用户设备要发送给彼此包括M位数据包时,我们假设DD通信具有信道相互性。随后采用全双工DD通信传输两方数据包时间消耗为log(|h|SINR)DDDDMTWE()其中SINR在()中已给出。同一单元使用基于基础设施通信两方数据传输时间消耗为infinf,,inf,,logdet(I)logdet(I)bbObbOMTPWEHHNWdMPWEHHNWd()其中d和d为用户设备和基站之间距离,Pinf是基于基础设施通信传输信号功率。全双工DD通信有效吞吐量SDD,基于基础设施通信有效吞吐量Sinf,分别为DDDDMST()和infinfMST()当基站从用户设备接收到DD通信请求和相关信息时,它会比较两种方案有效吞吐量()和(),并选择可实现更高吞吐量传输方式。C.资源分配进行通信带宽应该由所述基站分配。在相同单元两个用户设备之间通信需要两宽是足够大,所以衰落是独立。B.无线电模型我们假设无线电配备两个天线,DD模式传输天线用于传输,而另一个天线用于接收。我们考虑情况是,用户可以在一个天线传输同时在第二天线接收,如图所示,然而,一个节点发射天线所发送信号会干扰到在同一节点中接收天线所接收信号。模拟和数字干扰抵消只能部分取消自干扰。另外,自干扰是不可能被完全地取消。当一个节点是发射功率Pt,残留自干扰功率KPt量中K是自干扰消除因子。随着传输信号功率增加,残留自干扰也会增加。当两个用户之间信道是独立同分布快衰落与距离相关路径损耗,完整双工通信SINR可以表示为ttPdSINRNWKP()tP是DD通信发射功率,d是两个节点之间距离。C.DD通信模型我们假设DD通信只用于同一单元中用户设备,因为DD通信被基站控制,不同单元设备可能不能够直接通信,否则将是低效。DD通信带宽分配将在下一章介绍。要建立DD通信,两个步骤是必需。第一步骤是发现。发现是用来寻找邻近区域可用服务。当DD通信支持用户移动设备应用程序,DD通信可能性就能被确定下来。用户设备需要确定其它装置是否处于同一单元邻近区域,是否具备DD通信能力。这还存在服务发现协议,如Flashlinq[]和Wi-FiDirect[]。Flashlinq支持蜂窝网络中服务发现。第二个步骤是DD通信设置。用户设备要求DD通信到基站和基站确定这两个通信方案(DD和正常通信)哪个更高效。当确定DD通信比通过基站通信更有效率,DD通信就会被允许,相关资源会得到分配。在本文中,我们假设第一个步骤是成功,只考虑第二个步骤和实际DD通信。我们假定用户清楚该信道状态,例如路径损耗和用户设备与DD通信之间衰弱。在如Flashlinq[]协议中,一种特殊类型信标被用于广播或发现服务,用户设备通过听信标来估计到其他用户设备信道。因为全双工通信可以在同一频带中传输和接收信息,它可以提高一个单元带宽效率。当DD通信用于同一单元两个用户设备之间通信时,它用带宽是基于基础设施通信(FDD)一半。全双工DD通信和基于基础设施通信区别如图所示。当用户设备与基站通信,它使用半双工模式两个天线。当用户设备采用是DD通信,它会采用全双工通信,各个方向使用天线。D.基于基础设施通信模型我们假设基于频分双工蜂窝通信在蜂窝网络中应用。基于基础设施通信会出现两种情况。第一种情况是同一单元用户设备间通信。在协议中,当用户设备与同一单元其他用户设备通信时,用户设备需要进行DD通信。当基站确定现有蜂窝通信比DD通信更高效,两个用户设备则通过基站进行通信。在这种情况下,需要双频段来进行通信。每频段分配给每个用户设备来与该基站进行通信。用于用户设备和基站通信,使用FDD。我们假设有一半分配带宽被用于上行链路,而另一半用于下行链路。对于DD通信带宽分配将在下一章介绍。第二种情况是用户设备连接到一个单元外实体。实体可以是互联网上服务器或在另一个单元另一个用户设备。对于这两种情况,我们只考虑用户设备和基站之间开销。第二种情况,是不能被DD通信所取代,并且与传统蜂窝通信相同。与DD通信相比,我们关心基于基础设施通信带宽效率。我们假定MIMO通信投入使用,在接收器处信道状态信息中通信实现MIMO信道容量。然后,容量为[]logdet(I)HHHCEN()MIMO通信中,N为噪声方差,H是信道矩阵。实际蜂窝通信系统中存在开销传输,例如控制或信令信息,需要在使用者与基站之间进行交换。然而,在本文中,我们只考虑实际数据包传输,因为DD通信和蜂窝通信需要开销具有可比性。III.全双工DD通信协议A.DD通信设置在本节中,我们描述了DD通讯设置协议。一个用户设备请求与另一用户设备通过基站进行DD通信,请求中包括DD信道状态信息。当DD通信比蜂窝通信更高效时,基站会为DD通信分配一个频带。图说明了一个具有DD通信功能单元。我们假设用户设备和基站之间信道状态通过蜂窝通信中参考信号[]对基站而言是已知。当基站发现基础设施通信比提出DD通信更高效时,它通过基站为通信分配资源。当DD通信完成时,该装置通知基站信息以重新分配资源。图片:全双工通信系统B.DD通信标准用给定信道状态信息时,基站决定DD通讯是否比通过基站通信更高效。hDD代表DD通信中x信道状态,Hb,i是用户i和基站之间x信道状态。当两个用户设备要发送给彼此包括M位数据包时,我们假设DD通信具有信道相互性。随后采用全双工DD通信传输两方数据包时间消耗为log(|h|SINR)DDDDMTWE()其中SINR在()中已给出。同一单元使用基于基础设施通信两方数据传输时间消耗为infinf,,inf,,logdet(I)logdet(I)bbObbOMTPWEHHNWdMPWEHHNWd()其中d和d为用户设备和基站之间距离,Pinf是基于基础设施通信传输信号功率。全双工DD通信有效吞吐量SDD,基于基础设施通信有效吞吐量Sinf,分别为DDDDMST()和infinfMST()当基站从用户设备接收到DD通信请求和相关信息时,它会比较两种方案有效吞吐量()和(),并选择可实现更高吞吐量传输方式。C.资源分配进行通信带宽应该由所述基站分配。在相同单元两个用户设备之间通信需要两行,全双工DD通信可以作为一个提高带宽效率候选。VI.感谢国家科学基金会批号CCF-资金支持了部分研究。参考文献[]K.Doppler,M.Rinne,C.Wijting,C.Ribeiro,andK.Hugl,“Deviceto-devicecommunicationasanunderlaytolte-advancednetworks,”CommunicationsMagazine,IEEE,vol.,no.,pp.–,.[]H.-Y.HsiehandR.Sivakumar,“Onusingpeer-to-peercommunicationincellularwirelessdatanetworks,”MobileComputing,IEEETransactionson,vol.,no.,pp.–,.[]P.Janis,V.Koivunen,C.Ribeiro,J.Korhonen,K.Doppler,andK.Hugl,“Interference-awareresourceallocationfordevice-to-deviceradiounderlayingcellularnetworks,”inVehicularTechnologyConference,.VTCSpring.IEEEth,,pp.–.[]J.I.Choi,M.Jain,K.Srinivasan,P.Levis,andS.Katti,“Achievingsinglechannel,fullduplexwirelesscommunication,”Mobicom’,September.[]M.Jain,J.I.Choi,T.M.Kim,D.Bharadia,S.Seth,K.Srinivasan,P.Levis,S.Katti,andP.Sinha,“Practical,real-time,fullduplexwireless,”Mobicom’,September.[]B.Radunovi,D.Gunawardena,A.Proutiere,N.Singh,V.Balan,andP.Key,“Efficiencyandfairnessindistributedwirelessnetworksthroughself-interferencecancellationandscheduling,”TechnicalreportMSRTR--,MicrosoftResearch,.[]S.KimandW.Stark,“Ontheperformanceoffullduplexwirelessnetworks,”CISS,.[]S.Goyal,P.Liu,S.Hua,andS.Panwar,“Analyzingafull-duplexcellularsystem,”inConferenceonInformationSciencesandSystems(CISS),,.[]X.Wu,S.Tavildar,S.Shakkottai,T.Richardson,J.Li,R.Laroia,andA.Jovicic,“Flashlinq:Asynchronousdistributedschedulerforpeerto-peeradhocnetworks,”inCommunication,Control,andComputing(Allerton),thAnnualAllertonConferenceon.IEEE,.[]Wi-FiAlliance,“Wi-FicertifiedWi-FiDirect,”WhitePaper:http://www.wi-fi.org/newsarticles.php,.[]D.TseandP.Viswanath,FundamentalsofWirelessCommunications.CambridgeUniversityPress,.[]“GPPTS.rdGenerationPartnershipProject;TechnicalSpecificationGroupRadioAccessNetwork;EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(E-UTRA);PhysicalChannelsandModulation.”宽是足够大,所以衰落是独立。B.无线电模型我们假设无线电配备两个天线,DD模式传输天线用于传输而另一个天线用于接收。我们考虑情况是,用户可以在一个天线传输同时在第二天线接收,如图所示,然而,一个节点发射天线所发送信号会干扰到在同一节点中接收天线所接收信号。模拟和数字干扰抵消只能部分取消自干扰。另外,自干扰是不可能被完全地取消。当一个节点是发射功率Pt,残留自干扰功率KPt量中K是自干扰消除因子。随着传输信号功率增加,残留自干扰也会增加。当两个用户之间信道是独立同分布快衰落与距离相关路径损耗,完整双工通信SINR可以表示为ttPdSINRNWKP()tP是DD通信发射功率,d是两个节点之间距离。C.DD通信模型我们假设DD通信只用于同一单元中用户设备,因为DD通信被基站控制,不同单元设备可能不能够直接通信,否则将是低效。DD通信带宽分配将在下一章介绍。要建立DD通信,两个步骤是必需。出处:KimS,StarkW.Fullduplexdevicetodevicecommunicationincellularnetworks[C]//Computing,NetworkingandCommunications(ICNC),InternationalConferenceon.IEEE,:-.中文字蜂窝网络中全双工通信设备SanghoonKim和韦恩斯塔克密歇根州大学,安阿伯,MIkimsangh@umich.edu/stark@umich.edu摘要——在本文中,我们研究了单波段全双工通信设备性能改进,它可以发送和接收蜂窝网络同一频率波段。在蜂窝网络中,两个不同频率能够同时发送和接收半双工无线电。最近,全双工无线电允许无线节点同时发送和接收同一个频段。这表明,对于短距离通信,它是有作用。同样,全双工通信是适合设备到设备(DD)通信,DD通信通常是一个短距离通信。(DD)通信是蜂窝网络中垫片方案,使对等网络对主蜂窝网络产生有限影响。当用户设备更靠近其他用户设备,而不是基站时,DD通信会提高使用者之间通信带宽效率。当全双工通信用于DD通信时,本地用户之间双向通信就只需要一个频段。全双工通信提高了DD通信带宽效率。我们提出了一个简单全双工DD通信协议,并对比传统蜂窝通信方案来分析该协议带宽增益。I.简介无线网络经常在带宽效率或能量效率中受到限制。蜂窝网络通常依靠两个使用者之间通信并利用大量基础设施来检查基站。如果两个使用者无限接近,那么频谱和能量利用就不够有效,若此次通信包含大量信息,那么效率会更低。DD通信直接发生在两个设备间,而不需通过一些基础设施,当DD通信是适合,协议设计也是适合,那么DD通信就有了决定性挑战。设备到设备通信已包含在诸如IEEE.分布式标准中。在IEEE.网络中,无线节点感知到信道,并决定它是否可以发送一个分组。在分布式无线网络中,节点采用了碰撞避免机制,例如CSMA/CA或RTS/CTS协议。当一个接入点(AP)通常用于IEEE.网络时,AP不直接控制任何信道访问或资源分配。然而,设备到设备通信没有被应用在蜂窝网络中。在蜂窝网络中,信息通过基站发送到目标用户设备(UE)。基站一般控制信道访问和分配资源,即使该通信发生在同一单元用户设备中。图片:双工通信系统图片:全双工DD和基础设施通信比较结合DD通信和蜂窝通信,可提高蜂窝网络效率。当用户设备之间距离近于到基站距离,DD通信相对于通过基站通信,能源和带宽效率更高。图是DD通信效率更高一个实例。因为信道访问与资源都受基站控制,所以蜂窝网络中DD通信也应该由基站控制。因此,基站只允许在同一单元本地用户设备之间使用DD通信,前提是它必须比通过基站传统通信更有效率。用户设备节点比较靠近时,使用DD通信是合适。随着用户设备节点增加,DD通信吞吐量会急剧下降[]。因为距离较短,DD通信比正常蜂窝通信需要更少资源,这就提高了总电池容量[]。为DD通信管理干扰协调资源分配被提议出来[]。我们将DD通信模型以无线通信形式来支持位于邻近设备应用服务。适用于全双工DD通信一个例子是,移动用户与此区其他移动用户一起玩流行游戏,邻近用户设备之间文件,图像,视频可以共享也是一个这样例子。随着社会服务越来越多,通过移动设备邻近用户设备服务也变得可以利用,对DD通信需求也会变得越多。全双工通信应用通常依靠频分复用或时分复用。应用DD通信需要无线电能够在单个频率上发送和接收信息。发射天线发送给同时接受接收天线带来了强大自我干扰,DD通信应用因此受到挑战。模拟和数字干扰抵消结合可以抑制自干扰[]和[]。有两个天线全双工无线电已经应用,并已证明比处于低发射功率水平半双工MIMO通信[]具有更好性能。在[]和[],采用全双工通信MAC协议是在ad-hoc网络背景下提出来。蜂窝通信采用全双工通信已被考虑在[]中基于通信基础设施。全双工通信特点与DD通信配合良好。DD通信适用于近距离,全双工通信在较短距离内表现更好。在更短距离内,全双工通信自干扰会减少,因为发射功率会变低。在本文中,我们提出了一个完整蜂窝网络DD双工通信协议。我们还分析了单频DD通信协议带宽效率,并将它与传统蜂窝通信方案进行比较。这表明了单一频率DD通信提高了小区带宽效率。这篇文章要点如下。在第二节,我们会介绍系统模型。在第三节中,我们会分析单一频率DD通信性能。在第四节,我们提出了单频通信资源分配协议和性能分析。结论会在第五节给出。II.系统模型我们假设DD通信和初级(移动台对基站和基站对移动台)蜂窝网络共享整个相同频带。我们假设网络以MHz频段运行,并基于正交频分多址(OFDMA)。A.信道模型我们假设独立等分布(IID)Rayleigh衰落是在带宽不同部分(在不同时间间隔)。此外,有一个距离相关路径损耗。假设在一个特定频率下所发送信号功率是Pt,在距离为d是接收到信号功率是:P|h|trPd()其中h是Rayleigh衰落,|h|E,α是路径损耗指数。使用MIMO时,在发射器和接收器天线元件之间,该信道在一个特定频率h衰弱被替换成衰落矩阵H。可用于任何类型通信带宽相对相干带宽是足够大,所以衰落是独立。B.无线电模型我们假设无线电配备两个天线,DD模式传输天线用于传输,而另一个天线用于接收。我们考虑情况是,用户可以在一个天线传输同时在第二天线接收,如图所示,然而,一个节点发射天线所发送信号会干扰到在同一节点中接收天线所接收信号。模拟和数字干扰抵消只能部分取消自干扰。另外,自干扰是不可能被完全地取消。当一个节点是发射功率Pt,残留自干扰功率KPt量中K是自干扰消除因子。随着传输信号功率增加,残留自干扰也会增加。当两个用户之间信道是独立同分布快衰落与距离相关路径损耗,完整双工通信SINR可以表示为ttPdSINRNWKP()tP是DD通信发射功率,d是两个节点之间距离。C.DD通信模型我们假设DD通信只用于同一单元中用户设备,因为DD通信被基站控制,不同单元设备可能不能够直接通信,否则将是低效。DD通信带宽分配将在下一章介绍。要建立DD通信,两个步骤是必需。第一步骤是发现。发现是用来寻找邻近区域可用服务。当DD通信支持用户移动设备应用程序,DD通信可能性就能被确定下来。用户设备需要确定其它装置是否处于同一单元邻近区域,是否具备DD通信能力。这还存在服务发现协议,如Flashlinq[]和Wi-FiDirect[]。Flashlinq支持蜂窝网络中服务发现。第二个步骤是DD通信设置。用户设备要求DD通信到基站和基站确定这两个通信方案(DD和正常通信)哪个更高效。当确定DD通信比通过基站通信更有效率,DD通信就会被允许,相关资源会得到分配。在本文中,我们假设第一个步骤是成功,只考虑第二个步骤和实际DD通信。我们假定用户清楚该信道状态,例如路径损耗和用户设备与DD通信之间衰弱。在如Flashlinq[]协议中,一种特殊类型信标被用于广播或发现服务,用户设备通过听信标来估计到其他用户设备信道。因为全双工通信可以在同一频带中传输和接收信息,它可以提高一个单元带宽效率。当DD通信用于同一单元两个用户设备之间通信时,它用带宽是基于基础设施通信(FDD)一半。全双工DD通信和基于基础设施通信区别如图所示。当用户设备与基站通信,它使用半双工模式两个天线。当用户设备采用是DD通信,它会采用全双工通信,各个方向使用天线。D.基于基础设施通信模型我们假设基于频分双工蜂窝通信在蜂窝网络中应用。基于基础设施通信会出现两种情况。第一种情况是同一单元用户设备间通信。在协议中,当用户设备与同一单元其他用户设备通信时,用户设备需要进行DD通信。当基站确定现有蜂窝通信比DD通信更高效,两个用户设备则通过基站进行通信。在这种情况下,需要双频段来进行通信。每频段分配给每个用户设备来与该基站进行通信。用于用户设备和基站通信,使用FDD。我们假设有一半分配带宽被用于上行链路,而另一半用于下行链路。对于DD通信带宽分配将在下一章介绍。第二种情况是用户设备连接到一个单元外实体。实体可以是互联网上服务器或在另一个单元另一个用户设备。对于这两种情况,我们只考虑用户设备和基站之间开销。第二种情况,是不能被DD通信所取代,并且与传统蜂窝通信相同。与DD通信相比,我们关心基于基础设施通信带宽效率。我们假定MIMO通信投入使用,在接收器处信道状态信息中通信实现MIMO信道容量。然后,容量为[]logdet(I)HHHCEN()MIMO通信中,N为噪声方差,H是信道矩阵。实际蜂窝通信系统中存在开销传输,例如控制或信令信息,需要在使用者与基站之间进行交换。然而,在本文中,我们只考虑实际数据包传输,因为DD通信和蜂窝通信需要开销具有可比性。III.全双工DD通信协议A.DD通信设置在本节中,我们描述了DD通讯设置协议。一个用户设备请求与另一用户设备通过基站进行DD通信,请求中包括DD信道状态 出处:KimS,StarkW.Fullduplexdevicetodevicecommunicationincellularnetworks[C]//Computing,NetworkingandCommunications(ICNC),2014InternationalConferenceon.IEEE,2014:721-725.中文5870字蜂窝网络中的全双工通信设备SanghoonKim和韦恩·斯塔克密歇根州大学,安阿伯,MI48109kimsangh@umich.edu/stark@umich.edu摘要——在本文中,我们研究了单波段全双工通信设备的性能改进,它可以发送和接收蜂窝网络同一频率的波段。
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