[0001] 本发明一般涉及无线D2D通信领域。更具体地，本发明涉及一种使用一个或多个中继通信设备进行D2D通信的发射器通信设备及相应的方法。

[0002] 车辆间的D2D通信被认为是改善道路安全和防止交通堵塞的关键。将无线技术应用于车辆环境的兴趣日益增长，带来了车辆之间以及车辆和道路基础设施之间的数据传输技术和协议的发展。这些新兴的通信服务，例如交通安全、实时远程监控、关键基础设施控制、和工业自动控制，为移动无线网络带来了新的挑战。

[0003] 车辆通信网络的最关键要求之一是支持具有低时延(小于几毫秒)和高可靠性(故障率接近于零)的通信。下面的用例尤其需要可靠的低时延通信用于全自动驾驶功能。

[0004] 通过车队驾驶，相同车道上的车辆被分组成具有较小车辆间距的稳定队形，以提高道路通行能力、驾驶安全性、和舒适度。车队通常由一个主车(master)以及多个从车(following vehicle)组成，主车通常为头车。为了保持小的车辆间距，车队成员依赖于车队中车辆间高频率地交互最新的、高质量的车辆动态数据。车队控制算法仅需要邻近车辆的车辆动态信息，而不是所有车队成员的信息。因此，当车辆加入和离开车队时，这些算法很好地扩展到大型车队，并且容易汇集成所需的队形。

[0005] 在协作变道的用例中，协作车辆(自动驾驶和手动驾驶)进行合作，以安全有效的方式进行一个或一组协作车辆(例如车队)的变道。与传统变道情况不同，协作车辆通过D2D通信共享它们所计划的轨迹，以协商和对齐它们的移动。

[0006] 上述所有用例以及一般的自动驾驶均依赖于对车辆周围环境的充分且可靠的感知，以在交通中导航并通过高度自动化(也称为协作感知)确保安全。传感器损坏、盲点、和传感器数据信任度低可能会降低性能，甚至会使车辆的自动功能失效。

[0007] 上述用例本质上要求低时延的可靠D2D(在汽车的情景中也称为V2V)单播/多播通信。然而，通过中继实现协作多连接传输存在几个挑战。第一个挑战是，如何设计用于在不借助蜂窝网络的情况下(例如，UE处于RRC空闲状态或位于覆盖范围外)的协作多连接传输的低时延的可靠协议。第二个挑战是，如何设计用于全部或部分蜂窝网络覆盖的情况下的协作多连接传输的低时延的可靠协议。第三个挑战是，如何以最小的通信设备间边链路(sidelink)信道质量信息交互并考虑到通信设备的未来移动性来设计协作节点选择的解决方案。

[0008] 在文献3GPP TR36.836，“Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Study on mobilerelay”中已经报道了包括3GPP中继的用于协作中继传输的多个方法。例如，在IEEE ICC 2006，“Cooperative ARQ in Wireless Networks:Proctools and Performance”以及在作者为E.Zimmermann、P.Herhold、和G.Fettweis的European Trans.on Telecomm 2005，“On thePerformance of Cooperative Relaying Protocols in Wireless Networks”中公开了ad-hoc中继网络架构。在IEEEJSAC 2011，“A Novel Adaptive Distributed Cooperative Relaying MAC Protocol forVehicular Networks”以及在IEEEWireless communications 2008，“IEEE 802.16j relay-based wireless access networks:an overview”中研究了用于IEEE 802.11/15.4/16j系统的增强中继功能。此外，关于用于主节点和从节点间的无线工业通信的中继的先前研究可以在ElsevierAnnual Reviews in Control，2008，“How to exploit spatial diversity in wirelessindustrial networks”找到。

[0009] 然而，上述传统方法都不是为可靠的、低时延通信系统设计的。因此，仍缺乏用于th第五代(5 generation，5G)异构无线接入技术(radio access technology，RAT)的中继网络架构和用于5G蜂窝网络通信系统的增强中继功能。

[0010] 鉴于上述情况，仍需要一种改进的发射器通信设备及相应的方法，该发射器通信设备使用一个或多个中继通信设备，能够提供实现低时延和高可靠性的D2D通信网络。

[0054] 在以下描述中，将参考附图，附图构成本公开一部分并且其中通过图示的方式示出了可以实现本发明的特定方面。应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他方面并且可以进行结构或逻辑上的改变。本发明的范围由所附权利要求限定，因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。

[0055] 例如，应理解，与描述的方法相关的公开也可以适用于执行所述方法的相应的设备或系统，反之亦然。例如，如果描述了特定的方法步骤，则相应的设备可以包括执行所描述的方法步骤的单元，即使这样的单元没有显式地在附图中描述或阐明。

[0056] 此外，在以下详细描述以及权利要求中，描述了具有彼此连接或交互信号的不同功能块或处理单元的实施例。应理解，本发明也涵盖包括设置在下文中描述的实施例的功能块或处理单元之间的附加功能块或处理单元的实施例。

[0057] 最后，应理解，除非另有特别说明，本文中描述的各个示例性方面的特征可以彼此组合。

[0058] 空间分集是用于同时实现高可靠性和低时延的有吸引力的物理实现方法。协作中继传输是通过探测邻近节点协作来实现空间分集的一种方法，例如，分布式虚拟多输入多输出(multiple-input and multiple-output，MIMO)。本发明实施例关注探测多节点空间分集的协作传输。协作多连接传输具有以下优势：通过设备协作显著扩大可靠的低时延D2D通信的覆盖范围，即，接近信噪比(signal-to-noise，SNR)增益和空间分集增益；并且在频谱效率和PC5覆盖范围(低时延和可靠性)之间的权衡方面有很好的灵活性。

[0059] 本发明实施例可以在图1中示出的D2D通信网络100中实现，该通信网络包括发射器通信设备101、多个中继通信设备(统一用附图标记102表示，并且分别用附图标记102-1、102-2等表示)、以及多个接收器通信设备103-1、103-2。发射器通信设备101被配置为与多个中继通信设备102以及多个接收器通信设备103-1、103-2进行D2D通信。在图1中示出的示例性D2D通信网络100中，多个通信设备被实现为具有D2D通信单元的诸如汽车的车辆。

[0060] 从图1所示的发射器通信设备101的详细视图可以看出，发射器通信设备101包括通信接口101a和处理器101b。

[0061] 发射器通信设备101的处理器101b用于选择多个中继通信设备102的子集，以将通信消息中继至一个或多个接收器通信设备103-1、103-2，并且用于配置中继通信设备102的子集使用多种中继模式之一中继通信消息，上述多种中继模式包括第一中继模式和第二中继模式，其中第一中继模式是“放大并转发(amplify and forward，AF)”中继模式，第二中继模式是“解码并转发(decode and forward，DF)”中继模式，在下文中将会更详细地描述。在下文中，运行在AF中继模式的中继通信设备102也称为AF中继，运行在DF中继模式的中继通信设备102也称为DF中继。

[0062] 发射器通信设备101的通信接口101a用于经由中继通信设备的子集向一个或多个接收器通信设备103-1、103-2发送通信消息。

[0063] 已知的接收器通信设备103的数量可以是一个或多个接收器通信设备103，即，单播或多播传输。通常，单播或多播目的地MAC地址是例如从节点间的应用层信息交互提前知道的。

[0064] 在实施例中，当发射器通信设备101和中继通信设备102之间的接收信噪比(SNR)高时，AF中继有效；所需信号的放大有助于克服从中继通信设备102到接收器通信设备103的大路径损耗和噪声。另一方面，DF中继对接收的信号进行解码和重新编码，然后将其转发进行传输。DF中继不会造成噪声放大。

[0065] 本发明实施例提供了实现AF和DF混合中继协作传输的信令和算法，以增强3GPP LTE-D2D框架。单个或多个AF中继主要用于通过探测接近SNR增益和/或多径分集增益以低时延(无需等待解码原始包)改善SNR。应理解，由于接收器通信设备103处从多个AF中继接收的信号的破坏性叠加或构造性叠加具有不确定性(小尺度衰落)，因此来自多个AF中继的关于SNR的增益通常不能通过闭式公式计算。然而，大尺度衰落中，存在明确的SNR增益。DF中继也可以用于实现来自多个中继的协作空间分集。

[0066] 图2示出了根据本发明实施例的协作多连接传输方案，其中，中继通信设备102根据其参与的传输阶段分成3组。

[0067] 如图2所示，靠近发射器通信设备101并朝向给定接收器通信设备103的中继通信设备102可以分成以下3类：组A，包括参与第一传输的中继通信设备102-3和102-4；组B，包括与组A一起参与重传或第二传输的中继通信设备102-2、102-5；以及组C，包括不参与当前传输，但由于其地理位置上的接近性而被视为未来通信消息的潜在中继的中继通信设备102-1、102-6。组A、组B、和组C还可以包括接收器通信设备103。

[0068] 图3A示出了根据实施例的第一通信场景中D2D通信网络100的示意图，D2D通信网络100包括用于协作多连接的发射器通信设备101、多个中继通信设备102、以及多个接收器通信设备103-1、103-2。

[0069] 在图3A所示的第一场景中，发射器通信设备101、中继通信设备102、以及接收器通信设备103-1、103-2都在公共D2D控制信道(control channel，CC)覆盖范围内。另一方面，发射器通信设备101和中继通信设备102都在公共数据信道(data channel，DC)覆盖范围内，但接收器通信设备103-1、103-2不在公共数据信道覆盖范围内。

[0070] 根据本发明实施例，覆盖范围可以具体定义为在1ms截止时间内达到近99.99％的包交付率(packet delivery ratio)的范围。因此，这并不是LTE系统中成功解码正常数据包的无线覆盖范围。

[0071] 图3B示出了根据实施例的第二通信场景中D2D通信网络100的示意图，D2D通信网络100包括用于协作多连接的发射器通信设备101、多个中继通信设备102、以及多个接收器通信设备103-1、103-2。

[0072] 与第一场景相同，发射器通信设备101和中继通信设备102都在公共数据信道覆盖范围内，但接收器通信设备103-1、103-2不在公共数据信道覆盖范围内。与第一场景不同，第二场景包括在公共控制信道覆盖范围之外的上述多个接收器通信设备103-1、103-2的子集。

[0073] 图3C示出了根据实施例的第三通信场景中D2D通信网络100的示意图，D2D通信网络100包括用于协作多连接的发射器通信设备101、多个中继通信设备102、多个接收器通信设备103-1、103-2、以及基站104。

[0074] 在第三场景中，以双连接控制(control，C)/用户(user，U)面分离的方式配置无线网络。在Uu接口和PC5接口进行V2V通信的控制。经由Uu接口，基站104可以接管协作多连接传输的控制，这对发射器通信设备101和接收器通信设备103是完全透明的。在一些情况下，基站104还可以参与协作多连接传输，以将数据传输从发射器通信设备101中继至接收器通信设备103-1、103-2。

[0075] 图4A示出了根据实施例的由发射器通信设备101使用的通信资源池设计的示意图。图4B示出了根据实施例的由发射器通信设备101、中继通信设备102、以及接收器通信设备103-1、103-2使用的第一控制消息和第二控制消息以及否定应答消息的相应配置的示意图。

[0076] 图4A所示的通信资源(例如，时频资源)池在时域中进一步划分为控制信道(CC)池和数据信道(DC)池。在CC池内，发射器通信设备101可以选择一个或多个资源块用于交互包括协作节点配置信息的控制信息。在DC池内，发射器通信设备101可以选择用于数据传输以及其相应的ACK/NACK的资源块。

[0077] 如图4A所示，在1ms的第一子帧内，发射器通信设备101在CC池中发送第一CC消息以配置协作传输，在DC池中，发射器通信设备101发送第一DC消息并且AF中继102进行可能的协作传输，随后是由于接收失败而产生的第一组多个NACK。然后，发射器通信设备101开始第二CC消息，其中，第二DC消息可以由发射器通信设备101配置的一个或多个DF中继102发送，随后是由于接收失败而产生的第二组多个NACK。图4A只示出了两次传输，但是通常同样的程序可以应用于两次以上的传输。

[0078] 如图4B所示，协作传输所需的CC消息和NACK消息的内容以矩形标记。这些消息在发射器通信设备101、中继通信设备102、以及接收器通信设备103-1、103-2间交互，这些消息在下文中将更详细地描述的信令框架中使用。从图4B可见，在实施例中，CC消息和NACK消息可以包括以下字段/内容。

[0079] AF中继ID：由发射器(TX)通信设备101进行选择以运行在放大转发(AF)中继模式的一组节点的ID。

[0080] DF中继ID：由发射器(TX)通信设备101进行选择以运行在解码转发(DF)中继模式的一组节点的ID。

[0081] RB ID：由发射器(TX)通信设备101选择的用于中继传输的时频资源块的ID。

[0082] AF/DF中继模式标识符。

[0083] 中继功率：指定每个中继节点102的传输功率，例如，AF中继的传输功率可以根据从中继通信设备102节点到接收器通信设备103节点的远近而不同。对于不同位置的接收器通信设备103，可以不同地设置中继102的发射功率。

[0084] 活动AF中继ID：接收器通信设备103通知发射器通信设备101执行上一次协作传输的中继通信设备102的一组活动节点。该组活动中继通信设备102用作到由发射器通信设备101初始选择的一组中继通信设备102的“ACK”，使得非活动中继通信设备102被排除在选择的下一组中继通信设备102之外。

[0085] 优选DF中继ID：接收器通信设备103通知发射器通信设备101该接收器通信设备基于信道质量信息(channel quality information，CQI)的直接测量而优选的一组中继通信设备102。这样，发射器通信设备101可以改进下一轮的中继选择。

[0086] 生存时间：在包交付截止时间之前剩余的生存时间。

[0087] RX失败根源：如果接收失败是冲突或干扰(而不是SNR)导致的，则接收器通信设备103通知发射器通信设备101重新选择资源块。

[0088] 图5示出了在第一通信场景的第一传输期间交互控制消息和数据消息的实施例，其中，发射器通信设备101、中继通信设备102、以及接收器通信设备103-1、103-2都在公共D2D控制信道覆盖范围内，并且其中发射器通信设备101和中继通信设备102都在公共数据信道覆盖范围内，但接收器通信设备103-1、103-2不在公共数据信道覆盖范围内。图5所示的程序包括以下步骤。

[0089] 发射器通信设备101判定对于至少一个接收器通信设备103，CC和DC是否需要中继传输(步骤501)。如果只有DC需要中继，则发射器通信设备101评估是否有可用的中继通信设备102(步骤503)。

[0090] 如果中继通信设备102可用，则发射器通信设备101执行分布式中继通信设备102的选择以及中继模式的选择(步骤505)。

[0091] 发射器通信设备101执行CC和DC的分布式资源的选择(步骤507)。

[0092] 发射器通信设备101将第一CC消息发送至中继通信设备102，中继通信设备102将第一CC消息发送至接收器通信设备103。

[0093] 发射器通信设备101将第一DC消息发送至中继通信设备102，中继通信设备102将AF中继的第一DC消息发送至接收器通信设备103的子集。第一DC消息可以由中继通信设备102缓存(步骤509)。

[0094] 接收器通信设备103相对于AF中继将第一组NACK消息发送至发射器通信设备101。第一组NACK消息可以由中继通信设备102缓存(步骤511)。

[0095] 在接收器通信设备103发回一组NACK的情况下，可以触发第一通信场景中的第二传输，如图6所示。图6所示的程序包括以下步骤：

[0096] 发射器通信设备101判定对于至少一个接收器通信设备103是否需要第二中继传输(步骤601)。

[0097] 如果需要第二中继传输，则发射器通信设备101评估是否有可用的中继通信设备102(步骤603)。

[0098] 如果中继通信设备102可用，则发射器通信设备101执行分布式中继通信设备102的重新选择以及中继模式的重新选择(步骤605)。

[0099] 发射器通信设备101执行CC和DC的分布式资源的重新选择(步骤607)。

[0100] 发射器通信设备101将第二CC消息发送至中继通信设备102，中继通信设备102将第二CC消息发送至接收器通信设备103。

[0101] 中继通信设备102将DF中继的第一DC消息发送至接收器通信设备103的子集。

[0102] 接收器通信设备103相对于DF中继将第二组NACK消息发送至发射器通信设备101。第二组NACK消息可以由中继通信设备102缓存(步骤609)。

[0103] 图7示出了在第二通信场景的第一传输期间交互控制消息和数据消息的实施例，其中，接收器通信设备103-1、103-2之一在控制信道的范围之外。根据实施例，图7所示的程序包括以下步骤。

[0104] 发射器通信设备101判定对于至少一个接收器通信设备103，CC和DC是否需要中继传输(步骤701)。

[0105] 如果CC和DC需要至少一个接收器通信设备103，则发射器通信设备101评估是否有可用的中继通信设备102(步骤703)。

[0106] 如果中继通信设备102可用，则发射器通信设备101执行分布式中继通信设备102的选择以及中继模式的选择(步骤705)。

[0107] 发射器通信设备101执行CC和DC的分布式资源的选择(步骤707)。

[0108] 发射器通信设备101将第一CC消息发送至中继通信设备102，中继通信设备102将DF中继的第一CC消息发送至接收器通信设备103。第一CC消息可以由中继通信设备102缓存(步骤709)。

[0109] 发射器通信设备101将第一DC消息发送至中继通信设备102，中继通信设备102将AF中继的第一DC消息发送至接收器通信设备103的子集。第一DC消息可以由中继通信设备102缓存(步骤711)。

[0110] 接收器通信设备103相对于AF中继102将第一组NACK消息发送至发射器通信设备101。第一组NACK消息可以由中继通信设备102缓存(步骤713)。

[0111] 在需要重传的情况下(即，在DC消息没有被接收到的情况下)，可以触发第二通信场景的第二传输，如图8所示。根据实施例，图8所示的程序包括以下步骤。

[0112] 发射器通信设备101判定对于至少一个接收器通信设备103是否需要第二中继传输(步骤801)。

[0113] 如果需要第二中继传输，则发射器通信设备101评估是否有可用的中继通信设备102(步骤803)。

[0114] 如果中继通信设备102可用，则发射器通信设备101执行分布式中继的重新选择以及中继模式的重新选择(步骤805)。

[0115] 发射器通信设备101执行CC和DC的分布式资源的重新选择(步骤807)。

[0116] 发射器通信设备101将第二CC消息发送至中继通信设备102，中继通信设备102将DF中继的第一CC消息发送至接收器通信设备103的子集。第二CC消息可以由中继通信设备102缓存(步骤809)。

[0117] 中继通信设备102将DF中继的第一DC消息发送至所有接收器通信设备103。

[0118] 接收器通信设备103相对于AF中继将第二组NACK消息发送至发射器通信设备101。第二组NACK消息可以由中继通信设备102缓存(步骤811)。

[0119] 在第二CC消息没有到达中继通信设备102的情况下，中继通信设备102可以设置超时(timeout)，在超时之后，中继通信设备102会认为控制信道(CC)消息丢失(例如，由于冲突)。同时，所有已经解码第一传输的中继通信设备102会重传该消息。当所有中继通信设备102被分配用于重传消息时，可以获得一些SNR以补偿Alamouti编码的缺失，其中，Alamouti编码仅使用两个中继通信设备102重传消息。

[0120] 图9示出了在CC消息丢失的情况下的信令程序。图9所示的程序包括以下步骤。

[0121] 发射器通信设备101判定是否需要第二中继传输(步骤901)。

[0122] 如果需要第二中继传输，则发射器通信设备101评估是否有可用的中继通信设备102(步骤903)。

[0123] 如果中继通信设备102可用，则发射器通信设备101执行分布式中继的重新选择以及中继模式的重新选择(步骤905)。

[0124] 发射器通信设备101执行CC和DC的分布式资源的重新选择(步骤907)。

[0125] 第二CC消息由于与其他传输冲突而丢失。

[0126] 中继通信设备102评估是否需要基于缓存的NACK的接收器驱动的中继传输(步骤909)。

[0127] 中继通信设备102将DF中继的第一DC消息发送至接收器通信设备103。

[0128] 接收器通信设备103相对于AF中继将第二组NACK消息发送至发射器通信设备101。第二组NACK消息可以由中继通信设备102缓存(步骤911)。

[0129] 图10示出了根据本发明实施例的五种不同类型的中继配置。发射器通信设备101可以配置以下五种中继模式，以在包括D2D通信的通信网络内同时实现高可靠性和低时延：

[0130] 模式0(无中继)：预测的源和目的地之间的SNR足够高，因此不需要中继。

[0131] 模式1(放大并转发)：AF中继仅放大源信号并重传。缺点是噪声也会同时被放大。因此，可以在中继非常接近源时应用此模式，以使噪声放大较少。

[0132] 模式2(估计并转发)：此模式适用于其中可靠性和时延时都很重要的低时延转发。为了改善AF中继的SNR，可以使用时间均衡方法，其中进行快速时域均衡程序，将频率响应的逆变换到时域。一旦获得逆时域频率响应，运行在此模式的中继102可以使用逆信道滤波器对基带数据信号进行卷积，在转发前“清理”信号。

[0133] 模式3(解码并转发)：DF中继解码源传输、重新编码、并且重传。有利的是，噪声放大不再是问题。因此，可以在可靠性比时延更重要时使用此模式。DF中继模式有2个选择：使用或不使用空时块编码(spatial time block coding，STBC)，将在下文中更详细地描述。

[0134] 模式4(模拟波束成形)：可以在源位于中继通信设备102的视距内或中继通信设备102位于目的地的视距内时使用此模式。发射器通信设备101将选择视距位于发射器通信设备101或接收器通信设备103内的中继通信设备102，以增强信号。第二跳中的模拟波束成形是可选的(例如在多播中)。模式4可以与模式1、2、3结合。

[0135] 如上所述，在CC(控制信道)消息的“中继模式”字段中指示不同的中继配置。

[0136] 根据实施例，图11示出了D2D通信网络100的中继设置的示意图，其中，通信消息需要从源(即发射器通信设备101)传送到目的地(即接收器通信设备103)，通过信道Wo直接传送或通过中继通信设备102-i和表示为Wi1和Wi2的双跳信道传送。

[0137] 可以看出，可以基于以下等式来估计通过中继通信设备102-i的平均SNR：

[0138]

[0139] 其中，R1和R2分别是第一跳和第二跳的自协方差矩阵，Nd是数据符号的数量，a是放大因子， 和 分别是第一跳和第二跳的噪声功率。

[0140] 通过每个候选中继通信设备102到每个接收器通信设备103的SNR可以被分组为如下的SNR向量

[0141]

[0142] 在单播的情况下，该向量的元素是表示从发射器通信设备101到接收器通信设备103的SNR的标量。在多播的情况下，该向量的元素是所有接收器通信设备103的平均SNR。

[0143] 激活更多的中继增加了接收器通信设备103处的表观SNR。然而，这也会增加对使用相同时频资源的其他邻近集群的干扰。因此，可以根据中继通信设备102的有效SNR值选择某个最大数量的中继通信设备102。

[0144] 当中继通信设备102被激活时，在接收器通信设备103处可达到的SNR可能仍然不足以正确地解码传输消息。可以通过Polyanskiy界限来确定SNR是否足够。Polyanskiy界限采用消息的比特大小、可用的传输符号、以及SNR而得到传送此大小的消息的错误概率。

[0145] 图12A和图12B示出了对于不同消息大小的最大频谱效率与信噪比(SNR)。例如，假定消息大小是100比特，使用的调制和编码方案固定为2比特/秒/Hz的频谱效率，并且目标误块率为10-5。如图12A和图12B所示，所需的最小SNR接近14.2dB。此界限假设对高斯符号输入进行最佳调制和编码。这样的假设通常可能不现实。因此，在计算的SNR上加固定容限是合适的，这考虑了不完美的调制和编码。

[0146] 如果放大并转发(AF)中继得到的SNR不足，则发射器通信设备101可以采取一些可能的增强来提高SNR。下文中描述了在本发明实施例中实现的用于增强SNR的两种方法。

[0147] AF中继仅转发其获得的模拟信号而不进行任何形式的均衡。为了改善SNR，可以在中继通信设备102处引入某种均衡。然而，由于时延限制，均衡需要“一次性(oneshot)”完成。因此，本发明实施例提供一种时间均衡方法，其中，中继通信设备102从前导码中获得信道的频率响应的估计，然后获得频率响应的逆。逆频率响应被变换到时域。图13中示出了时间均衡方法的操作。

[0148] 一旦获得了逆时域频率响应，中继通信设备102可以使用逆信道滤波器对基带数据信号进行卷积。这样，中继通信设备102无需对数据符号应用FFT并在频域中内插信道的响应；相反，可以采用快速时域均衡程序。该低时延中继操作可以帮助在转发信号之前“清理”信号。

[0149] 在V2V情形下，中继通信设备102位于另一个中继通信设备102视距内的概率较高。根据实施例，通信设备的模拟波束成形能力可用于将波束聚集在预期的接收器通信设备
103(模式4中继)上。这在单播传输的情况下特别有用(尤其是使用单个中继通信设备102的情况下)。因此，发射器通信设备101将选择视距位于接收器通信设备102和发射器通信设备
101内的中继通信设备102。第二跳中的模拟波束成形是可选的(例如在单播中)。图14示出了发射器通信设备101可以如何在多个中继通信设备102-1到102-7中选取最佳中继通信设备102-7的示例。

[0150] 如果第一传输失败，目的地(单播)或多个目的地(多播)可以发回NACK消息，指示该目的地未能解码消息。源(即，发送设备101)即可以触发相对于第一传输具有更高解码几率的第二传输。换句话说，发射器通信设备101可以寻求相对于第一传输使得SNR增加的传输策略。在此情况下，源可以配置至少两个中继通信设备102对使用Alamouti编码的传输执行解码和转发(模式3中继)。此中继在第一传输和第二传输之间具有相对较长的时间。该时间可以由信道编码模块用来执行若干信道解码迭代。作为开环分集方案，Alamouti编码由于在发射器通信设备101处不需要信道知识而适用于此场景。理想情况下，对于不相关天线，Alamouti相对于单天线传输将SNR增加了3dB。

[0151] 在NACK到达后，源101可以配置两个中继通信设备102或者一个中继通信设备102和源本身进行第二传输。第二传输的详细程序已经在图6的上下文中详细描述。在下文中总结了在发射器通信设备101处发生的第二传输的步骤。

[0152] 参与第一传输的所有中继通信设备102应该存储消息并尝试将其解码。然而，为了避免资源拥塞，不应向发射器通信设备101发回ACK或NACK。

[0153] 发射器通信设备101可以查询CQI(信道质量信息)矩阵，并且为所有已参与第一传输的中继通信设备102和目的地节点提取第二跳所预期的信道质量。

[0154] 由于中继通信设备102通常不能发回任何应答，发射器通信设备101需要估计每个中继通信设备102成功解码消息的概率。

[0155] 发射器通信设备101还可以估计任何给定中继通信设备102与目的地103之间的第二传输成功的概率。上述概率通过预先计算的CQI矩阵获得。

[0156] 可以为第二传输选择中继通信设备102的两个节点，其中，这两个节点具有最大的成功解码第一传输并提供成功的第二传输的联合概率。

[0157] 源101在MAC控制信道通知两个中继通信设备102，并在Alamouti编码过程中为每个中继通信设备102分配天线角色。

[0158] 在多播场景中，发射器通信设备101可以为每个接收器通信设备103组一对中继通信设备102。

[0159] 中继选择是无线通信中被充分研究的领域。然而，根据实施例，存在ad-hoc网络，其中节点交互CAM消息，CAM消息包括节点的位置坐标、速度、和加速度。此消息以广播的方式周期性地进行交互。这些消息可以在802.11p类协议下交互。某些CAM消息误包对于以下系统的运转是可以接受的。根据实施例，CAM消息用于跨层协议，上述跨层协议使用邻近节点的位置和速度来预测用于转发关键任务消息的最佳可能中继节点。

[0160] 如已经在图2中示出的，接近发射器通信设备101并朝向给定接收器通信设备103的中继通信设备102可以分为以下3类：组A，包括参与第一传输的中继通信设备102-3和102-4；组B，包括与组A一起参与重传的中继通信设备102-2和102-5；以及组C，包括不参与当前传输，但由于其地理接近性而可以是未来消息的潜在中继的中继通信设备102-1和
102-6。

[0161] 发射器通信设备101需要预测图2中示出的信道hx中每个信道的路径损耗。术语“信道”用于反映主要由于路径损耗产生的大尺度衰落，且不应与信道估计的小尺度衰落混淆。目标是发射器通信设备101将预测接下来Tp秒的CQI矩阵C。to时刻的该矩阵可以表示为：

[0162]

[0163] 其中，N是TX邻近节点的总数， 是预测的在未来时刻tx车辆i和j之间的路径损耗。

[0164] 使用矩阵C，发射器通信设备101具有足够的信息用于判定当在未来特定时刻要发送关键任务消息时，选择哪个中继通信设备102用于中继。路径损耗或CQI的预测可以在发射器通信设备101中实现，如图15所示。第一步骤为，发射器通信设备101需要预测所有车辆未来的位置。这些位置可以使用以下类型的信息估计：

[0165] 单跳链路：发射器通信设备101是这些链路的一部分。对于这些链路，发射器通信设备101使用传输车辆的接收功率以及关于位置、速度、和加速度的信息。这些信息被输入Kalman滤波器，Kalman滤波器预测在未来某时间窗口单跳车辆的位置。在实施例中，假定发射功率是固定的，即23dBm。

[0166] 双跳链路：发射器通信设备101不是这些链路的一部分。在此情况下，发射器通信设备101仅使用CAM消息信息作为Kalman滤波器的输入。

[0167] 具有共享轨迹交互的车辆：由于其中一个用例是车道合并，发射器通信设备101可以利用先前已由其他车辆共享的预测轨迹。

[0168] 第二步骤为，发射器通信设备101可以使用路径损耗和移动性模型，该模型通常为网络的地理位置的特征。例如，预期城市环境中的路径损耗指数大于农村环境。此外，该模型可以考虑周围所有节点的移动性。由于信道的时间选择性，具有较大相对速度的节点应具有较低的有效SNR。此外，可以使用周围环境的地图。例如，在十字路口，两个车辆之间的距离近。然而，由于中间存在建筑物，因此路径损耗变得比视距的路径损耗大。因此，地图可以帮助改善期望的路径损耗指数和模型。

[0169] 最后，可以构建3D CQI矩阵，上述3D CQI矩阵反映接下来Tp秒的发射器通信设备101附近的所有车辆间未来的信道质量。注意，预测的时间分辨率可以取决于CAM消息的周期性并且可能取决于轨迹交互。

[0170] 为了最小化信令开销，发射器通信设备101可以“猜测”哪个中继通信设备102成功地解码了第一消息并配置这些中继通信设备102执行联合第二传输。配置程序可以基于上文中已提到的所谓的Polyanskiy界限。对于每次中继，中继通信设备102-i未能解码第一消息并且未能传送第二消息的概率可以由以下等式估计：

[0171]

[0172] 其中Q(·)表示q-函数， 和 分别表示第一跳和第二跳的SNR，n是块长度大小，k是信息消息大小，C(·)和V(·)是如下定义的香农容量和信道色散

[0173]

[0174]

[0175] 特殊的情况为，源101可以估计它自身的直接链路误块概率，定义为

[0176]

[0177] 最后，中继选择过程可以在数学上表示为

[0178] 其中i∈{0,1,2,...,N}

[0179] 其中α是强调解码第一传输的重要性的指数，N是参与第一传输的中继通信设备102的总数。

[0180] 如前所述，Alamouti技术是需要发射天线之间的交互最少的一种开环预编码技术。根据本发明实施例，Alamouti技术恰好使用两个天线，其中每个中继车辆对应一个天线。在不探究Alamouti预编码的数学细节的情况下，在预编码程序中，每个天线执行特定的“角色”。每个天线被分配为角色A或角色B。发射器通信设备101可以根据上文中解释的标准选取两个中继，并给每个中继通信设备102分配角色(A或B)。

[0181] 在单播中，操作是直接的。发射器通信设备101将最佳的两个中继通信设备102配置给单个接收器通信设备103并给它们中的每个分配角色(A或B)。然而，在多播中，情况不同。中继通信设备102对被分配给每个接收器通信设备103。尽管为所有的接收器通信设备103使用一对中继通信设备102易于管理，但如果接收器通信设备103彼此分布距离较远，则对于所有接收器通信设备103而言，可达到的SNR不都是足够的。因此，可以为每个接收器通信设备103分配多对中继通信设备102。

[0182] 图16示出了中继通信设备102和接收器通信设备103的可能设置。在此情况下，发射器通信设备101将r1配置为用于接收器通信设备103-1和103-2(即c1和c2)的角色A，而r3被配置为用于接收器通信设备103-3和103-4(即，c3和c4)的r3。中继通信设备r2是联合节点，其充当用于接收器通信设备103-1、103-2、和103-3(即，c1、c2、和c3)的天线“B”的角色。接收器通信设备103-4(即c4)可能离r2很远；因此，c4可以仅从r3接收信号，仍然足够解码消息。

[0183] 关于信令，发射器通信设备101可以向每个接收器通信设备103发送矩阵形式的信息，该矩阵定义了每个中继通信设备102的天线角色。每个中继通信设备102都不应同时具有两个角色。如图16示出的示例，矩阵可以构造为以下形式：

[0184]

[0185] 其中，列表示中继的标识(identification，ID)，行表示接收器ID。

[0186] 图17示出了根据实施例的控制消息和中继通信设备102到不同的Alamouti角色的分配的示意图。发射器通信设备101根据Polyanskiy界限选择两个中继通信设备102，并为每个中继通信设备102分配角色A或角色B。根据中继通信设备102和接收器通信设备103之间的距离/状态，每个接收器通信设备103可以获得一个中继通信设备102作为角色A并获得另一个中继通信设备102作为角色B。一个中继通信设备102可能被分配给不同的接收器通信设备103。为了确定中继通信设备102的角色以及将中继通信设备102分配给接收器通信设备103，发射器通信设备101向每个接收器通信设备103发送矩阵的形式的信息，该矩阵定义了每个中继通信设备102的角色。

[0187] 图18示出了操作D2D通信网络100的发射器通信设备101的方法1800的示意图。方法1800包括以下步骤：选择1801多个中继通信设备102的子集，以将通信消息中继至一个或多个接收器通信设备103-1、103-2；配置1803中继通信设备102的上述子集使用多种中继模式之一中继该通信消息，上述多种中继模式包括第一中继模式和第二中继模式，其中，第一中继模式是“放大并转发”中继模式，并且其中，第二中继模式是“解码并转发”中继模式；以及经由多个中继通信设备102的上述子集将通信消息发送至一个或多个接收器通信设备103-1、103-2。

[0188] 虽然可能仅相对于若干实施方式或实施例中的一个描述了本公开的特定特征或方面，但这样的特征或方面可以与其他实施方式或实施例的一个或多个其他特征或方面结合，这对于任何给定或特定应用可能是理想的或者有利的。此外，对于具体实施方式或权利要求中使用的术语“包含”、“有”、“具有”及其其他变形形式，与术语“包括”类似，上述术语是包容性的。此外，术语“示例性”、“例如”、“比如”仅仅表示示例，而不是表示最好或最佳。可以使用术语“耦合”和“连接”及其衍生物。应理解，这些术语可以用于表示两个元件彼此协作或交互，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或者它们并不直接彼此接触。

[0189] 尽管本文已说明和描述了特定方面，但本领域技术人员应理解，在不脱离本公开范围的情况下，可以用各种替代和/或等效实施方式来代替所示出和描述的特定方面。本申请旨在涵盖本文中讨论的特定方面的任何改变或变化。

[0190] 尽管用相应的标记以特定顺序叙述了权利要求中的要素，但除非权利要求暗示了实现这些要素中的一些或全部的特定顺序，否则这些要素不一定仅限于以该特定顺序实现。

[0191] 根据上述教导，许多替换、修改、和更变对于本领域技术人员来说是显而易见的。当然，本领域技术人员容易认识到，除了本文所述之外，本发明还有许多应用。虽然已经参照一个或多个特定实施例描述了本发明，本领域技术人员认识到可以在不脱离本发明范围的情况下进行改变。因此，应理解，在所附权利要求及其等同物的范围内，本发明可以以不同于本文具体描述的方式实施。