中繼協(xié)同異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)d2d通信資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種中繼協(xié)同異構(gòu)蜂窩網(wǎng) 絡(luò)D2D(Device-t〇-Device)通信資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了滿足急劇增加的多媒體設(shè)備和服務(wù)對頻譜資源和數(shù)據(jù)速率的需求，無線網(wǎng)絡(luò) 朝著異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)開始演進。隨著移動通信的快速發(fā)展，多媒體設(shè)備和服務(wù)的急劇增加使得小 區(qū)基站移動流量負載指數(shù)型上升，不僅使得移動網(wǎng)絡(luò)變得擁堵，同時也會加劇設(shè)備的能耗。 現(xiàn)實中頻譜資源有限，設(shè)備能耗受限，如何有效地增加頻譜利用率、減少能耗將是一個研究 重點。
[0003] 傳統(tǒng)的蜂窩通信模式已經(jīng)很難有效地解決上述問題，所WD2D通信技術(shù)的概念于 2009年被引入到LTE網(wǎng)絡(luò)中。D2D通信通過建立不經(jīng)過基站的直接傳輸鏈路，能夠有效地 緩解基站的移動流量負載，減少移動網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。通過讓D2D通信用戶復(fù)用蜂窩用戶 的頻譜資源，利用D2D短距離通信優(yōu)勢，能夠有效地提升系統(tǒng)吞吐量、頻譜效率等性能。然 而，其引入的干擾問題是無線系統(tǒng)首要解決的問題。功率控制是實現(xiàn)異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中頻譜 資源共享的一種關(guān)鍵技術(shù)，通過合理地控制蜂窩用戶和D2D用戶的功率，使得當D2D通信接 入蜂窩用戶授權(quán)頻段時，D2D通信和蜂窩通信對彼此產(chǎn)生的干擾可W不影響對方的正常通 信。
[0004] 此外，在小區(qū)邊緣引入中繼節(jié)點，可W有效地緩解小區(qū)邊緣用戶與基站通信難的 問題，又可W緩解基站的負載。隨著中繼技術(shù)的發(fā)展，并且越來越廣泛地應(yīng)用于當前網(wǎng)絡(luò)， 能夠顯著地減少設(shè)備功耗、提高小區(qū)覆蓋范圍、增加傳輸速率等。
[0005] 傳統(tǒng)的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中對D2D通信采取的資源分配方法，大部分是建立在只保證 單一蜂窩用戶服務(wù)質(zhì)量（QualityofService,Qo巧或者D2D通信QoS的前提上，來最大化 D2D通信的總速率或者頻譜復(fù)用率等目標，此時D2D通信需要始終保持最大發(fā)送功率傳輸 數(shù)據(jù)。顯然，該樣子無法同時保證蜂窩用戶和D2D用戶的QoS,也不滿足綠色通信的要求。
[0006] 還有些傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)只考慮了一對D2D通信和一個蜂窩用戶共享頻譜資源的 情況。然而，在實際環(huán)境中，蜂窩用戶的個數(shù)遠遠高于D2D用戶，如果一對D2D通信只能復(fù) 用一個蜂窩用戶的頻譜資源，顯然會造成頻譜資源的浪費。
[0007] 而且，很少有蜂窩網(wǎng)絡(luò)滿足同時包含蜂窩用戶、D2D用戶、基站和中繼該樣一個多 層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對一個基站、固定中繼、蜂窩用戶和D2D用戶共存的上行異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò) 模型，提出了一種基于最優(yōu)功率分配和蜂窩用戶通信模式（基站通信模式或者中繼協(xié)同模 式）選擇的資源分配方法。本發(fā)明允許單個D2D對復(fù)用多個蜂窩用戶的頻譜資源，基于已 分配的頻譜資源上，保證蜂窩用戶和D2D用戶單頻段上最小可達速率需求的同時，為充分 利用D2D短距離通信的優(yōu)勢，使得D2D用戶在所有復(fù)用的頻譜資源上滿足一個總可達速率 闊值需求，通過聯(lián)合分配D2D用戶在各個頻段上可達速率目標和蜂窩用戶通信模式選擇來 最優(yōu)化整個系統(tǒng)的總功耗。本發(fā)明能夠同時優(yōu)化蜂窩用戶和D2D用戶的發(fā)送功率、D2D用 戶在每個頻段上的最優(yōu)可達速率目標W及確定系統(tǒng)中每個蜂窩用戶的通信模式。相比于傳 統(tǒng)的資源分配方法，本方法能夠在保證蜂窩用戶和D2D用戶可達速率的同時節(jié)約系統(tǒng)的總 功耗，更能符合綠色通信的要求。
[0009] 本發(fā)明是通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種中繼協(xié)同異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)D2D通信資源分配方法，包括如下 步驟：
[0011] 步驟1 ;獲取其中K苗：：；：：,表示當蜂窩用戶n采取通信模式Q(n)時，D2D通信 在頻段n上所能達到的最大可達速率闊值；
[001引步驟2 ;根據(jù)，判斷D2D通信選取的頻譜資源能否滿足系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量需求；
[0013] 步驟3;聯(lián)合分配蜂窩用戶n采取通信模式Q(n)時D2D通信在頻段n上分配到的 可達速率目標W及確定蜂窩用戶n的通信模式Q(n);
[0014] 步驟4 ;求系統(tǒng)總發(fā)送功率ptDtal。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟3具體包括如下子步驟：
[0016] 步驟3. 1 ;初始化每個蜂窩用戶的初始通信模式Q(n);
[0017]步驟3. 2 ;初始化入1和入2,并定義權(quán)重函數(shù)WQ(n)，n;
[001引步驟3. 3 ;確定蜂窩用戶n在可達速率目標句下的通信模式Q(n);
[001引步驟3. 4 ;循環(huán)求解可達速率闊值目標瑞W及蜂窩用戶n的通信模式Q(n)。
[0020] 所述為當蜂窩用戶n采取Q(n)通信模式時，D2D通信在頻段n上所能達到的 最大可達速率闊值，根據(jù)單頻段上蜂窩通信和D2D通信最小可達速率闊值需求求得 表達式如下：
[0021]
[0022] 其中，蜂窩用戶n即第n個蜂窩用戶，頻段n即第n個頻段；n= 1，2,…，N，N表示 蜂窩用戶總數(shù)；為巧55< 對應(yīng)的SINR，-1 gd，分別表 示蜂窩用戶n采用通信模式Q(n)下蜂窩鏈路信道增益、D2D鏈路信道增益、蜂窩用戶n到D2D通信接收端的鏈路信道增益、D2D發(fā)送端到蜂窩用戶n接收端的鏈路信道增益；Q(n)= U，2}，Q(n) =l、Q(n) =2分別表示蜂窩用戶n采用基站通信模式、中繼協(xié)同模式，并假設(shè) 蜂窩用戶n使用頻段n; 芳;:。為當蜂窩用戶n采用通信模式Q(n)時，D2D通信在頻段n上 的最小可達速率闊值馬;X，.對應(yīng)的SINR，且蜂窩用戶n采用中繼協(xié)同模式時D2D通信在頻 段n上的最小可達速率闊值巧蘭°是蜂窩用戶n采用基站通信模式時D2D通信在頻段n上的 最小可達速率闊值巧r的兩倍，巧r=2巧7。
[0023] 優(yōu)選地，所述在步驟2中，根據(jù)判斷D2D通信選取的頻譜資源能否滿足系統(tǒng) 服務(wù)質(zhì)量需求的判斷準則表達式如下：
[0024]
[00巧]若滿足上式，則表明滿足服務(wù)質(zhì)量需求；其中，巧表示D2D通信在頻段n上的最 小可達速率闊值，iS'iM表示D2D通信在所有復(fù)用的N個頻段上最大能達到的總可達速率， 表示D2D通信在所有復(fù)用的N個頻段上總可達速率闊值；表示在不同蜂窩通信 模式Q(n)下選取括號內(nèi)最大的值。
[0026] 優(yōu)選地，所述步驟3. 1中初始化每個蜂窩用戶的初始通信模式Q(n)滿足如下準 則；
[0027]
[002引所述步驟3.2中初始化入1和A2滿足如下準則：巧(/0<請/，巧化）> 巧;/。其 中，Ai、^2分別為所選取的一個較小的、一個較大的拉格朗日乘子；
R(入）表示在A值下，D2D通信在所有N個頻段上分配的總可達速率
為定義的權(quán)重函數(shù)，j巧為D2D通信在頻段n上基于蜂窩用戶n采取蜂窩通信模式Q(n)時分配到的可達速率目標，是關(guān)于拉格朗日乘子A的變量，的表達式為；
[0029]
[0030]其中，
[0031]
[003引 吃i：；：。:表示蜂窩用戶n采用通信模式Q(n)在頻段n上的最小SINR闊值，上 標-1表示-1次方，N。表示系統(tǒng)噪聲；r心>.,，（乂）為蜂窩用戶n采用蜂窩通信模式Q(n) 下，D2D通信分配到的頻段n上的SINR目標，是關(guān)于拉格朗日乘子A的變量，且需滿足； 冶。)." (乂）含;其中，為020通信在頻段n上的最小可達速率闊值皆^^對應(yīng)的SINR 值；巧咖，巧U分別為相應(yīng)冶心)和Q(n)下，頻段n上蜂窩用戶n、D20用戶的最優(yōu)發(fā)送 功率，巧(4?，每》),?的表達式為：
[0033]
[0034] 所述步驟3. 3中蜂窩用戶n在可達速率闊值K(1)下的通信模式Q(n)的確定 準則為：
[00巧]
[003引即蜂窩用戶n在相應(yīng)值下選取使Wgw,。值最低的通信模式Q(n)，其中
[0037] 所述步驟3. 4中可達速率闊值目標W及蜂窩用戶n的通信模式Q(n)的循環(huán) 求解準則為：
[00測若|K(/0-成|<€，返回相應(yīng)的QW，馬。),"(義*)，入*，并轉(zhuǎn)到步驟4;否則，若 巧(義乂，令入2=入，并返回步驟3.3;若A(義)-巧1<占，令入1=入，并返回步驟 3. 3 ;
[0039] R(A)表示在A值下，D2D通信在所有N個頻段上分配的總可達速率；e表示二 分法的精度；表示當蜂窩用戶n采取通信模式Q(n)時，D2D通信在頻段n上所分 配的最優(yōu)可達速率闊值，是關(guān)于拉格朗日乘子的變量；At表示停止循環(huán)時得到的最優(yōu) 拉格朗日乘子。
[0040] 所述ptDtal為系統(tǒng)總發(fā)送功率，其表達式為；
[0041]
[0042] 其中，巧(4,心*)巧巧，巾，護)分別表示在所求得的最佳拉格朗曰乘子A*和Q(n) 下，頻段n上蜂窩用戶n、D2D用戶的最優(yōu)發(fā)送功率。
[0043] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果；
[0044] 本發(fā)明能夠同時優(yōu)化蜂窩用戶和D2D用戶的發(fā)送功率、D2D用戶在每個頻段上的 最優(yōu)可達速率目標W及確定系統(tǒng)中每個蜂窩用戶的通信模式。相比于傳統(tǒng)的資源分配方 法，本方法能夠在保證蜂窩用戶和D2D用戶可達速率的同時節(jié)約系統(tǒng)的總功耗，更能符合 綠色通信的要求。
【附圖說明】
[0045] 圖1為本發(fā)明流程圖；
[0046] 圖2為本發(fā)明在D2D通信總可達速率需求巧；；；/從30bpsAlz增加到46bps/化時的 整個系統(tǒng)功耗和D2D通信功耗圖；
[0047] 圖3為本發(fā)明在D2D通信距離從10米增加到30米時的系統(tǒng)和D2D通信功耗圖； [004引圖4為本發(fā)明在基于到基站距離逐步增加的蜂窩用戶組從小組1到小組10的單 頻段上系統(tǒng)平均總功耗圖。
【具體實施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明；本實施例在W本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下 述的實施例。
[0050] 本實施例是基于中繼協(xié)同和功率控制的D2D資源分配方案，系統(tǒng)噪聲為頻譜密度 是-174地m/化的零均值加性高斯白噪聲，中繼到基站的距離為400米，信道模型考慮簡單 的路徑損耗模型；g=cT。其中，g表示信道增益，d表示距離，a表示路徑衰弱指數(shù)，該里 選取a= 3。
[0051] 本實施例包括W下步驟：
[005引步驟1 ;獲取，其中表示當蜂窩用戶n采取通信模式Q(n)時，D2D通信 在頻段n上所能達