D2D通信关键技术与应用 课件 第四章

4D2D中继选择技术4.1概述4.3中继选择策略4.2中继转发及拓扑结构4.4中继选择中的功率控制4.5本章小节（1）

AF放大转发4.2.1转发模式类别4.2中继转发及拓扑结构（1）结构简单、中继节点直接对信号进行转发而不用进行额外的处理，具有响应速度快、设备复杂度低的特点（2）传输信道中的噪声也被放大转发4.1D2D通信的基本知识D2D通信是一种短距离通信技术，基站只需提供控制信令，用户就能够直接传输数据。如下图所示，与传统的蜂窝网络通信相比，D2D通信不需要数据通过基站转发数据，从而在保证D2D通信的前提下减轻基站通信负荷。什么是D2D通信？（a）传统蜂窝网络通信

（b）D2D通信（2）DF译码转发4.2.1转发模式类别（1）中继节点会对接收到的信号进行解码，直接重新编码或者经过校验确认无误后（可选）再重新编码，转发给目的节点（2）该协议最大的一个优点是不会传递噪声，从而保证了传输的可延续性和正确性。（3）缺点是设备复杂度高、处理速度慢，从而导致一定的传输延迟。4.2中继转发及拓扑结构（1）两跳单中继模型4.2.2中继网络拓扑结构

源端与目的端相距较远，直接通信无法满足要求时，通过中继转发可以扩大通信范围，

通过增设中继节点扩大小区的覆盖面积，提升小区边缘用户的体验。4.2中继转发及拓扑结构

与两跳协作中继模型的不同之处在于存在直达路径。若系统中增加一个协作中继节点，在源端发送信号给目的端时，中继也接收信号，然后中继再转发给目的端，这样目的端将收到信息的两个副本，通过合并技术将它们融合，可以有效提高分集增益。（2）协作两跳单中继模型

4.2中继转发及拓扑结构4.2.2中继网络拓扑结构（3）协作两跳并行中继模型将协作两跳单中继模型可以如下图所示的多中继情形。此时，可以把中继当做源端的虚拟多天线，并考虑发射分集，以提高系统的可靠性和有效性。4.2中继转发及拓扑结构4.2.2中继网络拓扑结构4.2中继转发及拓扑结构4.2.2中继网络拓扑结构（4）多跳中继模型

可以将两跳单中继模型推广到多跳从而搭建起一条多跳中继链路，如图所示。

多跳中继模型具有扩大覆盖范围的优点，但同时也存在较大的时延和复杂的资源分配算法等缺点，因此在蜂窝网络中不适合采用多于两跳的中继模型。4.2中继转发及拓扑结构4.2.2中继网络拓扑结构（5）协作串行中继模型

为了充分利用无线信道的广播特性，可以采用多跳分集接收模式，允许任意节点的广播信号均能被后续节点收到并解码，

并且采用AF协议的性能要优于DF协议，尽管AF协议在这个过程中可能也放大了噪声。4.3.1中继选择分类4.3中继选择策略

在基于平均信道状态信息的最优中继选择过程中，根据各个备选中继节点的距离、路径损耗、平均信噪比等参数的比较判决其是否为最优中继节点。因此，该通信系统中需要有能够有效估计各个节点的距离或者地理位置信息的设备，或者需要有能够估计其链路平均信噪比的设备，对于实际系统来说估计其平均信噪比的开销较大。（1）基于平均信道状态信息的中继选择（2）基于瞬时信道状态信息的中继选择4.3中继选择策略4.3.1中继选择分类最小法则：调和平均法则：

4.3中继选择策略4.3.1中继选择分类（3）基于中断概率的中继选择基于中断概率的中继选择方法以系统的中断概率最小化为目标，选择链路瞬时信噪比最大的中继节点为最优中继节点。系统的整体中断概率：4.3中继选择策略4.3.1中继选择分类（4）基于误码率的中继选择

基于误码率的中继选择方法是以降低系统的误码率为目标的。在中继选择过程中，在考虑传输速率和信噪比的基础上，还考虑了物理层中的调制传输方式和目的节点端的分集合并方式等因素，因此此类中继选择算法更适用于实际网络。4.3中继选择策略4.3.1中继选择分类（5）基于社交网络的中继选择

基于社交网络的中继选择是以通信链路稳定性为目标，通过选择社交关系强的节点来帮助源节点进行数据的转发，该方法不仅仅考虑到了物理层的信道状态、传输速率，还考虑现实生活中人们的主观意愿，更加贴合实际。4.3中继选择策略4.3.1中继选择分类（6）基于机器学习的中继选择

4.3.2典型算法分析

(1)系统模型4.3中继选择策略

由单一宏基站或微基站控制的超密集蜂窝网络中，设备与设备之间的通信链路包括中继链路、直通链路和蜂窝链路3种形式。4.3中继选择策略4.3.2典型算法分析在D2D中继通信的第一跳链路中，第r个RE的信干噪比在第二跳链路中，DUE的SINR可表示为：提高边缘用户的通信质量问题都可以转换为在用户通信时所在链路的吞吐量问题，由香农公式可知，改进的链路吞吐量可表示为：

一般情况下，影响用户之间社交关系的因素主要体现在时间性因素。平均通信时间表示为4.3中继选择策略

(2)算法分析--基于社交网络的典型算法分析基于时间因子可以推断出社交值：当存在多个潜在中继的情况下，为了减少探测次数，首先利用节点之间的社交关系，移除不可用的中继节点。由上述分析可知，与SUE有较强社交关系的潜在中继用户更有可能为SUE、DUE提供中继服务。结合社交网络模型，提出基于整个系统的社交门限ω'的概念，表示为：4.3中继选择策略

(2)算法分析--基于社交网络的典型算法分析4.3中继选择策略

①中继识别因子排除自私节点从下面几个点进行分析：中继识别因子共包括3个属性，负责判断RE中具有自私行为的节点，进而明确何种节点可以中继转发数据。所设计的三个属性分别为：联合兴趣度、转发历史比率和中继物理状态。(2)算法分析--基于自私行为分析的超密集D2D中继选择算法4.3中继选择策略

(2)算法分析--基于自私行为分析的超密集D2D中继选择算法

②权值计算

在定义了属性表达式之后，如何确定每个属性的权重是需要解决的关键问题。利用三角模糊函数将三个属性权重划分为三个层次，即优先级、中间级和一般级。根据三角模糊数隶属函数的定义，给出属性权重的隶属函数表达式：③自私中继确认

2.算法分析--基于自私行为分析的超密集D2D中继选择算法由下式可以计算出SUE和RE之间的属性差：如果属性差的阈值为Δth，当ΔS,R比Δth小时，这样的RE被认为具有自私行为，并且不能作为转发数据的中继设备，也就是说自私中继被确认的条件为：4.3中继选择策略4.4中继选择中的功率控制

假设小区有一个基站、N个可作为中继的空闲蜂窝用户RUE、M个蜂窝用户CUE以及X个D2D通信对(SUE、DUE)。4.4中继选择中的功率控制

一旦通信链路的最小SINR阈值不能满足，通信链路会发生中断，中断概率如下：4.4中继选择中的功率控制

4.5本章小结本章对D2D通信的优缺点进行了简要概述，针对所面临的通信距离远、信道衰落大造成的通信中断问题，分析了中继协作的必要性，根据通信场景的不同，对现有协作中继的网络拓扑结构及转发模式进行了概括。协作通信系统中源节点和中继节点发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节点的功率，