CN103379502B - 一种蜂窝网络中引入d2d技术的频谱资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝网络中引入D2D技术的频谱资源分配方法，包括如下步骤：(1)在下行时隙，D2D用户将接收到的来自相邻各小区基站的信号视作干扰信号，对接收到的干扰信号按信号强度的大小进行排序，D2D用户将该排序信息上报给本小区基站；(2)本小区基站根据接收到的排序信息对D2D通信用户的方位作出判断，基站认定D2D用户距离相邻小区基站越近，接收到该基站的干扰信号强度越大，反之则越小；(3)本小区基站根据排序信息找到距离D2D用户最远的相邻小区基站，利用此基站协助本小区基站选择合适的蜂窝用户频谱资源供D2D链路复用。

Description

一种蜂窝网络中引入D2D技术的频谱资源分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种蜂窝网络中引入D2D技术的频谱资源分配方法。

背景技术

随着移动通信的发展，第三代移动通信已经商用。业界正投入更多的努力到下一代无线通信网络的发展中，例如3GPP的长期演进（LTE/LTE-A）。LTE-A作为第四代移动通信系统IMT-Advanced的候选标准之一，在一定程度上满足了IMT-A提出的兼容性、峰值传输速率以及频谱效率的要求。与此同时，无线蜂窝通信网络的高速率、大容量以及更高的服务质量（QoS）已是必然趋势，如何更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。尤其是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，即两个终端设备相邻很近，终端设备之间的通信仍须通过基站进行，即在一定场景下其资源使用效率并不高。

为了提高频谱资源使用效率，降低蜂窝网的负载，获得更高的系统容量，蜂窝网络下的终端直通（Device-to-Devicecommunication，D2D）技术研究日益受到重视。在基站控制下D2D链路的终端之间的通信有两种模式，一种是传统的通信模式，另一种是终端之间直接进行数据通信，从而降低空口资源的占用，提高系统吞吐率。同时由于终端之间直通,不需要经过基站转发，可以减少通信延时。另外D2D终端之间进行短距离通信，发送功率较传统通信要低，又可以节省终端能量。

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、组织者，可以利用D2D通信技术，向参与者发送相同的数据内容，即时可靠地完成服务。此外，D2D技术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（未授权频段的WLAN、蓝牙）相比，蜂窝通信系统中的D2D通信在基站的控制下，使用基站分配的授权频带资源，基站可以控制系统干扰水平以获得更高的数据率，同时无需像在WLAN及蓝牙中那样进行繁琐的手动配对以及接入点设置，从而改善用户体验，便于业务推广。

目前对于引入D2D通信的蜂窝系统的资源分配问题的研究，通常采用的一种方法是将单小区基站可以定位D2D用户的位置作为假设条件，虽然这种假设对于基站BS为D2D分配资源起到了简化作用，但是实际实现有困难。另外一种方法是计算出D2D用户的干扰范围，然后再寻求合适的蜂窝用户资源供D2D用户复用，这种方法算法复杂度较高，加大了系统开销。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蜂窝网络中引入D2D技术的频谱资源分配方法，既不需要获取D2D用户的具体位置，也不需要D2D用户计算自身的干扰范围，有效的提高了实际操作性，同时信令简单、复杂度低，降低了系统开销。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

假设蜂窝系统中存在n个蜂窝用户（C用户），1对D2D用户，该资源分配方法的具体步骤为：

(1)在下行时隙，D2D用户将接收到的来自相邻各小区基站的信号视作干扰信号，对接收到的干扰信号按信号强度的大小进行排序，D2D用户将该排序信息上报给本小区基站；

(2)本小区基站根据接收到的排序信息对D2D通信用户的方位作出判断，基站认定D2D用户距离相邻小区基站越近，接收到该基站的干扰信号强度越大，反之则越小；

(3)本小区基站根据排序信息找到距离D2D用户最远的相邻小区基站，利用此基站协助本小区基站选择合适的蜂窝用户频谱资源供D2D链路复用。

所述步骤（1）是指：在蜂窝系统中，小区内两个终端之间需要建立D2D链路，而基站无剩余的频谱资源分配给D2D链路；基站需要协调本小区的蜂窝用户与D2D用户共享频谱资源。

所述步骤（2）的具体步骤为：本小区的基站接收到D2D用户上报的排序信息后，根据排序信息对D2D用户的方位作出判断；假设与本小区相邻的六个小区的基站发送功率相同为P_t，信号传输路径只考虑大尺度衰落的影响，那么D2D用户接收到的信号可以表示为：

r_i=cP_t(d_i)^-α（1）

d_i表示D2D用户与第i个相邻小区基站之间的距离，c和α是路径损耗常数；因此，根据排序信息o得到：P_k=min{|r₁|²,|r₂|²,…,|r₆|²}，P_j=max{|r₁|²,|r₂|²,…,|r₆|²}，k=1,2,3,…,6，j=1,2,3,…,6，j≠k，其中|r_i|²表示D2D用户接收相邻小区基站信号的功率，P_k，P_j表示D2D用户接收相邻小区基站信号功率的最大值和最小值；由P_k，P_j与公式（1）得到距离D2D用户最近的小区j和最远的小区k；根据距离D2D用户最近的相邻小区判断出D2D用户所处的方位，根据距离D2D用户最远的相邻小区确定所要复用资源的蜂窝用户的方位。

在引入D2D通信的蜂窝网络中，如何协调D2D用户与C用户之间的同频干扰是研究的重点问题。距离D2D用户最远的小区可以确定共享频谱资源的C用户的方位，具体为：假设k小区距离D2D用户最远，此时蜂窝小区内的所有C用户（即所要复用资源的蜂窝用户）需将接收到的k小区基站的信号强度上报给基站BS，l=1,2,…,n，l表示C用户序号，BS对接收到的上报信息作出判断：

$P_k^{l_{\mathrm{re}}}=\max \{{\left|r_k^1\right|}^2,{\left|r_k^2\right|}^2,...{\left|r_k^n\right|}^2\}---\left(2\right)$

l_re表示与D2D用户共享频谱资源的C用户的序号，表示蜂窝用户接收k基站信号强度的最大值；因为蜂窝小区内距离k小区基站最近即距离D2D用户最远的C用户接收到的信号强度最大，所以根据C用户接收到的k小区基站的信号的功率大小，本小区基站BS就可以为D2D用户分配相应的频谱资源。

本发明的有益效果是：

本发明针对蜂窝网络中存在的一对D2D用户通信的场景，提出一种简单的D2D用户复用蜂窝用户频率资源的方法，使它们通过共享频谱资源进行通信。本发明方法通过相邻小区基站来协助本小区基站完成对D2D用户的方位的确定，通过邻小区基站协助寻找到受D2D用户通信干扰最小的蜂窝用户，从而复用此蜂窝用户的频谱资源，这种方法可以有效的减小D2D用户复用蜂窝用户的资源时对蜂窝用户的干扰。同时，本方法对于蜂窝小区中存在多对D2D用户的情况同样适用，当蜂窝小区中D2D用户对的数量增加时，系统的容量会显著的提升。

附图说明

图1是本发明方法所应用的场景实例；

图2是通过计算机仿真得到的与D2D用户共享资源的C用户示意图；

图3(a)随着系统中蜂窝用户的增多采用随机选择C用户和本方法容量对比图；

图3(b)随着系统中D2D用户的增多采用随机选择C用户和本方法容量对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

为了便于理解，本发明以LTE-A系统下的D2D通信网络为例，来说明在蜂窝网络引入D2D技术，本小区基站通过相邻小区基站协助的方法来为D2D用户确定共享频谱资源的蜂窝用户，从而完成对D2D通信链路的频谱资源分配。假设系统有20MHz带宽，有i个蜂窝用户，有一对D2D用户，这里的D2D用户数可以是不同的。本发明对所有具有这种网络结构模型的场景都普遍适用的，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频谱资源。

下面结合仿真和附图对本发明做详细描述。具体包括以下步骤：

1）图1中DUE1，DUE2为D2D用户，DUE1与DUE2之间建立D2D通信链路，CUE1，CUE2，……，CUEi为蜂窝用户，基站BS₀为i个蜂窝用户分配独立的频谱资源。根据3GPPTR25.913定义的LTE系统需求指标，单个小区占用系统带宽为20MHz，每个蜂窝用户占用t个基本资源块（180KHz）（t=1,2,3,…,n）。在下行时隙，D2D用户接收到相邻小区基站eNB_i的信号r_i，i=1,2,3,…,6，D2D用户将接收到的信号r_i视作干扰信号。D2D信号对接收到的信号按强度大小进行排序o=O{|r₁ ^|2,|r₂|²,…,|r₆|²}，o表示从大到小的排序信息。D2D用户将该排序信息上报给本小区基站eNB₀。

2）基站eNB₀接收到D2D用户上报的排序信息后，根据排序信息对D2D用户的方位作出判断。假设与本小区相邻的六个小区的基站发送功率相同为P_t，信号传输路径只考虑大尺度衰落的影响，那么D2D用户接收到的信号可以表示为：

r_i=cP_t(d_i)^-α（1）

d_i表示D2D用户与第i个相邻小区基站之间的距离，c和α是路径损耗常数。因此，根据排序信息o得到：P_k=min{|r₁|²,|r₂|²,…,|r₆|²}，P_j=max{|r₁|²,|r₂|²,…,|r₆|²}，k=1,2,3,…,6，j=1,2,3,…,6，j≠k。其中|r_i|²表示D2D用户接收相邻小区基站信号的功率，P_k，P_j表示D2D用户接收相邻小区基站信号功率的最大值和最小值。由P_k，P_j与公式（1）可以得到距离D2D用户最近的小区j和最远的小区k。根据距离D2D用户最近的相邻小区就可以判断出D2D用户所处的方位，根据距离D2D用户最远的小区可以确定所要复用资源的C用户的方位。

3）根据步骤2）所述，距离D2D用户最远的小区可以确定共享频谱资源的C用户的方位。假设k小区距离D2D用户最远，此时蜂窝小区内的所有C用户需将接收到的k小区基站的信号（l=1,2,…,n，l表示C用户序号）强度上报给基站eNB₀，eNB₀对接收到的上报信息作出判断：

$P_k^{l_{\mathrm{re}}}=\max \{{\left|r_k^1\right|}^2,{\left|r_k^2\right|}^2,...{\left|r_k^n\right|}^2\}---\left(2\right)$

l_re表示与D2D用户共享频谱资源的C用户的序号，表示蜂窝用户接收k基站信号强度的最大值。因为蜂窝小区内距离k小区基站最近即距离D2D用户最远的C用户接收到的信号强度最大，所以根据C用户接收到的k小区基站的信号的功率大小，本小区基站eNB₀就可以为D2D用户分配相应的频谱资源。

图2通过计算机仿真给出了蜂窝小区内任意建立D2D通信后，在小区内找到了最佳的C用户。从图3(a)、图3(b)可以看出本发明所述资源分配方法对整个系统的容量有较大的提升。

Claims (3)

1.一种蜂窝网络中引入D2D技术的频谱资源分配方法，其特征在于，假设蜂窝系统中存在n个蜂窝用户，1对D2D用户，该资源分配方法的具体步骤为：

(1)在下行时隙，D2D用户将接收到的来自相邻各小区基站的信号视作干扰信号，对接收到的干扰信号按信号强度的大小进行排序，D2D用户将该排序信息上报给本小区基站；

(2)本小区基站根据接收到的排序信息对D2D通信用户的方位作出判断，基站认定D2D用户距离相邻小区基站越近，接收到该基站的干扰信号强度越大，反之则越小；

(3)本小区基站根据排序信息找到距离D2D用户最远的相邻小区基站，利用此基站协助本小区基站选择合适的蜂窝用户频谱资源供D2D链路复用；

其中，步骤(2)的具体步骤为：

本小区的基站接收到D2D用户上报的排序信息后，根据排序信息对D2D用户的方位作出判断；假设与本小区相邻的六个小区的基站发送功率相同为P_t，信号传输路径只考虑大尺度衰落的影响，那么D2D用户接收到的信号表示为：

r_i＝cP_t(d_i)^-α(1)

d_i表示D2D用户与第i个相邻小区基站之间的距离，c和α是路径损耗常数；因此，根据排序信息得到：P_k＝min{|r₁|²,|r₂|²,...,|r₆|²}，P_j＝max{|r₁|²,|r₂|²,...,|r₆|²}，k＝1,2,3,...,6，j＝1,2,3,...,6，j≠k，其中|r_i|²表示D2D用户接收相邻小区基站信号的功率，P_k，P_j分别表示D2D用户接收相邻小区基站信号功率的最大值和最小值；由P_k，P_j与公式(1)可以得到距离D2D用户最近的小区j和最远的小区k；根据距离D2D用户最近的相邻小区可以判断出D2D用户所处的方位，根据距离D2D用户最远的相邻小区可以确定所要复用资源的蜂窝用户的方位。

2.如权利要求1所述一种蜂窝网络中引入D2D技术的频谱资源分配方法，其特征在于，所述步骤(1)是指：

在蜂窝系统中，小区内两个终端之间需要建立D2D链路，而基站无剩余的频谱资源分配给D2D链路；基站需要协调本小区的蜂窝用户与D2D用户共享频谱资源。

3.如权利要求1所述一种蜂窝网络中引入D2D技术的频谱资源分配方法，其特征在于，假设k小区距离D2D用户最远，此时蜂窝小区内的所有蜂窝用户需将接收到的k小区基站的信号强度上报给基站BS，l＝1,2,...,n，l表示C用户序号，BS对接收到的上报信息作出判断：

$P_k^{l_{re}}=\max \left\{\right|r_k^1{|}^2,|r_k^2{|}^2,\mathrm{...},|r_k^n{|}^2\}---\left(2\right)$

l_re表示与D2D用户共享频谱资源的蜂窝用户的序号，表示蜂窝用户接收k基站信号强度的最大值；因为蜂窝小区内距离k小区基站最近即距离D2D用户最远的蜂窝用户接收到的信号强度最大，所以根据蜂窝用户接收到的k小区基站的信号的功率大小，本小区基站BS就可以为D2D用户分配相应的频谱资源。