CN102083138B

CN102083138B - 一种d2d用户对可同时复用多个蜂窝用户资源的方法

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Publication number: CN102083138B
Application number: CN201110007244.9A
Authority: CN
Inventors: 陈力; 王彬; 陈晓航; 张欣; 常永宇; 杨大成
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: CN102083138A

Abstract

本发明提供的技术方案应用于移动通信的蜂窝网络中，将端到端(Device‑to‑Device，D2D)技术应用于蜂窝网络，允许D2D用户对同时复用多个蜂窝网络用户的资源进行通信。并从这种方案和传统方案中选择能使系统数据速率最大的模式来进行资源共享。本发明提出的方案不会对某个蜂窝用户造成很大的干扰，而且在实际中易于实现、应用方式也比较灵活。本发明通过在具有D2D通信的蜂窝网络中，提出一种单个D2D用户对可以同时复用多个蜂窝用户资源的方法，它可以在保证蜂窝用户最低通信速率的条件下，提高系统整体(包括蜂窝通信和D2D通信)的频谱效率。本发明提出的方法具有很强的实际可操作性。

Description

一种D2D用户对可同时复用多个蜂窝用户资源的方法

技术领域

本发明是将端到端(Device-to-Device，D2D)技术应用于蜂窝网络，D2D用户对复用蜂窝网络中用户的资源进行通信。或者是其它与在蜂窝网络中应用D2D技术有类似架构特性的通信网络。本发明提出了一种D2D用户对可以同时复用多个蜂窝用户资源的方法，它可以在保证蜂窝用户最低通信速率的条件下，提高系统整体(包括蜂窝通信和D2D通信)的频谱效率。本发明提出的方法具有很强的实际可操作性。

背景技术

端到端(Device-to-Device，D2D)通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端之间通过复用小区内资源直接进行通信的新型技术。它具有提高系统频谱利用率、减少终端电池消耗从而节省移动台功率、减低蜂窝小区基站的负载、改善系统用户公平性、提高无线网络的QoS、巩固下层结构、提供新的服务等优点。且能在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。D2D通信在蜂窝网中是工作在许可频段，它相对于工作在非许可频带的其它技术(如蓝牙、WLAN等)具有很多优点。只有许可频段能够保证提供干扰可控、稳定的通信环境，而非许可频段提供的服务不稳定，这对服务质量要求高的业务或特定用户是很重要的。

在蜂窝架构下的D2D通信通过共享小区资源来达到系统整体性能的提升。若D2D通信分配到正交的信道资源时，它不会对原来的蜂窝网络中的通信形成干扰。若D2D通信被分配到非正交的信道资源时，D2D通信将会对蜂窝链路中的接收端造成干扰。在通信负载较小的网络中，可以为D2D通信分配多余的正交的资源，这样显然可以取得更好的网络总性能。但是，由于蜂窝网络中的资源有限，考虑到通信业务对频率带宽的要求越来越高，而采用非正交资源共享的方式可以使网络有更高的资源利用效率。这也是在蜂窝网络中应用D2D通信的主要目的。

在非正交资源共享模式下，基站可以有多种资源分配方式，它们最后能得到不同的性能增益和实现复杂度。例如其中实现最简单的方式，基站可以随机选择小区内的资源；此外，基站还可以尽量选择距离D2D用户对较远的蜂窝用户的资源来进行资源共享，这样保证它们之间干扰尽可能地小。目前，D2D通信可以通过下面三种模式来与蜂窝用户共享资源：

1.基站转接模式：D2D用户对通过蜂窝网络基站的转接来进行通信。在此模式下，D2D用户与蜂窝用户的通信方式一样。D2D通信独立占用一半的资源，另一半由蜂窝通信占用。所有的通信都分配以正交独立的信道资源，并以最大功率进行传输。这个模式就是传统的蜂窝通信模式。

2.正交资源共享模式：D2D通信与蜂窝通信平分资源，独立占用一半的信道资源直接进行端到端的通信，蜂窝用户占用另一半信道资源。此模式下，D2D通信与蜂窝通信之间不会产生干扰。

3.复用一个蜂窝用户的资源：D2D用户将与一个蜂窝用户复用其资源，相互之间会造成干扰。而蜂窝基站为D2D通信和蜂窝通信分配传输功率大小，协调相互之间的干扰。

D2D通信可以与蜂窝通信共享上行链路资源或下行链路资源。无论对于上行链路共享还是下行链路共享，基站都可以从以上三种资源共享方案中选择使系统总数据速率最大的方式。由于上行链路或下行链路共享时，干扰的来源和大小有所不同，所以在具体实施时需要在基站端考虑不同的干扰控制方法。

发明内容

一对D2D用户复用一个蜂窝用户的资源，要么会对此正常通信的蜂窝用户产生很大干扰(当两者相距较远时)，要么选择资源复用用户的算法会很复杂。而且在实际网络中，蜂窝用户往往比D2D用户对多得多。所以本发明提出一种D2D用户对可以同时复用多个蜂窝用户的资源的方法，并在实际执行时从现有的方法和提出的方法中选择能使系统综合数据速率达到最大的一种方法进行资源共享。这种方法能在优先保证蜂窝用户的传输速率条件下提高系统总的数据速率(包括D2D通信和蜂窝通信的速率)。本发明的基本原理是：允许任意一个D2D对可以同时复用多个蜂窝用户的资源，并选择能使系统总数据速率最大的资源复用方式和复用资源的用户个数进行复用。

本发明主要针对的是蜂窝网络中，存在一个或多个D2D用户对需要进行通信，它们通过共享蜂窝网络中的资源来完成通信。设系统中存在N个蜂窝用户U₁，U₂，...，U_N，M对D2D用户(D₁，D₂)，(D₃，D₄)，...，(D_2M-1，D_2M)，如果这些用户向基站反馈信道信息，则下面根据信道信息来执行D2D通信的资源分配，如果基站无法知道用户的信道信息，则通过其它方法来执行D2D通信的资源分配。本发明的具体步骤为：

步骤1：蜂窝用户和D2D用户向基站端反馈信道信息。也有可能只有蜂窝用户向基站端反馈信息，这和具体系统架构相关。

步骤2：基站确定各资源共享模式下的资源分配方案，并计算各模式的系统总的数据速率。基站转接模式的资源分配和速率计算：在此模式下，D2D通信与蜂窝用户类似，靠基站为其转接需要传输的信息。在分配资源时，可以使用传统的调度算法(如正比公平、轮循等)。并优先考虑为蜂窝用户分配资源再为D2D用户对分配资源。在这种模式下，系统能达到的总数据速率可表示为R_B：

其中R_BC，i和R_BD，i分别表示在此模式下的各个蜂窝用户和D2D用户对可达到的数据速率。它们是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率。

正交资源共享模式的资源分配和速率计算：此模式一般适用于负载较轻的网络。在分配资源时，基站优先考虑为蜂窝用户分配最适合它们的资源，然后为D2D用户对之间的通信分配剩下的资源。蜂窝用户的资源分配仍可以使用传统的调度算法，在这种模式下，系统能达到的总数据速率可表示为R_O：

其中R_OC，i和R_OD，i分别表示在此模式下的各个蜂窝用户和D2D用户对可达到的数据速率。它们是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率。

D2D用户对同时复用多个蜂窝用户的资源的分配和速率计算：此模式一般适用于距离基站较远的D2D用户对。基站首先为蜂窝用户按传统的调度算法分配所有的系统资源，然后考虑当D2D用户对采用非正交资源共享模式同时复用K(＜N)个用户的资源时，系统总数据速率为R_K，它可以表示为：

其中R_KC，i和R_KD，i分别表示在此模式下的各个蜂窝用户和D2D用户对可达到的数据速率。它们是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率。这其中包括k＝1，2，...，K(即同时复用k个用户的资源)各种情况下的系统总数据速率，及每种情况下从N个蜂窝用户中选择k个不同的蜂窝用户来进行资源复用情况下的系统总数据速率。而且蜂窝网络中上行或者下行的资源都可以被D2D用户对复用。

步骤3：基站端根据各模式下系统总数据速率为每对D2D用户选择能使系统总的数据速率最大的资源共享模式进行数据传输，并根据资源共享模式确定蜂窝用户和D2D用户分配资源。具体算法如下：

Mode＝arg_mmax{R_m|m＝C，O，1，2，...，K}

此模式选择里包括基站转接模式C，正交资源共享模式O，D2D用户对复用1，2，...或K个蜂窝用户的资源的模式，并从中为每对D2D用户选择最优的资源共享模式。这里需要注意的是：1)各对D2D用户采取的资源共享模式可以不同；2)在上式中如果采用非正交资源复用的模式，每对D2D用户可能复用的资源的蜂窝用户的个数不同；3)在具体实施时，考虑基站端调试算法的复杂度，可以在限制一对D2D复用蜂窝用户资源的用户上限数来采用本发明方案。

步骤4：基站根据选择的资源共享模式和资源分配，对D2D用户对和蜂窝用户进行功率分配。使用合适的功率控制方案可以进一步减小D2D用户对和监察用户之间的干扰。

最后D2D用户和蜂窝用户分别利用分配到的资源采用选择的资源共享模式完成通信。

这种允许一对D2D用户对同时复用多个蜂窝用户资源的方法可以有效增加系统总的数据速率，并将本应由一个蜂窝用户承担的较大的干扰减小分散由多个用户共同承担，而不至于使某个用户因干扰过大无法通信。而且它也使得基站在进行资源共享模式的确定时有更多的选择。

附图说明

结合以下附图以及具体实例对发明所做的详细描述将便于理解本发明的原理、步骤、特点和优点，附图中：

图1是表示本发明的系统模型。

图2是表示本发明步骤2中的几种资源共享模式。

图3是表示本发明与传统方案在实际LTE-A系统中的性能比较。

具体实施方式

为便于理解，本发明以一个LTE-A系统下的D2D通信网络为例，来说明D2D技术应用于蜂窝网络，并同时复用多个蜂窝用户的资源的方法。假设系统有10MHz带宽，工作于2GHz。设系统中有10个蜂窝用户，分别为U₁，U₂，...，U₁₀；有一对D2D用户，D₁和D₂。这里的蜂窝用户数和D2D用户对数都可以是不同的。本发明对于所有具有这个示例中基本特征的网络结构模型都普遍适用。这些D2D用户可以在基站的协调下直接进行通信，且D2D用户对在通信时与宏蜂窝通信共享网络资源。

基站端为蜂窝用户和D2D用户对确定资源共享模式和资源分配的具体过程如下：

1.蜂窝用户和D2D用户向基站端反馈信道信息。也有可能只有蜂窝用户向基站端反馈信息，这和具体系统架构相关。

2.基站根据各用户反馈的信道信息计算几种模式下的资源分配和对应的系统总数据速率。

3.根据计算的系统总数据速率为每对D2D用户选择最优的资源共享模式和对应的资源分配。通过仿真我们发现D2D用户对距离基站从近到远最优方案分别是：基站转接模式、正交资源共享模式、共享多个蜂窝用户的资源的模式，而且离小区中心越远复用资源的蜂窝用户越多。

4.基站根据选择的资源共享模式和资源分配，对D2D用户对和蜂窝用户进行功率分配。

最后基站按确定的资源共享模式和资源分配方案完成数据传输。

本发明提出的方案与传统方案对比的仿真结果如附图3所示。并且通过仿真可以发现，本发明提出的方法在小区基站覆盖范围的大多数区域都是最优的资源共享模式。在这些区域里，D2D用户对通过距离基站的远近分别选择不同数量的蜂窝用户来进行资源复用。而传统的方法只有在距离基站很近的区域才是最优的资源共享模式。

综合以上讨论可以看出，本发明提出了将D2D技术应用于蜂窝网络时，一种D2D用户对可同时复用多个蜂窝用户资源的方法，本发明具有如下特点：

1.一对D2D用户对可同时复用多个蜂窝用户资源，它不会对某个正常通信的蜂窝用户产生很大的干扰。

2.从新提出的方法和传统的方法中选择最优资源共享模式的方法，可有效提高系统总的数据速率(包括蜂窝用户和D2D用户)。

3.本发明提出的方法对具体的应用系统和协议规范不敏感，具备兼容性，即对任何与此发明中模型类似的系统均可以利用本发明提出的方法来进行数据传输和共享。

总之，本发明是一种全新高效的数据传输技术，其目的是提高系统频谱效率，增加D2D通信可靠性的同时尽量减少其对蜂窝网络传输的影响，从而提高移动通信系统的整体数据速率等性能。

Claims

1.一种资源共享的方法，其特征在于，基于系统中的网络架构、通信设备、可用发射功率以及通信频段这几种通信资源，针对由各通信资源的不同划分和组合而构成的通信信道，将D2D技术应用于蜂窝网络中并允许D2D用户对可以同时复用多个蜂窝用户的资源，其特征还包括：

步骤1：蜂窝用户和D2D用户向基站端反馈信道信息，也有可能只有蜂窝用户向基站端反馈信息，这和具体系统架构相关；

步骤2：基站确定各资源共享模式下的资源分配方案，并计算各模式的系统总的数据速率，即N个蜂窝用户和M个D2D用户的数据速率和；

基站转接模式的资源分配和速率计算：在此模式下，D2D通信用户对与蜂窝用户类似，靠基站为其转接需要传输的信息，在分配资源时，使用传统的调度算法，并优先考虑为蜂窝用户分配资源再为D2D用户对分配资源，在这种模式下，系统能达到的总数据速率可表示为R_B：

R_{B} = Σ_{i = 1}^{N} R_{B C, i} + Σ_{i = j}^{M} R_{B D, j}

其中R_BC，i和R_BD，j分别是各个蜂窝用户和D2D用户对在此模式下的可达到的数据速率，蜂窝用户和D2D用户对在此模式下的可达到的数据速率是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率；

正交资源共享模式的资源分配和速率计算：此模式一般适用于负载较轻的网络，在分配资源时，基站优先考虑为蜂窝用户分配最适合它们的资源，然后为D2D用户对之间的通信分配剩下的资源，蜂窝用户的资源分配仍使用传统的调度算法，在这种模式下，系统能达到的总数据速率可表示为R_O：

R_{O} = Σ_{i = 1}^{N} R_{O C, i} + Σ_{i = j}^{M} R_{O D, j}

其中R_OC，i和R_OD，j分别是各个蜂窝用户和D2D用户对在此模式下的可达到的数据速率，蜂窝用户和D2D用户对在此模式下的可达到的数据速率是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率；

D2D用户对同时复用多个蜂窝用户的资源的分配和速率计算：此模式一般适用于距离基站较远的D2D用户对，基站首先为蜂窝用户按传统的调度算法分配所有的系统资源，然后考虑当D2D用户对采用非正交资源共享模式同时复用若干个用户的资源时，系统总数据速率为R_K：

R_{K} = Σ_{i = 1}^{N} R_{K C, i} + Σ_{i = j}^{M} R_{K D, j}

其中R_KC，i和R_KD，j分别是各个蜂窝用户和D2D用户对在此模式下的可达到的数据速率，蜂窝用户和D2D用户对在此模式下的可达到的数据速率是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率，这其中包括同时复用若干个用户的资源情况下的系统总数据速率，及每种情况下从N个蜂窝用户中选择若干个不同的蜂窝用户来进行资源复用情况下的系统总数据速率，而且蜂窝网络中上行或者下行的资源都可以被D2D用户对复用；

步骤3：基站端根据各模式下系统总数据速率为每对D2D用户选择能使系统总的数据速率最大的资源共享模式进行数据传输，并根据资源共享模式为蜂窝用户和D2D用户分配资源，具体算法如下：

Mode＝arg_mmax{R_m|m＝C，O，1，2，...，K}

此模式选择里包括基站转接模式C，正交资源共享模式O，D2D用户对复用1，2，...或K个蜂窝用户的资源的模式，并从中为每对D2D用户选择最优的资源共享模式，这里需要注意的是：在上式中如果采用非正交资源复用的模式，每对D2D用户可能复用的资源的蜂窝用户的个数不同；

步骤4基站根据选择的资源共享模式和资源分配，对D2D用户对和蜂窝用户进行功率分配，使用合适的功率控制方案可以进一步减小D2D用户对和蜂窝用户之间的干扰。

2.如权利要求1所述的资源共享的方法，其特征在于，进一步包括D2D用户对和蜂窝用户向基站反馈信道信息的数量和方法。

3.如权利要求1所述的资源共享的方法，其中步骤2所述的基站确定各资源共享模式下的资源分配方案和计算各模式下系统总的数据速率的方法，其特征在于，数据速率可以是其它具有类似系统总体性能的参数。

4.如权利要求3所述的资源共享的方法，其特征在于，进一步包括基站转接模式的资源分配和速率计算方法和步骤，正交资源共享模式的资源分配和速率计算方法和步骤，D2D用户对同时复用多个蜂窝用户的资源的分配和速率计算方法和步骤。

5.如权利要求1所述的资源共享的方法，其中步骤2所述的基站确定各资源共享模式下的资源分配方案，并计算各模式的系统总的数据速率的方法，进一步包括基站转接模式和正交资源共享模式下，在分配资源时，基站优先考虑为蜂窝用户分配最适合它们的资源，然后为D2D用户对之间的通信分配剩下的资源。

6.如权利要求1所述的资源共享的方法，其特征在于，D2D用户对可复用若干个蜂窝用户的资源，且这若干个用户是从总的蜂窝用户里选择能使系统总数据速率最大的组合。

7.如权利要求1所述的资源共享的方法，其中步骤3所述的根据各模式下系统总数据速率为每对D2D用户选择能使系统总的数据速率最大的资源共享模式进行数据传输的方法，其特征在于，数据速率可以是其它具有类似系统总体性能的参数。

8.如权利要求3和权利要求7中所述的资源共享的方法，其特征在于，系统总体性能的参数可以是但不限于数据速率、吞吐量、频谱效率、功率损耗。

9.如权利要求1所述的资源共享的方法，其特征在于，各对D2D用户可以采用的资源共享模式，和在同时复用多个蜂窝用户资源的模式下，复用的资源的蜂窝用户的个数可以不同。

10.如权利要求1所述的资源共享的方法，其特征在于，可以是但不局限于在限制一对D2D复用蜂窝用户资源的用户上限数来采用本发明方案。

11.如权利要求1所述的资源共享的方法，其特征在于，进一步包括基站根据选择的资源共享模式和资源分配，对D2D用户对和蜂窝用户进行功率分配。

12.如权利要求1所述的资源共享的方法，其特征在于，进一步包括应用于本发明的功率分配的算法和步骤。