信

（b）D2D通信（2）DF譯碼轉(zhuǎn)發(fā)4.2.1轉(zhuǎn)發(fā)模式類別（1）中繼節(jié)點會對接收到的信號進(jìn)行解碼，直接重新編碼或者經(jīng)過校驗確認(rèn)無誤后（可選）再重新編碼，轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點（2）該協(xié)議最大的一個優(yōu)點是不會傳遞噪聲，從而保證了傳輸?shù)目裳永m(xù)性和正確性。（3）缺點是設(shè)備復(fù)雜度高、處理速度慢，從而導(dǎo)致一定的傳輸延遲。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）兩跳單中繼模型4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

源端與目的端相距較遠(yuǎn)，直接通信無法滿足要求時，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以擴大通信范圍，

通過增設(shè)中繼節(jié)點擴大小區(qū)的覆蓋面積，提升小區(qū)邊緣用戶的體驗。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與兩跳協(xié)作中繼模型的不同之處在于存在直達(dá)路徑。若系統(tǒng)中增加一個協(xié)作中繼節(jié)點，在源端發(fā)送信號給目的端時，中繼也接收信號，然后中繼再轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，這樣目的端將收到信息的兩個副本，通過合并技術(shù)將它們?nèi)诤希梢杂行岣叻旨鲆?。?）協(xié)作兩跳單中繼模型

4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（3）協(xié)作兩跳并行中繼模型將協(xié)作兩跳單中繼模型可以如下圖所示的多中繼情形。此時，可以把中繼當(dāng)做源端的虛擬多天線，并考慮發(fā)射分集，以提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（4）多跳中繼模型

可以將兩跳單中繼模型推廣到多跳從而搭建起一條多跳中繼鏈路，如圖所示。

多跳中繼模型具有擴大覆蓋范圍的優(yōu)點，但同時也存在較大的時延和復(fù)雜的資源分配算法等缺點，因此在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中不適合采用多于兩跳的中繼模型。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（5）協(xié)作串行中繼模型

為了充分利用無線信道的廣播特性，可以采用多跳分集接收模式，允許任意節(jié)點的廣播信號均能被后續(xù)節(jié)點收到并解碼，

并且采用AF協(xié)議的性能要優(yōu)于DF協(xié)議，盡管AF協(xié)議在這個過程中可能也放大了噪聲。4.3.1中繼選擇分類4.3中繼選擇策略

在基于平均信道狀態(tài)信息的最優(yōu)中繼選擇過程中，根據(jù)各個備選中繼節(jié)點的距離、路徑損耗、平均信噪比等參數(shù)的比較判決其是否為最優(yōu)中繼節(jié)點。因此，該通信系統(tǒng)中需要有能夠有效估計各個節(jié)點的距離或者地理位置信息的設(shè)備，或者需要有能夠估計其鏈路平均信噪比的設(shè)備，對于實際系統(tǒng)來說估計其平均信噪比的開銷較大。（1）基于平均信道狀態(tài)信息的中繼選擇（2）基于瞬時信道狀態(tài)信息的中繼選擇4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類最小法則：調(diào)和平均法則：

4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（3）基于中斷概率的中繼選擇基于中斷概率的中繼選擇方法以系統(tǒng)的中斷概率最小化為目標(biāo)，選擇鏈路瞬時信噪比最大的中繼節(jié)點為最優(yōu)中繼節(jié)點。系統(tǒng)的整體中斷概率：4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（4）基于誤碼率的中繼選擇

基于誤碼率的中繼選擇方法是以降低系統(tǒng)的誤碼率為目標(biāo)的。在中繼選擇過程中，在考慮傳輸速率和信噪比的基礎(chǔ)上，還考慮了物理層中的調(diào)制傳輸方式和目的節(jié)點端的分集合并方式等因素，因此此類中繼選擇算法更適用于實際網(wǎng)絡(luò)。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（5）基于社交網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇

基于社交網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇是以通信鏈路穩(wěn)定性為目標(biāo)，通過選擇社交關(guān)系強的節(jié)點來幫助源節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，該方法不僅僅考慮到了物理層的信道狀態(tài)、傳輸速率，還考慮現(xiàn)實生活中人們的主觀意愿，更加貼合實際。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（6）基于機器學(xué)習(xí)的中繼選擇

4.3.2典型算法分析

(1)系統(tǒng)模型4.3中繼選擇策略

由單一宏基站或微基站控制的超密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備與設(shè)備之間的通信鏈路包括中繼鏈路、直通鏈路和蜂窩鏈路3種形式。4.3中繼選擇策略4.3.2典型算法分析在D2D中繼通信的第一跳鏈路中，第r個RE的信干噪比在第二跳鏈路中，DUE的SINR可表示為：提高邊緣用戶的通信質(zhì)量問題都可以轉(zhuǎn)換為在用戶通信時所在鏈路的吞吐量問題，由香農(nóng)公式可知，改進(jìn)的鏈路吞吐量可表示為：

一般情況下，影響用戶之間社交關(guān)系的因素主要體現(xiàn)在時間性因素。平均通信時間表示為4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于社交網(wǎng)絡(luò)的典型算法分析基于時間因子可以推斷出社交值：當(dāng)存在多個潛在中繼的情況下，為了減少探測次數(shù)，首先利用節(jié)點之間的社交關(guān)系，移除不可用的中繼節(jié)點。由上述分析可知，與SUE有較強社交關(guān)系的潛在中繼用戶更有可能為SUE、DUE提供中繼服務(wù)。結(jié)合社交網(wǎng)絡(luò)模型，提出基于整個系統(tǒng)的社交門限ω'的概念，表示為：4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于社交網(wǎng)絡(luò)的典型算法分析4.3中繼選擇策略

①中繼識別因子排除自私節(jié)點從下面幾個點進(jìn)行分析：中繼識別因子共包括3個屬性，負(fù)責(zé)判斷RE中具有自私行為的節(jié)點，進(jìn)而明確何種節(jié)點可以中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。所設(shè)計的三個屬性分別為：聯(lián)合興趣度、轉(zhuǎn)發(fā)歷史比率和中繼物理狀態(tài)。(2)算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法

②權(quán)值計算

在定義了屬性表達(dá)式之后，如何確定每個屬性的權(quán)重是需要解決的關(guān)鍵問題。利用三角模糊函數(shù)將三個屬性權(quán)重劃分為三個層次，即優(yōu)先級、中間級和一般級。根據(jù)三角模糊數(shù)隸屬函數(shù)的定義，給出屬性權(quán)重的隸屬函數(shù)表達(dá)式：③自私中繼確認(rèn)

2.算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法由下式可以計算出SUE和RE之間的屬性差：如果屬性差的閾值為Δth，當(dāng)ΔS,R比Δth小時，這樣的RE被認(rèn)為具有自私行為，并且不能作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中繼設(shè)備，也就是說自私中繼被確認(rèn)的條件為：4.3中繼選擇策略4.4中繼選擇中的功率控制

假設(shè)小區(qū)有一個基站、N個可作為中繼的空閑蜂窩用戶RUE、M個蜂窩用戶CUE以及X個D2D通信對(SUE、DUE)。4.4中繼選擇中的功率控制

一旦通信鏈路的最小SINR閾值不能滿足，通信鏈路會發(fā)生中斷，中斷概率如下：4.4中繼選擇中的功率控制

4.5本章小結(jié)本章對D2D通信的優(yōu)缺點進(jìn)行了簡要概述，針對所面臨的通信距離遠(yuǎn)、信道衰落大造成的通信中斷問題，分析了中繼協(xié)作的必要性，根據(jù)通信場景的不同，對現(xiàn)有協(xié)作中繼的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)發(fā)模式進(jìn)行了概括。協(xié)作通信系統(tǒng)中源節(jié)點和中繼節(jié)點發(fā)送信息都要消耗功率，以往采用的等功率分配方案并不能最大程度利用節(jié)點的功率，