CN103249007B - Imt-a系统中的d2d多播通信建立与其无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种IMT-A系统中的D2D多播通信的建立与其无线资源分配方法，用于该系统中基于本地共享的数据通信业务，为解决一个移动终端对多个移动终端的大速率数据共享请求，将多媒体多播技术引入到D2D技术中，以实现IMT-A蜂窝网下eNB辅助的D2MD通信，该方法包括；eNB与D2MD组在通信建立过程中的控制信令交互过程与eNB为D2MD组分配无线资源的过程。本发明但降低了IMT-A下eNB负载，D2MD通信还能在不影响蜂窝用户通信前提下复用其频谱资源，大大提高小区的频谱利用率与吞吐量。其中，eNB为D2MD分配无线资源的过程有三个步骤：模式选择、频谱分配和功率控制。本发明从D2MD用户的应用需求出发，尽量保证所有用户的服务质量QoS；且操作简单，算法逻辑清晰，复杂度不高，具有很好的推广应用前景。

Description

IMT-A系统中的D2D多播通信建立与其无线资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种涉及IMT-A系统中的D2D多播场景的通信建立与其无线资源分配方法，该方法需要基于传统的第四代移动通信系统4G蜂窝网络，并且需要终端支持，包括终端与基站以及各个终端之间的通信建立过程与基站为通信分配无线资源的过程，属于无线通信传输技术领域。

背景技术

由于传统蜂窝移动通信系统是以基站为中心的，其结构存在有小区覆盖和业务提供方式上的局限性，IMT-A系统仍然存在覆盖和容量等方面的问题。为此，中继(Relay)技术、协同多点传输CoMP(Coordinated Multiple Points)技术、单频网多播通信技术都被相继提出用于提高小区覆盖性能，以增强小区边缘用户体验，拓展高速率多媒体业务等。然而，由于基站及中继站不具有移动性，网络结构和业务支持的灵活性仍然不够。另外，随着多媒体业务的发展，基于本地共享的数据通信业务需求也在不断增加，受制于基站与中继位置的业务转发模式在适应高速率本地共享业务上，存在明显的性能局限。

随着IMT-A系统的深入研究和发展，更多移动通信系统的技术演进及发展都是在未来移动蜂窝网络的范畴下进行的。移动通信系统的演进带来带宽需求的不断加大，造成带宽的分配变得越来越拥挤。由于可用于移动通信的频谱资源十分有限，而可分配到的带宽又满足不了实际系统的需求。

D2D通信技术是是一种在网络系统控制下。允许终端之间通过复用小区资源、且不经过eNB转接而直接进行数据交换或通信的新型通信技术；并且，因其可以重用蜂窝网络用户的资源来实现端到端通信，解决了新一代移动通信高速率业务的共享需求，缓解了频谱资源分配的匮乏问题，也降低了基站的负载。由于D2D通信技术的诸多优势，其吸引了业界越来越多的关注。

由于D2D通信技术需要承载在蜂窝网络上，其首要原则就是不能对原有蜂窝网络产生太大影响，并在此基础上，探索蜂窝网络中可用的无线资源，因此，其对蜂窝网络频谱资源的复用方式只能是underlay模式，也就是次级用户在保证对主用户的干扰受限的前提下使用频谱资源，因此D2D通信技术的研究焦点集中在D2D用户的无线资源分配上。由基站为D2D用户分配合理的授权频带，既能保证D2D通信不会对蜂窝用户产生影响，又要保证D2D用户的QoS需求。此外，随着D2D连接用户数的增加，基站对D2D用户的控制信令也是一笔不菲的开销，因此，D2D通信的连接建立与释放过程也是研究的重点之一。

多播和广播是一种从一个数据源向多个目标传送数据的技术。在传统移动网络中，小区广播业务CBS(Cell Broadcast Service)允许低比特率数据通过小区共享广播信道向所有用户发送。随着Internet的迅猛发展，大量多媒体业务涌现出来，其中一些应用业务要求多个用户能够同时接收相同的数据，如视频点播、电视广播、视频会议、网上教育等等。这些移动多媒体业务与一般的数据传输相比较，具有数据量大、持续时间长、时延敏感等特点。为了有效地利用移动网络资源，3GPP/GSM全球标准化组织3GPP提出了多媒体多播和广播业务MBMS(Multimedia Broadcast/Multicast Service)，在移动网络中提供一个数据源向多个用户发送数据的点到多点业务，实现网络资源共享，提高网络资源的利用率，尤其是空口接口资源。

随着D2D通信技术的日益成熟，越来越多的文献开始关注将MBMS与D2D技术相结合，D2D的发送端可以同时与多个D2D接收端进行多播通信，可以作为传统多播边缘用户的补充方法，或者实现本地向多个终端的大速率数据业务发送需求。D2D多播在模式选择、频带选择和干扰控制上都与传统D2D传输具有相似之处。但是，D2D多播头要发送数据给多个信道状况不同的用户，为了保证每个用户的成功接收，相较于传统的D2D传输，D2D多播的发送方势必要使用更大的发送功率。由于D2D多播给所有用户使用的是同一频带和同时发送，如果基站没有分配正交的频带资源，D2D多播就会给复用的蜂窝用户产生更大的干扰，因此，D2D多播频谱资源的选择上将更加苛刻。同时，传统的多播发送只包含下行链路，一般没有上行链路，D2D多播也不会产生数据互传的过程，D2D多播的接收方如果要反馈数据给D2D多播的发送方，需要使用D2D技术实现。

因此，有鉴于D2D多播与传统多播和传统D2D技术的诸多区别和关联，至今还没有一整套完备的技术方案能够非常清晰地将两种传统技术的优势相互结合起来，以便实现使用基站授权频带的D2D链路多播传输。这个课题也就成为业内科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是综合考虑传统D2D通信技术与传统MBMS技术的各自特点与限制，提供一种相对完备的D2D多播技术通信实现与其无线资源分配方法，本发明方法能够实现D2MD通信链路的建立，并同时保证蜂窝用户和D2D用户的服务质量QoS，以及实现最优化或次优化的无线资源分配，还不对蜂窝网络产生太大影响，大大提高了整个蜂窝小区的频谱利用率与吞吐量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于全球移动通信标准升级版IMT-A系统(International Mobile Telecommunications Advanced)中终端对多终端D2MD(Device-to-Multi-Device)多播场景的通信建立与其无线资源分配方法，其特征在于：该方法立足于IMT-A系统中基于本地共享的数据通信业务，为解决一个移动终端对多个移动终端的大速率数据共享请求，将多媒体多播技术引入到D2D技术中，以实现IMT-A蜂窝网下演进型基站eNB(evolved NodeB)辅助的D2MD通信；所述方法包括下列操作步骤：

(1)D2MD的多播业务发送方、即D2MD头向eNB发起多播通信请求；

(2)eNB利用D2MD成员组的标识信息寻呼D2MD多播业务的接收方、即D2MD成员组；该寻呼信息包含D2MD头信息及其多播业务数据包的信息；

(3)D2MD成员组中每个成员响应eNB的寻呼，并选择是否接受D2MD请求；

(4)eNB为D2MD配置无线资源；该步骤(4)包括下列操作内容：

(41)eNB接收到D2MD成员组在响应时段内的响应信息后，将拒绝多播请求的成员和响应超时的成员都剔除出该D2MD成员组，并更新该D2MD成员组列表R'，该列表R'包含此时每个D2MD成员的CSI；

(42)假设eNB管理的小区中有M个蜂窝用户的上行信道可供D2MD用户复用，并用c₁,c₂,c₃,...c_m分别表示这些蜂窝用户；并且eNB已经获知全部蜂窝用户的位置与信道占用信息，以供eNB为D2MD分配无线资源；

(43)eNB先为D2MD根据约束条件从低到高的顺序、即对于无线资源的利用由高到相对低的顺序依次进行下述模式选择：①基站辅助转发模式、即BS模式；②使用正交频谱资源模式、简称为正交模式；③复用蜂窝用户频谱资源模式、简称为复用模式；

(44)在某个D2MD服务响应周期内，eNB为所有发出D2MD请求的用户进行模式选择后，假如此时处于模式③、即复用模式的D2MD用户以其标识s₁,s₂,s₃,...s_n分别表示共有N个，则eNB对这些D2MD用户进行统一的频谱分配：

先根据模式选择中每个D2MD用户的备选蜂窝用户信道矩阵建立统一的备选蜂窝用户信道矩阵I＝[I_ij]_N×M，式中，I_ij为第i个D2MD用户对第j个蜂窝用户信道的干扰；

再在假设蜂窝用户总数M多于D2MD用户的总数N、即M＞N，以保证D2MD成员有足够的蜂窝用户频谱供其分配的基础上，判断N是否小于设定数值，若是，则使用最优化的匈牙利算法分配资源，否则，即N大于或等于设定数值，则使用复杂度较低的次优化的最小似然算法分配资源；

(45)eNB为所有相应周期内的D2MD用户完成模式选择，并为模式③的用户分配完频谱后，再进行最终的功率控制，完成D2MD用户的无线资源分配；

(5)eNB将最终无线资源分配结果通知D2MD头，启动多播过程；然后，D2MD头开始多播数据；

(6)D2MD头完成多播后，向eNB发出释放通知，完成一次D2MD过程。

本发明的D2MD应用场景主要是在蜂窝网络中移动终端自主发起的向其他终端用户的多播数据请求，不同于以往的由基站转发数据的模式，本发明是采用直通链路(即D2D链路)，不但降低了IMT-A下eNB的负载，D2MD通信还能在不影响蜂窝用户通信的前提下，复用其频谱资源，大大提高了小区的频谱利用率与吞吐量。

本发明的创造技术的关键特点是：

本发明将eNB为D2MD分配无线资源的过程分为模式选择、频谱分配、功率控制三个操作步骤，从D2MD用户的应用需求角度出发，尽量保证所有用户的服务质量QoS。

本发明使用D2D技术与MBMS技术解决了IMT-A下移动终端自主发起的本地大速率多媒体数据共享业务的通信需求，相对于传统D2D各自分别单播或是基站转发多播，该方法的优势非常明显。传统的D2D单播适用于移动终端只需要与单一用户共享数据的场景，当有多个接收端时，传统的D2D只能分别单播给每个用户，不但浪费了功率、时间，还占用了更多的宝贵的频谱资源，基站在协调处理时复杂度也更大，而D2MD技术将多播技术结合进来，实现了使用D2D链路多播，只是在可靠性上不如传统D2D单播稳定，但是可以通过多播重传等技术解决之。

相对于基站转发多播技术，D2MD技术的多播数据无需经过基站，而是通过D2D链路直接发送。对于IMT-A下的大速率多媒体业务，这样不但大大降低了基站的负载，还减少了每次数据发送和接收的能量消耗，充分利用了终端的移动性，并填补了基站覆盖范围之外的业务空白。

再者，本发明算法的操作简单、逻辑清晰，复杂度不高，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明方法在IMT-A蜂窝网络上D2MD应用场景示意图。

图2是本发明IMT-A系统中的D2D多播通信的建立与其无线资源分配方法的操作步骤流程图。

图3是本发明方法中的D2MD通信信令交互时序图。

图4是本发明D2MD无线资源分配中传输模式的选择、即步骤(43)的操作流程图。

图5是本发明D2MD无线资源分配中的频谱分配、即步骤(44)的操作流程图。

图6是本发明D2MD无线资源频谱分配后、三种算法分配到复用频谱的D2MD用户数随着D2MD成员接收SINR限制变化仿真实施例测试结果图。

图7是本发明D2MD无线资源频谱分配后、三种算法D2MD用户对基站平均干扰随着D2MD成员接收SINR限制变化仿真实施例测试结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和仿真实施例对本发明的实施例试验过程及性能分析作进一步的详细描述。

本发明是一种用于IMT-A系统中终端对多终端D2MD多播场景的通信建立与其无线资源分配方法，该方法立足于IMT-A系统中基于本地共享的数据通信业务，为解决一个移动终端对多个移动终端的大速率数据共享请求，将多媒体多播技术引入到D2D技术中，用于实现IMT-A蜂窝网下演进型基站eNB辅助的D2MD通信。

由于本发明的应用场景主要是用户终端自主的本地数据共享业务，所以需要用户终端先向基站发起多播业务请求，然后基站需要寻呼D2MD的接收方，从D2MD成员接收到反馈信息，才能最终确定D2MD的接收用户。然后，基站再根据从D2MD头和D2MD成员分别采集到的信息，为此次D2MD分配无线资源，最后通知D2MD头可以使用分配好的无线资源开始进行D2MD通信。上述整个过程就是D2MD通信的建立过程，其中包含多次信令交互的过程，但是，其是通过传统多播的控制信道MCCH传输的，而多播的数据是不经过基站的，这也是传统D2D技术的优势所在。本发明给出了D2MD通信建立过程中信令交互的详细步骤，考虑到小区内同一时段可能有多起D2MD通信请求，信令交互的过程应尽量简单，D2MD头与D2MD成员只需要进行一次发送和接收，同时基站处理的压力也不会太大。

除了信令交互过程，基站为D2MD分配无线资源的过程也是D2MD通信建立的必要步骤。优秀的无线资源分配不但可以节省功率和频谱资源，还能在保证用户QoS的前提下最大化系统吞吐量。由于D2D链路距离较短，功率较低等特点，D2D通信通常可以复用蜂窝用户的频谱，只需要在分配时充分考虑D2D通信和蜂窝通信相互的干扰。同样的，D2MD的通信也可以复用蜂窝用户的频谱资源，只是其限制条件更加严格、苛刻。由于D2MD通信是作为IMT-A下的一项多媒体业务出现的，所以本发明的无线资源分配将D2MD用户和蜂窝用户的QoS保证作为目标，在此基础上，最小化系统的整体干扰水平，也就是提升了系统的吞吐量水平。因此，本发明的D2MD无线资源分配主要分为模式选择，频谱分配和功率控制共三个步骤。

在模式选择中，基站计算能确保D2MD成员成功接收的D2MD头的发送功率，如果需求的发送功率超过终端最大发送功率时，表示D2MD头无法完成D2MD传输，基站就会为其选择基站转发的模式，也就是D2MD头需要先将多播数据发送给基站，再由基站将多播数据使用传统多播方式转发给D2MD成员；当需求的发送功率没有超过终端最大发送功率时，基站继续计算使用该发送功率复用蜂窝用户频带时，D2MD头会不会对基站产生太大干扰，当复用所有蜂窝用户频带的干扰都超过设定门限值时，表示D2MD头的发送肯定会对蜂窝用户上行传输产生无法忍受的影响，此时基站为其选择使用正交频谱的模式，也就是为D2MD通信分配独立的正交频谱。因为在正交频谱上传输D2MD和蜂窝用户都不会相互干扰。当上面两个条件都满足时，基站为其选择复用蜂窝用户频谱模式，被选择为该模式的D2MD用户则由基站继续为其进行频谱分配。

在频谱分配中，由于通常情况下的蜂窝用户数量都要比D2MD用户的数量多，而每个D2MD用户最多只能复用一个蜂窝用户的资源，所以除了两个D2MD用户都只能复用一个蜂窝用户频谱的极个别情况外，基本可以保证每个D2MD用户都能分配到可复用的频谱，因此，频谱分配的原则就是最小化D2MD用户对蜂窝用户的干扰，其目标是D2MD用户对蜂窝系统的整体干扰最低。

解决该二分图最优匹配问题的一种最优算法是：匈牙利算法，当蜂窝用户数为M，D2MD用户数为N时，其复杂度为O(MN²)；当N很大时，计算复杂度实际上是不可接受的。因此，本发明还给出一种复杂度为O(MN)的次优化算法是：最小似然算法，仿真分析表明，次优化算法只比最优化算法平均多10dBm干扰。

当基站完成了模式选择与频谱分配后，为了使得终端的发送功率最小化，以节省能源，基站将为每个模式的D2MD用户确定最小发送功率：

基站转发模式的D2MD头使用能使基站成功接收的最小发送功率；

正交模式的D2MD因其不会受到蜂窝用户的干扰，因此，使用能够使得D2MD成员中最差用户也能成功接收的最小发送功率；

复用模式的D2MD会受到蜂窝用户的干扰，因此，使用在蜂窝用户干扰情况下、使得D2MD成员中最差用户也能成功接收的最小发送功率。

至此，基站完成了为D2MD通信分配无线资源的全部过程，基站就将分配结果分别发送给D2MD头。D2MD头就可以在基站授权频带下使用规定的发送功率实施多播发送。当多播发送结束后，D2MD头需要给基站发送结束通知，以便基站释放已分配的无线资源，供下一分配周期的D2MD用户使用。

下面举例说明本发明方法适用的移动用户分布环境或场合：某公司员工召开视频电话会议，与会人员都聚集在会议室里，用各自的手提电脑通过无线上网。会议开始后，会议主持人利用无线网络让大家共享自己的电脑桌面，与会人员在自己的手提电脑上以视频形式实时观看主持人在桌面上打开的会议资料。这时，这间会议室里的所有手提电脑就构成了一个D2MD组，而主持人的电脑就是D2MD头、即为多播业务的发送方，其余与会人员的电脑构成了D2MD成员、即多播业务的接收方，需要接收相同的多媒体数据；因组内各终端之间的距离很近，并且因观看的是高清视频，故数据传输速率较高。这时使用D2MD技术，既可以满足各个用户的高速传输数据要求，也能节省终端电池能耗，这对续航时间有限的手提移动设备来说，本发明方法很有意义。

从上面举例可知，本发明的应用场景如图1所示：一个包含eNB、多个用户UE1、UE2、UE3、UE4组成的D2MD组和其余的普通蜂窝网络用户C₁、C₂、…、C_m所组成的小区无线蜂窝网，其中，D2MD组的各个用户彼此距离较近、移动速度慢、位置相对稳定，还都订制了相同的高速多媒体数据业务。普通蜂窝网络用户与eNB之间有稳定的上行链路，而D2MD组的数据传输则绕过eNB，复用普通蜂窝用户的频谱由D2MD头(即UE1)向其他移动终端或用户(即UE2、UE3、UE4)传输。

参见图2和图3，详细介绍本发明方法的具体操作步骤，也就是D2MD头、UE1发起D2MD请求后，D2MD组与eNB的信令交互的具体实施方式：

步骤1，D2MD的多播业务发送方、即D2MD头利用多播控制信道MCCH向eNB发起多播通信请求。该步骤包括下述操作内容：

(11)D2MD头将多播业务发送给确定的D2MD成员组R＝{r₁,r₂,r₃,...r_k}，式中，r_i为该D2MD成员组中第i个成员的标识，自然数下标i的最大值k为该D2MD成员组的成员总数；D2MD头向eNB发起的多播通信请求中包含该D2MD成员组中每个成员r_i的标识信息；

(12)D2MD头利用多播控制信道MCCH(Multicast Control Channel)发送多播请求，该多播通信请求包括D2MD头的信道状况信息CSI(Channel StateInformation)与多播业务数据包的相关信息。

步骤2，eNB利用D2MD成员组的标识信息寻呼D2MD多播业务的接收方、即D2MD成员；该寻呼信息包含D2MD头信息及其多播业务数据包相关信息。

步骤3，D2MD成员组中每个成员响应eNB的寻呼，并选择是否接受D2MD请求。该步骤包括下述操作内容：

(31)D2MD成员组中的每个成员接收到eNB的寻呼信息后，根据其中的D2MD头信息与数据包的相关信息，判断是否接受该D2MD多播请求；若选择接受，则执行步骤(32)；否则，跳转执行步骤(33)。

(32)D2MD成员组中的成员利用MCCH向eNB响应该多播请求，其响应信息包含D2MD成员各自的信道状况信息CSI。

(33)D2MD成员利用MCCH向eNB发送拒绝信息，结束该操作流程。

(34)eNB判断D2MD所有成员是否在设定的响应时段内做出相应反馈，若超过响应时间，仍未接受到D2MD成员的响应，就视为超时，不再接受任何响应，开始执行步骤4。

步骤4，eNB为D2MD配置无线资源。该步骤是本发明方法的关键操作，包括下列操作内容：

(41)eNB接收到D2MD成员组在响应时段内的响应信息后，将拒绝多播请求的成员和响应超时的成员都剔除出该D2MD成员组，并更新该D2MD成员组列表R'，该列表R'包含此时每个D2MD成员的CSI。

(42)假设eNB管理的小区中有M个蜂窝用户的上行信道可供D2MD用户复用，并用c₁,c₂,c₃,...c_m分别表示这些蜂窝用户；并且eNB已经获知全部蜂窝用户的位置与信道占用信息，以供eNB为D2MD分配无线资源。

(43)eNB先为D2MD根据约束条件从低到高的顺序、即对于无线资源的利用由高到相对低的顺序依次进行选择下述传输模式：

①基站辅助转发模式(即BS模式)；

②使用正交频谱资源模式(简称为正交模式)；

③复用蜂窝用户频谱资源模式(简称为复用模式)。

参见图4，介绍该步骤(43)包含的下述操作内容：

(43A)当D2MD头使用复用的蜂窝用户频谱发送数据时，每个D2MD成员的接收信干噪比SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)为：式中，SINR_ij为该D2MD头复用第j个蜂窝用户的频谱时，第i个D2MD成员的接收SINR；P_ij为该D2MD头的发送功率，H_i为该D2MD头到第i个D2MD成员包括大尺度路损衰落与小尺度阴影衰落的信道响应，N₀为高斯白噪声；I'_ji为第j个蜂窝用户上行发送时，对第i个D2MD成员的干扰；自然数下标i和j分别是D2MD成员和蜂窝用户序号，两者最大值分别为k和m。

(43B)为了保证D2MD成员的服务质量QoS，每个D2MD成员的接收SINR都应该满足不等式：SINR_ij＞T；其中，T为D2MD成员接收SINR的最低门限值；这样，在每个蜂窝用户信道上，满足每个D2MD成员接收SINR最低门限的D2MD头的最小发送功率为：

(43C)为了使D2MD每个成员都能成功接收D2MD头发送的多播数据，D2MD头在每个蜂窝用户信道上的多播最小功率应选用P_{ij_min}中的最大功率值：P_{j_min}＝max(P_{ij_min})_i。

(43D)因D2MD头的发送功率最大值为P_max，故D2MD头只能选用P_{j_min}中数值不超过P_max的蜂窝用户信道进行发送，从而将超过P_max的蜂窝用户信道剔除出备选信道集合；此时，判断P_{j_min}中最小的数值是否都超过P_max，即不等式min(P_{j_min})_j＞P_max是否成立，若是，则执行步骤(43E)；若否，则执行步骤(43F)。

(43E)因为此次D2MD头使用最大功率复用最佳蜂窝用户信道，也无法保证所有D2MD成员的SINR需求，故eNB将为此次D2MD选择模式①BS模式：由D2MD头将多播数据先发送给eNB，再由eNB对D2MD成员进行二次多播的传统模式；结束该步骤(43)。

(43F)对于步骤(43D)中的备选蜂窝用户信道集合，考虑D2MD发送对蜂窝用户信道集合中第j个蜂窝用户上行链路的干扰(即对eNB的干扰)值为：I_j＝P_{j_min}H_s，式中，H_s为D2MD头到eNB的信道响应；

为了保证D2MD复用蜂窝用户信道时，对蜂窝用户的干扰不要过大，设置I_j数值应小于一个设定值I₀，并将不满足该条件的信道从备选信道集合中剔除。

(43G)判断备选信道集合是否为空，若是，则执行步骤(43H)；若否，则执行步骤(43I)；

(43H)因此时备选信道集合为空，表示D2MD发送复用蜂窝用户信道将会对蜂窝用户产生不可忍受的干扰，故eNB将为D2MD选择模式②正交模式：为D2MD分配一个与蜂窝用户正交的信道，以使D2MD发送不会对蜂窝系统产生干扰，但该方案需要单独占用独立的信道资源；结束该步骤(43)。

(43I)因此时的备选信道集合不为空，表示还有可供D2MD复用的蜂窝用户信道，故eNB将为D2MD选择模式③复用模式，并为此次D2MD建立新的备选信道矩阵：I＝[I_j]_1×M，且当P_{j_min}＞P_max或I_j＞I₀时，I_j＝Inf；其中，标识为Inf的蜂窝用户信道表示其遭受的干扰为无穷大，故其不参与后续资源分配；由于设置的场景是每个蜂窝用户的信道只能够复用一个D2MD，所以，eNB将综合考虑每个D2MD的备选信道集合与干扰情况，从中为每个D2MD分配合适的蜂窝用户信道供其复用；结束该步骤(43)。

(44)由于应用场景时假设一个蜂窝用户的信道只可供一个D2MD复用，所以，eNB将综合考虑每个D2MD的备选信道集合与干扰情况，从中为每个D2MD分配合适的蜂窝用户信道供复用。

在某个D2MD服务响应周期内，eNB为所有发出D2MD请求的用户进行模式选择后，假如此时处于模式③、即复用模式的D2MD用户以其标识s₁,s₂,s₃,...s_n分别表示共有N个，则eNB对这些D2MD用户进行统一的频谱分配：

首先根据模式选择中每个D2MD用户的备选蜂窝用户信道矩阵建立统一的备选蜂窝用户信道矩阵I＝[I_ij]_N×M，式中，I_ij为第i个D2MD用户对第j个蜂窝用户信道的干扰；

再在假设蜂窝用户总数M多于D2MD用户的总数N、即M＞N，以保证D2MD成员有足够的蜂窝用户频谱供其分配的基础上，判断N是否小于设定数值，若是，则使用最优化的匈牙利算法分配资源，否则，即N大于或等于设定数值，则使用复杂度较低的次优化的最小似然算法分配资源。

参见图5，介绍该频谱资源分配的操作步骤所包括的下述内容：

(44A)因有些蜂窝用户的信道状况比较恶劣，D2MD用户组中所有用户都无法复用其频谱资源，也就是存在这样的蜂窝用户信道j，每个D2MD用户i复用其频谱所造成的干扰都是无穷大、即I_ij＝Inf；则这些蜂窝用户信道j就不参与D2MD频谱分配。

(44B)最终分配完成的信道矩阵为X＝[x_ij]_N×M，式中，x_ij＝1表示分配D2MD用户i复用蜂窝用户j的上行链路，x_ij＝0表示不允许D2MD用户i复用蜂窝用户j的上行链路；则在分配前，设置X＝0；再根据最小化整个系统的干扰、即满足和最大化复用蜂窝用户频谱资源的D2MD用户数、即满足的两条分配原则，以及三个限制条件：保证每个D2MD用户只能复用一个蜂窝用户的频谱：保证每个蜂窝用户的频谱只能供一个D2MD用户复用：以及保证D2MD用户对蜂窝用户的干扰在容限之下：(I_ij-I₀)x_ij≤0；x_ij∈{0,1}进行频谱分配，该频谱分配的目标为得到矩阵X＝[x_ij]_N×M。

(44C)追求最优化分配方案：使用匈牙利算法求I_ij的最大匹配，且其成本、即干扰最小，得到x_ij；但因匈牙利算法的时间复杂度为O(MN²)，即与变量M和N²的乘积成正比，故当D2MD用户数N过大时，会给eNB带来平方级的负载压力，此时应执行步骤(44D)，即采用次优化算法：最小似然算法。

(44D)执行次优化分配方案：该次优算法时间复杂度为O(MN)，虽不能保证整体干扰为最低，但能够保证分配到复用频谱的D2MD用户数的最大化。

该步骤中次优化分配方法包括下列操作内容：

(a)判断I_ij是否为空矩阵，若是，则完成资源分配，结束该步骤操作，返回x_ij；若否，则找出D2MD用户中最少的复用蜂窝用户信道数g，也就是I_ij中每一行不为Inf的最少蜂窝用户信道数。

(b)找出D2MD用户中复用蜂窝用户数为g的用户数h，也就是I_ij中可复用蜂窝用户信道数为g的D2MD用户数；再将该h个D2MD用户的所在行提取出来，组成新的备选信道矩阵Y＝[I_ij]_h×m，再判断该式中下标h的数值是否大于1，若是，则执行步骤(c)；否则，则跳转执行步骤(g)。

(c)将矩阵Y中能够复用同一个或多个蜂窝用户信道的D2MD用户提取出来，构成另一备选信道矩阵J；此时，当J为空矩阵时，也就是矩阵Y中的D2MD用户是分别复用不同的蜂窝用户信道时，跳转执行步骤(f)，否则，顺序执行步骤(d)。

(d)找出能够服务矩阵J中最多D2MD用户的蜂窝用户信道m’，也就是该矩阵J中每一列不为Inf的D2MD用户数最多的蜂窝用户信道；再将该蜂窝用户信道m’分配给该矩阵J中m’列干扰最小的D2MD用户n’，即J中I_n’m’最小的D2MD用户。

(e)从矩阵Y与I_ij中分别剔除m’列与n’行，并更新相应的x_ij＝1后，返回执行步骤(c)。

(f)将矩阵Y中蜂窝用户信道分别分配给D2MD用户使用，再将这些蜂窝用户与D2MD用户从矩阵I_ij中剔除出去，并更新相应的x_ij＝1，然后，返回执行步骤(a)。

(g)将干扰最小的蜂窝用户信道分配给矩阵Y中唯一的D2MD用户，再将该蜂窝用户与D2MD用户从矩阵I_ij中剔除出去，并更新相应的x_ij＝1，然后返回执行步骤(a)。

(45)eNB为所有相应周期内的D2MD用户完成模式选择，并为模式③的用户分配完频谱后，再进行最终的功率控制，完成D2MD用户的无线资源分配。

该步骤包括下列操作内容：

(45A)模式为①的D2MD用户需要D2MD头先将多播数据发送给eNB，故要为其分配单独的上行信道，且由D2MD头自行控制发送功率。

(45B)eNB分别为模式为②和模式为③中最终没有分配到蜂窝用户频谱的D2MD用户分配各自单独的正交信道，因正交信道上的D2MD接收不会受到蜂窝用户的干扰，同时，D2MD成员的发送也不会对蜂窝用户产生干扰，此时，每个D2MD多播组第i个D2MD成员的接收SNR为：式中，自然数序号i和j的最大值分别为k和m。

同样地，为保证D2MD成员的QoS，每个D2MD成员的接收SNR也必须满足不等式：SNR_i＞T，故D2MD每个成员所需的D2MD头最小发送功率为： $P_{i\_\min }=\frac{{\mathrm{TN}}_0}{H_i};$

D2MD头应使用P_{i_min}中最大功率来多播数据，故eNB为每个D2MD头分配其max(P_{i_min})作为发送功率。

(45C)eNB为模式为③且位于某一列上x_ij＝1的D2MD用户分配第j个蜂窝用户的上行频谱供其复用，并使用P_{j_min}作为发送功率。至此，eNB为一个响应周期内的所有D2MD用户的无线资源分配全部完成。

步骤5，eNB将最终无线资源分配结果通知D2MD头，启动多播过程；然后，D2MD头开始多播数据；该步骤包括下列操作内容：

(51)eNB将步骤4中最终得到的包括传输模式、频谱与发送功率的无线资源分配结果通过MCCH分别发送给各个D2MD头，并开始下一个D2MD服务响应周期。

(52)D2MD头监听MCCH，并接收自己的无线资源分配结果后，在授权频带上向其D2MD成员多播数据。

步骤6，D2MD头完成多播后，向eNB发出释放通知，完成一次D2MD过程。该步骤包括下列操作内容：

(61)D2MD头完成多播后，在MCCH上向eNB发送多播完成的信息。

(62)eNB接收到D2MD多播完成信息后，根据D2MD头及其传输模式，释放其所占用的正交或复用频带，以供下一个D2MD服务周期的无线资源分配使用。

本发明已经进行了多次实施试验，其中的无线资源分配算法也已经进行了多次蒙克卡诺仿真，仿真场景为一个半径250m的微小区，微小区中随机散落着40个蜂窝用户，同时假设在一个响应周期内随机散落着20个D2MD用户需要eNB进行无线资源分配，每个D2MD用户在以其为中心25m范围内随机散落着4个D2MD成员。

为了更好地体现本发明算法的性能，链路级仿真不考虑eNB和终端的响应时间，不考虑终端的移动性，并假设所有终端采用统一的衰落模型。

参见图6，介绍本发明实施例中，eNB为所有D2MD用户完成无线资源分配后三种算法分配到复用频谱的D2MD用户数随D2MD成员SINR限制变化仿真图。仿真结果为1000次蒙克卡诺仿真平均得到，从图6中可以明显看出，随着D2MD成员接收SINR限制的提高，被选择为模式③的D2MD用户数也逐渐降低，会有越来越多的D2MD头因为采用设定的最大发送功率都不能使所有D2MD成员成功接收，从而被eNB选择为模式①。而在频谱分配中采用随机分配会导致最终分配到的蜂窝用户频谱因为干扰太大而不能使用的情况，从而被eNB重新选择为模式②，而使用匈牙利算法或最小似然算法就不存在这方面的问题，所以在仿真图上，匈牙利算法或最小似然算法比随机分配模式③的D2MD用户数多大约25％，而本发明提出的复杂度较低的最小似然算法在最终能够复用的D2MD用户数上与最优算法没有任何区别。

参见图7，介绍实施例中D2MD无线资源分配后，三种算法D2MD用户对基站平均干扰随着D2MD成员接收SINR限制变化的仿真图。从图7中可以看出，随着D2MD成员接收SINR限制的提高，D2MD头对eNB的平均干扰也逐渐提高，这是由于为了满足更高的接收SINR需求，D2MD头需要使用更高的功率进行发送，这也就不可避免得对eNB产生了更高的干扰，这也是无线通信中有效性和可靠性一个恒久的权衡问题，所以需要提供一个干扰的最大容限，从而提高SINR或者降低发送功率。

从图7中可见，采用匈牙利算法和最小似然算法对eNB造成的平均干扰比随机分配低3～5dBm，而两种算法的干扰水平相差无几，考虑到最小似然算法的复杂度增益，其综合性能可超越最优算法。

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

Claims (9)

1.一种用于全球移动通信标准升级版IMT-A系统中终端对多终端D2MD多播场景的通信建立与其无线资源分配方法，其特征在于：该方法立足于IMT-A系统中基于本地共享的数据通信业务，为解决一个移动终端对多个移动终端的大速率数据共享请求，将多媒体多播技术引入到D2D技术中，以实现IMT-A蜂窝网下演进型基站eNB辅助的D2MD通信；所述方法包括下列操作步骤：

(1)D2MD的多播业务发送方、即D2MD头向eNB发起多播通信请求；

(2)eNB利用D2MD成员组的标识信息寻呼D2MD多播业务的接收方、即D2MD成员组；该寻呼信息包含D2MD头信息及其多播业务数据包的信息；

(3)D2MD成员组中每个成员响应eNB的寻呼，并选择是否接受D2MD请求；

(4)eNB为D2MD配置无线资源；该步骤(4)包括下列操作内容：

(41)eNB接收到D2MD成员组在响应时段内的响应信息后，将拒绝多播请求的成员和响应超时的成员都剔除出该D2MD成员组，并更新该D2MD成员组列表R'，该列表R'包含此时每个D2MD成员的CSI；

(42)假设eNB管理的小区中有M个蜂窝用户的上行信道可供D2MD用户复用，并用c₁,c₂,c₃,...c_m分别表示这些蜂窝用户；并且eNB已经获知全部蜂窝用户的位置与信道占用信息，以供eNB为D2MD分配无线资源；

(43)eNB先为D2MD根据约束条件从低到高的顺序、即对于无线资源的利用由高到相对低的顺序依次进行下述模式选择：①基站辅助转发模式、即BS模式；②使用正交频谱资源模式、简称为正交模式；③复用蜂窝用户频谱资源模式、简称为复用模式；

(44)在某个D2MD服务响应周期内，eNB为所有发出D2MD请求的用户进行模式选择后，假如此时处于模式③、即复用模式的D2MD用户以其标识s₁,s₂,s₃,...s_n分别表示共有N个，则eNB对这些D2MD用户进行统一的频谱分配：

先根据模式选择中每个D2MD用户的备选蜂窝用户信道矩阵建立统一的备选蜂窝用户信道矩阵I＝[I_ij]_N×M，式中，I_ij为第i个D2MD用户对第j个蜂窝用户信道的干扰；

再在假设蜂窝用户总数M多于D2MD用户的总数N、即M＞N，以保证D2MD成员有足够的蜂窝用户频谱供其分配的基础上，判断N是否小于设定数值，若是，则使用最优化的匈牙利算法分配资源，否则，即N大于或等于设定数值，则使用复杂度较低的次优化的最小似然算法分配资源；

(45)eNB为所有相应周期内的D2MD用户完成模式选择，并为模式③的用户分配完频谱后，再进行最终的功率控制，完成D2MD用户的无线资源分配；

(5)eNB将最终无线资源分配结果通知D2MD头，启动多播过程；然后，D2MD头开始多播数据；

(6)D2MD头完成多播后，向eNB发出释放通知，完成一次D2MD过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)包括下述操作内容：

(11)D2MD头将多播业务发送给确定的D2MD成员组R＝{r₁,r₂,r₃,...r_k}，式中，r_i为该D2MD成员组中第i个成员的标识，自然数下标i的最大值k为该D2MD成员组的成员总数；D2MD头向eNB发起的多播通信请求中包含该D2MD成员组中每个成员r_i的标识信息；

(12)D2MD头利用多播控制信道MCCH发送多播请求，该多播通信请求包括D2MD头的信道状况信息CSI与多播业务数据包的相关信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括下述操作内容：

(31)D2MD成员组中的每个成员接收到eNB的寻呼信息后，根据其中的D2MD头信息与数据包的相关信息判断是否接受该D2MD多播请求；若选择接受，则执行步骤(32)；否则，跳转执行步骤(33)；

(32)D2MD成员组中的成员利用MCCH向eNB响应该多播请求，响应信息包含D2MD成员各自的信道状况信息CSI；

(33)D2MD成员利用MCCH向eNB发送拒绝信息，结束该操作流程；

(34)eNB判断D2MD所有成员是否在设定的响应时段内做出相应反馈，若超过响应时间，仍未接受到D2MD成员的响应，就视为超时，不再接受任何响应，开始执行步骤(4)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(43)包含下述操作内容：

(43A)当D2MD头使用复用的蜂窝用户频谱发送数据时，每个D2MD成员的接收信干噪比SINR为：式中，SINR_ij为该D2MD头复用第j个蜂窝用户的频谱时，第i个D2MD成员的接收SINR；P_ij为该D2MD头的发送功率，H_i为该D2MD头到第i个D2MD成员包括大尺度路损衰落与小尺度阴影衰落的信道响应，N₀为高斯白噪声；I'_ji为第j个蜂窝用户上行发送时，对第i个D2MD成员的干扰；自然数下标i和j分别是D2MD成员和蜂窝用户序号，两者最大值分别为k和m；

(43B)为了保证D2MD成员的服务质量QoS，每个D2MD成员的接收SINR都应该满足不等式：SINR_ij＞T；其中，T为D2MD成员接收SINR的最低门限值；这样，在每个蜂窝用户信道上，满足每个D2MD成员接收SINR最低门限的D2MD头的最小发送功率为：

(43C)为了使D2MD每个成员都能成功接收D2MD头发送的多播数据，D2MD头在每个蜂窝用户信道上的多播最小功率应该选用P_{ij_min}中的最大功率值：P_{j_min}＝max(P_{ij_min})_i；

(43D)因D2MD头的发送功率最大值为P_max，故D2MD头只能选用P_{j_min}中数值不超过P_max的蜂窝用户信道进行发送，从而将超过P_max的蜂窝用户信道剔除出备选信道集合；此时，判断P_{j_min}中最小的数值是否都超过P_max，即不等式min(P_{j_min})_j＞P_max是否成立，若是，则执行步骤(43E)；若否，则执行步骤(43F)；

(43E)因为此次D2MD头使用最大功率复用最佳蜂窝用户信道，也无法保证所有D2MD成员的SINR需求，故eNB将为此次D2MD选择模式①BS模式：由D2MD头将多播数据先发送给eNB，再由eNB对D2MD成员进行二次多播的传统模式；结束该步骤(43)；

(43F)对于步骤(43D)中的备选蜂窝用户信道集合，考虑D2MD发送对蜂窝用户信道集合中第j个蜂窝用户上行链路的干扰、即对eNB的干扰值为：I_j＝P_{j_min}H_s，式中，H_s为D2MD头到eNB的信道响应；

为了保证D2MD复用蜂窝用户信道时，对蜂窝用户的干扰不要过大，设置I_j数值应小于一个设定值I₀，并将不满足该条件的信道从备选信道集合中剔除；

(43G)判断备选信道集合是否为空，若是，则执行步骤(43H)；若否，则执行步骤(43I)；

(43H)因此时备选信道集合为空，表示D2MD发送复用蜂窝用户信道将会对蜂窝用户产生不可忍受的干扰，故eNB将为D2MD选择模式②正交模式：为D2MD分配一个与蜂窝用户正交的信道，以使D2MD发送不会对蜂窝系统产生干扰，但该方案需要单独占用独立的信道资源；结束该步骤(43)；

(43I)因此时的备选信道集合不为空，表示还有可供D2MD复用的蜂窝用户信道，故eNB将为D2MD选择模式③复用模式，并为此次D2MD建立新的备选信道矩阵：I＝[I_j]_1×M，且当P_{j_min}＞P_max或I_j＞I₀时，I_j＝Inf；其中，标识为Inf的蜂窝用户信道表示其遭受的干扰为无穷大，故其不参与后续资源分配；由于设置的场景是每个蜂窝用户的信道只能够复用一个D2MD，所以，eNB将综合考虑每个D2MD的备选信道集合与干扰情况，从中为每个D2MD分配合适的蜂窝用户信道供其复用；结束该步骤(43)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(44)包括下述操作内容：

(44A)因有些蜂窝用户的信道状况比较恶劣，D2MD用户组中所有用户都无法复用其频谱资源，也就是存在这样的蜂窝用户信道j，每个D2MD用户i复用其频谱所造成的干扰都是无穷大、即I_ij＝Inf；则这些蜂窝用户信道j就不参与D2MD频谱分配；

(44B)最终分配完成的信道矩阵为X＝[x_ij]_N×M，式中，x_ij＝1表示分配D2MD用户i复用蜂窝用户j的上行链路，x_ij＝0表示不允许D2MD用户i复用蜂窝用户j的上行链路；则在分配前，设置X＝0；再根据最小化整个系统的干扰、即满足和最大化复用蜂窝用户频谱资源的D2MD用户数、即满足的两条分配原则，以及三个限制条件：保证每个D2MD用户只能复用一个蜂窝用户的频谱：保证每个蜂窝用户的频谱只能供一个D2MD用户复用：以及保证D2MD用户对蜂窝用户的干扰在容限之下：(I_ij-I₀)x_ij≤0；x_ij∈{0,1}进行频谱分配，该频谱分配的目标为得到矩阵X＝[x_ij]_N×M；

(44C)追求最优化分配方案：使用匈牙利算法求I_ij的最大匹配，且其成本、即干扰最小，得到x_ij；但因匈牙利算法的时间复杂度为O(MN²)，即与变量M和N²的乘积成正比，故当D2MD用户数N过大时，会给eNB带来平方级的负载压力，此时应执行步骤(44D)，即采用次优化算法：最小似然算法；

(44D)执行次优化分配方案：该次优算法时间复杂度为O(MN)，虽不能保证整体干扰为最低，但能够保证分配到复用频谱的D2MD用户数的最大化。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(44D)中次优化分配方法包括下列操作步骤：

(44Da)判断I_ij是否为空矩阵，若是，则完成资源分配，结束该步骤操作，返回x_ij；若否，则找出D2MD用户中最少的复用蜂窝用户信道数g，也就是I_ij中每一行不为Inf的最少蜂窝用户信道数；

(44Db)找出D2MD用户中复用蜂窝用户数为g的用户数h，也就是I_ij中可复用蜂窝用户信道数为g的D2MD用户数；再将该h个D2MD用户的所在行提取出来，组成新的备选信道矩阵Y＝[I_ij]_h×m，再判断该式中下标h的数值是否大于1，若是，则执行步骤(44Dc)；否则，则跳转执行步骤(44Dg)

(44Dc)将矩阵Y中能够复用同一个或多个蜂窝用户信道的D2MD用户提取出来，构成另一备选信道矩阵J；此时，当J为空矩阵时，也就是矩阵Y中的D2MD用户是分别复用不同的蜂窝用户信道时，跳转执行步骤(44Df)，否则，执行步骤(44Dd)；

(44Dd)找出能够服务矩阵J中最多D2MD用户的蜂窝用户信道m’，也就是该矩阵J中每一列不为Inf的D2MD用户数最多的蜂窝用户信道；再将该蜂窝用户信道m’分配给该矩阵J中m’列干扰最小的D2MD用户n’，即J中I_n’m’最小的D2MD用户；

(44De)从矩阵Y与I_ij中分别剔除m’列与n’行，并更新相应的x_ij＝1后，跳转执行步骤(44Dc)；

(44Df)将矩阵Y中蜂窝用户信道分别分配给D2MD用户使用，再将这些蜂窝用户与D2MD用户从矩阵I_ij中剔除出去，并更新相应的x_ij＝1，然后，返回执行步骤(44Da)；

(44Dg)将干扰最小的蜂窝用户信道分配给矩阵Y中唯一的D2MD用户，再将该蜂窝用户与D2MD用户从矩阵I_ij中剔除出去，并更新相应的x_ij＝1，然后返回执行步骤(44Da)。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(45)包含下列操作步骤：

(45A)模式为①的D2MD用户需要D2MD头先将多播数据发送给eNB，故要为其分配单独的上行信道，且由D2MD头自行控制发送功率；

(45B)eNB分别为模式为②和模式为③中最终没有分配到蜂窝用户频谱的D2MD用户分配各自单独的正交信道，因正交信道上的D2MD接收不会受到蜂窝用户的干扰，同时，D2MD成员的发送也不会对蜂窝用户产生干扰，此时，每个D2MD多播组第i个D2MD成员的接收SNR为：式中，自然数序号i和j的最大值分别为k和m；

同样地，为保证D2MD成员的QoS，每个D2MD成员的接收SNR也必须满足不等式：SNR_i＞T；故每个D2MD成员所需的D2MD头最小发送功率为： $P_{i\_\min }=\frac{{\mathrm{TN}}_0}{H_i};$

D2MD头应使用P_{i_min}中最大功率来多播数据，故eNB为每个D2MD头分配其max(P_{i_min})作为发送功率；

(45C)eNB为模式为③且位于某一列上x_ij＝1的D2MD用户分配第j个蜂窝用户的上行频谱供其复用，并使用P_{j_min}作为发送功率。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)包括下列操作内容：

(51)eNB将步骤(4)中最终得到的包括模式、频谱与发送功率的无线资源分配结果通过MCCH分别发送给各个D2MD头，并开始下个D2MD服务响应周期；

(52)D2MD头监听MCCH，并接收自己的无线资源分配结果后，在授权频带上向其D2MD成员多播数据。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)包括下列操作内容：

(61)D2MD头完成多播后，在MCCH上向eNB发送多播完成的信息；

(62)eNB收到D2MD多播完成信息后，根据D2MD头及其传输模式，释放其所占用的正交或复用频带，以供下一个D2MD服务周期的无线资源分配使用。