基于复数域网络编码的d2d传输方案设计-王静.pdf

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1、 第 45 卷 第 5 期 电 子 科 技 大 学 学 报 Vol.45 No.5 2016年 9月 Journal of University of Electronic Science and Technology of China Sep. 2016 基于复数域网络编码的 D2D传输方案设计 王 静1，欧阳明生1,2，罗 威1，王新梅3(1. 长安大学信息工程学院 西安 710064； 2. 冠捷显示科技有限公司 福建 厦门 361101 3. 西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室 西安 710071) 【 摘要 】 终端直通 (D2D)用户在复用蜂窝网络频谱资源提高频谱效率的同时，

2、不可避免地会受到蜂窝用户的干扰，为此该文提出一种基于复数域网络编码的 D2D传输方案。 D2D用户复用蜂窝下行链路频谱，将蜂窝基站和 D2D发送端作为两个独立的信源，蜂窝用户作为中继节点。蜂窝用户对检测到的蜂窝信号和 D2D信号进行复数域网络编码， D2D接收端采用最大似然多用户检测恢复出 D2D信号，消除蜂窝用户对 D2D用户的信号干扰。理论分析与仿真结果表明，该方案较传统的 D2D传输方案，在确保消除蜂窝信号干扰的同时，能显著提高系统可达速率，降低符号错误概率。 关 键 词 复数域网络编码 ; 终端直通通信 ; 信号干扰 ; 系统可达速率 ; 符号错误概率 中图分类号 TP911.2 文献

3、标志码 A doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2016.05.005 Design of D2D Transmission Scheme Based on Complex Field Network Coding WANG Jing1, OUYANG Ming-sheng1,2, LUO Wei1, and WANG Xin-mei3(1. School of Information Engineering, Changan University Xian 710064; 2. TPV Display Technology Co. Ltd Xiamen Fujian 3

4、61101; 3. State Key Lab. of Integrated Service Networks, Xidian University Xian 710071) Abstract Terminal users of device-to-device (D2D) communication inevitably will be interfered by cellular users while using multiplexing cellular network spectrum to improve spectrum efficiency. A D2D transmissio

5、n scheme based on complex field network coding is proposed in this paper. Specifically, as the D2D user multiplexes cellular downlink spectrum, the cellular base station and D2D sender can be regarded as two independent sources, and meanwhile the cellular user as relay node. Moreover, the cellular u

6、ser encodes the detected cellular signals and D2D signals by complex field network coding, and the D2D receiver can recover D2D signals by adopting maximum likelihood multiuser detection to eliminate cellular signal interference. Theoretical analysis and simulation results show that, compared with t

7、raditional D2D transmission schemes, the proposed scheme can improve system achievable rate evidently and reduce symbol error probability, simultaneously ensuring the elimination of cellular signal interference. Key words complex field network coding; D2D communication; signal interference; system a

8、chievable rate; symbol error probability 收稿日期： 2015 08 04；修回日期： 2016 03 01 基金项目：国家自然科学基金 (61040005, 61271262)；陕西省自然科学基金 (2014JQ8300, 2015JM6307) 作者简介：王静 (1982 )，女，博士，副教授，主要从事无线通信、网络编码理论方面的研究 . D2D通信允许终端用户之间通过复用蜂窝小区频谱直接进行短距离通信1，具有提高频谱利用率、降低发射功率以及增强网络覆盖等诸多优点，目前已引起广泛关注。文献 2-3中指出，采用网络编码技术同样能提高无线蜂窝网络的频谱效

9、率，提高无线传播传输的可靠性。然而， D2D用户与蜂窝用户共享无线频谱的同时，不可避免地两者之间存在相互干扰4-6。当 D2D用户复用蜂窝下行链路频谱，D2D通信用户所处的小区位置对 D2D用户的发送功率影响不大，而复用上行链路频谱要比复用下行链路频谱敏感得多。考虑 D2D用户复用频谱资源较为丰富的蜂窝下行链路7，此时 D2D发送端会对蜂窝用户产生干扰，同时基站对 D2D接收端也会产生干扰。消除蜂窝网络中 D2D通信与蜂窝通信之间的干扰，已经成为 D2D通信研究中的热点问题。 现有文献主要从资源管理和功率控制的角度来考虑避免 D2D通信与蜂窝通信之间的干扰。文献 8把 D2D共享蜂窝小区无线资

10、源分配问题归结为混合万方数据 第 5期 王静，等 : 基于复数域网络编码的 D2D传输方案设计 739 整数非线性规划问题，通过遍历小区资源找到满足最大吞吐量的复用资源，时间开销比较大，在计算复杂度上还有待改进。文献 9基于小区位置管理分配离 D2D终端远的蜂窝用户资源给 D2D通信使用，通过计算得到蜂窝用户的抗干扰程度和 D2D用户对蜂窝用户的干扰情况。文献 10基于信道干扰值计算，尽量给 D2D通信分配受干扰较小的和抗干扰程度高的用户资源，通过资源分配有效控制干扰。 文献 11-13通过功率控制来减少 D2D用户和蜂窝用户之间的干扰，该方法基于所有用户的信干噪比 (signal to in

11、terference plus noise ratio, SINR)统计提出了一种 D2D通信简单功率控制方案，降低了蜂窝用户和 D2D用户之间的干扰，但是该方案限制了小区的传输速率，在通信业务量较大时，一定程度上限制了 D2D通信的优势。 文献 14进一步提出了一种 D2D通信系统的功率控制方案，通过基站控制D2D发射端的发射功率，使得 D2D用户与蜂窝用户之间的干扰控制在一个可接受的水平。 无论是资源管理还是功率控制，在避免 D2D通信与蜂窝通信之间干扰的过程中，都限定了 D2D通信和蜂窝通信的通信范围，限制了 D2D通信在LTE-A中的进一步推广。为此，本文提出一种基于复数域网络编码的

12、D2D传输方案，将基站和 D2D发送端作为两个信源，蜂窝用户作为中继节点，在该蜂窝中继节点上采用复数域网络编码并将复数域编码信号转发给 D2D接收端， D2D接收端采用最大似然多用户检测恢复出 D2D信号，利用蜂窝干扰实现D2D通信。理论分析与实验仿真表明，基于复数域网络编码的 D2D传输方案较传统的 D2D传输方案，可获得更高的系统可达速率，进一步降低 D2D接收端的符号错误概率 (symbol error probability, SEP)。 1 传统的 D2D通信传输 D1基站控制链路数据链路D2图 1 D2D通信模型 传统的 D2D通信模型如图 1所示， D1与 D2作为D2D通信终端

13、建立 D2D通信连接。 D1与 D2进行 D2D通信时， D1和 D2首先向基站发送 D2D通信建立请求信令。若 D2D通信请求成功，基站通过控制链路广播请求成功信令。接收到信令后， D2D发送端 D1与接收端 D2之间建立数据链路， D1通过该数据链路向D2直接发送 D2D信号，实现 D2D通信。 D1通过 D2D数据链路向 D2直接发送数据，不经过基站的转发，减小了传输开销，提高了传输效率。 考虑实际蜂窝网络同时存在蜂窝通信和 D2D通信，图 2给出了蜂窝通信和 D2D通信具体的信息传输过程。 基站 BS通过蜂窝下行链路向蜂窝用户 UE发送蜂窝信号1x ，同时 D2D发送端 D1复用蜂窝下

14、行链路频谱向 D2D接收端 D2发送信号2x 。蜂窝通信与 D2D通信共用同一蜂窝下行链路频谱，引起蜂窝通信和D2D通信间的干扰。蜂窝用户 UE在接收到蜂窝信号的同时，不可避免地将收到 D2D发送端 D1发送的D2D信号，则 UE接收到的信号可以表示为： UE BS_UE 1 D1_UE 2 UEyhxhxn=+ (1) 式中，信道衰落系数BS_UEh 和D1_UEh 分别服从高斯分布，BS_UEh 2BS_UECN(0, ) ，D1_UEh 2D1_UECN(0, ) ；UEn 0CN(0, )N 表示高斯噪声。 基站用户D2D11x2x有用信号干扰信号图 2 传统的 D2D传输模型 同理，

15、 D2D接收端 D2接收到 D2D信号的同时，也会收到基站 BS发送过来的蜂窝干扰信号， D2接收到的信号可以表示为： D2 BS_D2 1 D1_D2 2 D2yhxhxn=+ (2) 式中，BS_D2h 2BS_D2CN(0, ) 和D1_D2h 2D1_D2CN(0, )同样为服从高斯分布的信道衰落系数；D2n 为高斯噪声，D2n 0CN(0, )N 。 蜂窝用户 UE接收到信号UEy 后，采用最大似然多用户检测： 1221 2 UE UE BS_UE 1 D1_ UE 2,(, ) argminxxx Axx y h x h x=(3) 万方数据 电 子 科 技 大 学 学 报 第 4

16、5 卷 740从式 (3)可看出， 蜂窝用户 UE首先必须进行信道估计获得信道衰落系数BS_UEh 和D1_UEh ，且必须确保BS_UE D1_ UEhh 的基础上，才能正确检测出蜂窝信号1x 。同样 D2D接收端 D2准确估计出信道衰落系数BS_ D2h 和D1_D2h ，保证BS_D2 D1_D2hh ，采用最大似然多用户检测同样可以恢复出 D2D信号： 1221 2 D2 D2 BS_ D2 1 D1_D2 2,(, ) argminxxx Axx y h x h x=(4) 通过上述分析，蜂窝通信与 D2D通信共用同一蜂窝下行链路频谱进行信息传输，将受到信道衰落 系数BS_UE D1

17、_ UEhh 和BS_ D2 D1_D2hh 的限制。若BS_UE D1_UEhh= ，蜂窝用户 UE将无法检测到蜂窝信号1x ；同样，若BS_D2 D1_D2hh= ， D2D接收端 D2也无法检测到 D2D信号2x ，无法实现蜂窝通信和 D2D通信之间的干扰避免。 2 基于复数域网络编码的 D2D传输 方案 基站用户D2D111x22x11x11 2 2x x +时隙 1：时隙 2：22x图 3 基于复数域网络编码的 D2D传输模型 鉴于 D2D用户在蜂窝网络中复用蜂窝下行链路频谱进行 D2D通信， D2D接收端有可能由于蜂窝信号的干扰无法正确接收到 D2D信号，同样也无法确保蜂窝用户在受

18、到 D2D信号干扰的情况下能正确接收到蜂窝信号。为此，本文提出一种蜂窝网络中基于复数域网络编码的 D2D传输方案，在蜂窝用户处对接收到的蜂窝信号和 D2D干扰信号进行复数域网络编码15-16，并将编码后的复数域编码信号转发给D2D接收端， D2D接收端通过联合最大似然检测恢复出 D2D信号。 基于复数域网络编码的 D2D传输模型如图 3所示，给基站 BS和 D2D发送端 D1分别分配复数域编码 系数1 和217-18。复数域编码系数T = 12n L 需要满足如下条件：当 2kn= 时，i =j(4 1)( 1) (2 )ep in；当 32kn= 时，对任意 p= 1, 2, , nL ，j

19、(6 1)( 1) (3 )ep ini= 。这里基站 BS和 D2D发送端 D1的复数域编码系数T12 = ，则 2n= ，j(4 1)( 1) 4piie= ，其中 1p= 或者 2。时隙 1，基站 BS向蜂窝用户 UE发送复数域编码信号11x ，由于 D2D 通信与蜂窝通信共用蜂窝下行链路频谱，则 D2D接收端 D2也将接收到基站 BS发送的复数域编码信号11x ；同样地， D2D发送端 D1也采用复数域网络编码，向接收端 D2发送复数域编码信号22x ，此时蜂窝用户 UE也将接收到该编码信号。蜂窝用户 UE和D2D接收端 D2接收到的信号可以分别表示为： UE BS_UE 1 1 D1

20、_UE 2 2 UEyh xh xn =+ (5) D2 BS_D2 1 1 D1_D2 2 2 D2yh xh xn =+ (6) 式中，BS_UEh 、D1_UEh 、BS_ D2h 和D1_D2h 同样为服从高斯分布的信道衰落系数，在信息传输过程中保持不变；UEn 和D2n 同样为均值为 0、方差为0N 的高斯噪声。接收到信号UEy 后蜂窝用户 UE进行最大似然多用户检测： 1221 2 UE UE BS_UE 1 1 D1_ UE 2 2,(, ) argminxxx Axx y h x h x= (7) 蜂窝用户 UE对检测到的信号1x 和2x 进行复数域网络编码，在时隙 2将复数域

21、编码信号11 2 2x x +转发给 D2D接收端 D2： D2 UE_D2 UE 1 1 2 2 D2()yh xxn =+ (8) 式中，UE 为功率放大系数，控制蜂窝用户 UE转发复数域编码信号11 2 2x x + 时的发送功率；UE _ D2h 为蜂窝用户 UE到 D2D接收端 D2的信道衰落系数， 满足2UE _ D2 UE _ D2CN(0, )h 。 D2D接收端 D2根据时隙 1接收到的信号，D2y 和时隙 2接收到的D2y 进行联合最大似然检测，得到： 1221 2 D2 2 BS_D2 1 1 D1_D2 2 2,(, ) argmin +xDxx Axx y h x h

22、 x= 2D2 UE_D2 UE 1 1 2 2()yh x x + (9) 通过式 (9)可以看到， D2D接收端根据在时隙 1接收到的信号D2y 和时隙 2接收到的信号D2y ，恢复出了 D2D信号2x 。 D2D发送端 D1通过 D2D通信链路以及蜂窝用户 UE的中继链路向接收端 D2发送 D2D信号，接收端 D2通过两条独立路径接收到 D2D信号的两个副本，获得两阶分集增益。根据式 (7)和式 (9)可以进一步得到，通过对蜂窝信号1x 和 D2D信号2x进行复数域编码，即使信道衰落系数BS_UE D1_ UEhh=且BS_D2 D1_D2hh= ，蜂窝用户 UE和 D2D接收端 D2都

23、能分别检测到蜂窝信号1x 和 D2D信号2x ，不受具体信万方数据 第 5期 王静，等 : 基于复数域网络编码的 D2D传输方案设计 741 道衰落状态的影响。 3 性能分析 首先分析基于复数域网络编码的 D2D传输方案的系统可达速率，并与传统的 D2D传输方案进行对比；再对基于复数域网络编码的 D2D传输方案进行实验仿真，得到 D2D接收端在不同 SINR条件下的SEP，仿真结果证明该方案的 SEP低于传统的 D2D传输方案。 3.1 系统可达速率 从理论上分析基于复数域网络编码的 D2D传输方案和传统的 D2D传输方案的系统可达速率。i 表示第 i 个信道的瞬时 SINR， ()iC 表示

24、第 i 个信道的信道容量，则系统可达速率： 11()niiRCT=(10) 式中， T 表示传输过程中需要的总时隙数。 传统的 D2D传输方案中，所有传输在同一时隙完成，该时隙内， D2D接收端 D2和蜂窝用户 UE分别接收到信号： D2 BS_ D2 1 D1_D2 2 D2yhxhxn=+ (11) UE BS_UE 1 D1_ UE 2 UEyhxhxn=+ (12) 根据式 (11)和式 (12)， 可得 D1到 D2的 D2D直达路径以及基站 BS到蜂窝用户 UE路径上的 SINR： 2D1_D2D1_D2 2BS_ D2 0hhN =+(13) 2BS_ UEBS_UE 2D1_

25、UE 0hhN =+(14) 则传统的 D2D传输方案的系统可达速率： D2D D1_D2 BS_UE()()RC C=+ (15) 基于复数域网络编码的 D2D传输方案中，在时隙 1， D2D接收端 D2和蜂窝用户 UE分别接收到信号： D2 BS_D2 1 1 D1_D2 2 2 D2yh xh xn =+ (16) UE BS_UE 1 1 D1_ UE 2 2 UEyh xh xn =+ + (17) 则此时 D2D发送端 D1到接收端 D2以及基站 BS到蜂窝用户 UE路径上的 SINR分别为： 2D1_D2D1_D2 2BS_ D2 0hhN =+(18) 2BS_UEBS_UE

26、2D1_ UE 0hhN =+(19) 且D1_D2 D1_D2 = ，BS_UE BS_UE = 。 蜂窝用户 UE对接收到的信号UEy 进行检测得到D2D信号2x 和蜂窝信号1x ，对 D2D信号2x 和蜂窝信号1x 进行复数域网络编码，得到复数域编码信号11 2 2x x + ，并在时隙 2将该复数域编码信号通过中继路径转发给 D2D接收端 D2，此时 D2D接收端 D2接收到信号： D2 UE_D2 UE 1 1 2 2 D2()yh xxn =+ (20) 则蜂窝用户 UE到 D2D接收端 D2信道上的 SINR为： 2UE UE _ D2UE _ D20hN = (21) 在基于复

27、数域网络编码的 D2D传输过程中，基站 BS到蜂窝用户 UE的蜂窝通信在时隙 1即可完成，而 D2D通信则需要时隙 1和时隙 2两个时隙完成，则基于复数域网络编码的 D2D传输方案的系统可达速率为： D2D CFNC BS_UE D1_D2 UE _ D21()()( )2RC CC=+ + (22) 采用 C+语言对基于复数域网络编码的 D2D传输方案的系统可达速率D2D CFNCR以及传统的 D2D传输方案系统可达速率D2DR 进行实验仿真，仿真结果如图 4所示。从图中可以看出，随着 SINR的增大，基于复数域网络编码的 D2D传输方案和传统的 D2D传输方案的系统可达速率都在增加，当 S

28、INR增大到10 dB以后，相对于基于复数域网络编码的 D2D传输方案，传统的 D2D传输方案的系统可达速率增加速度缓慢；进一步对比两种方案发现，基于复数域网络编码的 D2D传输方案的系统可达速率明显高于传统的 D2D传输方案。 系统可达速率/b(sHz)14.03.53.02.52.01.51.00.500 5 10 15 20 25 30SINR/dB 传统的 D2D传输方案 基于复数域网络编码的 D2D传输方案图 4 两种传输方案的系统可达速率 3.2 符号错误概率 分别对基于复数域网络编码的 D2D传输方案和传统的 D2D传输方案的 SEP性能进行实验仿真， 仿真万方数据 电 子 科

29、技 大 学 学 报 第 45 卷 742过程中采用性能最好的 BPSK调制，且信干噪比SINR在 0 30 dB范围内取值。 图 5给出了两种传输方案的 SEP仿真曲线，可以看出两种传输方案的 SEP都随着 SINR的增加而降低，同时编码增益增加；相同SINR条件下，基于复数域网络编码的 D2D传输方案的 SEP明显小于传统的 D2D传输方案。 进一步从理论上对两种传输方案的 SEP性能进行分析。在基于复数域网络编码的 D2D传输方案中，在蜂窝用户处对蜂窝信号和 D2D干扰信号进行复数域网络编码，并将复数域编码信号转发给 D2D接收端， D2D接收端通过联合最大似然检测恢复出 D2D信号。 D

30、2D接收端 D2分别通过发送端 D1到接收端 D2的 D2D直达路径，以及经过蜂窝用户 UE的中继路径两条独立路径共接收到 D2D信号2x 的两个副本，获得两阶分集增益。传统的 D2D传输方案， D2D接收端只从 D2D发送端 D1到接收端 D2的直达路径接收到 D2D信号的一个副本，获得一阶分集增益。根据上述分析，基于复数域网络编码的 D2D传输方案的分集增益性能优于传统的 D2D传输方案， 其 SEP也将明显小于传统的 D2D传输方案。 SEP 100SINR/dB 基于复数域网络编码的 D2D传输方案传统的 D2D传输方案 0 5 10 15 20 25 3010110210310410

31、5图 5 两种传输方案的 SEP 4 结 束 语 考虑到 D2D用户复用蜂窝下行链路频谱进行D2D通信， D2D接收端容易受到蜂窝信号的干扰，为此提出一种基于复数域网络编码的 D2D传输方案。在蜂窝用户处对蜂窝信号和 D2D干扰信号进行复数域网络编码，并将复数域编码信号转发给 D2D接收端， D2D接收端通过联合最大似然检测恢复出D2D信号，消除蜂窝用户干扰。对基于复数域网络编码的 D2D传输方案以及传统的 D2D传输方案的系统可达速率以及 SEP进行理论分析和实验仿真，结果表明提出的基于复数域网络编码的 D2D传输方案的系统可达速率性能优于传统的 D2D传输方案，进一步降低了 D2D接收端的

32、符号错误概率。 参 考 文 献 1 DOPPLER K, RINNE M, WIJTING C, et al. Device-to-device communication as an underlay to lte-advanced networksJ. IEEE Communications Magazine, 2009, 47(12): 42-49. 2 CHI K, JIANG X, HORIGUCHI S. Network coding-based reliable multicast in wireless networksJ. Computer Networks, 2010, 5

33、4(11): 1823-1836. 3 CHI K, JIANG X, YE B, et al. Efficient network coding-based loss recovery for reliable multicast in wireless networksJ. IEICE Trans on Communications, 2010, E93-B(4): 971-981. 4 XU S Y, KWAK K S. Effective interference coordination for D2D underlaying lte networksC/IEEE 79th Vehi

34、cular Technology Conference (VTC Spring). Seoul: IEEE, 2014: 1-5. 5 WANG L F, PENG T, YANG Y F, et al. Interference constrained D2D communication with relay underlaying cellular networksC/2013 IEEE 78th Vehicular Technology Conference (VTC Fall). Las Vegas: IEEE, 2013: 1-5. 6 MA C, LIU J Q, TIAN X H

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