CN103079262A - 蜂窝系统中d2d用户的模式选择和资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配算法，降低了D2D用户的模式选择和资源分配的算法复杂度，得到的D2D用户的模式选择和资源分配，能降低D2D用户所需的发送功率。本发明分为“模式和资源需求计算”和“资源需求与供应关系的分析及相应算法”两步。“模式和资源需求计算”包括：计算每对D2D用户在蜂窝模式、专用信道模式、复用信道模式三种模式下所需的最小发送功率；计算D2D用户三种不同模式间的功率差；计算每对D2D用户的模式需求、资源需求；统计系统的资源需求总和。“资源需求与供应关系的分析及相应算法”包括：根据系统的资源需求与供应关系，进一步得到每种情况下的模式选择和资源分配算法。

Description

蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及蜂窝系统中终端直通(Device-to-Device,D2D)用户的模式选择和资源分配的方法。

背景技术

终端直通(Device-to-Device,D2D)通信是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝系统的频谱利用效率、减轻蜂窝小区基站的负荷、降低终端发射功率、提升系统整体吞吐量，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。

模式选择是D2D通信中非常重要的一个问题，通过合适的模式选择，蜂窝网络的频谱效率可以得到极大的提高，D2D用户可以采用三种模式进行通信：

（1）蜂窝模式。该通信模式与传统的蜂窝通信模式一样，即通过基站的中继来实现两用户之间的信息传输。当两个用户的距离较远时，通常会选择蜂窝模式。

（2）专用信道模式。该模式下，两用户直接通信，不需要通过基站中继，使用专用的信道。

（3）复用信道模式。该模式下，两用户直接通信。与专用信道模式不同，复用信道模式下，D2D用户与复用蜂窝用户共享信道。

现有文献中给出的D2D用户的模式选择都是基于同一个模式选择准则：哪种模式的速率大或者频率效率高，就选择哪种模式。

资源分配是D2D通信中另一个关键的问题，通过例如功率控制、频谱分配、信道分配等资源分配方法可以降低系统的干扰，同时也进一步提高频谱效率。

事实上，D2D系统中的干扰、资源利用率不仅与模式选择有关，还与D2D用户功率的大小、复用信道的选择有很大的关系。因此，如果能够联合考虑模式选择、信道分配、功率分配，那么该系统的资源将被更充分地利用，蜂窝链路与D2D链路间干扰也将得到更好的协调。

现有文献给出的模式选择和资源分配的联合优化方法，要么只考虑了其中两种模式，要么并不涉及信道复用问题，而D2D技术的主要目的就是为了更有效地提高频带资源利用率，因此可以认为在实际的LTE系统中，提供给D2D通信的专用信道并不多，因而必然有些D2D用户需要使用复用信道模式而另一些可以使用专用信道模式。而目前所有文献资料中，没有这样一种方法联合考虑功率控制、频谱或信道分配、模式选择。

发明内容

本发明提供一种蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，通过该方法降低了D2D用户的模式选择和资源分配的算法复杂度，通过该方法得到的D2D用户的模式选择和资源分配能显著降低D2D用户所需的发送功率。

本发明通过以下技术方案来实现。

一种蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，包括以下步骤：

（1）系统根据每对D2D用户的SINR门限要求，分别计算其在蜂窝模式、专用信道模式、复用信道模式这三种模式下所需的最小发送功率，以D2D用户总发送功率最小为原则，计算使所有D2D用户建立通信所需要的资源，包括模式需求、信道需求和功率需求；

（2）系统根据能提供的资源进行如下判断：

a）若当前上行空闲信号、下行空闲信道、总空闲信道均比所述信道需求多，则按D2D用户的实际需求分配模式与资源；

b）若当前上行空闲信道或下行空闲信道不足，但总空闲信道比所述信道需求多，则确定所有D2D用户的优先级，优先级高的D2D用户以蜂窝模式通信并相应地分配信道，当上行空闲信道或下行空闲信道分配完毕后，将其余未分配信道的D2D用户分配专用信道模式；每对D2D用户中，专用信道模式所需功率与蜂窝模式所需功率之差越大则优先级越高；

c）若当前总空闲信道不足，则：

c-1）对所有D2D用户预指定采用复用信道模式，以所有D2D用户复用系统当前上行蜂窝用户所需发送功率最小为原则，进行复用信道选择；

c-2）依次计算每一对D2D用户采用步骤c-1）中确定的复用信道模式时对相应的上行蜂窝用户引起的干扰，若干扰超过蜂窝用户的干扰门限则将该对D2D用户重新预指定为专用信道模式，并在系统当前的空闲信道中为其预分配对应的信道；

c-3）若系统仍有未预分配的空闲信道，则将步骤c-1）中采用复用信道模式的部分D2D用户预指定为专用信道模式或蜂窝模式，或将步骤c-2）中采用专用信道模式的部分D2D用户预指定为蜂窝模式，直至预分配完所有的空闲信道；

c-4）根据步骤c-1）~步骤c-3）中每对D2D用户被预指定的通信模式，为每对D2D用户分配相应的模式、信道、功率。

本发明步骤（1）中是关于模式和资源需求的计算，根据D2D用户的SINR（信干噪比）门限要求，得到D2D用户在三种模式下所需的最小发送功率，以及D2D用户的不同模式间的功率差，继而得到每对D2D用户的模式和资源需求，所述模式和资源需求是指，以每对D2D用户发送功率最小为原则得到的该对D2D用户的通信模式，以及在该通信模式下所需要的信道、功率资源；根据每对D2D用户的模式、信道、功率需求，统计得到为使所有D2D用户建立通信而必需的资源需求总和。所述资源需求总和一般包括有多少对D2D用户的模式需求为蜂窝模式（模式1）、多少对D2D用户的模式需求为专用信道模式（模式2），共需要多少个空闲信道、上行信道、下行信道，总发送功率最小需要多少。

本发明步骤（2）中提出了资源需求与供应关系的分析及相应算法，根据系统的资源需求、系统能提供的资源两者之间的关系，分析得到几种不同情况，并进一步得到每种情况下的模式选择和资源分配算法。

步骤c-1）中首先进行初始化，在初始化过程中，

定义预指定为蜂窝模式的D2D用户数

且随步骤c-3）中预指定为蜂窝模式的D2D用户数量递增；

定义预分配的总信道数

且

随步骤c-2）~步骤c-3）中空闲信道的已预分配数量递增；

定义某对D2D用户的预指定模式temp_k=3，即对应复用信道模式，若D2D用户预指定为蜂窝模式或专用信道模式，则对应的temp_k值更新为1或2。

步骤c-1）中，进行复用信道选择时采用匈牙利算法，即得到每对D2D用户的发送功率

信道复用选择情况(k^*,m^*)，以及总的D2D用户发送功率P_tot；其中匈牙利算法中的代价矩阵为D2D用户的发送功率矩阵。

步骤c-2）中，对D2D用户重新预指定为专用信道模式时，更新该D2D用户的预指定模式temp_k=2；在系统当前的空闲信道中为其分配对应的信道时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+1.$

步骤c-3）中若系统仍有未被预分配的空闲信道，则将采用复用信道模式的部分D2D用户预指定为专用信道模式或蜂窝模式，或将步骤c-2）中采用专用信道模式的部分D2D用户预指定为蜂窝模式的方法包括：

c-3.1）构造ΔP矩阵，

将所有D2D用户三种模式下的功率差

组成一个K×3矩阵ΔP，K为D2D用户的对数；

为每对D2D用户复用信道模式和蜂窝模式间的功率差；

为每对D2D用户复用信道模式和专用信道模式间的功率差；

为每对D2D用户专用信道模式和蜂窝模式间的功率差；

c-3.2）当

且

时，寻找ΔP矩阵中的最大值；

N_u为系统中当前空闲的上行信道数；

N_d为系统中当前空闲的下行信道数；

若

最大，将该对D2D用户预指定为蜂窝模式，更新该对D2D用户的temp_k=1，预分配一个上行信道和一个下行信道，并将该对D2D用户的 更新为0，同时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+2,$ $x_{\mathrm{tot}}^0=x_{\mathrm{tot}}^0+1;$

若

最大，且该对D2D用户的需求模式为专用信道模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的temp_k＝2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新

若

最大，且该对D2D用户的需求模式为蜂窝模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的temp_k=2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新

若

最大，且该对D2D用户已预指定为专用信道模式，则更新该对D2D用户的temp_k=1，预留1个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+1,$ $x_{\mathrm{tot}}^0=x_{\mathrm{tot}}^0+1;$

若

最大，且该对D2D用户未预指定为专用信道模式，则只需将更新为0；

c-3.3）当 $x_{\mathrm{tot}}^0=\min \{N_u,N_d\}$ 且 $N_{\mathrm{tot}}^0<N_u+N_d$ 时，寻找ΔP矩阵中第二列

的最大值，更新该对D2D用户的temp_k=2，预分配1个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+1.$

步骤c-4）中：

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为蜂窝模式，则为其分配蜂窝模式、1个上行信道和1个下行信道、发送功率

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为专用信道模式，则为其分配专用信道模式、1个信道，发送功率

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为复用信道模式，则为其分配复用信道模式,复用信道即为步骤c-1）中相应的上行蜂窝用户的信道，发送功率为

本发明的有益效果为：

（1）本发明提供的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配算法以系统资源需求与供应为依据，为不同需求与供应情况下的D2D用户的模式选择和资源分配提供不同的算法，使得总信道足够情况下的模式选择和资源分配算法更为简单。

（2）本发明提供的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配算法在信道供应不足情况下的算法，分为复用信道选择、确保每一对D2D用户接入、信道预分配、模式和资源分配等几个步骤，从而避免了D2D用户无法接入、信道利用不充分等情况，也避免了遍历搜索最优的D2D用户的模式和资源分配的高复杂度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的带有终端直通通信用户的蜂窝系统示意图；

图2是本发明具体实施方式中提供的D2D用户的模式选择和资源分配算法的流程图；

图3是本发明具体实施方式中提供的当前总空闲信道不足的情况下的D2D用户的模式选择和资源分配算法的流程图；

图4是在不同的D2D用户的SINR门限条件下，最优算法、本发明提供的算法、逐对分配算法的总发送功率以及不同模式用户对数的曲线。

具体实施方式

本发明方法设计出的蜂窝系统中终端直通(Device-to-Device,D2D)用户的模式选择和资源分配方法所适用的场合如图1所示。具体包括：

蜂窝小区110：

蜂窝小区110内，有一个基站111，M个上行蜂窝用户112(UE₁,UE₂,…,UE_m，…,UE_M)，K对D2D用户(D2D₁,D2D₂,…,D2D_k,…,D2D_K),每对D2D_k113都包括一个发送终端S_k114和一个接收终端R_k115。系统内有N_u个上行空闲信道、N_d个下行空闲信道可供D2D用户使用，这K对D2D用户已经经过准入控制，都可接入。

本发明具体实施例中假设K<M，每个上行链路和每个下行链路最多可使用一个信道资源，每个蜂窝用户最多只能被一对D2D用户复用。本发明具体实施方式并不局限具体K和M的大小、每个链路可以使用几个信道资源。

本发明提供了一种蜂窝系统中终端直通(Device-to-Device,D2D)用户的模式选择和资源分配方法，参见图2，该方法包括“模式和资源需求的计算”和“资源需求与供应关系的分析及相应算法”两步：

210：第一步，模式和资源需求的计算，包括：

211：计算每对D2D用户在三种模式下所需的最小发送功率

根据D2D用户的SINR门限T^D、噪声N₀以及链路增益，分别计算每对D2D用户D2D_k在蜂窝模式（模式1）、专用信道模式（模式2）、复用信道模式（模式3）下所需的最小发送功率

$p_k^1=\frac{T^D{N}_0}{H_{\mathrm{Sk}}}$

$p_k^2=\frac{T^D{N}_0}{H_{\mathrm{Dk}}}$

$p_{k,m}^3=\frac{T^D(N_0+A_{m,k})}{H_{\mathrm{Dk}}}$

其中，H_Sk是D2D用户发送端S_k与基站之间的链路增益，H_Dk是D2D用户发送端S_k与接收端R_k之间的链路增益，A_m，k是UE_m对D2D_k的干扰，A_m,k=p_m,kH_k，m，p_m,k是UE_m的发送功率，H_k,m是D2D用户接收端R_k与上行蜂窝用户UE_m之间的链路增益。

212：计算每对D2D用户三种不同模式间的功率差

根据D2D_k在三种模式下所需的最小发送功率

分别计算每对D2D用户在三种模式下的功率差：

$\mathrm{\&Delta;}{p}_k^{21}=p_k^2-p_k^1=T^D{N}_0(\frac{1}{H_{\mathrm{Sk}}}-\frac{1}{H_{\mathrm{Dk}}})$

$\mathrm{\&Delta;}{p}_{k,m}^{32}=p_{k,m}^3-p_k^2=\frac{T^D{p}_{m,k}{H}_{k,m}}{H_{\mathrm{Dk}}}$

$\mathrm{\&Delta;}{p}_{k,m}^{31}=p_{k,m}^3-p_k^1=\mathrm{\&Delta;}{p}_k^{21}+\mathrm{\&Delta;}{p}_{k,m}^{32}.$

213：计算每对D2D用户的模式和资源需求。

为使每对D2D用户的发送功率最小，比较D2D_k在三种模式下的功率大小，发送功率最小的那种模式即为该D2D用户的模式需求，相应的发送功率和所需信道数即为其功率需求和信道需求。

对于任意D2D_k来说，必然有

因为复用信道模式下，除了噪声还有干扰，因而其发送功率必然大于专用信道模式下的发送功率，所以，只需要比较每对D2D用户

的大小即可。

若

则D2D_k需求为：蜂窝模式（模式1，

其中

表示模式1的计数，

表示模式2的计数），1个上行信道和1个下行信道（n_k=2），发送功率

否则，则D2D_k需求为：专用信道模式（模式2，

1个上行或下行信道（n_k=2），发送功率

214：统计系统的资源需求总和。

系统的资源需求总和一般包括多少对D2D用户的模式需求为蜂窝模式、多少对D2D用户的模式需求为专用信道模式，共需要多少个空闲信道、上行信道、下行信道，总发送功率最小需要多少。

步骤213中已经计算得到了每对D2D用户的模式和资源需求，可以很容易地计算出系统的资源需求：

系统有K_c对D2D用户的模式需求为蜂窝模式，K_d对D2D用户的模式需求为专用信道模式，其中

系统所需的总信道数为2K_c+K_d，其中至少K_c个上行信道和K_c个下行空信道；所有D2D用户的总发送功率 $p_{\mathrm{tot}}^0=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{\&theta;}}_k^1{p}_k^1+{\mathrm{\&theta;}}_k^2{p}_k^2).$

220：第二步，资源需求与供应关系的分析及相应算法。包括：

221：系统根据所能提供的资源进行判断。

根据系统当前上行空闲信道数N_u、下行空闲信道数N_d、系统所需的总信道数2K_c+K_d，可以将系统的资源需求与供应关系分成以下三种情况：

情况1：当前上行空闲信道、下行空闲信道、总空闲信道均比所述信道需求多。这种情况的判断依据为N_u、N_d、K_c、K_d满足条件min{N_u,N_d}≥K_c且N_u+N_d≥2K_c+K_d。

情况2：当前上行空闲或下行空闲信道不足、但总空闲信道比所述信道需求多。这种情况的判断依据为N_u、N_d、K_c、K_d满足条件min{N_u,N_d}<K_c且N_u+N_d≥K+min{N_u,N_d}。

情况3：当前总空闲信道不足，这种情况的判断依据为N_u、N_d、K_c、K_d满足条件N_u+N_d<K+min{N_u,N_d}。

222：第1种情况下的算法。

若min{N_u,N_d}≥K_c且N_u+N_d≥2K_c+K_d，则为第1种情况。这种情况下，当前上行空闲信道、下行空闲信道、总空闲信道均比所述信道需求多，因而可以按照每对D2D用户的资源需求来分配。

依次为每对D2D用户D2D_k进行模式选择和资源分配，若

即其模式需求为蜂窝模式，则其模式选择为蜂窝模式，为该对D2D用户分配一个上行信道和一个下行信道，分配其发送功率

否则其模式选择为专用信道模式，为其分配一个信道，发送功率

从而可以得到系统总的发送功率

需要注意的是，虽然选择专用信道模式的D2D用户既可以使用上行信道，也可以使用下行信道，这里应当将信道较少的信道分配给该对D2D用户，即如果N_u<N_d，则分配上行信道，否则分配下行信道，这是为了平衡上行空闲信道和下行空闲信道的数目，以防剩余未进行过模式选择和资源分配的D2D用户需要使用蜂窝模式而需要一个上行和一个下行信道。

223：第2种情况下的算法。

若min{N_u,N_d}<K_c且N_u+N_d≥K+min{N_u,N_d}，则为第2种情况。这种情况下，当前上行空闲信道或下行空闲信道不足、但总空闲信道比所述信道需求多，由于总的空闲信道比所需信道要多，所有D2D用户均使用蜂窝模式或者专用信道模式，而不会使用复用信道模式。显然，应该有min{N_u,N_d}对D2D用户使用蜂窝模式，而其余K_c-min{N_u,N_d}对D2D用户使用专用信道模式。D2D用户模式选择和资源分配的原则是使所有D2D用户总的发送功率最小，因而，只需要选取

最大的min{N_u,N_d}对D2D用户选用蜂窝模式，而其余D2D用户使用专用信道模式即可。

系统首先确定所有D2D用户的优先级，越大，该对D2D用户的优先级越高。按照D2D用户优先级从高到低的顺序，依次为D2D用户分配蜂窝模式，并为其分配一个上行信道和一个下行信道，发送功率

当上行或下行空闲信道分配完毕后，将其余未分配信道的D2D用户分配专用信道模式，并为其分配一个信道，发送功率

224：第3种情况下的算法。

若N_u+N_d<K+min{N_u,N_d}时，则为第3种情况。这种情况下，当前总空闲信道不足，有一些D2D用户使用蜂窝模式，另一些D2D用户使用专用信道模式，还有一些用户使用复用信道模式。使用蜂窝模式的D2D用户对数不得多于min{N_u,N_d}对，此外使用复用信道模式的D2D用户还需要确定和哪个上行蜂窝用户UE_m复用信道。

这种情况下的模式选择和资源分配算法，分为复用信道选择、确保每一对D2D用户接入、信道预分配、模式和资源分配等几个步骤，从而避免了D2D用户无法接入、信道利用不充分等情况。

第3种情况下的模式选择和资源分配算法，即图2中步骤224的流程见图3，该方法包括：

310：初始化。

定义预指定为蜂窝模式的D2D用户数

且

随步骤c-3）中预指定为蜂窝模式的D2D用户数量递增；

定义预分配的总信道数

且

随步骤c-2）~步骤c-3）中空闲信道的已预分配数量递增；

定义某对D2D用户的预指定模式temp_k＝3，即对应复用信道模式，若D2D用户预指定为蜂窝模式或专用信道模式，则对应的temp_k值更新为1或2。

320：复用信道选择。

对所有D2D用户预指定采用复用信道模式，以所有D2D用户复用系统当前上行蜂窝用户所需发送功率最小为原则，进行复用信道选择。即求解问题“K对D2D用户如何复用M个上行蜂窝用户的信道使得D2D用户总的发送功率最小”。根据D2D用户D2D_k复用蜂窝用户UE_m的信道所需的最小发送功率

可以用匈牙利算法来求解，其中，匈牙利算法中的代价矩阵为D2D用户在复用信道模式下所需的发送功率矩阵

通过匈牙利算法可以得到每对D2D用户的发送功率

信道复用分配情况(k^*,m^*)，以及总的D2D用户发送功率P_tot。

330：确保每一对D2D用户接入。

依次检查每一对D2D用户是否能采用步骤320中确定的复用信道模式，即检查

复用

的信道时是否会对

造成太大的干扰，若干扰超过

的干扰门限则该对D2D用户不能复用

的信道，此时为保证该D2D用户能接入系统，需要将该对D2D用户重新预指定为专用信道模式(temp_k=2)，并在系统当前的空闲信道中为其预分配1个信道，更新

当所有的D2D用户都能接入系统时，进入下一步340。

340：构造ΔP矩阵。

将所有D2D用户三种模式下的功率差组成一个K×3矩阵ΔP。其中，K为D2D用户的对数，

为每对D2D用户复用信道模式和蜂窝模式间的功率差，为每对D2D用户复用信道模式和专用信道模式间的功率差，

为每对D2D用户专用信道模式和蜂窝模式间的功率差。ΔP矩阵的含义为：每使用1个信道的效益，即总功率的降低值。处于复用信道模式的D2D用户若要使用蜂窝模式需要2个信道，故这里使用

350：当

且

时，即预指定为蜂窝模式的D2D用户数小于系统中当前空闲的上行信道数、下行信道数且预分配的总信道数小于系统能提供的空闲信道数时，寻找ΔP矩阵中的最大值。

若最大，将该对D2D用户预指定为蜂窝模式，更新该对D2D用户的temp_k=1，预分配一个上行信道一个下行信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+2,$ $x_{\mathrm{tot}}^0=x_{\mathrm{tot}}^0+1;$

若

最大，且该对D2D用户的需求模式为专用信道模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的temp_k=2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新

若

最大，且该对D2D用户的需求模式为蜂窝模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的temp_k=2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新

若

最大，且该对D2D用户已预指定为专用信道模式，则更新该对D2D用户的temp_k=1，预留1个信道，并将该对D2D用户的更新为0，同时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+1,$ $x_{\mathrm{tot}}^0=x_{\mathrm{tot}}^0+1;$

若

最大，且该对D2D用户未预指定为专用信道模式，则只需将

更新为0；

360：当

且

时，即预指定为蜂窝模式的D2D用户数已达到系统中当前空闲的上行信道数或下行信道数，但预分配的总信道数小于系统能提供的空闲信道数时，寻找ΔP矩阵中第二列

的最大值，为该D2D用户预指定专用信道模式，更新该对D2D用户的temp_k=2，预分配1个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新

370：模式和资源分配。

根据第310~360中每对D2D用户被预指定的通信模式，依次为每对D2D用户分配相应的模式、信道、功率。

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为蜂窝模式(temp_k=1)，则为其分配蜂窝模式、1个上行信道和1个下行信道、发送功率

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为专用信道模式(temp_k=2)，则为其分配专用信道模式、1个信道，发送功率

值得注意的是，虽然选择专用信道模式的D2D用户既可以使用上行信道，也可以使用下行信道，这里将信道稀少的信道分配给该D2D用户对，即如果N_u<N_d，则分配上行信道，否则分配下行信道。这是为了平衡上下行空信道的数目，以防其余D2D用户使用蜂窝模式，需要一个上行和一个下行信道。

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为复用信道模式(temp_k＝3)，则为其分配复用信道模式,复用信道即为步骤320中相应的上行蜂窝用户UE_m的信道，发送功率为

下面具体详细地论述用本发明方法的优良性能：

因为以使所有D2D用户建立通信所需的总发送功率最小为目标进行D2D用户的模式选择和资源分配，采用本发明方法得到的性能几乎和最优算法一致，且远远优于逐对分配算法。这里最优算法是通过遍历搜索法得到使总发送功率最小的分配方式，逐对分配算法是依次为每一对D2D用户进行模式选择和信道分配的算法。这一有益效果可以通过对三种算法分别进行仿真，考察比较D2D用户总的发送功率大小来证实。

考虑一个半径为500m的蜂窝系统，该蜂窝系统内有一个基站，30个上行蜂窝用户，15对D2D用户对，7个上行信道、6个下行信道可供D2D用户使用。蜂窝用户和D2D用户的发送端在该蜂窝内随机分布，30%的D2D用户的接收端随机分布在蜂窝内，而另外70%的D2D用户的接收端随机分布在以其对应的发送端为圆心、半径为50m的圆盘上，该圆盘的半径即为D2D用户之间的最大距离。蜂窝通信链路的路径损失为128.1+37.6log10(d[km])，阴影衰落的均值为0、方差为10dB；D2D通信链路的路径损失为148+40log10(d[km])，，阴影衰落的均值为0、方差为12dB；噪声频谱密度为-174dBm/Hz；系统的带宽为10MHz。

图4(a)描述了D2D用户的总发送功率与D2D用户的SINR门限的关系，图4(b)~(d)则分别描述了蜂窝模式、专用信道模式、复用信道模式下各有D2D用户的对数。从图中可以看出，本发明提出的算法的性能和最优算法的性能接近，且相比于逐对分配算法，本发明提出的算法性能提升非常明显，可以大大降低D2D用户的总发送功率。

本发明提出的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配算法可以应用于含有D2D用户的蜂窝系统中，通过本发明提出的方法降低了D2D用户的模式选择和资源分配的算法复杂度，通过该方法得到的D2D用户的模式选择和资源分配能降低D2D用户所需的发送功率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）系统根据每对D2D用户的SINR门限要求，分别计算其在蜂窝模式、专用信道模式、复用信道模式这三种模式下所需的最小发送功率，以D2D用户总发送功率最小为原则，计算使所有D2D用户建立通信所需要的资源，包括模式需求、信道需求和功率需求；

（2）系统根据提供的资源进行如下判断：

a）若当前上行空闲信道、下行空闲信道、总空闲信道均比所述信道需求多，则按D2D用户的实际需求分配模式与资源；

b）若当前上行空闲信道或下行空闲信道不足，但总空闲信道比所述信道需求多，则确定所有D2D用户的优先级，优先级高的D2D用户以蜂窝模式通信并相应地分配信道，当上行空闲信道或下行空闲信道分配完毕后，将其余未分配信道的D2D用户分配专用信道模式；每对D2D用户中，专用信道模式所需功率与蜂窝模式所需功率之差越大则优先级越高；

c）若当前总空闲信道不足，则：

c-1）对所有D2D用户预指定采用复用信道模式，以所有D2D用户复用系统当前上行蜂窝用户所需发送功率最小为原则，进行复用信道选择；

c-2）依次计算每一对D2D用户采用步骤c-1）中确定的复用信道模式时对相应的上行蜂窝用户引起的干扰，若干扰超过蜂窝用户的干扰门限则将该对D2D用户重新预指定为专用信道模式，并在系统当前的空闲信道中为其预分配对应的信道；

c-3）若系统仍有未预分配的空闲信道，则将步骤c-1）中采用复用信道模式的部分D2D用户预指定为专用信道模式或蜂窝模式，或将步骤c-2）中采用专用信道模式的部分D2D用户预指定为蜂窝模式，直至预分配完所有的空闲信道；

c-4）根据步骤c-1）~步骤c-3）中每对D2D用户被预指定的通信模式，为每对D2D用户分配相应的模式、信道、功率。

2.如权利要求1所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-1）中首先进行初始化，在初始化过程中，

定义预指定为蜂窝模式的D2D用户数

且

随步骤c-3）中预指定为蜂窝模式的D2D用户数量递增；

定义预分配的总信道数且

随步骤c-2）~步骤c-3）中空闲信道的预分配数量递增；

定义某对D2D用户的预指定模式temp_k=3，即对应复用信道模式，若D2D用户预指定为蜂窝模式或专用信道模式，则对应的temp_k值更新为1或2。

3.如权利要求2所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-1）中，进行复用信道选择时采用匈牙利算法，即得到每对D2D用户的发送功率

信道复用选择情况(k^*,m^*)，以及总的D2D用户发送功率P_tot；其中匈牙利算法中的代价矩阵为D2D用户的发送功率矩阵。

4.如权利要求3所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-2）中，对D2D用户重新预指定为专用信道模式时，更新该D2D用户的预指定模式temp_k=2；在系统当前的空闲信道中为其分配对应的信道时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+1.$

5.如权利要求4所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-3）中若系统仍有未被预分配的空闲信道，则将采用复用信道模式的部分D2D用户预指定为专用信道模式或蜂窝模式，或将步骤c-2）中采用专用信道模式的部分D2D用户预指定为蜂窝模式的方法包括：

c-3.1）构造ΔP矩阵，

将所有D2D用户三种模式下的功率差

组成一个K×3矩阵ΔP，K为D2D用户的对数；

为每对D2D用户复用信道模式和蜂窝模式间的功率差；

为每对D2D用户复用信道模式和专用信道模式间的功率差；

为每对D2D用户专用信道模式和蜂窝模式间的功率差；

c-3.2）当

且

时，寻找ΔP矩阵中的最大值；

N_u为系统中当前空闲的上行信道数；

N_d为系统中当前空闲的下行信道数；

若最大，将该对D2D用户预指定为蜂窝模式，更新该对D2D用户的temp_k=1，预分配一个上行信道和一个下行信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+2,$ $x_{\mathrm{tot}}^0=x_{\mathrm{tot}}^0+1;$

若

最大，且该对D2D用户的需求模式为专用信道模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的temp_k=2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新

若

最大，且该对D2D用户的需求模式为蜂窝模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的temp_k=2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的更新为0，同时更新

若

最大，且该对D2D用户已预指定为专用信道模式，则更新该对D2D用户的temp_k=1，预留1个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新 $N_{\mathrm{tot}}^0=N_{\mathrm{tot}}^0+1,$ $x_{\mathrm{tot}}^0=x_{\mathrm{tot}}^0+1;$

若

最大，且该对D2D用户未预指定为专用信道模式，则只需将

更新为0；

c-3.3）当

且

时，寻找ΔP矩阵中第二列

的最大值，更新该对D2D用户的temp_k=2，预分配1个信道，并将该对D2D用户的

更新为0，同时更新

6.如权利要求5所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-4）中：

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为蜂窝模式，则为其分配蜂窝模式、1个上行信道和1个下行信道、发送功率

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为专用信道模式，则为其分配专用信道模式、1个信道，发送功率

若第k对D2D用户D2D_k预指定的通信模式为复用信道模式，则为其分配复用信道模式,复用信道即为步骤c-1）中相应的上行蜂窝用户的信道，发送功率为

Images