CN103596182A - 一种d2d通信中的频谱资源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线移动通信领域，提供一种D2D通信中的频谱资源管理方法，具体包括：同一小区中，多对D2D用户使用与蜂窝用户所用频谱资源正交的频谱资源进行通信；获取每两对D2D用户之间在进行通信时互相受到的同频干扰的干扰量；计算每对D2D用户在受到同频干扰时的通信中断概率；根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇，将所述多对D2D用户使用的频谱资源中若干份彼此正交的频谱资源给每个簇各分配一份，每个簇内的所有D2D用户对复用同一份频谱资源。本发明可以实现D2D通信下同一小区中多对D2D用户对于相同频谱资源的低干扰复用。

Description

一种D2D通信中的频谱资源管理方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域，提供一种D2D通信中的频谱资源管理方法。

背景技术

随着各种无线新业务的出现，人们对通信速率的需求越来越高，而能应用于无线通信的频谱资源十分有限，要在有限频谱资源中提供足够高的数据通信速率来满足用户的需求，提高频谱利用率就显得十分重要。D2D（Device-to-Device，设备-设备）通信是一种应用于蜂窝网络中，在系统控制下，通过复用蜂窝小区频谱资源进行直接短距离通信的技术。将D2D技术应用到蜂窝网络中可以有效增加本地网络吞吐量，提高频谱利用率。然而，当复用蜂窝频谱资源时，D2D接收端会受到同频干扰，这一现象会给频谱资源的充分利用带来很大的限制，从而D2D通信下的频谱资源管理就对优化D2D及蜂窝传输有着重要意义。

当前的频谱资源管理大致可以分为三种方式：频谱分配，功率控制以及模式选择：检测干扰程度，并为D2D用户分配干扰小的频谱资源；对D2D及蜂窝传输链路进行功率控制；当用户点到点的传输无法提供更优的系统性能时，进行模式转换，使用户切换到蜂窝模式。这三种方案均可以在减少干扰的情况下优化频谱资源分配，提高传输质量。

但是，目前使用的频谱资源管理方案多是针对是一对一的D2D传输模式，也就是一份频谱资源只由一个D2D用户对使用，而不同用户对使用的频谱资源相互正交。这种传输模式在D2D用户数量很大时就有着很大的局限性，因为一对一的形式导致频谱资源数量直接决定用户数量。另一方面，当前方案主要考虑蜂窝和D2D用户间的干扰，如果使多个D2D用户对复用同一频谱资源，则随之会产生很大的同频干扰，尤其是用户数量很大时产生的大量同频干扰会使传输质量难以得到保证。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种D2D通信中的频谱资源管理方法，可以实现D2D通信下同一小区中多对D2D用户对于相同频谱资源的低干扰复用。

（二）技术方案

一种D2D通信中的频谱资源管理方法，其特征在于，该方法包括：

同一小区中，多对D2D用户使用与蜂窝用户所用频谱资源正交的频谱资源进行通信；

获取每两对D2D用户之间在进行通信时互相受到的同频干扰的干扰量；

计算每对D2D用户在受到同频干扰时的通信中断概率；

根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇，将所述多对D2D用户使用的频谱资源中若干份彼此正交的频谱资源给每个簇各分配一份，每个簇内的所有D2D用户对复用同一份频谱资源。

优选地，在所有所述步骤之后进一步包括通过对同一簇内的D2D用户进行功率控制来减小簇内同频干扰。

优选地，所述进行功率控制包括根据所述通信中断概率，通过对与成功传输概率成正比而与传输功率成反比的功率优化函数求导的方法，求得最佳传输功率。

优选地，所述根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇包括：

根据所述通信中断概率得到每个簇可以容纳的最大用户对数；所述分簇须满足的限制条件包括在D2D用户对数小于等于该最大用户对数。

优选地，所述根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇步骤须满足的限制条件进一步包括同一簇内的每一个D2D用户对间的通信中断概率小于某规定阈值。

优选地，所述根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇进一步包括：

步骤T1：将所有D2D用户对划入同一个用户组中；

步骤T2：在所述用户组内，根据所述干扰量计算每一对D2D用户对其他所有D2D用户对的干扰量之和；

步骤T3：将所有D2D用户对按照所述干扰量之和降序排列；

步骤T4：若当前用户组内的D2D用户对数大于所述最大用户对数，则将所述干扰量之和最大的D2D用户对移除，并返回步骤T2重复进行这之间的步骤直至当前用户组内的D2D用户对数不大于所述最大用户对数；

步骤T5：将此时所述用户组内的所有D2D用户对划分为一个新簇，并清空所述用户组；

步骤T6：若剩余被移除的D2D用户对数大于所述最大用户对数，则将这些D2D用户对划入所述用户组内，并返回步骤T2，重复进行这之间的步骤直至剩余被移除的D2D用户对数不大于所述最大用户对数；

步骤T7：将此时剩余被移除的D2D用户对分为一个新簇。

（三）有益效果

本发明至少具有如下的有益效果：

本发明中，通信中断概率是描述通信成功概率的一个参量，从而可以根据对通信成功率的阈值设定来限定一个簇内可以容纳的最大用户对数；在最大用户对数限制条件下，可以根据干扰量的大小对D2D用户对进行分簇，将干扰量较小的用户对分到同一簇中，并将干扰量较大的用户对分到不同簇中，并使同一簇内D2D用户对复用同一份频谱资源，不同簇间D2D用户对复用彼此正交的频谱资源，从而就实现了多对D2D用户对于相同频谱资源的低干扰复用。

其中需要说明的是，干扰量的获取是在分簇之前为了获取同频干扰情况的一个链路探测步骤，并不是说所有的D2D用户对都会一直使用相同的频谱资源进行通信。在根据同频干扰情况完成分簇之后，会按照分簇情况给不同簇分配彼此正交的资源。

分簇的方法中，将对其他D2D用户对干扰量最大的D2D用户对逐一排除，直至用户对数不大于最大用户对数；然后将这些D2D用户对分成一个簇，从而此时簇内剩余的D2D用户对之间同频干扰就会相对小很多。然后对未分组的若干对D2D用户重复这一操作，就能达到减小干扰的目的。另一方面，引入最大用户对数也是为了使簇内干扰尽量小，具体包括：

首先，因为干扰量不小于0，在一个簇内每增加一个用户对，都必然会给其他簇中的用户对带来干扰，所以要使不同簇间干扰量总和最大，则要使每个簇内都容纳尽量多的用户对。

然后，若不同簇间干扰量总和达到最大，簇内的干扰量就会达到最小。因为如果满用户对的簇A内有一个用户对a，与其他用户对的干扰量总和为R1，而另一个簇B内有一个用户对b，与簇A内除a外的用户对的干扰量总和为R2，而且R1大于R2，则要使不同簇间干扰量总和最大，则要使a划分到B内，而使b划分到A内。重复这一过程，则所有彼此干扰量最小的用户对就会集中在簇A内。对每个簇而言都会进行相同的过程，所以在不同簇间的两对D2D用户之间所述干扰量的总和最大的时候，所有簇内部的干扰量是最小的。

基于以上两点，要使簇内部的干扰量是最小的，则要使每个簇内都容纳尽量多的用户对，亦即使簇内的D2D用户对数都尽量达到最大用户对数。

通过簇的划分，本发明就决定了哪些D2D用户对可以使用相同频谱资源并且达到较低的干扰量，也就是实现了多对D2D用户对于相同频谱资源的低干扰复用。从而相比较一对一的传输模式，同样的频谱资源就可以在满足干扰足够小的条件下容纳更多的D2D用户对，相比较容纳单D2D用户对有着更大的吞吐量，和更高的频谱资源利用率。

当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例中一种D2D通信中的频谱资源管理方法流程图；

图2是本发明一个实施例中D2D通信下的用户簇示意图；

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。

本发明提供了一种D2D通信中的频谱资源管理方法，参见图1，该方法步骤包括：

步骤S1：同一小区中，多对D2D用户使用与蜂窝用户所用频谱资源正交的频谱资源进行通信；

步骤S2：获取每两对D2D用户之间在进行通信时互相受到的同频干扰的干扰量；

步骤S3：计算每对D2D用户在受到同频干扰时的通信中断概率；

步骤S4：根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇，将所述多对D2D用户使用的频谱资源中若干份彼此正交的频谱资源给每个簇各分配一份，每个簇内的所有D2D用户对复用同一份频谱资源。

具体来说，该方法包括：

当D2D用户对数目比较多时，逐一复用蜂窝用户资源，会对蜂窝传输造成比较大的干扰，为此，引入资源正交的D2D传输模式：即D2D用户间可以复用相同资源，但与蜂窝用户资源正交。在此情况下，蜂窝传输不受影响，重点考虑D2D用户间的干扰控制。

然后获取每两对D2D用户之间在进行通信时互相受到的同频干扰的干扰量，可以通过链路探测来实现，或者在初始化阶段按照一定流程来测量，在此不再赘述。

获得D2D接收用户在受到同频干扰下的中断率表达式：

在此假设单小区半径为R，其覆盖范围以Ω_R表示，N对D2D用户在Ω_R内的分布服从参数为λ的泊松分布，其传输功率为P_D。则D2D用户对数量为λΩ_R，且用户分布概率为：信道增益由瑞利衰落和服从对数正态分布的阴影衰落组成，则D2D用户对接收到其余D2D用户对的同频干扰服从质数分布，假如第k个D2D链路收到第i个D2D链路的同频干扰量为a，其概率密度函数为

$f_k\left(a\right)=\frac{1}{{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{rk}}}\exp (-\frac{a}{{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{rk}}})---\left(1\right)$

其中

表示第k个D2D对的平均接受功率，

表示复用第n个频谱资源时，D2D链路k，i间的链路增益。

当D2D对i和k都在第n个信道资源上传输时，以D_k，

分别表示第k个D2D对的链路长度及第i个D2D对的发送用户与第k个D2D对的接受用户间的距离，以φ(x)表示0均值，单位方差的归一化正态分布概率密度函数，η，σ分别表示路损指数和对数正态标准差，链路衰减i的概率密度为：

$f_{h_{\mathrm{ki}}^n}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}{h}_{\mathrm{ki}}^n}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{\ln h_{\mathrm{ki}}^n-\ln \left(r_{\mathrm{ki}}^{-n}\right)}{\mathrm{\σ}}\right)}^2]---\left(2\right)$

当多个D2D对第n个信道上传输信息时，第k个D2D用户对的接受信噪比γ_k,n可以表示如下，其中N₀为噪声强度。

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{kn}}=\frac{P_D{h}_k^n}{\underset{i^n,i^n\≠k}{\mathrm{\Σ}}{P}_D{h}_{k,i^n}^n+N_0}---\left(3\right)$

当接受信噪比小于预期值Υ_target时，认为链路传输会中断。以P₀,P_I分别表示当前D2D链路接受的信号功率及干扰功率，则链路中断概率可以表示如下：

$p_{\mathrm{out}}=1-{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1}{\mathrm{\σ}}\mathrm{\φ}\left(\frac{x_0}{\mathrm{\σ}}\right)d{x}_0\exp (-\mathrm{\ξexp}(-x_0)-S\left(x_0\right))$

可见，复用相同资源的用户对数目越多，D2D传输链路受到的干扰越大，中断概率越大。

根据用户目标中断率的限制将D2D用户对分簇，同一个簇内的终端复用相同的资源，不同簇内终端复用正交资源；

目标中断概率为ρ，为满足p_out＜ρ，由(4)可以得到复用相同资源的最大用户密度λ_max，相应的用户对数目N^max＝λ^maxΩ_R，Ω_R表示小区范围。

本发明把复用相同资源的D2D用户对看做在同一个簇内，因而通过将用户对分到不同的簇可以实现资源分配管理，假定在D2D用户对通信过程中，用户移动很小，对簇划分的影响可以忽略。每个簇容纳的用户对数最多为最大用户对数N^max，其复用相同的信道资源。簇的划分应该以最小化用户间的同频干扰为目的，即相互间干扰较大的用户对不在同一个簇内，复用正交的频谱资源进行信息传输。

此时可以把簇的划分转化为图论中的最大割问题。D2D用户对表示为图G＝(V,E)，点集V由K个D2D对组成，边集E中每条边连接不同的两个D2D对，以用户对间的同频干扰作为不同簇内用户对的链路权重，即w_ij表示D2D对i和j间的相互干扰的干扰量。我们的目标是将K个D2D用户对划分到不同的簇内，使得同一个簇内的用户对间同频干扰量比较小，而相邻簇间的用户对间干扰量比较大。通过为不同簇用户分配不同的资源，可以提高频率利用率的同时避免较大的干扰，实现整体传输效率的最优化。假设最终图点集被分成M(M≥2)个部分，每个部分即为簇Z_m,m＝1,2,…,M。则簇的划分问题为：

$\max {\mathrm{\Σ}}_{i\∈Z_m,j\∈Z_n,m\≠n}{w}_{\mathrm{ij}}$

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\∪}}}{Z}_m=V---\left(5\right)$

Pr(γ_k,n≤γ_target)≤ρ,k∈Z_m

Heuristic算法被应用以求得该问题的次优解，该算法步骤如下：

步骤1：根据p_out≤ρ，计算λ^max和N^max。初始化簇的个数为1，包含所有的D2D用户S₁，即M＝1，Z₁＝S₁。

步骤2：设定一个空的用户组g，且m＝M。

步骤3：以I_k表示第k对D2D用户对簇内其他D2D用户对的干扰。

其中|Z_m|表示集合中用户数量。依次计算I_k,k＝1,2,…K，并将其按照降序排列，组成集合Ω。

步骤4：如果|Z_m|＞N^max，选出I_k最大的用户对，并将该用户从当前簇中移除，将之分配到新设定的用户组g中，返回步骤3重新计算干扰、降序排列、并在|Z_m|＞N^max时移除下一对干扰最大的D2D用户，直到当前所有簇内用户对数不大于N^max。此时新设定的用户组g为新增加簇，M＝M+1。针对该簇，返回步骤2，重新对该簇进行相同操作，直到最后一个簇中的用户对数不大于N^max。

步骤5：M表示簇的个数，针对已经分好的簇，进行信道资源分

配： $\begin{array}{c}{c}_n^m=\underset{k\∈Z_m}{\mathrm{\Σ}}{c}_{k,n}^m,\∀n\∈C_1\\ Z_m=\underset{Z_m}{\arg \max }\left\{c_n^m\right\}\end{array}$

其中

表示簇m内用户对k占用信道资源n进行数据传输时的传输速率。

以此得到使得总的传输速率最大的分簇方法，其中，通过限制同频用户数使得每个用户的中断率小于设定阈值。

进一步减少簇内同频干扰，对簇内传输进行功率控制。

同一个簇内的用户复用相同的资源进行数据传输，通过S3中分析的资源分配，可以使得用户的中断率在可接受目标范围内。由于随着D2D链路传输功率的增加，链路中断率减少，同时也会对其余同频用户产生相应增加的干扰。因而D2D的传输功率存在自身成功率和对其余用户对间干扰的折中。当传输中断率不小于预定值时，功率控制可以减少干扰和能量损耗，提高网络性能。

为决定折中的传输功率，使得网络性能提高，我们提出功率优化函数

$Z=\frac{1-p_{\mathrm{out}}}{P_D}---\left(8\right)$

可见该函数随着传输中断概率的增加而减少，随着用户传输功率的增加而增加，我们选择最优的传输功率以获得最大的能量利用率以减少中断率。

表示

则其中p_s＝1-p_out

保证传输质量的前提下，最小化传输功率，则问题可以表示为：

其中，函数Z在ξ定义域(0,+∞)上连续，故可通过求偏导求解上述问题，

即 ${\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{1}{\mathrm{\σ}}\mathrm{\φ}\left(\frac{x_0}{\mathrm{\σ}}\right){\mathrm{dx}}_0\exp (-\mathrm{\ξexp}(-x_0)-S\left(x_0\right))(1-\mathrm{\ξexp}(-x_0))=0$

以此求得最优ξ值ξ₀，进而得到最优传输功率

本发明提供一种D2D通信的干扰管理方法，包括单小区内所有D2D终端的资源分配及功率控制。为提高频谱效率，多个D2D对可以复用同一份频谱资源。把用户分簇，相同簇内的用户复用相同频谱资源，不同簇内的用户使用彼此正交的频谱资源以减少强干扰。同时为进一步减少同频干扰，对相同簇内的用户进行功率控制，以实现中断率与节约能量的折中，最终优化D2D传输可靠性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种D2D通信中的频谱资源管理方法，其特征在于，该方法包括：

同一小区中，多对D2D用户使用与蜂窝用户所用频谱资源正交的频谱资源进行通信；

获取每两对D2D用户之间在进行通信时互相受到的同频干扰的干扰量；

计算每对D2D用户在受到同频干扰时的通信中断概率；

根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇，将所述多对D2D用户使用的频谱资源中若干份彼此正交的频谱资源给每个簇各分配一份，每个簇内的所有D2D用户对复用同一份频谱资源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所有所述步骤之后进一步包括通过对同一簇内的D2D用户进行功率控制来减小簇内同频干扰。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述进行功率控制包括根据所述通信中断概率，通过对与成功传输概率成正比而与传输功率成反比的功率优化函数求导的方法，求得最佳传输功率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇包括：

根据所述通信中断概率得到每个簇可以容纳的最大用户对数；所述分簇须满足的限制条件包括在D2D用户对数小于等于该最大用户对数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇步骤须满足的限制条件进一步包括同一簇内的每一个D2D用户对间的通信中断概率小于某规定阈值。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述通信中断概率和所述干扰量将D2D用户对分簇进一步包括：

步骤T1：将所有D2D用户对划入同一个用户组中；

步骤T2：在所述用户组内，根据所述干扰量计算每一对D2D用户对其他所有D2D用户对的干扰量之和；

步骤T3：将所有D2D用户对按照所述干扰量之和降序排列；

步骤T4：若当前用户组内的D2D用户对数大于所述最大用户对数，则将所述干扰量之和最大的D2D用户对移除，并返回步骤T2重复进行这之间的步骤直至当前用户组内的D2D用户对数不大于所述最大用户对数；

步骤T5：将此时所述用户组内的所有D2D用户对划分为一个新簇，并清空所述用户组；

步骤T6：若剩余被移除的D2D用户对数大于所述最大用户对数，则将这些D2D用户对划入所述用户组内，并返回步骤T2，重复进行这之间的步骤直至剩余被移除的D2D用户对数不大于所述最大用户对数；

步骤T7：将此时剩余被移除的D2D用户对分为一个新簇。

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