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(jiǎn)單、中繼節(jié)點(diǎn)直接對(duì)信號(hào)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(diǎn)（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(shí)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(diǎn)會(huì)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，直接重新編碼或者經(jīng)過校驗(yàn)確認(rèn)無(wú)誤后（可選）再重新編碼，轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)（2）該協(xié)議最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)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(diǎn)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(wú)法滿足要求時(shí)，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以擴(kuò)大通信范圍，

通過增設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋面積，提升小區(qū)邊緣用戶的體驗(yàn)。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(gè)協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，在源端發(fā)送信號(hào)給目的端時(shí)，中繼也接收信號(hào)，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(gè)副本，通過合并技術(shù)將它們?nèi)诤?，可以有效提高分集增益。?）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(shí)，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(kuò)大覆蓋范圍的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在較大的時(shí)延和復(fù)雜的資源分配算法等缺點(diǎn)，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(wú)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(diǎn)的廣播信號(hào)均能被后續(xù)節(jié)點(diǎn)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(gè)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(gè)備選中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。因此，該通信系統(tǒng)中需要有能夠有效估計(jì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離或者地理位置信息的設(shè)備，或者需要有能夠估計(jì)其鏈路平均信噪比的設(shè)備，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說估計(jì)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(shí)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(shí)信噪比最大的中繼節(jié)點(diǎn)為最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)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(qiáng)的節(jié)點(diǎn)來(lái)幫助源節(jié)點(diǎn)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(shí)生活中人們的主觀意愿，更加貼合實(shí)際。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（6）基于機(jī)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(gè)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(shí)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(shí)間性因素。平均通信時(shí)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(shí)間因子可以推斷出社交值：當(dāng)存在多個(gè)潛在中繼的情況下，為了減少探測(cè)次數(shù)，首先利用節(jié)點(diǎn)之間的社交關(guān)系，移除不可用的中繼節(jié)點(diǎn)。由上述分析可知，與SUE有較強(qiáng)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(gè)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(shí)別因子排除自私節(jié)點(diǎn)從下面幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析：中繼識(shí)別因子共包括3個(gè)屬性，負(fù)責(zé)判斷RE中具有自私行為的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而明確何種節(jié)點(diǎn)可以中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。所設(shè)計(jì)的三個(gè)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(jì)算

在定義了屬性表達(dá)式之后，如何確定每個(gè)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(gè)屬性權(quán)重劃分為三個(gè)層次，即優(yōu)先級(jí)、中間級(jí)和一般級(jí)。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(jì)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(shí)，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(gè)基站、N個(gè)可作為中繼的空閑蜂窩用戶RUE、M個(gè)蜂窩用戶CUE以及X個(gè)D2D通信對(duì)(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(huì)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(duì)D2D通信的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，針對(duì)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(chǎng)景的不同，對(duì)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(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的功率，