基于网络编码和中继的DevicetoDevice通信.doc

电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA硕士学位论文MASTER THESIS论文题目基于网络编码和中继的 Device-to-Device通信学科专业通信与信息系统201121260304田高辉学号作者姓名指导教师 张忠培 教 授 分类号密级注 1UDC学位论文基于网络编码和中继的Device-to-Device 通信（题名和副题名）田高辉（作者姓名）指导教师张忠培 教授 博导电子科技大学 成 都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业提交论文日期 2014.05.05 论文答辩日期通信与信息系统2014.05.22 学位授予单位和日期答辩委员会主席评阅人电子科技大学 2014年 6 月日注 1：注明国际十进分类法 UDC的类号。 DEVICE-TO-DEVICE COMMUNICATION BASEDON NETWORK CODING AND RELAYA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaMajor: Communication and Information System TechnologyAuthor:Gaohui TianAdvisor: Prof. Zhongpei ZhangSchool:National Key Laboratory of Science and Technology on Communications 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：田高辉日期：2014年 05月 28日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：田高辉导师签名：日期： 2014年 05月 28日 摘要摘要随着无线移动通信在生活中的应用越来越广泛，对下一代的无线通信速率、性能等方面的要求也越来越高。在有限的频谱资源中如何有效利用频谱成为了研究热门，网络编码（NetworkCoding，NC）技术和终端到终端（Device-to-Device，D2D）通信技术都是为了提高蜂窝通信系统的频谱效率而提出来的协作传输新兴技术。为了提高无线通信的性能，在下一代蜂窝通信中引入了D2D通信技术，即终端到终端通信。D2D通信的主要优点有：减小蜂窝通信系统的负载，降低电池电量消耗，提高通信速率，增强蜂窝通信的鲁棒性，并提供新的通信服务。因此，设计一种有效的Device-to-Device通信模式，并结合相关技术充分提高D2D通信的优势，是值得深入研究的课题。本文主要在研究D2D通信的基础上，为了进一步扩大D2D通信的优势，引入相关技术，并深入讨论，针对特定通信环境，给出改进的通信方案。首先，为了扩大D2D通信的有效范围，在D2D通信中引入了网络编码和中继技术。充分意识到现有蜂窝用户终端的智能性越来越高，性能越来越强，从而深入研究蜂窝用户作为中继节点的情况。并针对蜂窝用户作为中继节点，给出了一种改进的网络编码和中继的通信策略，并通过蒙特卡洛仿真证明，该方案可以在扩大D2D通信范围、D2D用户通信性能的基础上，也将整体性能及蜂窝中继节点的性能有所提高。之后，为了进一步提高D2D通信的性能，在具有网络编码和中继技术的D2D通信中，进而引入自适应网络编码技术、空间调制技术。深入研究讨论了自适应网络编码技术、空间调制技术结合D2D通信后，D2D通信用户的性能增益。并针对接收天线数目不同时，引入不同的网络编码方案，解决引入过程的问题。通过蒙特卡洛仿真证明，D2D通信结合自适应网络编码技术、空间调制技术，确实可以大大提高D2D通信性能。最后，针对D2D在LTE-Advanced中的通信过程进行了讨论分析，结合现有LTE-Advanced系统中的工程技术，提出相关D2D通信发现策略、D2D通信建立机制，并给出具体的工程实现流程。关键词：终端到终端通信，网络编码，智能手机中继节点，空间调制I ABSTRACTABSTRACTAs the use of wireless mobile communication in life become more and more wide,requirements of next generation wireless communication have become more and moresophisticated on speed, performance and so on. How to make effective use of spectrumwith limited spectrum resources became popular research. Network coding withdevice-to-device communication, as cooperation transfer technologies, are proposed inorder to increase the spectral efficiency of cellular communication systems.In order to improve the performance of wireless communications, D2D technologyis introduced into next generation of cellular communication. Main advantages of D2Dcommunication are: decrease of the cellular communication system load, reducing thebattery consumption of phone, increase of communication speed, enhancing robustnessof cellular communication, and providing new communication service. Therefore, thedesign of an efficient D2D communication, and combining with relative technologies toimprove the superiority of D2D, is a key problem that needs to be addressed.Based on the study of D2D communication, the thesis introduces relativetechnologies to further improve the superiority of D2D. And the thesis gives modifiedcommunication scheme for the special situation after deep research.Firstly, the thesis introduces the network coding and relay technologies in D2Dcommunication, to further expand the D2D range of communication. As the smartphone becomes more and more powerful, we study the case of smart phone as relaynode. With smart phone cellular user as relay node, the thesis gives one modified D2Dcommunication scheme with network coding and relay. Using the Monte Carlosimulation, the thesis proves that the mentioned scheme can enlarge range of D2Dcommunication, as well as improving the performance of D2D users and cellular relaynode.Then, the thesis further introduces adaptive network coding and spatial modulationin D2D communication with network coding and relay, to further improve D2Dsperformance. The thesis studies the performance gain after intruding adaptive networkcoding and spatial modulation. And the thesis introduces and handles different spatialmodulation for the different number of receiving antenna. Through Monte Carlosimulation, combining D2D with adaptive network coding and spatial modulation, isII ABSTRACTproved to be one effective way to improve D2D communication performance.Lastly, the thesis discusses the D2D implement in LTE-Advanced system.Considering the engineering technologies of LTE-Advanced, the thesis proposes somerelative D2D communication discovery scheme and D2D setup mechanism, as well asgiving implement process in detail.Keywords: Device-to-Device, Network coding, Smartphone Relay Node, SpacemodulationIII 目录目录第一章绪论.11.1 D2D通信及其研究现状 . 11.1.1 D2D通信在 3GPP LTE-Advanced中的研究. 11.1.2 D2D通信研究现状 . 31.2网络编码和中继技术简介 . 41.2.1网络编码技术 . 41.2.2中继技术固定中继技术 . 41.2.3中继技术移动中继技术 . 61.3具有网络编码的 D2D通信研究背景及现状 . 61.4本文研究的主要内容及创新点. 71.5本文结构及内容安排 . 8第二章 D2D通信和网络编码简介及性能分析 .102.1 D2D通信及性能分析 . 102.1.1 D2D通信开启新的本地通信服务 . 102.1.2 D2D通信性能增益 . 122.1.3仿真结果及分析 . 142.2网络编码技术及性能分析 . 172.2.1网络编码协作传输 . 172.2.2系统模型 . 182.2.3仿真结果及分析 . 192.3各种网络编码实现方案及对比 . 212.3.1传统网络编码方案 . 222.3.2物理层网络编码方案 . 232.3.3软网络编码方案 . 242.4本章小结 . 24第三章一种改进的具有网络编码和双向中继的D2D通信策略 .263.1概述 . 263.2算法描述 . 263.3系统模型 . 283.3.1信道模型 . 283.3.2接收机及发射机改动 . 28IV 目录3.4仿真结果及分析 . 333.4.1仿真参数 . 333.4.2仿真结果及分析 . 343.5本章小结 . 38第四章基于自适应网络编码及空间调制的双向中继D2D通信策略 . 394.1概述 . 394.1.1自适应网络编码 . 394.1.2基于坐标交织空时编码的空间调制方案 . 404.2系统模型 . 414.2.1信道模型 . 414.2.2自适应网络编码模型 . 424.2.3基于 CIOD的空时编码空间调制模型 . 434.3算法描述 . 444.3.1单接收天线下具有 ANC及 CIOD-SM的 D2D通信. 444.3.2多接收天线下具有 ANC及 CIOD-SM的 D2D通信. 454.4仿真结果及分析 . 484.5本章小结 . 50第五章 D2D在LTE-Advanced中的通信过程 .515.1系统架构演进中 D2D通信管理 . 515.1.1通过 D2D数据包监测的 D2D会话建立. 515.1.2通过专用 SAE信令进行 D2D会话建立. 545.2与小区网络的干扰协调 . 565.2.1上行期间的干扰协调 . 575.2.2下行期间的干扰协调 . 585.3基于伪 PRACH信道的 D2D通信建立流程. 585.3.1研究背景 . 585.3.2基于伪 PRACH信道的 D2D通信过程. 585.4本章小结 . 61第六章全文总结 .626.1本文主要工作和贡献 . 626.2下一步研究建议 . 62致谢 .64参考文献 .65硕士研究生期间研究成果 .69V 图目录图目录图 1-1具有 D2D通信的蜂窝网络. 2图 1-2中继技术示意图. 5图 2-1终端到终端通信和蜂窝通信并存. 10图 2-2 D2D通信开启本地多媒体服务.11图 2-3 D2D通信单小区情景. 12图 2-4 D2D通信资源共享模式. 13图 2-5无保障速率时，蜂窝用户在小区中不同位置对应的速率比增益. 14图 2-6有保障速率时，蜂窝用户在小区中不同位置对应的速率比增益. 15图 2-7无保障速率时，相比单蜂窝用户的小区平均速率比增益. 16图 2-8有保障速率时，相比单蜂窝用户的小区平均速率比增益. 16图 2-9采用非二进制码字的两用户协作传输网络. 18图 2-10采用网络编码后的系统误码率分析. 20图 2-11各种网络编码实现方案. 21图 3-1具有网络编码和双向中继的 D2D通信研究场景. 27图 3-2传统网络编码方案中，用户 3发射机的结构图. 30图 3-3传统网络编码方案中 D2D用户 1接收机的结构图. 30图 3-4传统网络编码方案中 D2D用户 2接收机的结构图. 30图 3-5采用网络编码后的最大比合并接收机. 31图 3-6所提网络编码中用户 3发射机的结构图. 31图 3-7所提网络编码中 D2D用户 1接收机的结构图. 32图 3-8所提网络编码中 D2D用户 2接收机的结构图. 32图 3-9所提网络编码中基站接收机的结构图. 32图 3-10无中继 D2D通信范围及研究区域示意图. 35图 3-11无中继 D2D通信范围变化时，不同通信方案的平均误比特率 . 36图 3-12本文网络编码，用户 1的误比特率小区分布图. 36图 3-13本文网络编码，用户 3的误比特率小区分布图. 37图 3-14传统异或网络编码，用户 3的误比特率小区分布图. 37图 4-1 D2D中继通信系统模型. 41图 4-2 D2D双向中继通信中自适应网络编码. 42图 4-3 D2D双向中继通信加入 CIOD、ANC的系统 SER对比 . 49VI 图目录图 4-4 MA与 BC阶段均采用 CIOD的 XOR、ANC两种网络编码 SER对比. 49图 5-1具有 SAE架构的 LTE-Advanced中 SIP会话初始化. 52图 5-2网关标记本地数据包指示基站潜在的 D2D通信. 53图 5-3 URI格式中加入 D2D后缀后，D2D会话建立的信令流程 . 56图 5-4基于伪 PRACH信道的 D2D终端发现流程. 60VII 表目录表目录表 3-1仿真参数. 34表 3-2一次完整通信，不同通信方式对应的信道编码码率及发送参数. 34表 4-1两比特对应天线序号映射表. 44VIII 缩略语说明表缩略语说明表3GPPANCAS3rd Generation Partnership ProjectAdaptive Network CodingApplication server第三代合作伙伴计划自适应网络编码应用服务AWGNBCAdditive White Gaussian NoiseBroadcast加性高斯白噪声广播BSBase Station基站CIODCoMPCSID2DD2MDDFDNFeNBEUTRACoordinate Interleaved Orthogonal DesignCoordinated Multi-pointsChannel Station InformationDevice-to-DeviceDevice-to-MultiDeviceDecode-and-ForwardDenoise-and-ForwardEvolved Node B坐标交织正交设计协作多点传输信道状态信息终端到终端终端到多终端解码-转发去噪-转发演进型基站演进的通用陆地无线接入Evolved Universal Terrestrial RadioAccessEUTRANFERGFEUTRA NetworkFrame Error RateGalois FieldEUTRA网络误帧率伽罗华域GPRSGWGeneral Packet Radio ServiceGateway通用分组无线业务网关HSSIEEEHome Subscriber ServerInstitute of Electrical and ElectronicsEngineers归属用户服务器电气和电子工程师协会IMTIPISMITULTEInternational Mobile TelecommunicationsInternet ProtocolIndustrial Scientific and MedicalInternational Telecommunication UnionLong Term Evolution国际移动通信互联网协议工业科学医学国际电信联盟长期演进MAMultiple Access多址接入MIMOMMEMRCMSCNASNCMultiple Input Multiple OutputMobility Management EntityMaximum Ratio CombinationMobile Switching CenterNon Access StratumNetwork CodingOrthogonal Frequency Division MultipleAccess多输入多输出移动管理实体最大比合并电话交换中心非接入层网络编码正交频分多址接入OFDMAPDNPacket Data Network数据包网络IX 缩略语说明表PLNCPRACHRRCRSPhysical Layer Network Coding物理层网络编码物理随机接入信道无线资源控制中继站Physical Random Access ChanelRadio Resource ControlRelay StationSAESIPSMSystem Architecture EvolutionSession Initiation ProtocolSpace Modulation系统架构演进会话初始协议空间调制SNCTASoft Network CodingTiming Advance软网络编码时间提前量TCPTransmission Control ProtocolTime Division DuplexTime Division Multiple AccessTemporary Mobile Subscriber IdentityUser Datagram ProtocolUser Equipment传输控制协议时分双工时分多址TDDTDMATMSIUDPUE临时移动用户识别码用户数据报协议用户设备UMTSUniversal Mobile TelecommunicationsSystem演进的通用移动通信系统URLWLANXORUniform Resource LocatorWireless Local Area NetworkExclusive OR统一资源定位器无线局域网异或X 主要数学符号表主要数学符号表符号类别变量示例字体、说明或用法斜体字符a矢量a小写粗体矩阵A大写粗体aT、 AT(.)(.)T矢量、矩阵的转置变量的共轭h*均值为 0、方差为的高斯分布N(0,2)正态分布均值为 0、方差为的复高斯分布CN(0,2)复正态分布复数集、实数集、整数集 C、R、Z集合中的特殊集合(.) (.)变量的异或变量的实部变量的虚部绝对值a baR(.)R(.)IaIa变量的绝对值max(.)最大值运算符最小值运算符max(a)min(a)min(.)XI 第一章绪论第一章绪论1.1 D2D通信及其研究现状1.1.1 D2D通信在 3GPP LTE-Advanced中的研究D2D（Device-to-Device，终端到终端）通信是下一代无线网络将要采用的关键技术之一。尽管终端之间直接通信在一些现存的无线标准中已经实现，如HIPERLAN2，IEEE802.11等，但这些标准并没有完全开发其潜能。比如在HIPERLAN2中，终端直接通信在专用资源中进行，显然，这种通信方式资源利用效率低。而在 IEEE802.11中，终端直接通信在非授权频段（主要为2.4GHz和5GHz的ISM频段）中进行，这明显导致通信受到大量干扰，并且也没有中心管理机制。因此，如何有效地将D2D通信在现有蜂窝网络中实现，是D2D通信的主要研究内容。这种实现方式可以使 D2D在授权频段中进行，从而可以进行干扰管理。此外，作为辅助通信的 D2D通信可以在局部区域实现新的用户服务，比如经典的摇滚巡回演唱会等。此外，如文献1、文献2中所说，D2D通信可以提高系统容量（提高并发链接数量），并且通过降低设备发送功率减小电量消耗等等。为了发展新兴业务并进一步提高通信速率，从而满足社会对蜂窝通信的需求，2004年3GPP宣布开始进行长期演进（LTE）技术标准化工作。最近几年，无线通信主要的工作也集中在LTE上，并证明了演进的通用移动通信系统（UniversalMobile Telecommunications System，UMTS）陆地无线接入（Evolved UniversalTerrestrial Radio Access，EUTRA）和 EUTRA网络（EUTRA Network，EUTRAN）技术可以提供更高的数据速率和系统容量，并且系统架构演进（System ArchitectureEvolution，SAE）可以提供更好的网络效率和能源节省等。此外，3GPP为了实现 ITU对 IMT-Advanced系统的性能要求，从而需要进一步提高 3GPP LTE系统的速率等性能，于是在 2008年将 LTE技术推向了向IMT-Advanced演进的关键技术 LTE-Advanced。所以，LTE新的技术要满足IMT-Advanced的要求，局域场景技术也应如此。本文研究的D2D技术，可以作为LTE-Advanced中一种新的技术，辅助蜂窝通信的同时，提供新的局部区域通信服务，这种技术到目前为止还在继续研究之中。正如文献1中提出的一样，IMT-Advanced小区网络应该对作为辅助通信的D2D通信进行控制，保证蜂窝用户可以承受因 D2D有效接入授权频段而带来的干扰。传统蜂窝通信即用户终端通过基站在网络中通信。而在具有D2D通信的蜂窝1 电子科技大学硕士学位论文通信中，用户终端也可以通过 D2D链路直接进行通信。D2D链路中的用户依然受到基站的控制，并且可以同时进行传统蜂窝通信。基站可以控制蜂窝通信和 D2D链路的通信资源。基站同样也可以限制 D2D用户发送功率，从而减小对传统蜂窝通信接收端的干扰。在高密度、高负载的 LTE网络中，蜂窝通信资源依然可以分给 D2D链路，这时候要使用认知无线电作为蜂窝网络的主要服务，从而检测本地没用到的频谱（即“白色空间”）。基于 D2D通信的应用和服务可以丰富多彩。比如最初的想法，就是应用在摇滚巡回演唱会中，建立本地的多媒体服务器，为游客提供大量宣传资料下载的功能。同时，有必要为用户提供稳定的通话和网络接入功能，并不能因为多媒体服务器引入的额外负载，导致拥挤情况。蜂窝网络提供通话和网络接入功能同时，用户可以利用 D2D通信来下载宣传资料，并在用户间传播，如图1-1所示。图 1-1具有 D2D通信的蜂窝网络此外，D2D操作可以完全向用户透明，用户只是简单的输入一个 URL（UniformResource Locator）请求即可。网络检测到发送给本地多媒体服务器的这种请求，之后将这种通信交给 D2D通信。现存的技术，比如蓝牙技术和无线局域网技术，不能提供类似情况满意的解决方案。比如说，蓝