CN103338452B - 蜂窝系统中基站辅助控制的d2d通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其应用于蜂窝移动通信网络中，针对潜在的D2D通信业务，运用混合策略对蜂窝网络中的D2D通信进行有效地控制，通过一种分布式的信令交互方法使得混合策略逐渐达到最优，最大可能地提高混合策略下的网络性能。运用本发明方法，无论以正交方式给D2D通信分配频谱资源，还是以复用方式给D2D通信分配频谱资源，均可得到最优的混合策略。相比于传统的通信方法，该方法能有效提高网络吞吐率和系统频谱效率。本发明提出的方法是基站辅助控制的，具有很强的实际可操作性。

Description

蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种蜂窝系统中基站辅助控制的D2D（Device-to-Device，D2D）通信方法。

背景技术

D2D通信技术由于其在未来无线通信领域巨大的潜在优势而备受关注，包括提高频谱效率；减少终端的发送功率从而节约终端能耗；减轻基站负载压力等等。随着小范围通信业务需求的增长，该通信技术将毫无疑问在未来的无线通信网络中扮演重要的角色。

蜂窝系统中，用户设备（UserEquipment，UE）之间要进行数据通信，可以选择通过基站（BaseStation，BS）的中转，也可以建立直通的D2D链路，我们可将这两种通信模式分别定义为BS模式和D2D模式，BS模式即为传统的蜂窝通信模式，D2D模式下，为了提供一个干扰可控、稳定的无线坏境，我们分配授权的蜂窝频段给D2D通信。D2D通信可以通过正交和复用两种方式来共享蜂窝资源，正交方式可以等效为分配专用的一段频谱资源给D2D通信链路，此方式下D2D通信与蜂窝通信之间不会产生干扰；复用方式是指D2D通信链路复用蜂窝通信链路的频谱资源，D2D通信与蜂窝通信相互之间会产生干扰。

D2D通信控制方式有两种，一种是由基站完全控制，另一种是由基站辅助控制。在蜂窝系统中，基站完全控制方式需要大量的系统开销，基站需要获得整个蜂窝系统当前的状态信息，包括各个UE的位置及其周边复杂的无线环境信息，才能确定需要通信的UE对之间采用何种通信模式更为合适，加上网络随时处在动态变化当中，这毫无疑问对基站有效控制D2D通信提出了更高的要求，因此基站辅助控制将会成为的未来D2D通信的首选控制方式。

发明内容

本发明针对的是蜂窝网络中潜在的D2D通信用户，其链路距离相对较短，并具备D2D直接通信的能力，同时网络存在一定的空闲蜂窝频率资源，潜在的D2D通信用户需要根据BS模式和D2D模式带来的收益，比如接收机UE的数据传输吞吐率，在两种通信模式之间做出选择。

本发明提供了一种基站辅助控制的D2D通信方式，基站仅需周期性地收集和广播网络信息来辅助控制D2D通信。设定一个混合策略为Z＝[z_BS,z_D2D]，表示UE选择BS模式的概率为z_BS，选择D2D模式的概率为z_D2D，满足z_D2D+z_BS＝1。方法的大致思想是：混合策略由基站周期性广播，UE在接收到基站广播的混合策略之后，利用该混合策略进行通信模式的选择，并且向基站及时上报信息，基于上报的信息，基站将以一定的方法更新混合策略。

每个UE在上次模式选择结束后随机产生一个随机退避时长，当退避时长结束后，各个UE才使用由基站广播的混合策略，做出通信模式更新的决策，所有UE更新通信模式的过程是根据各自产生的随机退避时长分布式进行的，决策结束后使用当前选择的通信模式进行通信，同时向基站上报自己的通信模式标志flag以及所达到的吞吐率收益R。基站根据UE上报的信息，周期性地计算更新BS模式下UE的平均吞吐率收益D2D模式下UE的平均吞吐率收益对所有UE来说的平均吞吐率收益以及采用BS模式和D2D模式的UE数量百分比x_BS和x_D2D。具体的更新混合策略的过程如式（1）（2）所示，其中Δz_BS和Δz_D2D为混合策略的变化量，ε为常量，为更新后的策略。

$\mathrm{\Δ}{z}_{\mathrm{BS}}=\mathrm{\ϵ}\·[{\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{BS}}-\stackrel{\‾}{R}]\·x_{\mathrm{BS}}$

${\mathrm{\Δz}}_{D2D}=\mathrm{\ϵ}\·[{\stackrel{\‾}{R}}_{D2D}-\stackrel{\‾}{R}]\·x_{D2D}$ 式（1）

更新的混合策略 $Z^{\′}=[z_{\mathrm{BS}}^{\′},z_{D2D}^{\′}]$ 可以表示为

$z_{\mathrm{BS}}^{\′}=z_{\mathrm{BS}}+{\mathrm{\Δz}}_{\mathrm{BS}}$

$z_{D2D}^{\′}=z_{D2D}+{\mathrm{\Δz}}_{D2D}$ 式（2）

根据本发明提供的一种蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，在移动通信蜂窝网络中，针对潜在的D2D通信业务，利用混合策略对蜂窝系统下的D2D通信进行有效地控制，并以特定方法逐步优化混合策略，获得混合策略下最大可能的频谱利用效率，该方法包括如下步骤：

步骤1：基站（BaseStation，BS）周期性地广播选择不同通信模式的混合策略；

步骤2：在潜在的D2D通信业务中，每个用户设备UE（UserEquipment）在通信模式选择过程被触发的时刻，分别获取基站当前广播的混合策略；

步骤3：UE在获取混合策略后，依照当前阶段的混合策略信息选择通信模式；

步骤4：UE采取所选择的通信模式进行数据传输，并确定下一次通信模式更新的时间，同时UE将自己当前通信模式下的收益信息上报给基站；

步骤5：基站收到UE上报的收益信息之后，根据各个UE最新上报的收益信息，周期性地更新混合策略；

重复以上步骤1至5，直到混合策略能收敛到最优的稳定状态，即此稳定的混合策略下系统性能达到最优。

优选地，所述通信模式包括BS模式和D2D模式，其中，BS模式是指UE对通过基站中转进行信息交互的蜂窝通信模式，D2D模式是指UE对通过建立直通链路进行信息交互的模式。

优选地，步骤1中，所述的混合策略Z表示为Z＝[z_BS,z_D2D]，其中，z_BS表示UE选择BS模式的概率，z_D2D表示UE选择D2D模式的概率。

优选地，步骤2中，所述的潜在的D2D通信业务，是指UE通信对处在同一小区内，且两者间隔距离满足限制，符合D2D通信条件。

优选地，所述限制是指UE通信对之间的间距小于某一阈值。

优选地，步骤2中，所述的通信模式选择过程被触发的时刻，是指UE更新其通信模式的时刻，UE需要根据网络中其他UE通信情况的变化实时地更新自己的通信模式。

优选地，步骤3中，UE获取的混合策略是基站最近广播的混合策略，两种通信模式下的混合策略为Z＝[z_BS,z_D2D]，UE根据该混合策略进行通信模式的选择，所述通信模式的选择过程包括：UE随机产生一个0到1的数，记为p，若p<z_BS，则UE选择BS模式，否则，UE选择D2D模式。

优选地，所述步骤4，具体为：UE确定通信模式后，根据此通信模式下的资源分配方式获取无线资源，建立通信连接，进行数据传输，其中，获取无线资源的方式包括：

BS模式下的资源分配由基站控制，依据传统的蜂窝通信资源调度机制进行分配；

D2D模式下，UE能够对其周围一定范围内的无线环境进行感知，为了降低各链路之间的干扰，UE选择该范围内使用最少的、或者干扰量最小的子信道作为其通信的频谱资源。

优选地，步骤4中，所述的确定下一次通信模式更新的时间采用随机的方式，以尽量打散每个UE更新通信模式的时间，所述随机的方式包括：UE在某个范围内随机产生一个退避时长来确定下一次通信模式更新的时间，即产生退避时长的时刻开始计时，结束退避时长的时刻触发UE重新选择通信模式。

优选地，步骤4中，所述的当前通信模式下的收益信息，包括：目前采用的通信模式的标志、以及在该通信模式下UE进行通信实际所达到的吞吐率信息。

优选地，所述步骤5，具体为：基站接收到UE上报的信息之后，进行状态参数的更新，包括：BS模式下UE获得的平均吞吐率D2D模式下UE获得的平均吞吐率对所有UE来说的平均吞吐率采用BS模式和D2D模式下的UE数量百分比信息x_BS和x_D2D；根据

${\mathrm{\&Delta;z}}_{\mathrm{BS}}=\mathrm{\&epsiv;}\&CenterDot;[{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{\mathrm{BS}}-\stackrel{\&OverBar;}{R}]\&CenterDot;x_{\mathrm{BS}}$

${\mathrm{\&Delta;z}}_{D2D}=\mathrm{\&epsiv;}\&CenterDot;[{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{D2D}-\stackrel{\&OverBar;}{R}]\&CenterDot;x_{D2D}$

$z_{\mathrm{BS}}^{\&prime;}=z_{\mathrm{BS}}+{\mathrm{\&Delta;z}}_{\mathrm{BS}}$

$z_{D2D}^{\&prime;}=z_{D2D}+{\mathrm{\&Delta;z}}_{D2D}$

这4个式子计算得到更新后的混合策略其中，ε为一常数，Δz_BS为UE选择BS模式的概率的变化量，Δz_D2D为UE选择D2D模式的概率的变化量，表示在更新的混合策略下UE选择BS模式的概率，表示在更新的混合策略下UE选择D2D模式的概率，z_BS表示UE选择BS模式的概率，z_D2D表示UE选择D2D模式的概率。

优选地，所述步骤5，具体为：基站收到某个UE上报的收益信息后，并不马上更新网络状态参数和混合策略；由于UE数量较多，每次有UE上报信息都进行实时更新的话，尽管可以得到更为精确的结果，但势必会增大基站的工作量，增加基站的负担和网络开销，基站周期性地进行参数的更新，即基站先将一个周期内各个UE上报的参数存储起来，等到周期时间结束后统一更新参数，利用更新后的参数计算得到新的混合策略。

这种策略更新背后的数学原理是演化博弈理论，根据该理论，我们可以保证UE的混合策略最终可以达到一个稳定的状态，在演化博弈论中称为ESS（evolutionarystablestrategy）。稳定状态下，混合策略达到最优，即混合策略下的网络吞吐量达到最大值。

本发明提出基站辅助控制的D2D通信方法具有如下特点：

1.针对潜在的D2D通信业务，UE对在整个小区分布是随机的，且链路距离相差不大。在一定频率资源的条件下，通过本发明方法能确定最优的选择BS和D2D两种通信模式的混合策略。

2.相比传统方法，运用本发明方法可有效提高混合网络的频谱效率。

3.本发明提出的方法对具体的应用系统和协议规范具备较强的兼容性，对任何与此发明中模型类似的混合网络或系统均可以利用本发明提出的方法来进行有效控制。

4.复杂度低，较易实现，能提高系统的总体频谱效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是表示本发明的系统模型；

图2描述了在蜂窝网络实例中，本发明方法的信令交互的流程图；

图3为本发明与传统方法（即仅有BS模式）在实际蜂窝网络中的性能比较。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了便于理解，本发明以一个实际蜂窝系统下的D2D通信网络为例，来说明该基站辅助控制的D2D通信方法。

假设网络覆盖范围为半径为500m的小区，基站位于小区中心，有200对潜在D2DUE随机分布于小区范围内，由于D2D是短距离、低功率的通信方式，我们将UE对之间的链路距离控制在50米内，并且相差不大。我们假设蜂窝网络有100kHz的空闲频率资源，划分为20个子信道，每个子信道带宽为5kHz。D2D通信的资源分配方式有正交和复用两种，在正交的资源分配方式下，BS模式和D2D模式的UE分别使用10个子信道，而复用方式下，BS模式和D2D模式共同使用20个子信道，不做划分。BS模式的资源分配由基站控制，对于D2D模式，为了降低链路之间的干扰，我们假定D2D用户能够对周围的某个范围内的信道状态和无线环境进行感知，D2D模式在选择资源的时候选择该范围内使用最少的，或者干扰量最小的子信道作为通信的无线频谱资源。

我们首先分析UE在不同资源分配方式下选择两种通信模式所能达到的吞吐率情况。

如果我们以正交的方式给D2D通信链路分配资源，D2D链路获得专用的频谱资源，所以D2D链路与蜂窝链路之间不存在相互干扰。但如果两条D2D链路选择同一资源块，而且距离相对较近时，D2D链路之间能够互相干扰。如果UE采用BS模式进行通信，接收机能够达到的吞吐率可表示为

$R_j^{\mathrm{BS}}=\frac{B_w}{n_j}{\log }_2(1+\frac{P_b{G}_{\mathrm{BS},j}}{N_0})$ 式（3）

其中，B_w是子信道带宽，n_j是BS模式中选择该同一子信道资源的UE数目，B_w/n_j可看作是UE_j使用资源的等效带宽。N₀为噪声功率，p_b是基站的发送功率，G_BS,j是基站到UE_j的信道增益（包括路径损耗和衰落和处理增益等）。如果UE_j采用D2D模式进行通信，接收机能够达到的吞吐率可表示为

$R_j^{D2D}=B_w{\log }_2(1+\frac{P_d{G}_{j,j}}{N_0+\underset{i\&NotEqual;j}{\underset{i\&Element;D2D}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_d{G}_{i,j}})$ 式（4）

其中B_w是UE_j使用的带宽资源，P_d是UE的发送功率，G_j,j是第j对UE之间的信道增益（发送机UE到接收机UE），G_i,j是第i对UE的发送机与第j对UE的接收机之间的信道增益，则表示该D2D链路所受其他使用同一子信道资源的D2D链路带来的干扰。

如果我们以复用的方式给D2D链路分配资源时，D2D链路和蜂窝用户如果使用同一子信道资源，将相互干扰。如果UE_j采用BS模式进行通信，接收机能够达到的吞吐率可表示为

$R_j^{\mathrm{BS}}=\frac{B_w}{n_j}{\log }_2(1+\frac{P_b{G}_{\mathrm{BS},j}}{N_0+\underset{i\&Element;D2D}{\mathrm{\&Sigma;}}{p}_d{G}_{i,j}})$ 式（5）

其中，B_w/n_j是UE_j使用的等效带宽资源，P_bG_BS,j是使用BS模式时接收机UE端的接收功率，是使用同一子信道资源的D2D链路带来的干扰。如果UE_j采用D2D模式进行通信，接收机能够达到的吞吐率可表示为

$R_j^{D2D}=B_w{\log }_2(1+\frac{P_d{G}_{j,j}}{N_0+P_b{G}_{\mathrm{BS},j}+\underset{i\&NotEqual;j}{\underset{i\&Element;D2D}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_d{G}_{i,j}})$ 式（6）

其中，B_w是UE_j使用的带宽资源，P_dG_j,j表示接收机UE接收到的有用信号功率。干扰功率由三个部分组成，一个是噪声干扰N₀，一个是来自使用同一子信道资源的蜂窝链路的干扰P_bG_BS,j，最后一个是来自使用同一子信道资源的其他D2D链路的干扰

本方法针对的是潜在的D2D通信业务，图2所示的是该方法简单的信令交互图，给定网络的初始混合策略Z＝[z_BS,z_D2D]，基站辅助控制的D2D通信模式选择和混合策略更新的具体过程如下：

步骤1.基站周期性广播混合策略Z＝[z_BS,z_D2D]，UE在退避时长结束之后触发通信模式选择过程。通信模式选择被触发之后，UE获取基站当前广播的混合策略Z。其中，z_BS表示UE选择BS模式的概率，z_D2D表示UE选择D2D模式的概率。

步骤2.UE随机产生一个0到1的数字p，若p<z_BS，则UE选择BS通信模式，否则，UE选择D2D通信模式。

步骤3.确定通信模式之后，UE根据此通信模式下的资源分配方式获取无线资源，建立通信连接，进行数据传输，并且随机产生一个退避时长来确定下一次更新通信模式的时间。同时UE将自己目前采用的通信模式的flag以及在该通信模式下所达到的吞吐率R上报给基站。

步骤4.基站接收到各个UE上报的这些信息后，周期性地计算BS模式下UE的平均吞吐率D2D模式下UE的平均吞吐率以及对所有UE来说的平均吞吐率另外还有采用BS模式和D2D模式下的UE数量百分比x_BS和x_D2D。并根据式（1）、（2）所述的4个式子计算得到更新后的混合策略其中，表示在更新的混合策略下UE选择BS模式的概率，表示在更新的混合策略下UE选择D2D模式的概率。

步骤5.随后，基站广播更新的混合策略UE等待下一个模式选择过程的触发。

每个UE在模式选择过程被触发之后均采用以上步骤1～5的流程。由理论推导和仿真结果均可得到，经过一段时间以后，混合策略将趋于稳定，UE将按照稳定的混合策略选择通信模式，进行数据传输，直到完成通信。

本发明提出的方法仿真结果见图3，所测得的结果为稳定状态的混合策略下整个网络的平均吞吐率。通过仿真可以看出，无论是对D2D通信使用正交的频谱资源分配方式，还是使用复用的频谱资源分配方式，本发明提出的方法在整体的网络吞吐率方面与传统的仅有BS模式情况下的网络吞吐率相比，均有很大的提升。并且由理论推导和仿真验证均可得到，稳定状态的混合策略为最优的混合策略，即在该混合策略下的网络吞吐率是最大的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，在移动通信蜂窝网络中，针对潜在的D2D通信业务，利用混合策略对蜂窝系统下的D2D通信进行有效地控制，并以特定方法逐步优化混合策略，获得混合策略下最大可能的频谱利用效率，该方法包括如下步骤：

步骤1：基站周期性地广播选择不同通信模式的混合策略；

步骤2：在潜在的D2D通信业务中，每个用户设备UE在通信模式选择过程被触发的时刻，分别获取基站当前广播的混合策略；

步骤3：UE在获取混合策略后，依照当前阶段的混合策略信息选择通信模式；

步骤4：UE采取所选择的通信模式进行数据传输，并确定下一次通信模式更新的时间，同时UE将自己当前通信模式下的收益信息上报给基站；

步骤5：基站收到UE上报的收益信息之后，根据各个UE最新上报的收益信息，周期性地更新混合策略；

重复以上步骤1至5，直到混合策略能收敛到最优的稳定状态，即此稳定的混合策略下系统性能达到最优；

所述通信模式包括BS模式和D2D模式，其中，BS模式是指UE对通过基站中转进行信息交互的蜂窝通信模式，D2D模式是指UE对通过建立直通链路进行信息交互的模式；

所述步骤5，具体为：基站接收到UE上报的信息之后，进行状态参数的更新，包括：BS模式下UE获得的平均吞吐率D2D模式下UE获得的平均吞吐率对所有UE来说的平均吞吐率采用BS模式和D2D模式下的UE数量百分比信息x_BS和x_D2D；根据

${\mathrm{\&Delta;z}}_{BS}=\mathrm{\&epsiv;}\&CenterDot;\&lsqb;{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{BS}-\stackrel{\&OverBar;}{R}\&rsqb;\&CenterDot;x_{BS}$

${\mathrm{\&Delta;z}}_{D2D}=\mathrm{\&epsiv;}\&CenterDot;\&lsqb;{\stackrel{\&OverBar;}{R}}_{D2D}-\stackrel{\&OverBar;}{R}\&rsqb;\&CenterDot;x_{D2D}$

z′_BS＝z_BS+Δz_BS

z′_D2D＝z_D2D+Δz_D2D

这4个式子计算得到更新后的混合策略Z′＝[z′_BS,z′_D2D]，其中，ε为一常数，Δz_BS为UE选择BS模式的概率的变化量，Δz_D2D为UE选择D2D模式的概率的变化量，z′_BS表示在更新的混合策略下UE选择BS模式的概率，z′_D2D表示在更新的混合策略下UE选择D2D模式的概率，z_BS表示UE选择BS模式的概率，z_D2D表示UE选择D2D模式的概率。

2.根据权利要求1所述的蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，步骤1中，所述的混合策略Z表示为Z＝[z_BS,z_D2D]，其中，z_BS表示UE选择BS模式的概率，z_D2D表示UE选择D2D模式的概率。

3.根据权利要求1所述的蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，步骤2中，所述的潜在的D2D通信业务，是指UE通信对处在同一小区内，且两者间隔距离满足限制，符合D2D通信条件。

4.根据权利要求3所述的蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，所述限制是指UE通信对之间的间距小于某一阈值。

5.根据权利要求1所述的蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，步骤2中，所述的通信模式选择过程被触发的时刻，是指UE更新其通信模式的时刻，UE需要根据网络中其他UE通信情况的变化实时地更新自己的通信模式。

6.根据权利要求1所述的蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，步骤3中，UE获取的混合策略是基站最近广播的混合策略，两种通信模式下的混合策略为Z＝[z_BS,z_D2D]，UE根据该混合策略进行通信模式的选择，所述通信模式的选择过程包括：UE随机产生一个0到1的数，记为p，若p<z_BS，则UE选择BS模式，否则，UE选择D2D模式。

7.根据权利要求1所述的蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，所述步骤4，具体为：UE确定通信模式后，根据此通信模式下的资源分配方式获取无线资源，建立通信连接，进行数据传输，其中，获取无线资源的方式包括：

BS模式下的资源分配由基站控制，依据传统的蜂窝通信资源调度机制进行分配；

D2D模式下，UE能够对其周围一定范围内的无线环境进行感知，为了降低各链路之间的干扰，UE选择该范围内使用最少的、或者干扰量最小的子信道作为其通信的频谱资源。

8.根据权利要求1所述的蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，步骤4中，所述的确定下一次通信模式更新的时间采用随机的方式，以尽量打散每个UE更新通信模式的时间，所述随机的方式包括：UE在某个范围内随机产生一个退避时长来确定下一次通信模式更新的时间，即产生退避时长的时刻开始计时，结束退避时长的时刻触发UE重新选择通信模式。

9.根据权利要求1所述的蜂窝系统中基站辅助控制的D2D通信方法，其特征在于，步骤4中，所述的当前通信模式下的收益信息，包括：目前采用的通信模式的标志、以及在该通信模式下UE进行通信实际所达到的吞吐率信息。