CN103533529A - 一种提高d2d系统能效的资源复用的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高D2D系统能效的资源复用的方法，S1、对D2D用户对的发射端和接收端进行位置估计，获取位置信息；S2、根据位置信息判断发送端到接收端的距离是否大于阈值，如果大于则选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点并进入S3，否则直接进入S3；S3、对基站为其分配资源的蜂窝用户与每组D2D用户对分别进行组合，建立能效矩阵和速率矩阵；S4、基于预设准则进行资源复用决策，求解得到信道复用矩阵；S5、确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户以及对应的最佳发射速率。只需要根据小区内用户的位置信息，就能实现在减小开销的同时进行资源复用，提升通信系统总能效。

Description

一种提高D2D系统能效的资源复用的方法和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种提高D2D系统能效的资源复用的方法和系统。

背景技术

随着无线多媒体业务的发展，当前日益增长的本地数据共享业务需求给IMT-Advanced系统的容量和覆盖以及服务灵活性提出了更高的要求，传统的以基站为中心的通信方式在适应本地业务的传输方面有明显的局限性。D2D（Device-to-Device，即终端直通技术）是指邻近的终端可以在近距离范围内通过直连链路进行数据传输的方式，而不需要通过中心节点（即基站）进行转发。D2D通信技术本身的短距离通信特点使其具有高速率、低时延、高频谱利用率等优势。

与传统的短距离通信技术（如蓝牙、Wifi-direct等）不同，D2D通信技术需要与蜂窝系统共享使用授权频带资源，形成统一的混合蜂窝与D2D网络。目前，D2D用户与蜂窝用户共享无线资源的方式有以下两种：正交方式的共享和复用方式的共享。在正交方式下，D2D用户和蜂窝用户之间没有相互干扰，但缺点是频谱利用较低。在复用方式下，D2D传输能更加高效的利用无线频谱资源，但同时也引入了两个系统间的相互干扰，具体表现在：对于D2D复用蜂窝系统的上行资源而言，蜂窝用户发送信号对本小区D2D用户接收造成干扰（即C2D干扰），D2D发送信号对本小区蜂窝基站接收造成干扰（即C2D干扰）；对于D2D复用蜂窝系统下行资源而言，D2D发送信号对本小区蜂窝用户接收造成干扰，基站发送信号对本小区D2D用户接收造成干扰。

因此，在采用复用方式时，如何在蜂窝用户和D2D用户间进行有效的干扰避免，成为D2D通信系统需要解决的基本问题。现有D2D通信系统资源分配方案大多是将最大化系统的吞吐量（即频谱效率）作为优化目标，而很少考虑D2D通信系统的能效。如今，随着用户数量的激增和网络规模的扩大，无线网络的能耗急剧增加，其巨大能耗造成的温室气体的排放和环境污染，引起了运营商和全社会的广泛关注，因此，优化无线网络的能耗，提高其能量效率成为无线通信发展的必然趋势，但是现有技术随机选择蜂窝用户进行资源复用无法提高系统的总能效。

发明内容

（一）要解决的技术问题

针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是如何在D2D通信系统中进行资源复用时提升总能效。

（二）技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种提高D2D系统能效的资源复用的方法，包括以下步骤：

S1、对D2D用户对的发射端和接收端进行位置估计，获取位置信息，其中所述位置信息包括所述发送端到所述接收端的距离、基站为其分配资源的蜂窝用户到所述接收端的距离和每个蜂窝用户到所述基站的距离；

S2、根据所述位置信息判断所述发送端到所述接收端的距离是否大于阈值，如果大于则选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点并进入步骤S3，否则直接进入步骤S3；

S3、对基站为其分配资源的蜂窝用户与每组D2D用户对分别进行组合，建立能效矩阵和速率矩阵；

S4、基于预设准则进行资源复用决策，求解得到信道复用矩阵；

S5、根据所述信道复用矩阵确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户以及对应的最佳发射速率。

进一步地，所述S3中的所述能效矩阵和所述速率矩阵中的每一个元素为选择基站为其分配资源的蜂窝用户与所述D2D用户对组合时计算得到的最大能效和最佳通信速率。

进一步地，当所述D2D用户对为中继模式时，确定蜂窝用户与所述D2D用户对组合的最大能效优化条件为

$\underset{R_{\mathrm{ij}}}{\max }\{{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{EE}}_{\mathrm{ij}}}=\frac{R_{\mathrm{ij}}}{(2^{{2R}_{\mathrm{ij}}}-1)A_{\mathrm{ij}}+P_{\mathrm{cir}}}\};$

其中 $A_{\mathrm{ij}}=N_0\left[({\mathrm{snr}}_c{\left(\frac{X_C}{L}\right)}^{\mathrm{\α}}+1)({{\mathrm{\ρ}}_1}^{\mathrm{\α}}+{{\mathrm{\ρ}}_2}^{\mathrm{\α}}-{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2}{\mathrm{\ρ}}\right)}^{\mathrm{\α}})\right];$

其中R_ij是经过最优化问题求解得到的第i组D2D用户对复用第j个蜂窝用户的最佳通信速率，

是经过最优化问题求解得到的第i组D2D用户对复用第j个蜂窝用户的最大能效，P_cir是D2D通信除发射功率外的其他功率消耗的总和，N₀是加性高斯白噪声的功率密度，snr_c是基站接收到的来自蜂窝用户信号的目标信噪比，X_C是蜂窝用户到基站的距离，L是蜂窝用户到所述D2D用户对的距离，α是信道大尺度衰落的衰落因子，ρ是所述发射端到所述接收端的距离，ρ₁是所述发射端到中继节点的距离，ρ₂是中继节点到所述接收端的距离；

所述最佳通信速率满足R_ij≥R_pt，其中R_pt是为保证所述D2D用户对的发送端和接收端之间的正常通信而预先设定的最小速率。

进一步地，当所述D2D用户对为直传模式时，确定蜂窝用户与所述D2D用户对组合的最大能效计算公式为

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{EE}}_{\mathrm{ij}}}=\frac{{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{snr}}_d}{{\mathrm{snr}}_c{(X_C/L)}^{\mathrm{\α}}+1})}{{\mathrm{snr}}_d\·N_0\·{\mathrm{\ρ}}^{\mathrm{\α}}+P_{\mathrm{cir}}}$

其中P_cir是D2D通信除发射功率外的其他功率消耗的总和，snr_d是保证D2D通信系统正常通信的目标信噪比，snr_c是基站接收到的来自蜂窝用户信号的目标信噪比，X_C是蜂窝用户到基站的距离，L是蜂窝用户到所述D2D用户对的距离，ρ是所述发射端到所述接收端的距离，α是信道大尺度衰落的衰落因子，N₀是加性高斯白噪声的功率密度；

最佳通信速率的计算公式为

$R_{\mathrm{ij}}=\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{{\mathrm{snr}}_d}{{\mathrm{snr}}_c{(X_C/L)}^{\mathrm{\α}}+1})\·$

进一步地，所述S3建立能效矩阵和速率矩阵之后，所述S4进行资源复用决策之前还包括对所述能效矩阵进行修正，具体包括：

将所述速率矩阵中的每个元素与预先设定的最小速率进行比较，如果小于所述最小速率则令所述能效矩阵对应位置的元素为0，否则所述能效矩阵中对应位置的元素不变。

进一步地，所述S4对所述能效矩阵进行修正之后还包括：

利用算法求解指派问题得到所述信道复用矩阵，所述信道复用矩阵为

X=[x_ij]_M×N，其中x_ij满足能效最大化条件并且满足以下条件：

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤1,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤1;$

(R_ij-R_pt)x_ij≥0,x_ij∈{0,1}；

其中X为所述信道复用矩阵，x_ij为所述信道复用矩阵中的元素，i表示第i组D2D用户对，1≤i≤M，j表示第j个蜂窝用户，1≤j≤N，且N≥M，x_ij=0表示第i组D2D用户对不能够复用第j个蜂窝用户的资源，x_ij=1表示第i组D2D用户对能够复用第j个蜂窝用户的资源。

进一步地，所述S5具体包括：

在所述信道复用矩阵中查找为1的元素，确定每一组D2D用户对复用的蜂窝用户，并从所述速率矩阵中查找相应位置的元素为最佳通信速率，计算得到最佳发射功率，计算公式为

$P_i=(2^{{2R}_{\mathrm{ij}}}-1)(P_C{L_1}^{-\mathrm{\α}}+N_0){{\mathrm{\ρ}}_1}^{\mathrm{\α}}$

P_i为第i组D2D用户对的最佳发射速率，P_C是第i组D2D用户对复用的蜂窝用户的发射功率，其中P_C=snr_c·N₀·X_C ^α，当蜂窝用户的位置确定后，P_C即为定值，L₁为蜂窝用户到第i组D2D用户对使用的中继节点的距离。

为解决上述问题，本发明还提供了一种提高D2D系统能效的资源复用的系统，包括：位置估计单元、判断单元、矩阵建立单元、复用决策单元和复用确定单元；

所述位置估计单元用于对D2D用户对的发射端和接收端进行位置估计，获取位置信息，其中所述位置信息包括所述发送端到所述接收端的距离、基站为其分配资源的蜂窝用户到所述接收端的距离和每个蜂窝用户到基站的距离；

所述判断单元用于根据所述位置信息判断所述发送端到所述接收端的距离是否大于阈值，如果大于则选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点并进入所述矩阵建立单元，否则直接进入所述矩阵建立单元；

所述矩阵建立单元用于对所述基站为其分配资源的蜂窝用户与每组D2D用户对分别进行组合，建立能效矩阵和速率矩阵；

所述复用决策单元基于预设准则进行资源复用决策，求解得到信道复用矩阵；

所述复用确定单元根据所述信道复用矩阵确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户以及对应的最佳发射速率。

进一步地，所述矩阵建立单元中所述能效矩阵和所述速率矩阵中的每一个元素为选择为其分配资源的蜂窝用户与所述D2D用户对组合时计算得到的最大能效和最佳通信速率，所述矩阵建立单元为第一矩阵单元，用于当所述D2D用户对为中继模式时确定蜂窝用户与所述D2D用户对组合的最大能效和最佳通信速率；或

所述矩阵建立单元为第二矩阵单元，用于当所述D2D用户对为直传模式时确定蜂窝用户与所述D2D用户对组合的最大能效和最佳通信速率。

进一步地，所述矩阵建立单元和所述复用决策单元之间还包括修正单元，用于将所述速率矩阵中的每个元素与预先设定的最小速率进行比较，如果小于所述最小速率则令所述能效矩阵对应位置的元素为0，否则所述能效矩阵中对应位置的元素不变。

（三）有益效果

本发明提供了一种提高D2D系统能效的资源复用的方法和系统，其中的方法包括：对D2D用户对中的发送端和接收端进行位置估计，获取位置信息，包括D2D用户对的发送端到接收端的距离和蜂窝用户到接收端的距离，并不需要D2D用户对中的发送端用户和接收端用户向基站反馈信道状态信息就能实现对资源复用的合理分配。通过判断发送端到接收端端的距离是否大于阈值选择D2D用户对的发送端和接收端之间的通信模式，如果大于阈值则采用中继模式，选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为发射端和接收端之间的中继节点，以实现更大范围内的可靠通信，否则发送端和接收端之间直接进行通信。确定是中继模式或是直传模式之后，根据每一个组合计算最大能效和最佳通信速率，基站为器分配资源的蜂窝用户与所有D2D用户组合计算后的最大能效和最佳通信速率分别组成能效矩阵和速率矩阵。根据得到的能效矩阵和速率矩阵基于预设准则进行资源复用，最后确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户和最佳发射功率，完成资源复用的最佳配置。该方法比随机选择蜂窝用户进行资源复用能够提高D2D通信系统的总能效，由于无需反馈信道状态信息，减小反馈开销，实现节能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种提高D2D系统能效的资源复用方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的一种信道复用场景图；

图3为本发明实施例一组D2D用户对的能效随蜂窝用户位置的改变的分布图；

图4为采用本发明实施例提供的资源复用方法对不同数目蜂窝用户与现有随机选择蜂窝用户的资源复用方法的总能效对比图；

图5为本发明实施例提供的一种提高D2D系统能效的资源复用系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在单个蜂窝小区中，有多组D2D用户对有D2D通信需求，基站要为每组D2D用户对选择一个蜂窝用户来进行资源复用。基站对资源进行复用决策的依据是：在保证每组D2D用户对通信速率高于目标速率的前提下，最大化小区内所有D2D用户对的总能效。经理论推导发现，各组D2D用户对的能效主要由D2D用户对（包括发送端和接收端）和与其进行资源复用的蜂窝用户的位置决定。更具体地，该能效是由蜂窝用户到基站的距离（X_C）与蜂窝用户到D2D用户对中接收端的距离（L）的比值（即X_C/L）决定。因此基站在进行资源复用决策时只需掌握D2D用户对中发送用户、接收用户以及复用其资源的蜂窝用户的位置信息，从而更加高效迅速地做出决策。

因此，本发明实施例中提供了一种提高D2D系统能效的资源复用的方法，步骤流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、对D2D用户对的发射端和接收端进行位置估计，获取位置信息，其中位置信息包括发送端到接收端的距离、基站为其分配资源的蜂窝用户到接收端的距离和每个蜂窝用户到基站的距离。

步骤S2、根据位置信息判断发送端到接收端的距离是否大于阈值，如果大于则选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点并进入步骤S3，否则直接进入步骤S3。

步骤S3、对基站为其分配资源的蜂窝用户与每组D2D用户对分别进行组合，建立能效矩阵和速率矩阵。

步骤S4、基于预设准则进行资源复用决策，求解得到信道复用矩阵。

步骤S5、根据信道复用矩阵确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户以及对应的最佳发射速率。

通过上述方法为D2D用户对选择的蜂窝用户进行资源复用，只需要获取D2D用户对中的发送端和接收端与蜂窝用户的位置信息，建立能效矩阵和速率矩阵再预设准则（满足最大化系统能效的同时满足最小速率）进行资源复用决策，得到信道复用矩阵，最终确定每组D2D用户对复用哪一个蜂窝用户实现资源复用以及发射端应该以多大的最佳发射功率进行通信。

优选地，本实施例中步骤S1之前还包括：

首先，D2D用户对的发射端（DTx）向基站发送连接建立请求消息，该请求消息中包含其要与之进行通信的接收端（DRx）的标识，基站接收到上述请求消息之后再进行步骤S1。

图2中给出基于上述方法的信道复用场景图，在基站覆盖的小区中有N个正在被调度的上行蜂窝用户和M组D2D用户对，其中正在被调度的上行蜂窝用户就是基站已经为其分配资源的蜂窝用户，并能够使用上行资源传输，记为集合C={CUE₁,CUE₂,...CUE_j...,CUE_N}，1≤j≤N，D2D用户对需要复用蜂窝用户的上行资源，记为集合D={D2D₁,D2D₂,...D2D_i...,D2D_M}，1≤i≤M。一般N≥M，且假设每组D2D用户对只能复用一个蜂窝用户的资源，每个蜂窝用户的资源也只能被一组D2D用户对复用。图2中D2D用户对根据发送端和接收端之间的距离不同，分为中继模式和直传模式，每组D2D用户对需从N个蜂窝用户中选出1个蜂窝用户来对其资源进行复用。

具体的，步骤S1中获取的位置信息包括：D2D用户对的发送端到接收端之间的距离ρ、蜂窝用户到接收端之间的距离L₂和蜂窝用户到基站的距离（X_C），其中蜂窝用户在基站覆盖的小区内，并且基站为其分配了资源，但是不属于D2D用户。

之后在步骤S2中根据位置信息确定D2D用户对的通信模式为中继模式还是直传模式，由基站根据D2D用户对的发送端到接收端之间的距离ρ是否大于阈值进行判定，一般阈值选为25m，还可以根据需要设定阈值的大小。如果ρ大于阈值25m，则D2D用户对选择中继模式，为了实现更大范围内的可靠通信，在发送端和接收端之间选择一个当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点；如果ρ不大于阈值25m，则D2D用户对选择直传模式，发送端和接收端之间直接进行通信。如果采用中继模式，则基站找到位置最佳的中继后还需要获取以下位置信息：D2D用户对的发送端到中继节点的距离(ρ₁)、D2D中继节点到D2D用户对的接收端的距离(ρ₂)和各个蜂窝用户到D2D中继节点的距离(L₁)。

经过中继模式或者是直传模式，之后对上述基站已经为其分配资源的蜂窝用户和D2D用户对进行组合，建立能效矩阵和速率矩阵。对M组D2D用户对和N个蜂窝用户进行组合，分别依据上述有直传模式判断的条件确定是否需要中继节点，计算每一个组合的最大能效和最佳通信速率。步骤S3得到中的能效矩阵和速率矩阵中的每一个元素为选择基站为其分配资源的蜂窝用户与D2D用户对组合时计算得到的最大能效和最佳通信速率，即所有组合得到的蜂窝用户与D2D用户对组合时的最大能效构成能效矩阵，所有组合得到的蜂窝用户与D2D用户对组合时的最佳通信速率构成速率矩阵。

步骤S3中对有直传模式的两种通信模式如下：

（1）当D2D用户对为中继模式时，确定蜂窝用户与D2D用户对组合的最大能效和最佳通信速率的优化问题为

$\underset{R_{\mathrm{ij}}}{\max }\{{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{EE}}_{\mathrm{ij}}}=\frac{R_{\mathrm{ij}}}{(2^{{2R}_{\mathrm{ij}}}-1)A_{\mathrm{ij}}+P_{\mathrm{cir}}}\}$ 公式（1）

s.t.R_ij≥R_pt

最大能效满足 $\underset{R_{\mathrm{ij}}}{\max }\{{\mathrm{\η}}_{{\mathrm{EE}}_{\mathrm{ij}}}=\frac{R_{\mathrm{ij}}}{(2^{{2R}_{\mathrm{ij}}}-1)A_{\mathrm{ij}}+P_{\mathrm{cir}}}\};$

其中 $A_{\mathrm{ij}}=N_0\left[({\mathrm{snr}}_c{\left(\frac{X_C}{L}\right)}^{\mathrm{\α}}+1)({{\mathrm{\ρ}}_1}^{\mathrm{\α}}+{{\mathrm{\ρ}}_2}^{\mathrm{\α}}-{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2}{\mathrm{\ρ}}\right)}^{\mathrm{\α}})\right];$

其中R_ij是经过最优化问题求解得到的第i组D2D用户对复用第j个蜂窝用户的最佳通信速率，

是经过最优化问题求解得到的第i组D2D用户对复用第j个蜂窝用户的最大能效，P_cir是D2D通信除发射功率外的其他功率消耗的总和，N₀是加性高斯白噪声的功率密度，snr_c是基站接收到的来自蜂窝用户信号的目标信噪比，X_C是蜂窝用户到基站的距离，L是蜂窝用户到D2D用户对的距离，α是信道大尺度衰落的衰落因子，ρ是发射端到接收端的距离，ρ₁是发射端到中继节点的距离，ρ₂是中继节点到接收端的距离。

最佳通信速率满足R_ij≥R_pt，即最佳通信速率要不小于预先设定的最小速率，其中R_pt是为保证D2D用户对的发送端和接收端之间的正常通信而预先设定的最小速率。

需要注意的是，由于蜂窝用户到继节点的距离L₁和蜂窝用户到D2D接收端的距离L₂都远大于继节点到D2D接收端的距离ρ₂，所以在推导时假设L₁≈L₂=L，因此蜂窝用户到D2D用户对的距离用L表示。

（2）当D2D用户对为直传模式时，确定蜂窝用户与D2D用户对组合的最大能效计算公式为

${\mathrm{\η}}_{{\mathrm{EE}}_{\mathrm{ij}}}=\frac{{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{snr}}_d}{{\mathrm{snr}}_c{(X_C/L)}^{\mathrm{\α}}+1})}{{\mathrm{snr}}_d\·N_0\·{\mathrm{\ρ}}^{\mathrm{\α}}+P_{\mathrm{cir}}}$ 公式（2）

其中P_cir是D2D通信除发射功率外的其他功率消耗的总和，snr_d是保证D2D通信系统正常通信的目标信噪比，snr_c是基站接收到的来自蜂窝用户信号的目标信噪比，X_C是蜂窝用户到基站的距离，L是蜂窝用户到D2D用户对的距离，ρ是D2D用户对的发射端到接收端的距离，α是信道大尺度衰落的衰落因子，N₀是加性高斯白噪声的功率密度；

最佳通信速率的计算公式为

$R_{\mathrm{ij}}=\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{{\mathrm{snr}}_d}{{\mathrm{snr}}_c{(X_C/L)}^{\mathrm{\α}}+1})$ 公式（3）

通过上述步骤得到了M*N组能效和通信速率的值，标记了每一组D2D用户对于蜂窝用户配对组合下的最大能效和最佳通信速率，组成了M*N阶的能效矩阵E=[η_ij]_M×N和速率矩阵R=[R_ij]_M×N。

优选地，本实施例中步骤S3建立能效矩阵和速率矩阵之后，步骤S4进行资源复用决策之前还包括对所述能效矩阵进行修正，具体包括：

将速率矩阵R=[R_ij]_M×N中的每个元素与预先设定的最小速率R_pt进行比较，如果小于最小速率R_pt则令能效矩阵对应位置的元素为0，否则能效矩阵中对应位置的元素不变。由于速率矩阵和能效矩阵都是M*N阶的矩阵，所以对应位置的元素具有对应关系，即能效矩阵中的元素与速率矩阵中位于该行该列的元素具有对应关系。例如，如果速率矩阵第2组D2D用户对（D2D₂）复用第3个蜂窝用户（CUE₃）的通信速率R₂₃<R_pt，就说明当第2组D2D用户对复用第3个蜂窝用户的资源时，对应该配对下最大能效的通信速率不能满足D2D通信最小速率的要求，故应将η₂₃置为0。置为0后就会使得下一步基站利用修正后的能效矩阵进行信道复用的指派时，将不会选中D2D₂-CUE₃这一配对组合，否则不利于D2D系统总体能效的最大化。相反，如果R₂₃≥R_pt，则说明当第2组D2D用户对复用第3个蜂窝用户的资源时，对应该配对下最大能效的通信速率满足D2D通信最小速率的要求，可以采用该通信速率，所以不置0。

优选地，本实施例中的基站基于修正后的能效矩阵E=[η_ij]_M×N，还要利用算法进行指派问题的求解，得到信道复用矩阵，其中本实施例中采用的算法为匈牙利算法。

其中指派问题如下：

Determine X=[x_ij]_M×N

To maximize $\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ij}}$

s.t. $\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1$

(R_ij-R_pt)x_ij≥0,x_ij∈{0,1}

其中信道复用矩阵为X=[x_ij]_M×N，其中x_ij=1表示第i组D2D用户对D2D_i能够复用第j个蜂窝用户CUE_j的上行资源，x_ij=0表示第i组D2D用户对D2D_i不能复用第j个蜂窝用户CUE_j的上行资源。基站进行信道复用决策的目标，就是要确定上述信道复用矩阵，即：为M组D2D用户对分别选择一个最优的蜂窝用户来共享资源，并在保证每对D2D用户满足最小通信速率的前提下，使小区内所有D2D用户对的总能效最大化。

需要说明的是，由于每组D2D用户对只能复用一个蜂窝用户的资源，信道复用矩阵为X=[x_ij]_M×N的每一行将只有一个元素的值为1，其余元素的值都为0；由于每个蜂窝用户的资源只能被一组D2D用户对复用，信道复用矩阵为X=[x_ij]_M×N的每一列同样也只有一个元素的值为1，其余元素的值都为0。因此，信道复用矩阵为X=[x_ij]_M×N确定了M组D2D用户对分别应复用哪一个蜂窝用户的资源。

其中，本实施例中的步骤S4的预设准则为需要满足最大化系统总能效，同时还能保证每组D2D用户对的通信速率满足最小通信速率的要求。

优选地，本实施例中的步骤S5中根据信道复用矩阵确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户以及对应的最佳发射速率，具体包括：

在信道复用矩阵X=[x_ij]_M×N中查找值为1的元素，确定每一组D2D用户对复用的蜂窝用户，并从速率矩阵中查找相应位置的元素为最佳通信速率，计算得到最佳发射功率，计算公式为

$P_i=(2^{{2R}_{\mathrm{ij}}}-1)(P_C{L_1}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0){{\mathrm{\&rho;}}_1}^{\mathrm{\&alpha;}}$ 公式（5）

P_i为第i组D2D用户对的最佳发射速率，P_C是第i组D2D用户对复用的蜂窝用户的发射功率，其中P_C=snr_c·N₀·X_C ^α，当蜂窝用户的位置确定后，P_C即为定值，L₁为蜂窝用户到第i组D2D用户对使用的中继节点的距离。

最后，基站遍历信道复用矩阵X=[x_ij]_M×N的每一行，从每一行中找出x_ij=1的元素，将第j个蜂窝用户的资源标识以及D2D用户应采取的最佳发射功率P_i通过控制信道发送给第i组D2D用户对，以便发送端对第j个蜂窝用户进行资源复用，并且以最佳发送功率P_i进行发送。

以下通过仿真对本发明提供的提高D2D系统能效的资源复用方法的效果进行对比。

图3中示出了一组D2D用户对的能效随蜂窝用户位置改变的分布图，图3的横坐标为x axis表示x轴，横坐标为y axis表示y轴，x轴和y轴的单位都是米（m）。基站的坐标位置在（0,0），基站覆盖的小区半径R=500m，D2D用户位置固定在（475,0），蜂窝用户的位置遍历整个小区。D2D用户对的发送端和接收端之间的距离ρ=25m，采用直传模式进行通信，D2D发送端到中继节点的距离ρ₁=15m，中继节点到D2D接收端距离ρ₂=15m，不同颜色表示了不同的能效大小。

图4示出了在本发明实施例提供的资源复用方法与随机选择蜂窝用户的资源复用方法下，D2D通信系统的总能效对比图。图4中的D2D用户对数目M=10，蜂窝用户数N分别为10，20，30。系统带宽BW=10MHz，衰落因子（或路损因子）α=4，蜂窝用户的目标信噪比为snr_c=20dB。

从图4可以看出，当蜂窝用户与D2D用户位于基站的同一侧，由于蜂窝用户发射信号对D2D接收干扰较大，使D2D通信系统的总能效不高。因此，使D2D通信系统能效最大的最佳的蜂窝用户位置应该时与D2D用户分别位于基站的不同侧，且离基站的距离尽可能近。这一结果验证了基站计算总能效时所用表达式的正确性，即η_EE主要由蜂窝用户到基站的距离与蜂窝用户到D2D接收端距离的比值（即X_C/L）决定，该比值越小，D2D通信系统的能效越大。另外，当小区内D2D用户对数数目M=10固定的情况下，对于不同的蜂窝用户数目（N=10，20，30），采用本实施例提出的信道复用方案得到的D2D通信系统总能效都优于随机配对方案，且小区内蜂窝用户数目越多，能效增益越大。这是因为更多的蜂窝用户提供了更大的信道复用选择范围，可获得更大的多用户分集增益。

本实施例提供的提高D2D系统能效的资源复用方法具体包括的流程如下：

1）D2D用户对包括发送端和接收端，发送端向基站发送D2D连接建立请求消息，基站收到该请求消息后对D2D用户对的发送端和接收端进行位置估计，获取位置信息。

2）根据位置信息中发送端和接收端之间的距离确定D2D用户对的通信模式，如果该距离大于阈值则采用中继模式，选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点，否则采用直传模式。

3）对M组D2D用户对与N个蜂窝用户进行组合配对，计算得到最大能效和最佳通信速率，将得到的最大能效组成M*N阶的能效矩阵，将得到的最佳通信速率组成M*N阶的速率矩阵。

4）对能效矩阵进行修正，保证每组D2D用户对的通信速率都能满足最小速率的要求。将速率矩阵中的每个元素与预先设定的最小速率进行比较，如果某个元素小于预先设定的最小速率，则将能效矩阵中对应位置处的元素置0，否则能效矩阵对应位置的元素不变。

5）基于修正后的能效矩阵，基于最大化总能效的准则，进行资源复用决策，利用匈牙利算法进行指派问题的求解以确定信道复用矩阵。该步骤利用修正后能效矩阵进行信道复用矩阵的确定，能够在满足最小通信速率的前提下，是小区内D2D用户对的总能效最大化。

6）基站针对信道复用矩阵中找出值为1的元素，从速率矩阵中查找相应位置的元素作为最佳通信速率，并将其带入公式（5）中求解最佳发射功率。

7）基站遍历信道复用矩阵的每一行，查找值为1的元素，将该D2D用户对将要复用的蜂窝用户的标识和最佳发射功率通过控制信道发送给该D2D用户。

综上所述，本实施例所提出的提高D2D系统能效的资源复用方法相比于随机选择蜂窝用户进行资源复用，能够明显提升D2D通信系统的总能效。且该方案只需要基站获取小区内D2D用户和蜂窝用户的位置信息，而无需反馈小区内所有链路的信道状态信息，这样可减小反馈开销，进一步达到了绿色节能的目的，因此具有较强的实用性。

本发明的实施例中还提供了一种提高D2D系统能效的资源复用的系统，组成示意图如图5所示，具体包括：位置估计单元51、判断单元52、矩阵建立单元53、复用决策单元54和复用确定单元55。

位置估计单元51用于对D2D用户对的发射端和接收端进行位置估计，获取位置信息，其中位置信息包括发送端到接收端的距离、基站为其分配资源的蜂窝用户到接收端的距离和每个蜂窝用户到基站的距离。

判断单元52用于根据位置信息判断发送端到接收端的距离是否大于阈值，如果大于则选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点并进入矩阵建立单元，否则直接进入矩阵建立单元。

矩阵建立单元53用于对基站为其分配资源的蜂窝用户与每组D2D用户对分别进行组合，建立能效矩阵和速率矩阵。

复用决策单元54基于预设准则进行资源复用决策，求解得到信道复用矩阵。其中的预设准则需要满足最大化系统总能效，同时还能保证每组D2D用户对的通信速率满足最小通信速率的要求。

复用确定单元55根据信道复用矩阵确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户以及对应的最佳发射速率。

优选地，矩阵建立单元53中能效矩阵和速率矩阵中的每一个元素为选择为其分配资源的蜂窝用户与D2D用户对组合时计算得到的最大能效和最佳通信速率，矩阵建立单元为第一矩阵单元，用于当D2D用户对为中继模式时确定蜂窝用户与D2D用户对组合的最大能效和最佳通信速率；或

矩阵建立单元为第二矩阵单元，用于当D2D用户对为直传模式时确定蜂窝用户与D2D用户对组合的最大能效和最佳通信速率。

优选地，矩阵建立单元53和复用决策单元54之间还包括修正单元56，用于将速率矩阵中的每个元素与预先设定的最小速率进行比较，如果小于最小速率则令能效矩阵对应位置的元素为0，否则能效矩阵中对应位置的元素不变。

综上所述，上述资源复用系统以最大化D2D通信系统的总能效为资源分配决策的目标，符合当前无线通信领域“绿色通信”的需求，能够明显提升D2D通信系统的总能效。只需要基站获取小区内D2D用户和蜂窝用户的位置信息，而无需反馈小区内所有链路的信道状态信息，这样可减小反馈开销，进一步达到了绿色节能的目的，因此具有较强的实用性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种提高D2D系统能效的资源复用的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、对D2D用户对的发射端和接收端进行位置估计，获取位置信息，其中所述位置信息包括所述发送端到所述接收端的距离、基站为其分配资源的蜂窝用户到所述接收端的距离和每个蜂窝用户到所述基站的距离；

S2、根据所述位置信息判断所述发送端到所述接收端的距离是否大于阈值，如果大于则选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点并进入步骤S3，否则直接进入步骤S3；

S3、对所述基站为其分配资源的蜂窝用户与每组D2D用户对分别进行组合，建立能效矩阵和速率矩阵；

S4、基于预设准则进行资源复用决策，求解得到信道复用矩阵；

S5、根据所述信道复用矩阵确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户以及对应的最佳发射速率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中的所述能效矩阵和所述速率矩阵中的每一个元素为选择基站为其分配资源的蜂窝用户与所述D2D用户对组合时计算得到的最大能效和最佳通信速率。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述D2D用户对为中继模式时，确定蜂窝用户与所述D2D用户对组合的最大能效优化条件为

$\underset{R_{\mathrm{ij}}}{\max }\{{\mathrm{\&eta;}}_{{\mathrm{EE}}_{\mathrm{ij}}}=\frac{R_{\mathrm{ij}}}{(2^{{2R}_{\mathrm{ij}}}-1)A_{\mathrm{ij}}+P_{\mathrm{cir}}}\};$

其中 $A_{\mathrm{ij}}=N_0\left[({\mathrm{snr}}_c{\left(\frac{X_C}{L}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}}+1)({{\mathrm{\&rho;}}_1}^{\mathrm{\&alpha;}}+{{\mathrm{\&rho;}}_2}^{\mathrm{\&alpha;}}-{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{\mathrm{\&rho;}}_2}{\mathrm{\&rho;}}\right)}^{\mathrm{\&alpha;}})\right];$

其中R_ij是经过最优化问题求解得到的第i组D2D用户对复用第j个蜂窝用户的最佳通信速率，

是经过最优化问题求解得到的第i组D2D用户对复用第j个蜂窝用户的最大能效，P_cir是D2D通信除发射功率外的其他功率消耗的总和，N₀是加性高斯白噪声的功率密度，snr_c是基站接收到的来自蜂窝用户信号的目标信噪比，X_C是蜂窝用户到基站的距离，L是蜂窝用户到所述D2D用户对的距离，α是信道大尺度衰落的衰落因子，ρ是所述发射端到所述接收端的距离，ρ₁是所述发射端到中继节点的距离，ρ₂是中继节点到所述接收端的距离；

所述最佳通信速率满足R_ij≥R_pt，其中R_pt是为保证所述D2D用户对的发送端和接收端之间的正常通信而预先设定的最小速率。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述D2D用户对为直传模式时，确定蜂窝用户与所述D2D用户对组合的最大能效计算公式为

${\mathrm{\&eta;}}_{{\mathrm{EE}}_{\mathrm{ij}}}=\frac{{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{snr}}_d}{{\mathrm{snr}}_c{(X_C/L)}^{\mathrm{\&alpha;}}+1})}{{\mathrm{snr}}_d\&CenterDot;N_0\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}^{\mathrm{\&alpha;}}+P_{\mathrm{cir}}}$

其中P_cir是D2D通信除发射功率外的其他功率消耗的总和，snr_d是保证D2D通信系统正常通信的目标信噪比，snr_c是基站接收到的来自蜂窝用户信号的目标信噪比，X_C是蜂窝用户到基站的距离，L是蜂窝用户到所述D2D用户对的距离，ρ是所述发射端到所述接收端的距离，α是信道大尺度衰落的衰落因子，N₀是加性高斯白噪声的功率密度；

最佳通信速率的计算公式为

$R_{\mathrm{ij}}=\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{{\mathrm{snr}}_d}{{\mathrm{snr}}_c{(X_C/L)}^{\mathrm{\&alpha;}}+1})\&CenterDot;$

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3建立能效矩阵和速率矩阵之后，所述S4进行资源复用决策之前还包括对所述能效矩阵进行修正，具体包括：

将所述速率矩阵中的每个元素与预先设定的最小速率进行比较，如果小于所述最小速率则令所述能效矩阵对应位置的元素为0，否则所述能效矩阵中对应位置的元素不变。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S4对所述能效矩阵进行修正之后还包括：

利用算法求解指派问题得到所述信道复用矩阵，所述信道复用矩阵为

X=[x_ij]_M×N，其中x_ij满足能效最大化条件并且满足以下条件：

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1,\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1;$

(R_ij-R_pt)x_ij≥0,x_ij∈{0,1}；

其中X为所述信道复用矩阵，x_ij为所述信道复用矩阵中的元素，i表示第i组D2D用户对，1≤i≤M，j表示第j个蜂窝用户，1≤j≤N，且N≥M，x_ij=0表示第i组D2D用户对不能够复用第j个蜂窝用户的资源，x_ij=1表示第i组D2D用户对能够复用第j个蜂窝用户的资源。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述S5具体包括：

在所述信道复用矩阵中查找为1的元素，确定每一组D2D用户对复用的蜂窝用户，并从所述速率矩阵中查找相应位置的元素为最佳通信速率，计算得到最佳发射功率，计算公式为

$P_i=(2^{{2R}_{\mathrm{ij}}}-1)(P_C{L_1}^{-\mathrm{\&alpha;}}+N_0){{\mathrm{\&rho;}}_1}^{\mathrm{\&alpha;}}$

P_i为第i组D2D用户对的最佳发射速率，P_C是第i组D2D用户对复用的蜂窝用户的发射功率，其中P_C=snr_c·N₀·X_C ^α，当蜂窝用户的位置确定后，P_C即为定值，L₁为蜂窝用户到第i组D2D用户对使用的中继节点的距离。

8.一种提高D2D系统能效的资源复用的系统，其特征在于，包括：位置估计单元、判断单元、矩阵建立单元、复用决策单元和复用确定单元；

所述位置估计单元用于对D2D用户对的发射端和接收端进行位置估计，获取位置信息，其中所述位置信息包括所述发送端到所述接收端的距离、基站为其分配资源的蜂窝用户到所述接收端的距离和每个蜂窝用户到基站的距离；

所述判断单元用于根据所述位置信息判断所述发送端到所述接收端的距离是否大于阈值，如果大于则选择当前时隙空闲的蜂窝用户作为中继节点并进入所述矩阵建立单元，否则直接进入所述矩阵建立单元；

所述矩阵建立单元用于对所述基站为其分配资源的蜂窝用户与每组D2D用户对分别进行组合，建立能效矩阵和速率矩阵；

所述复用决策单元基于预设准则进行资源复用决策，求解得到信道复用矩阵；

所述复用确定单元根据所述信道复用矩阵确定每组D2D用户对复用的蜂窝用户以及对应的最佳发射速率。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述矩阵建立单元中所述能效矩阵和所述速率矩阵中的每一个元素为选择为其分配资源的蜂窝用户与所述D2D用户对组合时计算得到的最大能效和最佳通信速率，所述矩阵建立单元为第一矩阵单元，用于当所述D2D用户对为中继模式时确定蜂窝用户与所述D2D用户对组合的最大能效和最佳通信速率；或

所述矩阵建立单元为第二矩阵单元，用于当所述D2D用户对为直传模式时确定蜂窝用户与所述D2D用户对组合的最大能效和最佳通信速率。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述矩阵建立单元和所述复用决策单元之间还包括修正单元，用于将所述速率矩阵中的每个元素与预先设定的最小速率进行比较，如果小于所述最小速率则令所述能效矩阵对应位置的元素为0，否则所述能效矩阵中对应位置的元素不变。

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