CN103260258A - 一种蜂窝终端直通系统中资源分配和资源复用联合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝终端直通系统中资源分配和资源复用联合方法，是一种引入D2D技术后，第四代蜂窝系统的资源分配方法，第四代蜂窝系统引入终端直通技术（D2D,Device-to-Device）后，系统的资源分配方法发生变化。本发明主要分两个步骤进行，首先对蜂窝小区中的传统蜂窝用户分配资源，然后根据最优资源复用原则为小区中D2D用户选择最适合的频谱资源，使两种类型的用户非正交方式共享频谱资源以达到节省频谱、提高频谱效率的目的。本发明的重点是，为符合蜂窝小区中传统用户和D2D用户非正交资源共享的模型，通过路径损耗的比较和寻找最小信道增益值来决定D2D用户的最优复用资源，使两种用户之间的互相干扰降到最小。

Description

一种蜂窝终端直通系统中资源分配和资源复用联合方法

技术领域

本发明涉及蜂窝小区中两种类型用户的资源非正交复用问题——D2D用户复用传统蜂窝用户的资源。根据路径损耗比较和寻找最小信道增益值得出最优资源复用原则，属于无线通信技术领域。

背景技术

蜂窝移动通信终端直通技术（D2D,Device-to-Device）是近几年移动通信领域新兴的一个研究课题。在传统的蜂窝移动通信系统中，两个移动终端之间的通信必须要通过基站的调度，通过基站处的调度器分配频谱资源和信道来进行通信。在引入D2D技术之后，系统中两个移动终端如果想要通信，未必就是通过基站转发而通信。D2D技术是一种终端到终端直通的通信方式，它被提出可以作为LTE系统的辅助通信方式，即可能在将来的移动通信系统下，大部分移动用户通过基站转发的方式通信，少量满足特定条件的移动用户通过终端直通的方式通信。

D2D通信技术的核心思想是，当两个移动终端距离很近时，它们可以直接通信，而不必经过基站的上下行链路转发通信。直通链路选择本小区里此刻空闲的其他蜂窝用户的资源，通过复用蜂窝用户的频谱资源实现终端直接通信。移动用户直通的整个过程是由基站控制的，基站控制频谱资源的分配和通信信令的传输。D2D直通适用于当两个移动终端距离较近且需要传输大量的视频流、媒体在线或者文件共享等情况，这类大容量内容下载如果可以直接通过D2D进行会避免造成基站的拥塞。

D2D通信作为蜂窝网络的补充，在某些通信场景下使得移动通信变得更高效、更方便。对于下一代蜂窝网络的通信需求，D2D通信的优势显而易见。随着D2D通信技术的进一步研究和深入，我们相信它为蜂窝网络带来的性能改善将能更有效的促进满足未来LTE系统的需求，因此D2D通信技术的研究有着深远的意义。

但是，D2D技术的引入给蜂窝系统同样带来了不利影响。D2D技术基于非正交的资源复用，使得小区中两种类型的用户通信产生互相干扰。因此，如何把干扰控制在可接受范围内，并通过D2D通信提高频谱利用效率成为亟待解决的重要问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种蜂窝终端直通系统中资源分配和资源复用联合方法，通过小区中两种类型用户的资源非正交复用，达到节省频谱、提高频谱利用率的效果，同时应对资源复用引入的干扰问题，通过最优资源复用原则使干扰降到最小。

技术方案：本发明是一种蜂窝终端直通系统中资源分配和资源复用联合方法。它包括两个部分，蜂窝用户的资源分配问题和D2D用户的资源复用问题。蜂窝用户的资源分配问题采用比例公平算法，D2D用户的资源复用问题采用最优资源复用原则，通过比较路径损耗和寻找最小信道增益得到D2D用户的最适合资源，完成资源复用。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

以蜂窝用户上行资源调度为例，基站处的调度器，根据上行信道频谱选择性的信道质量指标CQI等信息，动态地为移动终端UE选择合适的物理资源块PRB进行数据传输。资源调度过程包括采用何种资源分配方式，并通过控制信道通知给移动终端。

在上行调度过程中基站和UE需要进行一些信息的交互，上行调度过程分为三个主要步骤：首先，UE按照事件触发的机制或周期性的向基站汇报缓存状态、队首时延、CQI等信息；其次，基站根据获得的各UE的缓存状态等信息、QoS要求及系统的资源状况，按照预定的资源调度算法，对各用户进行调度、分配系统资源，并将资源分配结果通过下行信令信道通知UE；最后，UE根据分配得到的上行资源进行上行数据传输。

在传统蜂窝用户的资源分配部分，为了取得高的系统性能并兼顾用户公平性，采用比例公平算法进行资源分配。

比例公平算法的流程简述如下：

1.调度。

在每个调度开始时刻，在每个RB资源上，根据优先级公式计算用户的优先级，然后按照优先级从大到小的顺序排列，在N个用户中具有最高a(t)值的用户被调度。

2.更新用户的平均速率。

对等待服务的用户k，其平均速率为 $R_k\left(n\right)=(1-\frac{1}{T_c})R_k(n-1)+\frac{1}{T_c}{\mathrm{DRC}}_k^{\mathrm{assigned}}\left(n\right).$ 其中，1/T_c为滤波器过滤因子，T_c表示滑动时间窗口的长度。理论证明：“T_c越大，越有利于系统吞吐量的提高，但是可能带来附加的延迟。”更新平均速率是针对系统中所用的用户。

在D2D用户的资源复用部分，采用最优资源复用原则选出D2D用户最适合的无线资源。

资源复用的算法描述如下：

针对D2D技术引入的干扰问题，通过设定两种类型用户的信干噪比（SINR，Signal toInterference and Noise Ratio）门限保证信道质量，通过路径损耗比较保证D2D通信对之间的链路距离远小于蜂窝用户和D2D用户之间的干扰链路的距离。对D2D用户群，每次迭代过程，选择提供最优复用资源的蜂窝用户c^*=argmaxsum(x_ck)和最适合的D2D用户对

如果满足上述的SINR门限和路径损耗条件，则资源复用成功，把该D2D用户对从D2D用户群中删除；否则，选择次优的复用资源继续这一过程。直至D2D用户群为空，即小区中所有的D2D用户都完成了资源复用过程。

具体的：本发明的一种蜂窝终端直通系统中资源分配和资源复用联合方法，其特征在于该方法包含传统蜂窝用户资源分配和D2D用户资源复用两个步骤；系统中传统蜂窝用户资源分配部分，采用比例公平算法把系统总资源分配给各蜂窝用户；系统中D2D用户资源复用部分，采用路径损耗的比较和寻找最小信道增益值得到最优资源复用原则，为D2D用户复用最合适的资源，

该方法包括以下2个步骤：

步骤1，根据比例公平算法把系统总资源分配给小区中各蜂窝用户，

所述的比例公平算法为小区中各蜂窝用户分配资源，具体包括如下步骤：

步骤1.1，对小区中每个蜂窝用户，计算比例公平因子，按降序排列，由此确定用户优先级，

步骤1.2，按照用户优先级，首先给每个用户分配一个物理资源块，若此时系统资源块集合不为空，那么，计算每个用户的归一化传输比特速率，把剩余的资源块每次分配给最小的归一化传输比特速率用户，直至全部资源分配结束；

步骤2，根据最优资源复用原则，为小区中的D2D用户选择最合适的资源进行复用，

具体包括如下步骤：

步骤2.1，按照上述蜂窝用户比例公平算法分配资源的结果，对系统中所有的蜂窝用户按照传输比特速率由大到小排列，选出传输比特速率最大的蜂窝用户，

步骤2.2，对该蜂窝用户来说，计算出系统中所有D2D用户到该蜂窝用户的信道增益，信道增益值越小，表明干扰链路的干扰功率越小，信道增益值最小的D2D用户最适合复用该蜂窝用户的资源，

步骤2.3，根据实际的信干噪比SINR值与信干噪比SINR门限，以及路径损耗PL值与路径损耗PL门限的比较，判断该资源复用是否成立，若成立，则把对应的D2D用户从集合中删除；否则，重新进行步骤2.2，选择次优的传输比特速率的蜂窝用户，直至小区中D2D用户全部资源复用完成。

有益效果：本发明提出了在蜂窝终端直通系统中，一种资源分配和资源复用联合方法。蜂窝用户的资源分配采用比例公平算法，D2D用户的资源复用采用最优资源复用原则。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

1.能有效抵抗D2D技术引入的干扰问题，把蜂窝用户和D2D用户之间的干扰功率降到最小。

2.小区中能容纳的最大用户数目增加，可以为移动终端提供更多的通信机会。

3.小区的系统总容量有明显提高，伴随着频谱资源利用率的提高。

附图说明

图1是D2D通信与蜂窝上行通信共享资源的干扰模型。

图2是蜂窝用户资源分配比例公平算法的流程图。

图3是D2D用户最优资源复用原则的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明首先根据比例公平原则对小区中的传统蜂窝用户分配资源，然后根据路径损耗模型和最优资源复用原则为小区中每对D2D用户选择合适的复用资源。显然，这个资源分配方法是分两个步骤进行的。首先，传统蜂窝用户的资源分配算法是基于比例公平的资源调度准则。其次，D2D通信对的资源复用算法是一种贪婪算法，每次通过路径损耗的比较和选择D2D发送端和基站之间最小的信道增益值进行迭代，确定适合复用的资源块。对蜂窝用户，用传统的资源分配方法进行资源调度。根据比例公平算法，联合子载波分配和功率分配方案。对D2D通信用户，研究蜂窝用户的子载波重新复用问题。

引入D2D技术后，蜂窝小区中两种类型的用户之间非正交复用通信资源会互相产生干扰。即，蜂窝用户与基站的上或下行通信会对D2D通信对的接收机造成干扰，D2D通信对的发送机会对蜂窝通信的接收设备造成干扰（蜂窝用户上行通信，基站受到干扰；蜂窝用户下行通信，移动设备受到干扰）。

以D2D通信复用蜂窝通信上行资源为例，干扰模型如图1所示。蜂窝用户为C，D_Tx是D2D通信对的发射端，D_Rx是D2D通信对的接收端，直线表示通信链路，虚线表示干扰链路。D2D用户受到的干扰部分包括蜂窝用户的发送功率P_C以及它到D2D接收端的距离

增大P_C或减少

都会降低D2D接收端的吞吐量。假设只考虑路径损耗，那么蜂窝用户到D2D接收端的距离越远，D2D用户受到的干扰功率越小。D2D通信对蜂窝用户的干扰部分包括D2D通信发射功率P_D和D2D通信发射端到基站的距离增大P_D或减少

都会降低蜂窝通信接收端的吞吐量，且干扰造成的系统容量下降也与蜂窝用户的位置有关，蜂窝用户距基站越近，基站接收吞吐下降的越少。

为了保证资源复用时，通信干扰可以控制在可接受范围内。通信用户的SINR必须满足如下条件，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SINR}}_{\mathrm{BS}}>={\mathrm{SINR}}_{\mathrm{threshold}}\\ {\mathrm{SINR}}_{d2}>={\mathrm{SINR}}_{\mathrm{threshold}}\end{array}\right.$

根据干扰分析得知，干扰功率的取值取决于两个方面的因素，发射端的发送功率和信道路径损耗。能否选出合适的用来资源共享的PRB资源块，是把干扰功率降至最低的关键，也是决定D2D通信资源复用分配方法的关键。

如果D2D通信对距离基站很近，那么D2D通信与蜂窝通信之间的干扰链路的路径增益将会很大，甚至大于D2D通信对之间的链路增益。如此就会对蜂窝用户和D2D接收端造成较严重的干扰，这是不利于系统总体性能的。因此，为了保证D2D通信的意义，D2D通信对之间的链路损耗必须满足如下条件，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{PL}}_{D2D}<={\mathrm{PL}}_{d1\mathrm{BS}}\\ {\mathrm{PL}}_{D2D}<={\mathrm{PL}}_{\mathrm{cd}2}\end{array}\right.$

本发明假设D2D通信的两个移动终端在同一个小区里，不考虑小区D2D通信的切换问题。

采用ITU组织设定的微蜂窝信道模型标准，无线通信信道的慢衰落是由于障碍物的阻挡造成的阴影效应，接收信号强度下降造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落。因此，考虑阴影衰落，那么蜂窝移动用户和基站之间的线性路径增益为，

G=10^{-(PL+yinying)/10}

D2D通信对之间的线性路径增益为，

G=10^-(PL)/10

在每个时隙D2D通信对仅复用一个蜂窝用户的无线资源进行通信。首先考虑未引入D2D通信之前，对蜂窝用户进行无线资源的分配。然后考虑引入D2D通信之后，按照最优资源复用准则进行资源块复用，再分别对蜂窝用户和D2D通信对重新计算系统容量。

假设小区中总的可用资源块数目为K，系统中有C个蜂窝用户通信，D2D通信对的数目为D。假设系统中两种类型的通信用户的数目满足：C>D。

蜂窝用户资源分配：

对蜂窝用户来说，未引入D2D通信对之前，系统总容量自适应问题模型可以用下面的最优化问题表述，

目标函数：

$\underset{x_{\mathrm{ck}},p_{\mathrm{ck}}}{\max }\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ck}}{b}_{\mathrm{ck}}$

约束条件，

$x_{\mathrm{ck}}\&Element;\left\{\mathrm{0,1}\right\},\&ForAll;c,k$

$p_{\mathrm{ck}}>=0,\&ForAll;c,k$

$\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{\mathrm{ck}}\&le;P_T$

$\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ck}}<=1,\&ForAll;k\&Element;\{\mathrm{1,2},...,K\}$

$R_i:R_j={\mathrm{\&phi;}}_i:{\mathrm{\&phi;}}_i,\&ForAll;i,j\&Element;\{\mathrm{1,2},...,C\}$

其中，x_ck为标识符，取值0或1，x_ck=1表示蜂窝用户c使用资源块k，P_T为基站限定的总发送功率，用户速率b_ck根据香农容量公式得到，见下式。N0为小区内的噪声干扰，I为小区间干扰。

$b_{\mathrm{ck}}={\log }_2(1+\frac{p_{\mathrm{ck}}{G}_{\mathrm{Bc}}}{N0+I})$

$R_c=\frac{B}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ck}}{b}_{\mathrm{ck}}$

约束条件

为用户速率比例约束条件，归一化的传输速率为R_c/φ_c。其中，φ_c为蜂窝用户c的比特速率权值，满足

上述最优化问题的求解要兼顾子载波分配问题和功率分配问题。首先，在功率分配过程中，基站控制的总功率P_T是固定的，每个蜂窝用户的发送功率按照自适应分配的原则进行，即相等SNR条件下，根据噪声功率调节发送功率的取值。根据约束条件

蜂窝用户采用比例公平的资源分配算法进行子载波的分配。初始化时，每个用户分配的子载波数必须满足下面的式子，

N₁:N₂:...:N_c=φ₁:φ₂:...:φ_c

为了兼顾子载波分配的公平性和系统容量最大化的原则，每个时隙的迭代过程中，按照顺序每次把质量最好的子载波分配给归一化传输速率R_c/φ_c最小的用户。

下面给出蜂窝用户资源分配方法的算法描述，如图2所示。为保证用户公平性，首先按照用户优先级给所有用户依次分配RB资源块。若资源块集合不为空，再把剩余的资源块每次分配给最小的归一化传输比特速率用户，直至结束。

具体算法描述如下所示：

1.初始化。

2.对c=1:C，按降序排列b_ck，依次找出对用户c来说最优的物理资源块令

从子载波集合中去除已分配的资源S=S-{k^*}。

3.判断子载波集合是否为空，若

，找出每次迭代过程中归一化传输比特速率最小的用户

把最优的资源块分配给该用户，

令S=S-{k^*}。直至

D2D用户资源复用:

引入D2D非正交复用通信之后，因为D2D通信对蜂窝用户造成干扰，故蜂窝用户c的上行SINR值为，

${\mathrm{SINR}}_c=\frac{P_c{G}_{\mathrm{Bc}}}{N0+I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{dk}}{P}_{d1}{G}_{d1c}}$

其中，x_dk取值0或1，取值为1表示D2D通信对（d1,d2）复用蜂窝用户c的资源块k。

D2D通信对的接收端的SINR值为，

${\mathrm{SINR}}_{d2}=\frac{P_{d1}{G}_{d1d2}}{N0+I+\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{dk}}{P}_c{G}_{\mathrm{cd}2}}$

为了联合最大化系统中蜂窝用户和D2D通信对的总容量，D2D通信资源复用的问题模型用如下的最优化问题描述，

目标函数：

$\underset{x_{\mathrm{dx}},p_{\mathrm{dk}}}{\max }\underset{d=1}{\overset{D}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{dk}}{b}_{\mathrm{dk}}+\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{d=1}{\overset{D}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ck}}{x}_{\mathrm{dk}}(b_{\mathrm{ck}}^{\&prime;}-b_{\mathrm{ck}})$

约束条件，

$x_{\mathrm{dk}}\&Element;\left\{\mathrm{0,1}\right\},\&ForAll;d,k$

$p_{\mathrm{dk}}>=0,\&ForAll;d,k$

$\underset{d=1}{\overset{D}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{dk}}<=1,\&ForAll;k\&Element;\{\mathrm{1,2},...,K\}$

SINR_c>=SINR_threshold

SINR_d2>=SINR_threshold

PL_D2D<=PL_d1B

PL_D2D<=PL_cd2

其中，用户比特速率b'_ck是由下式基于香农容量公式给出的。

$b_{\mathrm{ck}}^{\&prime;}={\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_c)$

接下来给出D2D通信资源复用的算法描述，如图3所示。这是一个贪婪迭代的算法，D2D通信对选择复用资源时，每次迭代至选择出最优资源，然后复用并计算系统容量。低的

对应着高的SINR_c，因此我们选择对D2D来说最低的

从而复用到最优的蜂窝通信资源。

具体算法描述如下面所示：

1.初始化。

2.对c=1:C,d=1:D，判断

并且c<=C。选择最优或次优可复用资源的蜂窝用户c^*=argmaxsum(x_ck)和配对的D2D用户d*=argmin

如果满足PL_D2D<=PL_d1B&&PL_D2D<=PL_cd2，并且SINR_c>=SINR_threshold&&SINR_d2>=SINR_threshold，令

去除已资源复用完成的D2D用户D=D-{d^*}；否则转到step2。

Claims (1)

1.一种蜂窝终端直通系统中资源分配和资源复用联合方法，其特征在于该方法包含传统蜂窝用户资源分配和D2D用户资源复用两个步骤；系统中传统蜂窝用户资源分配部分，采用比例公平算法把系统总资源分配给各蜂窝用户；系统中D2D用户资源复用部分，采用路径损耗的比较和寻找最小信道增益值得到最优资源复用原则，为D2D用户复用最合适的资源，

该方法包括以下2个步骤：

步骤1，根据比例公平算法把系统总资源分配给小区中各蜂窝用户，

所述的比例公平算法为小区中各蜂窝用户分配资源，具体包括如下步骤：

步骤1.1，对小区中每个蜂窝用户，计算比例公平因子，按降序排列，由此确定用户优先级，

步骤1.2，按照用户优先级，首先给每个用户分配一个物理资源块，若此时系统资源块集合不为空，那么，计算每个用户的归一化传输比特速率，把剩余的资源块每次分配给最小的归一化传输比特速率用户，直至全部资源分配结束；

步骤2，根据最优资源复用原则，为小区中的D2D用户选择最合适的资源进行复用，

具体包括如下步骤：

步骤2.1，按照上述蜂窝用户比例公平算法分配资源的结果，对系统中所有的蜂窝用户按照传输比特速率由大到小排列，选出传输比特速率最大的蜂窝用户，

步骤2.2，对该蜂窝用户来说，计算出系统中所有D2D用户到该蜂窝用户的信道增益，信道增益值越小，表明干扰链路的干扰功率越小，信道增益值最小的D2D用户最适合复用该蜂窝用户的资源，

步骤2.3，根据实际的信干噪比SINR值与信干噪比SINR门限，以及路径损耗PL值与路径损耗PL门限的比较，判断该资源复用是否成立，若成立，则把对应的D2D用户从集合中删除；否则，重新进行步骤2.2，选择次优的传输比特速率的蜂窝用户，直至小区中D2D用户全部资源复用完成。

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