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中继协助下的D2D通信干扰抑制算法研究

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魏素盼焦锐丽

【摘要】本文分析了在LTE网络中引入D2D通信后所带来的干扰协调问题及功率控制问题，针对单小区环境下D2D通信引入的干扰问题，提出了一种基于中继技术的干扰抑制算法模型。该算法对于满足中继触发条件的D2D通信对，在K个候选中继用户组成的集合中选择基于容量最优的中继。与传统蜂窝通信相比，带有中继的D2D通信能充分利用小区空闲资源来有效提高用户容量，从而提升系统性能。

【关键词】D2D;干扰协调;网络容量;中继

1.中继通信

一个终端能否以网络通信，以及可以用的數据速率，取决于几个因素，终端和基站之间的路径损耗是其一。LTE链路性能已经比较接近香农极限，而且从一个单纯的链路预算的角度而言，LTE支持的最高数据传输速率要求比较高的信噪比。除非，可以通过使用不同类型的波束赋形解决方案等来改善链路预算，否则就需要一种密集的网络结构来降低终端到基站的距离，从而提高链路预算。

一个密集的基础设施主要是从部署方面讲，但在后期版本的LTE中，还包括了各种支持低功耗基站的方法。中继就是其中一种，它可用于降低终端和基础设施之间的距离，从而提高链路预算，进而可能提高数据速率。原则上，可以通过部署传统的基站来达到减少终端到基础设施之间距离的目的。这些传统基站有线链接到网络的其余部分。然而，在一个较短的部署时间中，中继往往是一个有吸引力的选择，因为部署中继不需要一个特定的回程链路。

2.中继的基本分类

中继有以下几个基本的大类：

（1）根据从信源基站到用户终端的传递次数，可以分为两跳中继和多跳中继。在中继的理论研究中，多跳（multi-hop）中继是一个热点。多跳十分适用于应急网络，每个节点可以移动，组成meshnetwork，使得用户与用户以及用户与系统的通信不会因为局部的一两个节点的失效而无法进行。一些研究也表明如果资源调配合理，多跳中继可以带来容量的提升。

（2）按照是否有基站处理，中继可以分为放大转发中继（AmplifyandForward，AF）和译码转发中继（DecodingandForwarding，DF）。前者基本不需要基带处理，跟直放站有些类似，所以时延很小，可以做到全双工。但是两段链路之间需要足够的隔离，以防止信号间的串扰，因此部署场景有些限制。而译码转发中继需要基带处理，可以抑制干扰的再次放大，有一定的处理时延，一般是半双工工作，对两段链路之间的隔离度要求不高。

（3）按照回传链路（基站到中继）和接入链路（中继到终端）是否在同一频带工作，可以分为带内中继（inbandrelay）和带外中继（outbandrelay）。带外中继需要有两套射频电路，可以全双工工作，但运营商得有足够频谱分别用于回传链路和接入链路。带内中继只需要一套射频，成本稍低，但需要考虑回传链路和接入链路的资源如何分配。

（4）按照回传链路和接入链路的资源复用，可分为频分（FrequencyDivisionMultiplexed，FDM）和时分（TimeDivisionMultiplexed，TDM）。频分方式在一个系统带宽内，属于带内中继。频分方式的优点是资源分配的灵活性较高，在回传链路和接入链路都可以动态的调度资源。但频分方式存在一个问题，即频域的保护间隔。为了防止两条链路间的串扰，一般要求隔离深度在50-60dB，而根据一般射频器件能达到的滤波水平，隔离带宽可能会吃掉很大一部分系统带宽，这将十分影响频谱利用率。

（5）按照中继节点的移动性可以分为移动中继（mobilerelay）和静止中继（stationary/fixedrelay）。静止中继回传链路的质量较高，对网络架构的影响较小。移动中继比较适合组群移动或应急部署场景，由于快衰和部署地点的欠优化，回传链路的质量不容易保持很高水平。而且因为节点本身的移动性，对网络架构的影响比较大。

3.中继技术在D2D通信中的应用

在D2D通信中，为了保证通信的可靠性和有效性，干扰问题的解决成为现阶段研究的热点问题之一。目前的很多研究都将重点放在了蜂窝网络中引入D2D通信的单个小区性能，如吞吐量、中断概率等，而很少有将中继节点应用到D2D通信后系统的性能的研究。而事实上，在D2D通信的过程中，当用户位置、信道增益产生变化从而导致信道衰落无法继续满足通信质量要求时，那么D2D间的正常通信将会中断。此时，考虑在D2D通信链路中加入合适的中继来保证通信的正常进行，并且，中继的加入将会给D2D通信带来如下改进：

（1）降低系统功耗：在如今5G关键技术的研究中，D2D技术因其能有效的提高资源利用率而受到广泛关注，但当D2D链路受传输环境影响而导致信道衰落较大时，那么将中继引入到D2D通信过程可以降低D2D发送端的发射