CN103260244B - 一种蜂窝系统中d2d上行资源复用模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝系统中D2D上行资源复用模式切换方法，允许D2D用户复用某个蜂窝用户的上行频率资源，并且这个蜂窝用户最多只能被一对D2D用户复用，本发明以提升系统的系统容量为目的，采用选择信道增益大的蜂窝用户的资源块的复用方法，或者采用选择对于D2D发射用户信道增益小的资源块的复用方法，并从这两种方案中选出能使系统容量更大的模式来进行资源复用，本发明可以提高系统的频谱效率，并且具有很强的实际操作性。

Description

一种蜂窝系统中D2D上行资源复用模式切换方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及D2D用户复用蜂窝用户上行资源的方法。

背景技术

未来无线蜂窝通信网络的必然趋势是高速率、大容量以及更高的QoS，如何有效地使用有限的带宽资源实现无线宽带化显得尤为重要。而当前移动互联网中迅猛发展的本地业务，例如视频/音乐分享，也迫切需要在现有蜂窝网中引入新的技术来支持。传统的蜂窝移动通信网络都是集中式控制的，即使两个终端设备相邻很近，终端设备之间的通信须通过基站和核心网进行。集中式控制系统便于资源管理以及干扰控制，但缺点日渐显著，即在一定场景下其资源使用效率不是很高。比如，即使两个UE（用户终端）相距很近，也要使用双倍的资源来进行通信，包括空口资源和基站回传资源。其中第二个问题，已经被业界认识到，并在3GPPR10中对相应解决方案进行标准化。

为了提高空口频谱使用效率，降低传统蜂窝网的沉重负载，获得更高的系统吞吐量，蜂窝网络下的终端直通（Device-to-Devicecommunication，D2D）研究日益受到重视。D2D的终端可以直接、或在基站控制下，在继续保持通过基站进行的通信同时，与另一个终端直接进行数据通信，从而降低空口资源的占用，提高系统吞吐率，同时还可以减少通信延时、降低干扰水平、节省终端能量。

终端直通技术的应用场景多为本地服务的类型，比如数据多播业务和本地文件共享业务。在多播数据业务中，服务的提供者，如音乐会或者其他大型活动的组织者，需要向集会的参与者发送内容相同的数据，组织者可以利用D2D通信技术，即时可靠地完成服务。若用户的本地数据（如文件、照片、视频等）需要在相邻的终端间进行共享时，也可通过D2D建立终端集群，完成数据共享。此外，D2D可提供的业务还包括移动状态中的多人协作游戏、移动广告业务、交友业务、车辆间通信、移动中继等。

与可以支持相似业务、使用未授权频段的WLAN和蓝牙相比，蜂窝通信系统中的终端直通在基站的控制下，使用基站分配的授权频带资源，可以控制系统干扰水平以获得高数据率的终端直接通讯，同时还能享受蜂窝通信系统带来的移动性优势。加之D2D通信对终端用户的透明性，其无需在WLAN及蓝牙中那样进行繁琐的手动配对以及接入点设置，从而提高用户的感受，便于业务的推广。

目前D2D的资源分配主要是考虑蜂窝用户的信道状态，忽略了D2D用户发射机与基站之间的信道状态，而D2D发射机与基站之间的信道状态信息直接影响系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蜂窝系统中D2D上行资源复用模式切换方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该切换方法基于蜂窝系统中的通信资源，针对由各种通信资源的不同划分和组合而形成的通信信道，系统依据将D2D用户对蜂窝用户带来的干扰降到最低的原则，为D2D发射用户分配对应的通信信道，所述通信资源包括通信时频段以及可发射功率。

所述切换方法包括以下步骤：

在蜂窝网络中系统为D2D用户提供两种资源复用方案，所述资源复用方案分别为：

资源复用方案一：复用蜂窝用户信道增益大的资源块；

资源复用方案二：复用D2D用户发射机和基站之间信道增益小的资源块；

系统在每一个时隙中根据总体性能参数最优的原则从两种资源复用方案中选择资源复用方案。

所述总体性能参数为信道容量、数据速率、吞吐量、功率损耗或频谱效率。

所述切换方法包括以下步骤：

步骤1，蜂窝用户和D2D用户向基站反馈信道状态信息；

步骤2，基站根据信道状态信息计算出在备选资源复用模式下的系统信息容量，所述备选资源复用模式分别为：

资源复用模式一：基站根据每个蜂窝用户的信道状态信息和D2D用户对的数目，选出最好信道的资源分配给D2D用户复用，选出的最好信道的资源数目与D2D用户对的数目一致；在资源复用模式一下，系统信息容量C_B表示为：

$C_B=\underset{i=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{Cellular},i}+\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{D2D,j}---\left(1\right)$

资源复用模式二：基站根据D2D用户发射机在整个系统资源上的信道状态信息，选出最差信道的资源分配给D2D用户复用；在资源复用模式二下，系统信息容量C_L表示为：

$C_L=\underset{i=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{Cellular},i}+\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{D2D,j}---\left(2\right)$

，公式（1）以及公式（2）中，C_Cellular,i和C_D2D,j分别表示蜂窝用户和D2D用户对的信道容量，U和W分别表示蜂窝用户数目和D2D用户对的数目；

步骤3，基站选择系统信息容量较大的备选资源复用模式作为当前时隙的D2D用户资源复用模式。

所述资源复用模式一中，最好信道的资源采用随机、正比公平或轮循的分配方式分配给D2D用户。

所述资源复用模式二中，最差信道的资源分配给D2D用户时采用的分配方式为：先将对应的最差信道资源分配给D2D用户，当多个D2D用户的最差信道资源为同一块资源时，信道状态更差的D2D用户复用此信道资源，分配给其他D2D用户各自对应的次差信道资源，直到每个D2D用户复用且只复用一个蜂窝用户的信道资源。

本发明的有益效果是：

本发明将D2D发射机与基站之间的信道状态信息纳入考虑范畴，并分别根据考虑蜂窝用户信道状态信息和考虑D2D发射机和基站之间的信道状态信息提出一种备选的资源复用方案，系统在每个时隙将选择总体性能更好的方案。在系统运行过程中，采用本发明所述的资源复用模式切换方案，系统每个时隙都选择更优的资源复用方案，因而会提升系统的整体性能。

D2D用户复用蜂窝用户的资源时，系统为了避免D2D用户的干扰使得蜂窝用户无法正常通信，系统会分配抗干扰强的资源块给D2D用户复用，本发明所述蜂窝系统中D2D上行资源复用模式切换方法，以提升系统的系统容量为目的，允许D2D用户复用某个蜂窝用户的上行频率资源，并且这个蜂窝用户最多只能被一对D2D用户复用，引入D2D发射机和基站之间信道状态，可以依据D2D发射机和基站之间的信道状态信息分配复用资源块，采用选择信道增益大的蜂窝用户的资源块的复用方法（资源复用模式一），或者采用选择对于D2D发射用户信道增益小的资源块的复用方法（资源复用模式二），并从这两种方案中选出能使系统容量更大的模式来进行资源复用，可以显著地提高系统的容量和频谱效率，并且具有很强的实际操作性。

附图说明

图1是本发明所述资源复用方案一的示意图：基站选择具有最好信道增益的蜂窝用户所占用的资源块；g₁,g₂,g₃...g_U表示每个蜂窝用户到基站的信道系数，RB表示资源块；

图2是本发明所述资源复用方案二的示意图（一对D2D用户在整个系统资源块上的信道状态）：基站选择D2D用户发射机在整个系统资源块上具有最差信道状态的资源块；h₁,h₂,h₃...h_U表示D2D发射用户在U个资源块上的信道系数，RB表示资源块；

图3是采用资源分配模式切换方法与只选择最好信道增益蜂窝用户方法的容量对比；其中，（a）是场景中有一对D2D用户的情况；（b）是场景中有两对D2D用户的情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了便于理解，本发明以一个LTE系统下的D2D通信网络为例，来说明D2D技术应用于蜂窝网络，并复用蜂窝用户上行资源的方法。假设系统有10MHz带宽，有十个蜂窝用户，有一对或两对D2D用户。这里的蜂窝用户和D2D用户数都可以是不同的。本发明对所有具有这种网络结构模型的场景都普遍适用，这些D2D用户在基站的协调之下进行通信，并且D2D用户共享蜂窝用户的上行网络资源。含有D2D的LTE网络相比于传统LTE系统实现更好的频谱利用率和更大的系统容量，并且可以有效的提升小区边缘用户的频谱效率。但是由于新的链路引入，窝蜂用户对D2D用户、以及D2D用户对窝蜂用户都会存在干扰。本发明针对LTE系统中加入D2D链路后所面临的资源复用带来的干扰问题，提出了一种资源分配模式切换的方法，能够有效的提升系统的容量和频谱效率。本发明具体包括以下步骤：

1）蜂窝用户和D2D用户向基站端反馈信道状态信息；

2）基站根据每个蜂窝用户的信道状态信息，选出最好信道的资源分配给D2D用户复用，并计算出在当前资源复用模式下的系统信息容量，如图1所示。

在此模式下，基站根据D2D用户对的数目，选出相应数量的资源块。在分配资源时采用随机分配的方式，也可以使用其它传统的分配方法，例如正比公平或轮循等。在这种模式下，系统信息容量可表示为C_B：

$C_B=\underset{i=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{Cellular},i}+\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{D2D,j}=\underset{i=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{C,i})+\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{B}_j{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{C,j})$

其中B_i表示蜂窝用户的带宽，B_j表示D2D用户的带宽；γ_C,i表示蜂窝用户的信干噪比，γ_C,j表示D2D用户的信干噪比；U,W分别表示蜂窝用户数目和D2D用户对的数目；

3）基站根据D2D用户发射机在整个系统资源上的信道状态，选出最差的分配给D2D用户复用，并计算出这种资源复用模式下的系统信息容量，如图2所示。

在此模式下，每对D2D用户向基站反馈D2D用户发射机在整个系统所有资源块上的信道状态，再选择出最差的信道资源分配给此D2D用户对复用，当有多对D2D用户在同一块资源上有最差信道时，那么在该块资源上具有最差信道的D2D用户复用此信道，其他D2D用户对则依次使用各自的次差信道，重复这样的过程，直到每对D2D用户都有与之对应的资源块可复用，而且一个资源块只被一对D2D用户复用；

在这种模式下，系统信息容量可以表示为C_L：

$C_L=\underset{i=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{Cellular},i}+\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{D2D,j}=\underset{i=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{C,i})+\underset{j=1}{\overset{W}{\mathrm{\Σ}}}{B}_j{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_{C,j})$

其中B_i表示蜂窝用户的带宽，B_j表示D2D用户的带宽；γ_C,i表示蜂窝用户的信干噪比，γ_C,j表示D2D用户的信干噪比；U,W分别表示蜂窝用户数目和D2D用户对的数目；

4）基站根据步骤2）和3）中的两种资源复用模式，选择系统信息容量大的一种作为当前时隙下的D2D用户资源复用模式：

$C=\max \{C_B,C_L\}$

采用了本发明所述D2D上行资源复用模式切换方法后，如图3所示，在一对D2D用户和两对D2D用户的场景下，系统的信息容量都比没有使用模式切换的最佳资源分配方式有明显增加。

Claims (2)

1.一种蜂窝系统中D2D上行资源复用模式切换方法，其特征在于：该切换方法基于蜂窝系统中的通信资源，针对由各种通信资源的不同划分和组合而形成的通信信道，系统依据将D2D用户对蜂窝用户带来的干扰降到最低的原则，为D2D发射用户分配对应的通信信道，所述通信资源包括通信时频段以及可发射功率；

在蜂窝网络中系统为D2D用户提供两种资源复用方案，所述资源复用方案分别为：

资源复用方案一：复用蜂窝用户信道增益大的资源块；选出的最好信道的资源数目与D2D用户对的数目一致，某个蜂窝用户最多只能被一对D2D用户复用；

资源复用方案二：复用D2D用户发射机和基站之间信道增益小的资源块；每个D2D用户复用且只复用一个蜂窝用户的信道资源，当多个D2D用户的最差信道资源为同一块资源时，信道状态更差的D2D用户复用此信道资源，分配给其他D2D用户各自对应的次差信道资源；

系统在每一个时隙中根据总体性能参数最优的原则从两种资源复用方案中选择资源复用方案；

所述切换方法包括以下步骤：

步骤1，蜂窝用户和D2D用户向基站反馈信道状态信息；

步骤2，基站根据信道状态信息计算出在备选资源复用模式下的系统信息容量，所述备选资源复用模式分别为：

资源复用模式一：基站根据每个蜂窝用户的信道状态信息和D2D用户对的数目，选出最好信道的资源分配给D2D用户复用，选出的最好信道的资源数目与D2D用户对的数目一致；在资源复用模式一下，系统信息容量C_B表示为：

$C_B=\underset{i=1}{\overset{U}{\Σ}}{C}_{Cellular,i}+\underset{j=1}{\overset{W}{\Σ}}{C}_{D2D,j}---\left(1\right)$

资源复用模式二：基站根据D2D用户发射机在整个系统资源上的信道状态信息，选出最差信道的资源分配给D2D用户复用；在资源复用模式二下，系统信息容量C_L表示为：

$C_L=\underset{i=1}{\overset{U}{\Σ}}{C}_{Cellular,i}+\underset{j=1}{\overset{W}{\Σ}}{C}_{D2D,j}---\left(2\right)$ ，

公式(1)以及公式(2)中，C_Cellular,i和C_D2D,j分别表示蜂窝用户和D2D用户对的信道容量，U和W分别表示蜂窝用户数目和D2D用户对的数目；

步骤3，基站选择系统信息容量较大的备选资源复用模式作为当前时隙的D2D用户资源复用模式；

所述资源复用模式一中，最好信道的资源采用随机、正比公平或轮循的分配方式分配给D2D用户；

所述资源复用模式二中，最差信道的资源分配给D2D用户时采用的分配方式为：先将对应的最差信道资源分配给D2D用户，当多个D2D用户的最差信道资源为同一块资源时，信道状态更差的D2D用户复用此信道资源，分配给其他D2D用户各自对应的次差信道资源，直到每个D2D用户复用且只复用一个蜂窝用户的信道资源。

2.根据权利要求1所述一种蜂窝系统中D2D上行资源复用模式切换方法，其特征在于：所述总体性能参数为信道容量、数据速率、吞吐量、功率损耗或频谱效率。