通信類外文文獻翻譯蜂窩網(wǎng)絡中的全雙工通信設備

1、蜂窩網(wǎng)絡中的全雙工通信設備Sanghoon Kim和韋恩·斯塔克 密歇根州大學，安阿伯，MI48109 / 摘要在本文中，我們研究了單波段全雙工通信設備的性能改進，它可以發(fā)送和接收蜂窩網(wǎng)絡同一頻率的波段。在蜂窩網(wǎng)絡中，兩個不同的頻率能夠同時發(fā)送和接收半雙工無線電。最近，全雙工無線電允許無線節(jié)點同時發(fā)送和接收同一個頻段。這表明，對于短距離通信，它是有作用的。同樣，全雙工通信是適合設備到設備（ D2D ）通信的，D2D通信通常是一個短距離通信。(D2D)通信是蜂窩網(wǎng)絡中的墊片方案，使對等網(wǎng)絡對主蜂窩網(wǎng)絡產(chǎn)生有限的影響。當用戶設備更靠近其他用戶設備，而不是

2、基站時，D2D通信會提高使用者之間通信的帶寬效率。當全雙工通信用于D2D通信時，本地用戶之間的雙向通信就只需要一個頻段。全雙工通信提高了D2D通信的帶寬效率。我們提出了一個簡單的全雙工D2D通信協(xié)議，并對比傳統(tǒng)蜂窩通信方案來分析該協(xié)議的帶寬增益。I. 簡介無線網(wǎng)絡經(jīng)常在帶寬效率或能量效率中受到限制。蜂窩網(wǎng)絡通常依靠兩個使用者之間的通信并利用大量基礎設施來檢查基站。如果兩個使用者無限接近，那么頻譜和能量的利用就不夠有效，若此次通信包含大量信息，那么效率會更低。D2D通信直接發(fā)生在兩個設備間，而不需通過一些基礎設施，當D2D通信是適合的，協(xié)議的設計也是適合的，那么D2D通信就有了決定性的挑戰(zhàn)。設備

3、到設備的通信已包含在諸如IEEE802.11分布式標準中。在IEEE 802.11網(wǎng)絡中，無線節(jié)點感知到信道，并決定它是否可以發(fā)送一個分組。在分布式無線網(wǎng)絡中，節(jié)點采用了碰撞避免機制，例如CSMA / CA或RTS/ CTS協(xié)議。當一個接入點（AP）通常用于IEEE802.11 網(wǎng)絡時，AP不直接控制任何的信道訪問或資源分配。然而，設備到設備的通信沒有被應用在蜂窩網(wǎng)絡中。在蜂窩網(wǎng)絡中，信息通過基站發(fā)送到目標用戶設備（UE）?；疽话憧刂菩诺涝L問和分配資源，即使該通信發(fā)生在同一單元的用戶設備中。圖片：雙工通信系統(tǒng)圖片：全雙工D2D和基礎設施通信的比較結合D2D通信和蜂窩通信，可提高蜂窩網(wǎng)絡的效率

4、。當用戶設備之間的距離近于到基站的距離，D2D通信相對于通過基站的通信，能源和帶寬效率更高。圖2是D2D通信效率更高的一個實例。因為信道訪問與資源都受基站控制，所以蜂窩網(wǎng)絡中的D2D通信也應該由基站控制。因此，基站只允許在同一單元的本地用戶設備之間使用D2D通信，前提是它必須比通過基站的傳統(tǒng)通信更有效率。用戶設備節(jié)點比較靠近時，使用D2D通信是合適的。隨著用戶設備節(jié)點的增加， D2D通信吞吐量會急劇下降1。因為距離較短， D2D通信比正常的蜂窩通信需要更少的資源，這就提高了總電池容量2。為D2D通信管理干擾的協(xié)調資源分配被提議出來3。我們將D2D通信模型以無線通信的形式來支持位于鄰近的設備的應

5、用服務。適用于全雙工D2D通信的一個例子是，移動用戶與此區(qū)的其他移動用戶一起玩流行游戲，鄰近用戶設備之間的文件，圖像，視頻可以共享也是一個這樣的例子。隨著社會服務越來越多，通過移動設備鄰近用戶設備服務也變得可以利用，對D2D通信的需求也會變得越多。全雙工通信的應用通常依靠頻分復用或時分復用。應用D2D通信需要無線電能夠在單個頻率上發(fā)送和接收信息。發(fā)射天線的發(fā)送給同時接受的接收天線帶來了強大的自我干擾，D2D通信應用因此受到挑戰(zhàn)。模擬和數(shù)字干擾抵消的結合可以抑制自干擾4和5。有兩個天線的全雙工無線電已經(jīng)應用，并已證明比處于低發(fā)射功率水平的半雙工2×2MIMO通信5具有更好的性能。在6和

6、7，采用全雙工通信的MAC協(xié)議是在ad-hoc網(wǎng)絡的背景下提出來的。蜂窩通信采用的全雙工通信已被考慮在8中的基于通信的基礎設施。全雙工通信的特點與D2D通信配合良好。 D2D通信適用于近距離，全雙工通信 在較短的距離內表現(xiàn)更好。在更短的距離內，全雙工通信的自干擾會減少，因為發(fā)射功率會變低。在本文中，我們提出了一個完整的蜂窩網(wǎng)絡D2D雙工通信協(xié)議。我們還分析了單頻D2D通信協(xié)議的帶寬效率，并將它與傳統(tǒng)蜂窩通信方案進行比較。這表明了單一頻率D2D通信提高了小區(qū)帶寬效率。這篇文章的要點如下。在第二節(jié)，我們會介紹系統(tǒng)模型。在第三節(jié)中，我們會分析單一頻率的D2D通信的性能。在第四節(jié)，我們提出了單頻通信的

7、資源分配協(xié)議和性能分析。結論會在第五節(jié)給出。II. 系統(tǒng)模型 我們假設D2D通信和初級（移動臺對基站和基站對移動臺）蜂窩網(wǎng)絡共享整個相同的頻帶。我們假設網(wǎng)絡以10 MHz頻段運行，并基于正交頻分多址（OFDMA）。A. 信道模型我們假設獨立等分布（IID）Rayleigh衰落是在帶寬的不同部分（在不同的時間間隔）。此外，有一個距離相關的路徑損耗。假設在一個特定頻率下所發(fā)送的信號功率是Pt，在距離為d1是接收到的信號功率是： (1)其中h是Rayleigh衰落，是路徑損耗指數(shù)。使用MIMO時，在發(fā)射器和接收器天線元件之間，該信道在一個特定的頻率h衰弱被替換成衰落矩陣H?？捎糜谌魏晤愋屯ㄐ诺膸捪?/p>

8、對相干帶寬是足夠大的，所以衰落是獨立的。B. 無線電模型我們假設無線電配備兩個天線，D2D模式傳輸天線用于傳輸，而另一個天線用于接收。我們考慮的情況是，用戶可以在一個天線傳輸同時在第二天線接收，如圖1所示，然而，一個節(jié)點的發(fā)射天線所發(fā)送的信號會干擾到在同一節(jié)點中的接收天線所接收的信號。模擬和數(shù)字干擾抵消只能部分取消自干擾。另外，自干擾是不可能被完全地取消的。當一個節(jié)點是發(fā)射功率Pt，殘留的自干擾功率KPt量中K是自干擾消除因子。隨著傳輸信號功率的增加，殘留的自干擾也會增加。當兩個用戶之間的信道是獨立同分布的快衰落與距離相關的路徑損耗，完整的雙工通信的SINR可以表示為 （2）是D2D通信的發(fā)射

9、功率，是兩個節(jié)點之間的距離。C. D2D通信模型我們假設D2D通信只用于同一單元中的用戶設備，因為D2D通信被基站控制，不同單元的設備可能不能夠直接通信，否則將是低效的。D2D通信的帶寬分配將在下一章介紹。要建立D2D通信，兩個步驟是必需的。第一步驟是發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)是用來尋找鄰近區(qū)域的可用服務。當D2D通信支持用戶移動設備的應用程序， D2D通信的可能性就能被確定下來。用戶設備需要確定其它裝置是否處于同一單元的鄰近區(qū)域，是否具備D2D通信能力。這還存在服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議，如Flashlinq9 和Wi-Fi Direct10。 Flashlinq支持蜂窩網(wǎng)絡中的服務發(fā)現(xiàn)。第二個步驟是D2D通信設置。用戶

10、設備要求D2D通信到基站和基站確定這兩個通信方案（D2D和正常通信）哪個更高效。當確定D2D通信比通過基站的通信更有效率，D2D通信就會被允許的，相關資源會得到分配。在本文中，我們假設第一個步驟是成功的，只考慮第二個步驟和實際的D2D通信。我們假定用戶清楚該信道狀態(tài)，例如路徑損耗和用戶設備與D2D通信之間的衰弱。在如 Flashlinq9的協(xié)議中，一種特殊類型的信標被用于廣播或發(fā)現(xiàn)服務，用戶設備通過聽信標來估計到其他用戶設備的信道。因為全雙工通信可以在同一頻帶中傳輸和接收信息，它可以提高一個單元的帶寬效率。當D2D通信用于同一單元兩個用戶設備之間的通信時，它用的帶寬是基于基礎設施的通信（FDD

11、）的一半。全雙工D2D通信和基于基礎設施的通信區(qū)別如圖2所示。當用戶設備與基站通信，它使用半雙工模式的兩個天線。當用戶設備采用的是D2D通信，它會采用全雙工通信，各個方向使用天線1。D. 基于基礎設施的通信模型我們假設基于頻分雙工的蜂窩通信在蜂窩網(wǎng)絡中應用?；诨A設施的通信會出現(xiàn)兩種情況。第一種情況是同一單元的用戶設備間的通信。在協(xié)議中，當用戶設備與同一單元的其他用戶設備通信時，用戶設備需要進行D2D通信。當基站確定現(xiàn)有的蜂窩通信比D2D通信更高效，兩個用戶設備則通過基站進行通信。在這種情況下，需要雙頻段來進行通信。每頻段分配給每個用戶設備來與該基站進行通信。用于用戶設備和基站的通信，使用F

12、DD。我們假設有一半分配的帶寬被用于上行鏈路，而另一半用于下行鏈路。對于D2D通信的帶寬分配將在下一章介紹。第二種情況是用戶設備連接到一個單元外的實體。實體可以是互聯(lián)網(wǎng)上的服務器或在另一個單元的另一個用戶設備。對于這兩種情況，我們只考慮用戶設備和基站之間的開銷。第二種情況，是不能被D2D通信所取代的，并且與傳統(tǒng)的蜂窩通信相同。與D2D通信相比，我們關心基于基礎設施的通信的帶寬效率。我們假定2×2的MIMO通信投入使用，在接收器處的信道狀態(tài)信息中通信實現(xiàn)2×2的MIMO信道容量。然后， 容量為11 （3） 2×2的MIMO通信中，N為噪聲方差，H是信道矩陣。實際的蜂

13、窩通信系統(tǒng)中存在開銷傳輸，例如控制或信令信息，需要在使用者與基站之間進行交換。然而，在本文中，我們只考慮實際的數(shù)據(jù)包傳輸，因為D2D通信和蜂窩通信需要的開銷具有可比性。III. 全雙工D2D通信協(xié)議A. D2D通信設置在本節(jié)中，我們描述了D2D通訊設置協(xié)議。一個用戶設備請求與另一用戶設備通過基站進行D2D通信，請求中包括D2D信道狀態(tài)信息。當D2D通信比蜂窩通信更高效時，基站會為D2D通信分配一個頻帶。圖3說明了一個具有D2D通信功能的單元。我們假設用戶設備和基站之間的信道狀態(tài)通過蜂窩通信中的參考信號12 對基站而言是已知的。當基站發(fā)現(xiàn)的基礎設施通信比提出的D2D通信更高效時，它通過基站為通信

14、分配資源。當D2D通信完成時，該裝置通知基站信息以重新分配資源。圖片：全雙工通信系統(tǒng)B. D2D通信標準用給定的信道狀態(tài)信息時，基站決定D2D通訊是否比通過基站的通信更高效。hD2D代表D2D通信中1x1的信道狀態(tài)，Hb，i是用戶i和基站之間的2x2信道狀態(tài)。當 兩個用戶設備要發(fā)送給彼此包括M位的數(shù)據(jù)包時，我們假設D2D通信具有信道相互性。隨后采用全雙工D2D通信傳輸兩方數(shù)據(jù)包時間消耗為（）其中SINR在（2）中已給出。同一單元使用基于基礎設施的通信的兩方數(shù)據(jù)傳輸時間消耗為 （） 其中d1和 d2為用戶設備和基站之間的距離，Pinf是基于基礎設施通信的傳輸信號功率。全雙工D2D通信有效吞吐量S

15、D2D，基于基礎設施的通信有效吞吐量Sinf，分別為（）和（）當基站從用戶設備接收到D2D通信請求和相關的信息時，它會比較兩種方案的有效吞吐量（6）和（7），并選擇可實現(xiàn)更高的吞吐量的傳輸方式。 C資源分配 進行通信的帶寬應該由所述基站分配。在相同單元兩個用戶設備之間的通信需要兩個頻帶，因為每個用戶設備都需要訪問基站。 D2D通信和單元外實體蜂窩通信需要一個頻帶。我們對一個單位的帶寬定義為（） 其中，W是分配給單元的總帶寬，ND2D和 Ncin分別是使用在同一單元用戶設備之間的D2D通信和蜂窩通信的配對數(shù)，Ncout是單元外實體通信的用戶設備數(shù)量。D2D對通信和實體外的用戶設備通信得到了一個單

16、元的帶寬，同一單元用戶設備之間的蜂窩通信得到了兩個單元的帶寬。按這種情況每個單元帶寬被分配給每個用戶設備。IV. 性能分析 隨著性能分析的第一步，我們比較同一單元下的兩個用戶設備使用全雙工通信和基于基礎設施通信的吞吐量。我們假設兩個用戶設備距離百米，每個用戶設備到基站的距離被假定相等，為100米-900米不等。我們也假設為基于基礎設施的通信使用20 dBm的發(fā)射功率，D2D通信使用10 dBm的發(fā)射功率。假設路徑損耗指數(shù)為4。我們假設130分貝自干擾消除由無線電實現(xiàn)。圖顯示了全雙工通信和基于基礎設施的通信的吞吐量性能。首先，我們可以看到，自干擾消除確定了全雙工通信的吞吐量。全雙工通信用更少的自

17、干擾消除實現(xiàn)了更少的吞吐量。我們可以看到當用戶設備和基站之間的距離增加時，D2D通信變得比基于基礎設施的通信更高效。到基站的距離增加時，基于基礎設施的通信的吞吐量會降低。然而，D2D通信的性能沒有隨著到基站的距離的縮短而改變。我們認為當用戶設備之間的距離減小時，全雙工D2D通信的性能會提高。距離縮短時，更小的發(fā)射功率是必要的，它能減少自干擾，從而提高吞吐量。全雙工通信的性能對自干擾消除的量是敏感的。目前自干擾抵消可以通過110分貝13降低自干擾。我們顯示了110分貝，120分貝和130分貝干擾減少的結果。圖片：D2D通信系統(tǒng)與基礎設施通信系統(tǒng)的吞吐量比較 在下一步的性能分析中，我們考慮在D2D

18、通信帶寬更高效的情況下，單元支持D2D通信時總容量的大小。我們還考慮在單元只支持基于基礎建設的通信時的總吞吐量性能?？側萘渴且粋€單元在同一時間的所有有效吞吐量的總和。我們假設單元的形狀是六邊形，正好可以嵌入半徑為1km的圓。我們假設一個單元有100個用戶。用戶分兩種類型。第一種用戶與單元外實體通信。第二種用戶中，我們假設m 的總用戶要與單元內其他用戶通信。他們請求當全雙工D2D通信提高吞吐量時，允許進行D2D通信。當D2D通信不被允許時，他們通過基站進行通信。我們隨機放置單元內的100個用戶設備。我們假定用戶設備選擇一個最鄰近的用戶設備作為D2D通信伙伴，選擇過程由發(fā)現(xiàn)算法完成。我們假定D2D

19、通信使用的發(fā)射功率為10dBm和蜂窩通信使用的發(fā)射功率為20dBm。圖片：全雙工D2D通信啟用單元的總容量和傳統(tǒng)通信的比較 圖5所示的是全雙工D2D通信啟用單元的總容量和傳統(tǒng)通信的比較。首先，我們可以看到，傳統(tǒng)蜂窩通信的吞吐量會隨著單元內通信比例的增加而減少。因為單元內部通信，相比其他情況會需要雙倍的帶寬，單元內部通信的增加就意味著單元內部帶寬效率的降低。第二，全雙工D2D通信可避免顯著性能下降。使用全雙工的D2D通信，單元支持單元內用戶設備之間的通信需求的資源比傳統(tǒng)通信所需少一半。然而，全雙工D2D只有比基于基礎設施的通信更高效時才會被允許使用。當在單元內通信比率低時，距離最鄰近的用戶設備很

20、遠的可能性就越大。在這種情況下，使用基于基礎設施的通信更好，全雙工D2D通信也是不被基站允許的。因此，隨著單元內通信比率的增加，總容量會減少。由于在單元內部通信需求增加，需要進行D2D通信的用戶設備距離比較近的可能性就越大。因此， 130分貝自干擾抵消的總和吞吐量再一次隨著單元內部通信的大量增多而增多。第三，使用全雙工D2D通信的單元內部總容量依賴于自干擾消除量。在用戶設備非常接近的情況下，消除量越少，全雙工D2D通信性就比基于基礎設施的通信具有更好的性能。因此，使用全雙工D2D通信隨著自干擾消除的減小而減小，引起了總和容量的下降。然而，在所有的自干擾假設下，全雙工D2D通信比傳統(tǒng)的蜂窩通信提

21、高了更多的吞吐量總和，性能增益會隨著單元內部比率的增加而增加。當單元內部通信比率是50，全雙工D2D啟用單元會達到13（ 110分貝取消） ，32 （ 120分貝取消） ，和51的（ 130分貝取消）的總吞吐量，這比傳統(tǒng)通信要高很多。V. 結論在本文中，我們調查了全雙工D2D通信的性能改進和基于基礎設施通信的性能改進，并進行比較。 D2D通信是覆蓋通信方案，可以讓鄰近的用戶以一個對等的方式交換數(shù)據(jù)包。當用戶鄰近時，它可以提高單元的容量。單波段全雙工通信再同一頻帶上發(fā)射和接收信息，與D2D通信特征匹配。在兩個用戶距離臨近時，它的性能比半雙工更好。我們提出了一個在蜂窩網(wǎng)絡中采用全雙工D2D通信的協(xié)

22、議。它表明提出的協(xié)議和全雙工D2D通信提高了單元容量，和兩個用戶之間的有效吞吐量。它也表明，隨著單元內部通信比率的增加，全雙工D2D通信的性能增益也會增加。我們的結論是在未來蜂窩通信網(wǎng)絡中，許多鄰近的通信服務需要實行，全雙工D2D通信可以作為一個提高帶寬效率的候選。VI. 感謝國家科學基金會批號CCF-0910765的資金支持了部分研究。參考文獻1 K. Doppler, M. Rinne, C. Wijting, C. Ribeiro, and K. Hugl, “Deviceto-device communication as an underlay to lte-advanced net

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