D2D + relay 里的研究

D2D + relay 里的研究

5G和未来无线通信的技术已经吸引了业界和研究团体的兴趣：其中一种技术是 D2D，利用用户邻近性提供频谱效率、能源效率和增加吞吐量的通信。

D2D 通信的一些用例

• 数据转移
• 公共安全通信
• 上下文感知通信
• 内容共享

根据 D2D 设备之间信道的性质，D2D 通信可以是直接的，也可以是通过 relay 进行的。除了干扰问题外，中继辅助 D2D 通信的一个关键挑战是在保持蜂窝用户的 QoS 要求的同时适当地将中继分配给 D2D 对。

在这篇文章中，relay 辅助 D2D 通信进行了回顾，并强调了研究问题。我们还提出了考虑不确定性的不完全信息匹配理论，该不确定性是由 relay 的机动性引起的。

BG

据估计，未来的无线通信技术将需要满足比目前的 4G 网络更高的速度和更低的延迟。为了推动5G网络的发展，蜂窝网络中的 D2D 通信已被提议作为一种使能技术，并已被纳入第三代合作伙伴关系项目（third generation partnership project，3GPP）的近邻通信服务（Proximity Services，ProSe）标准。

D2D 通信可以添加部署到现有的蜂窝网络中，在该网络中使用正交信道，或者作为底层共享可用的资源。

• 正交信道的方式可以减少干扰
• 共享资源可以提高频谱效率。

与 D2D 通信相关的增益包括

• 跳频增益
• 复用增益
• 接近增益

虽然设备之间的直接通信并不新鲜，但 D2D 通信使用了现有的网络，因此克服了涉及未经许可的频谱通信相关的手工配对和接入点定义。

在 D2D 通信的研究中，考虑了

• D2D 下置蜂窝网络
• 资源分配
• 频谱共享的可行性
• 覆盖扩展
• 协作通信

D2D 通信可以是两个移动设备之间的直接通信，也可以是 relay 辅助通信，其中可以使用一个固定的低功率 relay 来转发信号，也可以使用移动 relay。

必要性：The need to introduce relay to D2D communication arises when the distance between the nodes is too far for direct communication or when the channel is severely impaired. Instances where relay assisted D2D communication can be used include:

• coverage extension
• in content sharing networks

对于蜂窝通信，3GPP 已经标准化了无线电中继技术，包括

• 第一层中继： Layer 1 Relay
• 第二层中继： Layer 2 Relay
• 第三层中继： Layer 3 Relay

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D2D 通信的标准化工作仍在进行中，相关的中继技术尚未标准化。

• A layer 1 relay is simply a repeater station which amplifies
  its received radio signal and forwards it to the destination.

• Layer 2 relays amplifies received signals only after successful
  decoding/encoding and demodulation/modulation.

• Layer 3 relay is similar to Layer 2 relay but having radio protocols
  similar to an LTE base station.

A cell with multiple technologies

• A: Fixed relay assisted D2D communication
• B: mmW communication
• C: Massive machine type communication
• D: Mobile relay assisted D2D/D2D Mesh
• E: short range inter-vehicular communication
• F: Mobile relaying

In the literature, the approaches in analysing relay aided D2D communication can be categorised into

• resource allocation
• relay selection
• applications

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For D2D communication, algorithms for

• mode selection
• resource allocation
• power control

have also been proposed.

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Cooperative device-to-device communications in cellular networks

一般来说，复用蜂窝频谱资源有两种 D2D 通信方式：

• 底层 D2D 通信：underlay
• 覆盖 D2D 通信：overlay

Underlay D2D Communications: 蜂窝和 D2D 链路同时使用相同的频谱波段。利用空间分集特性，增强了底层 D2D 通信的频谱复用能力。一个主要的挑战是如何管理 D2D 链路对蜂窝链路的干扰，反之亦然。这种干扰可以通过引入先进的频谱分配和功率控制方案来缓解。

Overlay D2D Communications: 当蜂窝链路的数据速率要求能够满足时，操作员分配专用的蜂窝资源（信道或时隙）给 D2D 链路。这种方法消除了 D2D 链路和蜂窝链路之间相互干扰的问题，但可能不会提高频谱复用系数。在覆盖 D2D 通信中，蜂窝层和 D2D 层保持资源正交性，互不产生干扰，代价是失去复用收益。

Cooperative relay
合作中继强调了多用户之间的合作传输。在认知无线电网络的背景下，次要用户可以作为中继，为主要用户赢得更高的机会来访问授权的频谱带。

As motivated, we propose a cooperative D2D communication framework for the cellular networks.
该框架的基本思想是选择合适的 D2D 传输模式即用于所有 D2D 链路的（下垫层、覆盖层或合作中继）。由于 D2D links 和蜂窝 links 都可以通过使用建议的框架获得显著的性能收益，因此它们具有相互合作的动机。

The related work falls into two categories: spectrum allocation for underlay/overlay D2D communications and cooperative relay networks.
There are a plethora of studies about spectrum management for underlay or overlay D2D communications in cellular networks.

• 研究了 D2D 通信中的会话和干扰管理问题中的 LTE 高级网络。
• 在满足频谱效率约束和功率约束的前提下，研究了共享频谱上一个 underlay D2D 链路和一个蜂窝链路的总吞吐量优化问题。
• 为了提高多小区链路和一个D2D链路的总容量，提出了一种干扰限制区域控制方案，并假设BS具有多个天线。
• 提出了一种基于序贯二次价格拍卖（sequential second price
  auction）的频谱资源分配方案，以提高多个底层 D2D 链路和多个蜂窝链路的整体频谱效率。
• 讨论了服务/对等点发现（service/peer discovery）、模式选择和功率控制，以便在有来自 BS 的帮助时进行覆盖 D2D 通信。
• 提出了一种基于覆盖 D2D 通信的组播方案。在每次多播传输之后，一些成功解码信息的成员会将其转发给那些无法解码信息的成员。
• 提出了一种基于覆盖 D2D 通信的协作视频多播系统，并证明通过将专用蜂窝频谱分配给D2D通信，用户感知的视频质量可以大大提高。
• 针对合作中继网络，提出了一种网络结构，在该结构中，BS 用其部分功率与电视系统合作，以获得对具有良好传播特性的电视频带的访问权。
• 作者考虑了基于基础设施的主网络和覆盖的认知无线电网络的场景，其中主网络利用次级用户作为协作中继，并决定最佳的中继选择策略和频谱租用价格。

To the best of our knowledge, it is the first time that a cooperative D2D communication framework is proposed, which can improve the performance of both D2D links and cellular links.

在本文中，我们考虑一种基于正交频分多址（OFDMA）的蜂窝网络，它可以是 LTE-Advanced 或 WiMAX。

如图所示，蜂窝网络中的一个蜂窝围绕一个在许可的频谱范围内运行的 BS。通过 OFDMA 调制，将频谱频带划分为多个带宽相等的正交信道；时间被平均分成 OFDMA帧，每帧持续几毫秒。

The BS supports operator-controlled D2D communications [5, 9], which means that besides a cellular link between a mobile user and the BS, two mobile users can communicate directly with each other over a D2D link.

[5] K. Doppler et al., “Device-to-Device Communication as an Underlay to LTE-Advanced Networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 47, no. 12, 2009, pp. 42–49. [9] L. Lei et al., “Operator Controlled Device-to-Device Communications in LTE-Advanced Networks,” IEEE Wireless Commun., vol. 19, no. 3, 2012, pp. 96–104.

我们将蜂窝链路中的移动用户称为蜂窝用户（CU），将D2D链路的发送方和接收方分别称为D2D发送方（DT）和D2D接收方（DR）。
注意，D2D links 中的 DT 和 DR 仍然由 BS 控制。具体来说，BS 负责 D2D 通信的对等点发现、链路建立/维护和频谱分配。

我们假设蜂窝链路有最低的数据速率要求。相比之下，D2D 链路没有最低数据速率要求，因为它可能是对蜂窝链路的补充。在不失一般性的情况下，我们考虑多个 D2D 链路共享多个上行链路（从CU到BS）小区链路的情况。

在每一 OFDMA 帧内：

• 每个蜂窝链路预先分配一个正交信道用于其数据传输。
• 最多一个 D2D 链路与一个蜂窝链路共享一个信道，并且每个 D2D 链路最多可以共享一个信道。
• 当蜂窝链路的数据速率要求满足时，允许一个 D2D 链路通过 underlay 或 overlay 模式共享蜂窝链路的信道。
• 当 DR 通过合作中继模式作为蜂窝链路的中继时，BS 将专用频谱分配给 D2D 链路作为奖励。

D2D 链路对于提高 D2D 和蜂窝链路的性能至关重要。具体来说，模式选择意味着 BS 决定 D2D 链路是采用 underlay 模式、overlay 模式还是协同中继模式。频谱分配包括 D2D 链路的信道分配和所有发射机的发射功率控制。

Thus, mode selection and spectrum allocation for D2D links are coupled together and should be addressed jointly.

一般来说，协同中继是分布式 MIMO 通信的一种扩展，这可以被引入到 D2D 通信中。例如，当 CU 信道条件不好时，DR 可以作为 CU 的中继。作为回报，如果合作中继有意义（由于中继，蜂窝链路的数据速率要求得到了满足），BS 将分配专用频谱给 D2D 链路作为奖励。 在提出的协同 D2D 通信框架中，协同中继主要提高了小区链路性能，特别是降低了中断概率（中断即 $R_{\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}}<R_{\mathrm{T}\mathrm{H}}$）。

当 $R_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}<R_{\mathrm{T}\mathrm{H}}$，蜂窝链路的数据速率要求则不能通过从 CU 到 BS 的直接传输来满足，而 DR 有可能作为 CU 的中继。

三个阶段：

• CU 通过传输功率 $P_C$ 将数据广播给 BS 和 DR
• DR 以传输功率 $P_{DR}$ 的将接收到的数据通过译码转发转发到 BS
• DT 通过传输功率 $P_{DT}$ 将自己的数据传输给 DR

The achievable data rates:

• $R_{\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}}=\alpha \cdot \min \{R_1,R_2\}$
  • $R_1=\log (1+P_{C}SIN{R}_{CU-DR})$
  • $R_2=\log (1+P_{C}SIN{R}_{CU-BS}+P_{DR}SIN{R}_{DR-BS})$
• $R_{\mathrm{D}2\mathrm{D}}=(1-2\alpha )\cdot \log (1+P_{DT}\cdot SIN{R}_{DT-DR})$

显然，在协同中继模式下，蜂窝链路和 D2D 链路等于零。对于协作中继方式，发射功率控制的目标是最大化 $R_{\mathrm{D}2\mathrm{D}}$ 同时保证 $R_{\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}}\ge R_{\mathrm{T}\mathrm{H}}$.
在这种考虑下，从而我们可以这样解决问题，先将三个功率设置到最大，然后检查 $R_{\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}}\ge R_{\mathrm{T}\mathrm{H}}$ 是否成立，如果成立，则协同中继可以实现 D2D 双赢；否则我们不启用协同中继模式，且 D2D 链路不可用。

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Resource Allocation for Network-Integrated Device-to-Device Communications Using Smart Relays

本文研究了中继节点进行 D2D 通信时，网络集成 D2D 通信的性能。
提出了在总功率约束下分配无线资源的优化问题，最大化端到端速率以及转换蜂窝和 D2D 用户设备的 QoS 要求。

D2D 通信的可能使用情况是本地语音和数据服务，包括内容共享（即，通过智能手机交换照片、视频或文件）和多人游戏。在 D2D 通信环境下，在满足传统蜂窝网络（CUE）的服务质量（QoS）和网络中的 D2D 网络问题的前提下，如何在用户之间建立可靠的直接链路成为关键问题。
此外，来自于 CUE 的干扰和较差的传播信道可能会限制 D2D 通信在实际场景中的优势。在这种情况下，当 D2D 对距离太远或者 D2D 信道质量不足以进行直接通信时，通过 relay 进行网络辅助传输可以有效地提高 D2D 通信的性能。

在本文中，我们考虑在 LTE-A 蜂窝网络中，中继辅助 D2D 通信，其中 D2D 对由中继节点提供服务。我们关注的场景是，潜在的 D2D UE 彼此靠近（办公大楼或大学地区、音乐会场地等）然而，接近和链接条件可能不利于直接通信。
由于 LTE-A 第3层 （L3）中继具有自回程配置，使其能够执行类似于基站的操作（LTE-A网络中演化节点B [eNB]）。

在 D2D 通信环境下，基于 OFDMA 的下一代无线网络的资源分配是研究的热点之一。

• Efficient Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network 在该场景中，如果所获得的 SINR 大于阈值 SINR，则 D2D pair 与传统用户共享相同的资源，在此情况下，对于上行和下行场景将给出一种基于贪心启发式的资源分配方案。
• 在Resource Allocation for Device-to-Device Communications Underlaying LTE-Advanced Networks中提出了一种基于列生成方法的资源分配方案，通过寻找最小传输长度（即用于 D2D 链路），同时保护蜂窝用户免受干扰并保证QoS。
• 在Relay Selection and Resource Allocation for Multi-user Cooperative LTE-A Uplink中，作者考虑了上行场景的中继选择和资源分配，其中两类用户具有不同的（具体和灵活）速率要求。目标是通过满足速率约束用户的速率要求，同时将传输功率限制在功率预算之内，从而使系统吞吐量最大化。
• 然而，在[x]-[x]中，没有研究在 D2D 通信中使用 relay 的影响。

事实上，在 D2D 通信环境中显式的中继机制在文献中尚未被考虑，大多数资源分配方案只考虑一个 D2D 链路。利用3GPP标准支持的L3中继，我们研究了网络集成 D2D 通信的网络性能，并表明中继辅助 D2D 通信为长距离 D2D 链路提供了显著的性能增益。

Radio Access Methods in LTE-A Networks

在 LTE-A 无线电接口中，两个连续的时隙创建一个子帧，其中每个时隙跨越 0.5 msec。资源以资源块（RBs）为单位在一个子帧上分配给 UEs。

每个 RB 在时域占用1个时隙（0.5 msec），在频域占用 180 KHz，子载波间距为 15 KHz。

• 下行接入的多址方案（即 eNB/relay-to-UE）为 OFDMA；
• 而上行链路（即 UE-to-eNB/relay，relay-to-UE）是 single carrier-FDMA (SC-FDMA)。

一般来说，SC-FDMA 需要向 UEs 分配一组连续的子载波。下行链路的资源分配支持块式传输（本地化分配）和非连续子载波传输（分布式分配）。对于上行传输，当前规范只支持局部本地化的资源分配。

当D2D节点间链路条件较差或距离太远无法直接通信时，在L3中继的支持下，可以在中继节点上对D2D UE进行调度和资源分配，通过中继传输D2D流量。我们将此称为网络集成D2D通信，它可以作为在远程D2D链接之间提供更高质量服务的替代方法。

fixed-location L3 relays（不是移动性中继）

我们假设这些 CUE 不在 eNB 的覆盖区域内，并且/或者信道条件很差，因此 CUE-eNB 通信需要 relay 的支持。
此外，两个D2D UEs之间的直接通信由于距离较远和/或链路条件较差，可能会产生不利影响，因此需要中继节点的协助。