協(xié)作式d2d系統(tǒng)中基于信號(hào)對(duì)齊的干擾避免和安全傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種協(xié)作式D2D系統(tǒng)中基于信號(hào)對(duì)齊的干擾 避免和安全傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)多媒體、社交網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)等新型應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，終端直通(Device-t〇-DeVice，D2D)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且被認(rèn)為是下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在支持D2D 通信的蜂窩系統(tǒng)中，設(shè)備間的直通鏈路與蜂窩用戶間的傳輸鏈路共享相同的頻譜，因此，如 何實(shí)現(xiàn)有效的干擾管理對(duì)于提升D2D通信的性能至關(guān)重要。已有的干擾管理方案主要采用 功率控制、資源分配和信號(hào)處理技術(shù)來消除或減弱干擾的影響;而通過建立協(xié)作機(jī)制，可以 進(jìn)一步緩解蜂窩鏈路和D2D鏈路之間的相互干擾并提升系統(tǒng)性能。這就是協(xié)作式D2D傳輸?shù)?基本思想。在該傳輸模式中，D2D系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)充當(dāng)蜂窩鏈路的中繼節(jié)點(diǎn)，輔助蜂窩系統(tǒng)完 成端到端信息傳輸，以此獲得頻譜機(jī)會(huì)。作為這一思想的具體化，Zhao等人提出了一種網(wǎng)絡(luò) 編碼輔助的協(xié)作策略，Ma等人提出了一種基于疊加編碼的協(xié)作D2D策略，在該策略中，D2D發(fā) 射機(jī)采取疊加編碼的方式同時(shí)發(fā)送自身數(shù)據(jù)和蜂窩用戶數(shù)據(jù)。該兩種策略的不足之處在 于:受限于中繼傳輸?shù)碾p跳特性和節(jié)點(diǎn)半雙工約束，D2D傳輸和蜂窩傳輸?shù)念l譜效率都難于 提升。為了克服這一缺陷，Yiyang Pei等人提出了一種高譜效的協(xié)作雙向傳輸策略，該策略 允許一對(duì)D2D設(shè)備之間建立雙向連接，同時(shí)其中一個(gè)D2D用戶作為中繼來實(shí)現(xiàn)蜂窩用戶和基 站之間的雙向信息傳遞。
[0003] 盡管上述協(xié)作雙向傳輸策略具有較高的頻譜效率，但其仍存在兩個(gè)方面的問題。 首先，任一終端接收到的信號(hào)都包含自身所需信號(hào)和發(fā)送給其他用戶的信號(hào)，因此系統(tǒng)是 干擾受限的，這會(huì)造成嚴(yán)重的誤碼平臺(tái)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤符號(hào)率無法隨信噪比的升高而 下降。第二，在實(shí)際應(yīng)用中，任何用戶都具有數(shù)據(jù)保密的要求，蜂窩用戶的數(shù)據(jù)需要對(duì)D2D用 戶保密以保證其信息傳輸?shù)乃矫苄?，D2D用戶的數(shù)據(jù)也需要對(duì)蜂窩用戶保持私密性，然而， 在上述協(xié)作雙向傳輸策略中，任一節(jié)點(diǎn)均能夠訪問（接收到）來自于其他任一終端的數(shù)據(jù)， 這就導(dǎo)致了信息安全性的問題。根據(jù)調(diào)研，目前還沒有相關(guān)工作解決協(xié)作式D2D通信系統(tǒng)中 的上述兩個(gè)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種協(xié)作式D2D系統(tǒng)中基于 信號(hào)對(duì)齊的干擾避免和安全傳輸方法，該方法能夠有效的提高協(xié)作式D2D系統(tǒng)的安全性，降 低協(xié)作式D2D系統(tǒng)的誤符號(hào)率。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的協(xié)作式D2D系統(tǒng)中基于信號(hào)對(duì)齊的干擾避免和安 全傳輸方法，協(xié)作式D2D系統(tǒng)包括基站BS、用戶D 1、用戶D2以及蜂窩用戶⑶，基站BS與蜂窩用 戶CU構(gòu)成蜂窩子系統(tǒng)，用戶Di與用戶D2構(gòu)成D2D子系統(tǒng)，D2D子系統(tǒng)與蜂窩子系統(tǒng)之間進(jìn)行協(xié) 作，用戶 〇1作為中繼節(jié)點(diǎn)輔助基站BS與蜂窩用戶CU完成雙向數(shù)據(jù)交互，蜂窩子系統(tǒng)允許用 PD1及用戶D2使用蜂窩網(wǎng)頻譜進(jìn)行通信，具體包括：
[0006]基站BS、用戶D1、用戶02以及蜂窩用戶⑶在信息傳輸時(shí)，先將信號(hào)星座點(diǎn)經(jīng)過信號(hào) 星座旋轉(zhuǎn)后再發(fā)送出去；
[0007] D2D子系統(tǒng)和蜂窩子系統(tǒng)之間的每次協(xié)作傳輸由兩個(gè)階段構(gòu)成，其中，在第一階 段，基站BS、蜂窩用戶⑶、用戶D2分別發(fā)送各自的信號(hào)至用戶D1;在第二階段，用戶D 1轉(zhuǎn)發(fā)由 基站BS發(fā)送的信號(hào)及蜂窩用戶CU發(fā)送的信號(hào)組合成的復(fù)合信號(hào)，實(shí)現(xiàn)蜂窩用戶CU和基站BS 之間的雙向信息傳遞，同時(shí)，用戶D1將自身需要發(fā)送的信號(hào)傳輸至用戶D2。
[0008] 基站BS、蜂窩用戶⑶、用戶D1及用戶02的星座旋轉(zhuǎn)角度滿足的條件為：
[0009] 當(dāng)XQ為取自原始星座集X的符號(hào)，旋轉(zhuǎn)后的符號(hào)X = e#X。，旋轉(zhuǎn)角度Θ滿足：
[0011] 其中，i矣k，;!味4及分以}分別為符號(hào)X的實(shí)部和虛部，X4PXk分別為旋轉(zhuǎn)后的星座 集合中任意兩個(gè)星座點(diǎn)；
[0012] 對(duì)于基站BS和蜂窩用戶CU，蜂窩用戶CU和基站BS使用的星座旋轉(zhuǎn)角度C及&滿 足：
[0014] 其中，及分別為基站BS和蜂窩用戶⑶處星座點(diǎn)之間的最小平方距離，
分別為基站BS經(jīng) 信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，xc和滅?分別為蜂窩用戶CU經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后 的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，hB#PhQ分別為鏈路信道系數(shù)及鏈路⑶^D1的信道系數(shù)；
[0015] 用戶Di和用戶D2使用的星座旋轉(zhuǎn)角度A1及滿足：
[0017] 其中，分別為用戶D1和用戶D2處星座點(diǎn)之間的最小平方距離，

分別為用戶D1經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后 的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，^:?和1?分別為用戶D2經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的任意兩個(gè)信號(hào)星座 點(diǎn)，hi2為鏈路Dl-D2的信道系數(shù)。
[0018] 在第一階段中，基站BS發(fā)送信號(hào)
蜂窩用戶CU發(fā)送信號(hào)
以及用戶〇2發(fā)送信號(hào)
至用戶D1*，其中，XhXcdlW分別 為基站BS、蜂窩用戶⑶及用戶D2經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的復(fù)星座點(diǎn)，P為基站BS、蜂窩用戶⑶ 及用戶D2的發(fā)射功率;hBi為基站BS與用戶Di之間的信道系數(shù)，hen為蜂窩用戶CU與用戶Di之 間的信道系數(shù)，hi2為用戶Di與用戶D2之間的信道系數(shù)；ZhBi、Zhci及Z hi2分別為hBi的相位、 1^的相位及h12的相位，則用戶以接收到的信號(hào)?/g為：
[0020]其中，wg為第一階段中用戶D1處的信道加性噪聲，為用戶D1提取j/g的虛 部并利用最大似然準(zhǔn)則估計(jì)的值，然后再根據(jù)及式（1)確定;^，從而獲得用戶〇2的 信息。
[0021 ]第二階段中，用戶D1發(fā)送的信號(hào)^廣>的表達(dá)式為：
[0023]其中，《氏為用戶D1發(fā)送給用戶D2的數(shù)據(jù)，α和β為功率歸一化因子，
則用戶D2接收到的信號(hào)的表達(dá)式 為
!
[0025] 其中，h12為用戶Dl和用戶D2之間的信道系數(shù)，極g為第二階段中用戶D2處的信道加 性噪聲；
[0026] 用戶02對(duì)接收到的信號(hào)益進(jìn)行匹配濾波，然后提取濾波后的信號(hào)的虛部，再根據(jù) 濾波后的信號(hào)的虛部得判決統(tǒng)計(jì)量
_
[0028] 其中，
由于黎(??}為用戶〇2在第一階段發(fā)送 的信號(hào)，用戶D2從式(8)中減去丨消除自身干擾，然后再利用最大似然準(zhǔn)則檢 測(cè)鄉(xiāng)略}，恢復(fù)出信號(hào)3?°
[0029] 第二階段中，基站BS的接收信號(hào)的表達(dá)式為：
[0031]基站BS首先用
乘以接收信號(hào)#1，提取所得結(jié)果的實(shí)部得判決統(tǒng)計(jì)量
其中，
[0033] 其中，
中減去
_%丨自干擾消除，得信號(hào)?Γ，其中，
[0035] 基站BS根據(jù)式(12)利用最大似然準(zhǔn)則完成對(duì)的檢測(cè)，再根據(jù)式(1)確定蜂窩 用戶CU經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的復(fù)星座點(diǎn)Xc，從而獲得蜂窩用戶CU的信息。
[0036] 所述星座旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)則還滿足：當(dāng)k矣1，則有，
[0038]其中，基站BS所采用的任意兩個(gè)原始星座點(diǎn)6馬^，蜂窩用戶⑶所采用的 任意兩個(gè)原始星座點(diǎn)
[0039] 設(shè)基站BS、蜂窩用戶UC采用相同的調(diào)制方式，即xBS=X⑶=X，則式（15)轉(zhuǎn)換為：
[0041] 設(shè)1^_1!⑴為實(shí)數(shù)，由式(15)得：
[0042] hBi I cosBbs= I hci | cosBcu (16)
[0043]以能夠最大化蜂窩鏈路最小平方歐氏距離為目標(biāo)求解式(16)，得：
[0045]其中，^及?ζ#分別為基站BS和蜂窩用戶⑶處星座點(diǎn)之間的最小平方距離，
乂8和分別為基站BS經(jīng) 信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，狀和減?分別為蜂窩用戶CU經(jīng)信號(hào)星座旋轉(zhuǎn)之后 的任意兩個(gè)信號(hào)星座點(diǎn)，hB#PhQ分別為鏈路BS^DjP鏈路⑶^D1的信道系數(shù)。
[0046]本發(fā)明具有以下有益效果：
[0047]本發(fā)明所述的協(xié)作式D2D系統(tǒng)中基于信號(hào)對(duì)齊的干擾避免和安全傳輸方法在數(shù)據(jù) 傳輸?shù)倪^程中，基站BS、用戶D1、用戶D2以及蜂窩用戶CU先將信號(hào)星座點(diǎn)經(jīng)過信號(hào)星座旋轉(zhuǎn) 后再發(fā)送出去，從而有效的提高信息傳輸?shù)陌踩?，同時(shí)用戶D 1與用戶D2構(gòu)成D2D子系統(tǒng)， D2D子系統(tǒng)與蜂窩子系統(tǒng)之間進(jìn)行協(xié)作，使得在任意一個(gè)接收端，目標(biāo)信號(hào)對(duì)齊接收端的一 維信號(hào)空間，干擾信號(hào)對(duì)齊接收端的另一維信號(hào)空間，從而避免干擾，提高降低協(xié)作式D2D 系統(tǒng)的誤符號(hào)率。同時(shí)，干擾信號(hào)為兩個(gè)未知干擾信號(hào)的同相疊加，解碼性能得以惡化，從 而提高協(xié)作式D2D系統(tǒng)的安全性。需要說明的是，本發(fā)明無須依賴于復(fù)雜的干擾管理機(jī)制， 也無須使用協(xié)議棧高層的加密/解密技術(shù)，只需利用物理層的信號(hào)設(shè)計(jì)就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)干 擾的避免和系統(tǒng)安全性提升，便于實(shí)現(xiàn)，非常適合應(yīng)用于協(xié)作式D2D系統(tǒng)中。
【附圖說明】
[0048]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)模型示意圖；
[0049] 圖2為仿真實(shí)驗(yàn)中在以處檢測(cè)CU信號(hào)時(shí)的誤符號(hào)率曲線示意圖；
[0050] 圖3為仿真實(shí)驗(yàn)中⑶^D1HBS傳輸鏈路的誤符號(hào)率曲線示意圖；
[0051] 圖4為仿真實(shí)驗(yàn)