CN103369681A - 蜂窝网中多用户参与的m2m通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法，首先确定参与共享的蜂窝用户集合，所述蜂窝用户集合由与M2M用户之间信道增益最小的K个蜂窝用户构成；其次确定所述蜂窝用户集合中每个蜂窝用户提供的资源块的比例，设备可以占用多个蜂窝用户的部分资源块，这样既保证了M2M通信的通信质量，又将其对蜂窝用户的干扰进行了“平均化”，仿真结果表明，相对于传统的单个蜂窝用户参与共享的资源分配协议，在尽量不影响设备对设备通信的前提下，本发明能够有效提高参与资源共享的蜂窝用户的通信稳定性以及整个网络的总吞吐量。

Description

蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域中设备对设备（M2M，Machine-to-Machine communication）通信的资源分配(Resource Allocation)设计方法，尤其涉及一种多个蜂窝用户参与共享的资源分配实现方法。

背景技术

近年来，随着新无线通信业务的不断涌现以及人们对通信质量要求的不断上升，无线资源日显紧缺。然而5GHz以下的频谱已经几乎被全部占用，无法配置新的专有资源给无线通信。这一现象促进了人们对下一代无线通信系统的研究，其中IMT-Advanced系统允许蜂窝网中的设备不通过基站直接进行相互间的通信，从而提高频谱利用率。蜂窝网中的M2M通信可以降低小区间干扰、减轻基站的工作压力、提高无线资源的空间利用率，增大系统的数据传输速率。同时，M2M通信可能会带来更短的通信时延。随着可持智能设备数目的大幅度增加，M2M通信必将成为无线通信的重要组成部分。

与认知无线系统相比，M2M通信实现更加简单。这是因为蜂窝网中的M2M通信是在基站的控制下进行的，而在认知系统中，次级用户不受主用户控制。此区别使得M2M通信相比于认知用户检测“频谱空穴”的方法更易操作。

与使用非授权频段的无线局域网相比，使用授权频段通信的M2M更加可靠，因为M2M可以保证用户在有干扰控制机制和QoS保障的环境中通信。除此之外，与蓝牙、Wi-Fi等相比，蜂窝网中的M2M通信可以带来更好的用户体验。首先，蜂窝网可以在小区中广播本地服务的可用信息，通过自主服务发现机制，避免了设备不断扫描可用局域网的过程，节约功率。其次，蜂窝网可以为M2M通信设备提供加密技术，避免了手动配对或输入密码的过程。对用户来说，M2M链路的建立和模式的切换都是透明的。

M2M的通信范围决定于可用的传输功率和通信环境的干扰大小，通常为几十米。适合的应用场景有办公区域、校园、音乐会场等设备聚集的场所。在这些场所，蜂窝通信有时会出现容量不足的现象，而M2M的采用可以有效的缓解基站压力，增大接入概率。

M2M通信的研究逐渐吸引了世界各国的研究者的目光。在蜂窝网中添加M2M通信，首要解决的问题是如何实现蜂窝链路和M2M链路的资源共享，并优化资源共享方案。文献[1]提出了一种蜂窝通信和M2M通信进行正交资源共享的方式，即蜂窝链路和M2M链路占用不同的资源块，两者之间不存在干扰。这种共享方式操作简单，但是资源利用率仍有很大的提升空间，特别是对于使用较大带宽的系统来说。文献[2]介绍了一种非正交资源共享方法，即蜂窝链路和M2M链路占用相同的无线资源。此时，两种链路之间会存在相互干扰，但是资源利用率高。在正交共享中可以通过调整M2M链路和蜂窝链路各占用资源多少的比例在蜂窝网络优先级和M2M通信次优先级之间得到一个折中。然而在使用非正交共享时，由于两者使用相同资源，这种方法是行不通的。网络中的干扰大小取决于两个主要因素：M2M链路和蜂窝链路各采用的发射功率以及具体的资源分配协议。为了保证蜂窝用户的通信质量，控制M2M发射节点的功率低于一定的门限是减小干扰最直接的方法（文献[3]）。但是这样会严重的影响M2M通信的可靠性。因此应该将主要精力集中在如何设计资源分配协议，使得基站能够更加智能地选择要被复用的资源，从而在增加网络容量的同时，最小化干扰带来的影响。文献[4]就是遵循这样的宗旨，将资源分配方案抽象为一个MINLP(Mixed interfere nonlinear programming)问题，并且设计了一种启发式贪婪算法，利用信道增益信息最小化M2M链路带来的干扰。

然而，在传统的资源分配方案中，当设备获得基站的允许可复用某个蜂窝用户的资源时，此设备就可以占用其所有的资源块。这种做法会导致参与共享后，蜂窝用户的通信质量有很大幅度的下降。同时，又因为通常在网络中蜂窝用户的数目要远大于正在通信的设备对的个数，所以M2M链路只复用一个蜂窝用户资源的做法是很浪费的。如何克服传统资源分配方案的这些缺点是设计更高效更合适的资源共享协议的关键。

参考文献：

[1]P.J’anis,C.-H.Yu,K.Doppler,C.Ribeiro,C.Wijting,K.Hugl,O.Tirkkonen,and V.Koivunen,“Device-to-device communicationunderlayingcellular communications systems,”International J.Commun.,Network Syst.Sciences,vol.2,no.3,June2009.

[2]Chia-Hao Yu,Klaus Doppler,“Resource Sharing Optimization forDevice-to-Device Communication Underlying Cellular Networks”,IEEETRANS.On Wireless Communications,AUGUST2011.

[3]Chia-Hao Yu,Olav Tirkkonen,Klaus Doppler and CassioRibeiro,“Onthe performance of Device to Device underlay communication with simplepower control”,In Proc.IEEE Vehicular Technology Conference2009.

[4]Mohammad Zulhasnine,Changcheng Huang,AnandSrinivasan,“Efficient Resource Allocation for Device-to-DeviceCommunication Underlaying LTE Network”,inIEEE6th InternationalConference on Wireless and Mobile Computing,Networking andCommunications,2010.

发明内容

本发明的目的在于提供一种蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

首先确定参与共享的蜂窝用户集合，所述蜂窝用户集合由与M2M用户之间信道增益最小的K个蜂窝用户构成，K>1；其次确定所述蜂窝用户集合中每个蜂窝用户提供的资源块的比例。

定义

为M2M对d占用蜂窝用户c的资源块的比例，则

应同时满足：①

与G_cd成反比；②

其中，G_cd为蜂窝用户c与M2M对d的接收端之间的信道增益，D表示M2M对的集合。

所述采用硬判决函数或者软判决函数进行计算，硬判决函数如式（1）所示，软判决函数如式（2-1）或式（2-2）所示：

$q_c^d=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{3\mathrm{\βK}},& G_{\mathrm{cd}}>G_{\mathrm{th}}\\ \frac{2}{3\mathrm{\βK}},& G_{\mathrm{cd}}\≤G_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$q_c^d=\frac{2}{\mathrm{\βK\π}}\arctan \left(\frac{1}{\mathrm{\α}{G}_{\mathrm{cd}}}\right)---(2-1)$

$q_c^d=\frac{1}{\mathrm{\βK}}(1-e^{-\frac{1}{\mathrm{\α}{G}_{\mathrm{cd}}}})---(2-2)$

其中，α为函数衰落系数，β为归一化系数，G_th为硬判决阈值。

所述资源分配方法还包括以下步骤：

所述每个蜂窝用户提供的资源块的比例确定后，判断蜂窝通信和M2M通信是否满足规定的信干噪比要求，当且只有当蜂窝通信和M2M通信都满足所述信干噪比要求时，按照每个蜂窝用户提供的资源块的比例分配资源块，否则M2M通信无法建立。

为了避免M2M对反复占用某一个蜂窝用户的资源块，将每次分配时提供资源块最多的蜂窝用户在下一次资源分配之前从参与共享的蜂窝用户集合中去除。

本发明利用网络中的信道增益信息和香农公式，通过分析蜂窝用户通信速率与共享其资源的M2M用户的关系，得出结论：要想最小化资源共享所带来的干扰，首先应该使得与M2M用户之间信道增益小的蜂窝用户构成参与共享的用户集。其次，在此用户集中，对于每个蜂窝用户，设计其提供资源块的比例，最后通过计算两种通信是否满足规定的信干噪比要求来判断此次资源分配是否成功。

本发明所述方法是一种多用户参与的部分资源分配方案（PRA机制，Part-Allocation of Multi-users’Resources Protocol），其不同于传统的单用户参与共享机制，能够通过使M2M用户分享多个蜂窝用户的部分资源块的方式，有效利用网络中的可用信道资源，为混合网络中的蜂窝用户提供更好的通信保障，同时使得M2M用户之间可以实现直接通信，有效的提高了网络容量。

附图说明

图1为蜂窝网中设备对设备通信示意图；

图2为无线资源的结构；

图3为本发明所述蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法的资源分配说明图；

图4为单用户参与共享机制和多用户参与共享机制下的系统容量仿真曲线图；

图5为单用户参与共享机制和多用户参与共享机制下的系统稳定性仿真曲线图；

图6为单用户参与共享机制和多用户参与共享机制下的M2M通信速率的仿真曲线图；

图7为不同共享比例确定函数（arctan function：软判决函数，式2-1；exponential function：软判决函数，式2-2；step function：硬判决函数）下的系统容量；

图8为不同共享比例确定函数下的系统稳定性；

图9为不同共享比例确定函数下的M2M通信速率；

其中UE表示蜂窝用户，D₁和D₂表示M2M对，BS表示基站，L表示M2M对之间的距离，d₁表示基站到M2M对之间的距离，c₁和c₂表示基站到蜂窝用户之间的距离；Resource Block表示资源块，Time表示时间轴，Frequency表示频率轴；RB表示资源块；SNR表示信噪比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种蜂窝网中基于多用户参与的M2M通信资源分配方案，具体介绍如下：

首先参见图1来说明在蜂窝网中添加设备对设备通信的系统模型。考虑单个小区中的通信，并且不失一般性的假定小区间干扰已经通过干扰控制机制得到了很好的处理。同时假设基站可以获得网络的信道状态信息。在混合通信中，基站可以探测到即将进行通信的M2M对，并且在为蜂窝用户分配资源后，按照设计的资源分配方案再为M2M通信分配共享资源。小区中包含多个蜂窝用户(UE₁和UE₂)以及一个M2M对(D₁和D₂)。由于D₁和D₂之间的距离较近，所以采用直接通信的方式取代蜂窝方式。

下面参见图2来说明如何将无线资源分割成多个资源块以简化资源分配方案的复杂度。每个资源块是由T时间内的N_F个连续载波构成的。此时分配资源时，可能会造成M2M链路通信资源载波不连续的情况。但是随着载波聚合技术的逐渐成熟，可以很好的消除设计灵活的资源分配方案时的顾虑。

下面参见图3来说明本发明所述分配方案（即分配协议）的过程。

1.确定参与共享的用户集，而不是限制只有一个蜂窝用户共享资源块；

将无线资源分成多个资源块，每个资源块由T时间内的N_F个连续载波构成，从而简化了资源分配方案，将其转化为对资源块的分配。对蜂窝用户来说，其资源块分为两类：一类被M2M用户所占用，另一类未被M2M用户所占用。显而易见，这两种资源块上的信干噪比不同，其系统容量也不同，未参与共享的资源块的接收端信干噪比要高一些。两种资源块上的信噪比不同，其系统容量不同，设计合理的共享比例既可以保证蜂窝用户通信稳定性，又可以满足设备间通信的要求。

利用香农公式以及网络中的信道增益信息，分析用户信干噪比的表达式，在下行通信链路中，蜂窝链路的接收用户会受到来自M2M链路发射端的干扰，同时M2M链路的接收端也会受到基站发射信号的干扰。两类资源块的信干噪比表达式分别如下：

被共享的资源块信干噪比：

未被共享的资源块信干噪比：

而得到资源块的M2M对，其信干噪比为：

其中，G_Bc、G_cd和G_dd分别为基站与蜂窝用户之间，蜂窝用户与M2M对接收端之间，以及M2M对发射端和接收端之间的信道增益；P_B和P_d为基站和设备的发射功率；N₀、I为噪声和干扰功率。

定义

代表M2M对d占用蜂窝用户c的资源块的比例，n_c代表蜂窝用户c的资源块数目。通过香农定理，就可以获得下行通信时M2M对d在一个资源块上的最大传输速率

以及蜂窝用户在一个共享资源块和一个未共享资源块上的容量

和

则系统的总传输速率（蜂窝链路和M2M链路的系统容量之和）为：

$r^{\mathrm{DL}}=\underset{C}{\mathrm{\Σ}}(1-\underset{D}{\mathrm{\Σ}}{q}_c^d)n_c{\tilde{r}}_c^{\mathrm{DL}}+\underset{C}{\mathrm{\Σ}}\underset{D}{\mathrm{\Σ}}{q}_c^d{n}_c(r_c^{\mathrm{DL}}+r_d^{\mathrm{DL}})$

其中C和D分别代表蜂窝用户集和M2M对用户集。对于那些没有参与共享的蜂窝用户，其

通过分析蜂窝用户通信速率与共享其资源块的M2M用户的关系，可以得出结论：要想最小化资源共享所带来的干扰，应该使得与M2M用户之间信道增益最小的K个蜂窝用户构成参与共享的用户集，K为可选参数，K>1。

2.在参与共享的用户集中，对于每个蜂窝用户，设计其提供资源块的比例，而不是允许M2M用户占用其所有的资源块；

设置合理的资源块分享比例可以极大的优化蜂窝用户和M2M用户的通信质量，既使得蜂窝用户拥有自己的专有资源，将M2M对其产生的干扰控制在一定范围内，又可以保证了M2M所分享的资源块足够其通信使用。换句话说，分享比例的确定是在蜂窝用户的优先权和M2M通信的可靠性之间取得一个折中。

所以，本发明限制分享比例必须满足两个条件：

条件①表示对于单个设备对d，其总共共享的资源块数目不能超过每个蜂窝用户所拥有的资源块，以保证蜂窝用户的优先地位。条件②保证了每一个蜂窝用户的资源块都不会被全部分享。为了使得多用户参与的设备对设备通信的资源共享方案相对于传统的资源共享机制来说，不过多地减少M2M对所拥有的资源块，所以条件①应在小于1的基础上尽可能的接近1。

然而，在以上两个限制下，最大化下行系统容量的优化问题可表示为：

$\underset{q_c^d}{\max }\left\{r^{\mathrm{DL}}\right\}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_c^{\mathrm{DL}}\≥{\mathrm{\γ}}_{c,\mathrm{thd}}^{\mathrm{DL}}\\ {\mathrm{\γ}}_d^{\mathrm{DL}}\≥{\mathrm{\γ}}_{d,\mathrm{thd}}^{\mathrm{DL}}\\ \underset{C}{\mathrm{\Σ}}{q}_c^d\≤1\\ \underset{D}{\mathrm{\Σ}}{q}_c^d\≤1\end{array}\right.$

此优化问题难以从数学上解决，需要设计合理的机制来获得次优容量。通过分析发现：为了减小干扰，参与共享的蜂窝用户集中，每个用户的共享比例应该随着它们与M2M对之间增益G_cd的增大而减小，因为距离M2M对越远的蜂窝用户受到其干扰越小，可以提供更多的资源块。所以，本发明要求共享比例

与G_cd成反比；

本发明采用两种满足以上条件的分配比例（共享比例）确定函数。一种称为硬判决函数，这种函数设置一个或多个阈值，不同蜂窝用户的G_cd值落于不同的阈值范围内时，

值不同；落于相同的阈值范围内时，值相同。也就说可选

值只有有限个。举例如下：

$q_c^d=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{3\mathrm{\βK}},& G_{\mathrm{cd}}>G_{\mathrm{th}}\\ \frac{2}{3\mathrm{\βK}},& G_{\mathrm{cd}}\≤G_{\mathrm{th}}\end{array}\right.$

另一种共享比例确定函数称为软判决函数，即

值随G_cd连续变化，下面两个函数都满足限制条件：

$q_c^d=\frac{2}{\mathrm{\βK\π}}\arctan \left(\frac{1}{\mathrm{\α}{G}_{\mathrm{cd}}}\right)$

或

$q_c^d=\frac{1}{\mathrm{\βK}}(1-e^{-\frac{1}{\mathrm{\α}{G}_{\mathrm{cd}}}})$

比例确定函数中，K表示下行时参与共享的蜂窝用户数，α是函数衰落系数，β为归一化系数，G_th为硬判决阈值，本发明中采用的G_th的取值要保证大于和小于G_th的G_cd个数相同。

3.计算此分配策略下，两种通信（蜂窝通信和M2M通信）是否满足所规定的信干噪比要求，从而判断此次资源分配是否成功。

当且只有当两种通信都满足了信干噪比要求，才按照设计的共享用户集和共享比例分配资源块；否则这对设备之间无法直接进行通信，需要考虑其他通信方式，比如蜂窝方式。

4.如果成功，将

最大的蜂窝用户从可选蜂窝用户集中去除，更新可用蜂窝用户集。

当M2M对过于集中时，为了避免重复占用某一个蜂窝用户的资源块，将每次分配时提供资源块最多的蜂窝用户在下一次资源分配之前就从可用蜂窝用户集中去除。

为了验证本发明提出的基于多用户参与共享的设备对设备通信的资源共享方案的性能，在MATLAB下仿真了该方案。同时比较了相对于传统资源分配机制（traditional resource allocation scheme），本发明的新资源共享方案的优势。其中在传统资源分配机制[文献4]中，基站选出D个信道增益G_Bc最大的蜂窝用户作为共享用户集，D个M2M对相继从中选择一个使得干扰增益G_cd最小的蜂窝用户，并且共享选中蜂窝用户的所有资源块。基站与蜂窝用户之间的信道考虑宏观路径损耗PL_dB,B,c，则信道增益计算如下：

$G_{\mathrm{Bc}}={10}^{\frac{-{\mathrm{PL}}_{\mathrm{dB},B,c}}{10}}$

而在M2M通信中，发射端和接收端之间的信道增益为：

$G_{\mathrm{dd}}=K_{\mathrm{dd}}{L}_{\mathrm{dd}}^{-\mathrm{\α}}$

其中L_dd为M2M对收发端之间的距离，α为路径损耗指数，K_dd是与无线通信环境相关的归一化常数。

首先，采用软判决函数arctan作为共享比例确定函数。

考虑如下三个衡量指标：

1.系统总速率：系统总速率包含蜂窝用户的速率以及M2M链路的速率；

2.系统稳定性：衡量M2M通信对蜂窝通信的影响。定义R_rdc为M2M链路加入通信网络后，蜂窝用户通信速率的下降值，R_c为M2M未加入网络时，蜂窝用户的总速率。则系统稳定性可以表示为：

$\mathrm{\η}=1-\frac{R_{\mathrm{rdc}}}{R_c}$

控制这个参数值低于一定值，可以保证蜂窝用户有一个稳定的通信环境。

3.M2M通信速率

考虑小区中有一个M2M对和五个蜂窝用户的情况。

图4给出了在本发明提出的多用户参与的部分资源分配机制（简称，PRA机制）和传统资源分配机制下系统的总容量。从仿真结果可以看出，使用PRA机制可以带来系统容量的提升。这是因为PRA机制降低了系统之中的干扰，改善了通信环境，在相同资源块下，系统可以传输更多数。同时，参与通信的蜂窝用户数目K越大，性能提升越明显。

从图5中能够发现，使用传统资源分配方法，蜂窝用户的传输速率会发生很大程度的下降。而本发明提出的PRA机制可以极大地改善系统的稳定性，这是由于每个蜂窝用户都保留有一些专有资源块不受M2M通信影响，从而减轻了M2M通信对蜂窝通信的影响。

图6给出了在传统分配机制和PRA机制下的M2M通信速率。可以发现，虽然PRA机制严格控制M2M链路的资源共享比例，但是，由于M2M对可以共享多个蜂窝用户的资源块，所以其占用的资源与传统分配机制是相同的，所以本专利提出的PRA机制不会影响M2M通信的性能。换句话说，在新机制中，多个蜂窝用户将M2M通信带来的“负担”分担了。

最后，图7、8、9分别给出在不同共享比例确定函数下，使用PRA机制得到的系统总容量、系统稳定性和M2M通信速率（α=4）。通过比较可以得出，软判决函数在系统容量和系统稳定性两方面都具有优势。这是因为，硬判决函数只是根据信道状态信息粗略的判定了各个蜂窝用户的共享比例，其减小干扰的效果不如软判决函数。然而，M2M对在这两种函数下可获的资源块数目是相同的，所以其通信速率不变。

总之，本发明基于非正交共享而设计，目标是在不影响蜂窝用户通信质量的前提下，通过基站的智能调度，使得M2M用户复用合适的无线资源进行通信。协议中，设备可以占用多个蜂窝用户的部分资源块，这样既保证了M2M通信的通信质量，又将其对蜂窝用户的干扰进行了“平均化”。本发明中，还给出了在本协议下资源分配的优化方法，首先为其建立数学模型，再设计相应的算法将其很好的解决。仿真结果表明，相对于传统的单个蜂窝用户参与共享的资源分配协议，在尽量不影响设备对设备通信的前提下，本发明能够有效提高参与资源共享的蜂窝用户的通信稳定性以及整个网络的总吞吐量。

Claims (5)

1.一种蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法，其特征在于：该资源分配方法包括以下步骤：

首先确定参与共享的蜂窝用户集合，所述蜂窝用户集合由与M2M用户之间信道增益最小的K个蜂窝用户构成，K>1；其次确定所述蜂窝用户集合中每个蜂窝用户提供的资源块的比例。

2.根据要求1所述一种蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法，其特征在于：定义

为M2M对d占用蜂窝用户c的资源块的比例，则

应同时满足：

与G_cd成反比；

其中，G_cd为蜂窝用户c与M2M对d的接收端之间的信道增益，D表示M2M对的集合。

3.根据要求2所述一种蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法，其特征在于：所述

采用硬判决函数或者软判决函数进行计算，硬判决函数如式（1）所示，软判决函数如式（2-1）或式（2-2）所示：

$q_c^d=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{3\mathrm{\βK}},& G_{\mathrm{cd}}>G_{\mathrm{th}}\\ \frac{2}{3\mathrm{\βK}},& G_{\mathrm{cd}}\≤G_{\mathrm{th}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$q_c^d=\frac{2}{\mathrm{\βK\π}}\arctan \left(\frac{1}{\mathrm{\α}{G}_{\mathrm{cd}}}\right)---(2-1)$

$q_c^d=\frac{1}{\mathrm{\βK}}(1-e^{-\frac{1}{\mathrm{\α}{G}_{\mathrm{cd}}}})---(2-2)$

其中，α为函数衰落系数，β为归一化系数，G_th为硬判决阈值。

4.根据要求1所述一种蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法，其特征在于：所述资源分配方法还包括以下步骤：

所述每个蜂窝用户提供的资源块的比例确定后，判断蜂窝通信和M2M通信是否满足规定的信干噪比要求，当且只有当蜂窝通信和M2M通信都满足所述信干噪比要求时，按照每个蜂窝用户提供的资源块的比例分配资源块，否则M2M通信无法建立。

5.根据要求1所述一种蜂窝网中多用户参与的M2M通信资源分配方法，其特征在于：为了避免M2M对反复占用某一个蜂窝用户的资源块，将每次分配时提供资源块最多的蜂窝用户在下一次资源分配之前从参与共享的蜂窝用户集合中去除。

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