CN103974288B - 蜂窝网中d2d资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝网中D2D资源分配方法，包括如下步骤：第一步、UE测量上报；第二步、基站构图,形成图集；第三步、图着色，形成集合；第四步、资源分配，资源分配为经过图着色以后，得到颜色数m，即所有D2D对被分成m个子集，每个子集中的D2D对数不等，每一个子集使用相同的子带资源；然后使用基于效用的资源分配方法来最大化频率利用率。本发明的蜂窝网中D2D资源分配方法与现有技术相比：具有统计详细，分析详细，并且可以掌控各种局面，估计到所有可能性。

Description

蜂窝网中D2D资源分配方法

技术领域

本发明属于通讯领域，特别是一种蜂窝网中D2D资源分配方法。

背景技术

随着移动互联网的高速发展，移动业务量急剧增长，对速率、无缝传输等方面的要求越来越高，带宽需求不断加大，但移动网络能够使用的带宽资源是有限的。要解决业务增长与资源受限的矛盾，就要不断发掘新的移动通信技术。其中一种有效的办法是在蜂窝网络中引入D2D(Device-to-Device)通信技术，即在地里位置上距离较近的移动设备可以直接进行通信，而不用遵循传统“设备-基站-设备”的通信模式。在蜂窝网中应用D2D通信示意如图1所示。在蜂窝系统中引入D2D通信带来的益处有：提高系统吞吐率、频谱利用率，分担基站负载和减小终端电源消耗等。

D2D资源分配模式关系到能否获得上述益处、以及对蜂窝系统的影响，因而D2D资源分配是在蜂窝网中应用D2D通信的关键问题。D2D通信在蜂窝网中的资源分配模式有三种方式：上行频段共享、下行频段共享和专用模式。前两种是复用模式，即D2D underlay部署在蜂窝网中；第三种是正交模式，即D2D overlay部署在蜂窝网中。图2展示了复用模式下的干扰场景：

D2D使用下行资源时：D2D通信干扰本小区和邻小区使用相同资源的蜂窝UE(UserEquipment)，同时本小区和邻小区下行链路也会干扰D2D通信接收UE。

D2D使用上行资源时：D2D通信干扰本小区和邻小区基站，蜂窝小区的上行链路会干扰D2D通信的接收UE。

在当前的D2D通信研究中，绝大部分的研究针对D2D对复用CUE(Cellular UserEquipment)的频率资源。D2D复用CUE上行链路资源被干扰的是基站侧，而复用下行链路资源被干扰的是CUE侧，因此大部分的研究都采取D2D复用上行链路资源。现有的研究通常是通过功率控制和巧妙的资源分配来减小D2D通信对蜂窝网络通信的干扰，如考虑本地干扰情况、避免远近干扰等。

采用正交模式不会对蜂窝系统造成干扰，现有技术中，D2D使用与CUE正交的频率资源，但需要承担为CUE中继的责任。

现有的背景技术具有如下缺点：

采用复用模式，尽管可以通过功率控制和资源分配来降低干扰，但不能完全消除，不可避免地对蜂窝通信造成不良影响。

多数研究所用的的模型都是单小区只有一个D2D对和一个CUE。而实际中的应用场景是多个CUE和多个D2D对同时存在。

缺少对正交模式的研究。虽然有了针对正交模式的资源分配，但D2D对之间的资源也是正交的，频率资源没有充分利用。

发明内容

本发明是解决上述问题，提供一种将蜂窝网络分配一个资源池给D2D通信，与原有蜂窝通信相互正交。资源池被分为若干子带资源，通常子带数小于D2D对数，多个D2D对可以复用同一子带资源。构造一个图集，每个D2D对映射为图集中的一个节点，节点之间的邻接性由节点间的互干扰大小决定。对图集进行图着色，着相同颜色的节点对应的D2D对使用相同的频率资源，即完成了D2D对之间的复用选择。基于图着色的结果，本文提出了一种基于效用的资源分配方法，子带资源大小与使用每一种颜色的D2D对数成正比，即复用同一种颜色的D2D对数越多，分配的资源就越多。

本发明的蜂窝网中D2D资源分配方法，包括如下步骤：

第一步、UE测量上报；UE测量上报为基站通过UE测量上报可以获得D2D对间的干扰信息；首先基站给每个D2D通信对分配一个特有的D2D通信ID或标识，然后开始UE测量上报流程，对于任意一个循环，D2D_i的发射端发送探测消息(时分或频分)，其他D2D对用户的接收端侦听探测消息Prob，然后将接收到的探测信号的相关信息反馈给eNB。这里假设所有的探测信号均以最大发射功率发送，探测消息和反馈消息都包含各自的D2D通信ID或标识信息；

第二步、基站构图,形成图集；基站构图为基站获得所有D2D对之间的链路增益，构建一个图集，其中的点表示一个D2D通信对，点和点之间有连线表示两个D2D通信对之间的干扰较大，不能使用相同的资源；两个点之间没有连线表示两个D2D对之间的干扰较小，可以复用相同的资源；

第三步、图着色，形成集合；图着色为是将第二步中的图集进行点着色；

第四步、资源分配，资源分配为经过图着色以后，得到颜色数m，即所有D2D对被分成m个子集，每个子集中的D2D对数不等，每一个子集使用相同的子带资源；然后使用基于效用的资源分配方法来最大化频率利用率。

所述UE测量上报会出现如下情况：基站预先设定一个接收功率门限值Γ_Prx，并且把这一门限值广播给所有D2D用户；D2D_i为发射端，D2D_j为接收端，D2D_i发送探测信号时，D2D_j侦听Prob信号，若侦听到的Prob信号功率Pr≥Γ_Prx，则认为D2D_i对自身的干扰较大，发送一个反馈消息给基站；否则，不做任何操作。

所述UE测量上报情况需要如下信令交互过程：基站广播接收功率门限和D2D对用户上报；基站广播接收功率门限只需一次信令交互；而由于每个循环中只有受到干扰的D2D用户才上报，所有D2D对用户上报次数之和取决于D2D对之间的干扰情况；最坏的情况是任意两个D2D对之间均存在干扰，即每一次循环中，有N-1个D2D用户需要向基站上报，所有D2D对用户上报次数为N(N-1)；完成整个UE测量上报过程，在最坏的情况下所需的总的信令交互次数为N(N-1)+1。

所述基站构图基于接收信号功率方案，在基站侧，对于任意一个循环，D2D_i发送探测信号，若基站收到D2D_j的反馈信息，则在图集中代表D2D_i和D2D_j的两点间添加连线；反之，在图集中代表D2D_i和D2D_j的两点间不连线；这样经过一个循环以后就完成了构图操作。

所述UE测量上报会出现如下情况：D2D_i发送探测信号时，D2D_j侦听Prob信号，然后把侦听到的Prob信号功率反馈给基站。此外，为了获得D2D_i的发射端到接收端的链路增益信息，D2D_i的接收端也需要向基站上报接收到的Prob信号功率。

所述UE测量上报情况需要如下信令交互过程：信令交互仅含D2D对用户向eNB上报接收信号功率，每一个循环有N个D2D对用户上报，总的上报次数为：N²。

所述基站构图基于SIR方案，预先设定一个SIR门限值Γ_SIR，首先假定所有D2D对都复用相同的资源，即所有D2D对之间均存在互干扰。对于任意一个D2D_i，依照其余D2D对用户对D2D_i的干扰从强到弱的顺序不断剔除干扰项，直到SIR(i)≥Γ_SIR为止，所有剔除项所对应的D2D对与D2D_i互干扰较强，在图集中邻接。循环N次，就完成了构图。

所述基站构图基于效用方案，为遍历方案，可用最大颜色数为N，实际使用颜色数可以是从1到N，一共有N种可能。然后，每一次遍历循环都进行构图、着色和资源分配，并根据公式计算和效用；遍历N种可能的构图着色方案，找出使得系统和效用最大的一种方案。

所述图着色方案为采用最大度优先算法或者最大饱和度优先算法，得到需要的颜色数m以及使用每一种颜色的节点数k_i，然后基站直接对图集进行点着色。

所述图着色方案为每一次的遍历循环中，如第k次循环，首先按照节点度数递减的顺序选出k个节点使用k种不同的颜色，然后其余N-k个节点在k种颜色中选择互干扰(指复用同一颜色的节点间互干扰)最小的一种颜色。

所述资源分配为假设D2D用户数为N，分配给D2D用户的总带宽为W，分成m个子带，编号为w⁽¹⁾,w⁽²⁾,…,w^(m)，多个D2D对可复用同一个子带资源，设使用每个子带的D2D对数为k₁,k₂,…,k_m，系统和速率如下式：

其中，w_n是具体分配给每个D2D对的带宽，由于图着色，m≤N。

所述系统和速率公式中会有不同D2D对复用相同资源，即w_i＝w_j,i≠j，m个子带表示成w⁽¹⁾,w⁽²⁾,…,w^(m)，相应的，使用每一个子带的D2D对数为k_i,i＝1,2,…,m。则：

相对应的：

定义效用函数：

U(r)＝a+bln(r) (4)

其中，r是速率。则和效用如下式：

选出一组w⁽ⁱ⁾使得和效用最大，即：

根据KKT条件，构造函数：

其中，λ≠0，μ_i≥0,i＝1,2,…,m。

由于存在对偶条件以及约束条件：

所述式(7)变为：

所述式(9)分别对w和λ求导：

所述式(10)可以推算出：

式(11)即是最终的资源分配方案。

综上所述，本发明的蜂窝网中D2D资源分配方法与现有技术相比：

从信令开销分析；方法一(基于接收信号功率方案)使用的是第一种UE测量上报方法，这种方法的优点是，上报内容简单，并且只有受到较严重干扰的D2D对才会上报，实际上报次数一般远小于N(N-1)+1，信令开销小。缺点是，基站只能获得D2D对间的邻接性关系，并不能知晓确切的链路增益信息。方法二(基于SIR方案)和方法三(基于效用方案)采用第二种UE测量上报方法。优点是基站可以获得D2D对内以及D2D对间的所有链路增益信息，基站可以根据这些链路增益更好地判断各D2D对间的干扰强弱；缺点是所有D2D对都需要反馈，而且反馈内容较多，信令开销大。

从算法复杂度角度分析；如前所述，本发明提出的D2D资源分配机制主要由UE测量上报、基站构图、图着色以及资源分配四步骤构成。UE测量上报属于UE侧行为，三种是实现方法使用相同的资源分配算法，因此对算法复杂度产生影响的步骤是基站构图和图着色。方法一不需要特别的构图运算，方法二需要通过计算SIR的方式完成构图，方法三需要遍历N中可能的构图方案。显然方法一的算法复杂度最低，方法三的算法复杂度最高。

从实现效果分析；方法一信令开销小，实现简单，特别适合D2D用户数量较多的场景。方法二保证了最坏情况下的D2D通信的SIR达到目标门限值，因而方法二能够保证D2D通信质量良好，适合对D2D通信质量要求较高的场景。方法三实现最复杂，但能获得最大系统和效用，适合以提高系统吞吐量为目标而引入D2D通信的场景。

附图说明

图1为在蜂窝网中应用D2D通信示意图；

图2为D2D通信与蜂窝网络之间的干扰场景示意图；

图3为本发明场景示意图；

图4为本发明流程图；

图5为本发明UE过程上报示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图3和图4所示，图3中参数含义为：M为CUE个数，N为2D通信对数目，g_{c_i}为UE到基站的信道响应，g_{d_j}为D2D对j的发射端到接收端的信道响应，g_{d_jk}为D2D对j和k之间的信道响应，α为分配给CUE的资源比例，β为分配给D2D的资源比例。本发明的蜂窝网中D2D资源分配方法，包括如下步骤：第一步、UE测量上报；UE测量上报为基站通过UE测量上报可以获得D2D对间的干扰信息；首先基站给每个D2D通信对分配一个特有的D2D通信ID或标识，然后开始UE测量上报流程，对于任意一个循环，D2D_i的发射端发送探测消息(时分或频分)，其他D2D对用户的接收端侦听探测消息Prob，然后将接收到的探测信号的相关信息反馈给eNB。这里假设所有的探测信号均以最大发射功率发送，探测消息和反馈消息都包含各自的D2D通信ID或标识信息；第二步、基站构图,形成图集；基站构图为基站获得所有D2D对之间的链路增益，构建一个图集，其中的点表示一个D2D通信对，点和点之间有连线表示两个D2D通信对之间的干扰较大，不能使用相同的资源；两个点之间没有连线表示两个D2D对之间的干扰较小，可以复用相同的资源；第三步、图着色，形成集合；图着色为是将第二步中的图集进行点着色；第四步、资源分配，资源分配为经过图着色以后，得到颜色数m，即所有D2D对被分成m个子集，每个子集中的D2D对数不等，每一个子集使用相同的子带资源；然后使用基于效用的资源分配方法来最大化频率利用率。

如图5所示，所述UE测量上报会出现如下情况：基站预先设定一个接收功率门限值Γ_Prx，并且把这一门限值广播给所有D2D用户；D2D_i为发射端，D2D_j为接收端，D2D_i发送探测信号时，D2D_j侦听Prob信号，若侦听到的Prob信号功率Pr≥Γ_Prx，则认为D2D_i对自身的干扰较大，发送一个反馈消息给基站；否则，不做任何操作。所述UE测量上报情况需要如下信令交互过程：基站广播接收功率门限和D2D对用户上报；基站广播接收功率门限只需一次信令交互；而由于每个循环中只有受到干扰的D2D用户才上报，所有D2D对用户上报次数之和取决于D2D对之间的干扰情况；最坏的情况是任意两个D2D对之间均存在干扰，即每一次循环中，有N-1个D2D用户需要向基站上报，所有D2D对用户上报次数为N(N-1)；完成整个UE测量上报过程，在最坏的情况下所需的总的信令交互次数为N(N-1)+1。所述基站构图基于接收信号功率方案，在基站侧，对于任意一个循环，D2D_i发送探测信号，若基站收到D2D_j的反馈信息，则在图集中代表D2D_i和D2D_j的两点间添加连线；反之，在图集中代表D2D_i和D2D_j的两点间不连线；这样经过一个循环以后就完成了构图操作。所述UE测量上报会出现如下情况：D2D_i发送探测信号时，D2D_j侦听Prob信号，然后把侦听到的Prob信号功率反馈给基站。此外，为了获得D2D_i的发射端到接收端的链路增益信息，D2D_i的接收端也需要向基站上报接收到的Prob信号功率。所述UE测量上报情况需要如下信令交互过程：信令交互仅含D2D对用户向eNB上报接收信号功率，每一个循环有N个D2D对用户上报，总的上报次数为：N²。所述基站构图基于SIR方案，预先设定一个SIR门限值Γ_SIR，首先假定所有D2D对都复用相同的资源，即所有D2D对之间均存在互干扰。对于任意一个D2D_i，依照其余D2D对用户对D2D_i的干扰从强到弱的顺序不断剔除干扰项，直到SIR(i)≥Γ_SIR为止，所有剔除项所对应的D2D对与D2D_i互干扰较强，在图集中邻接。循环N次，就完成了构图。所述基站构图基于效用方案，为遍历方案，可用最大颜色数为N，实际使用颜色数可以是从1到N，一共有N种可能。然后，每一次遍历循环都进行构图、着色和资源分配，并根据公式计算和效用；遍历N种可能的构图着色方案，找出使得系统和效用最大的一种方案。所述图着色方案为采用最大度优先算法或者最大饱和度优先算法，得到需要的颜色数m以及使用每一种颜色的节点数k_i，然后基站直接对图集进行点着色。所述图着色方案为每一次的遍历循环中，如第k次循环，首先按照节点度数递减的顺序选出k个节点使用k种不同的颜色，然后其余N-k个节点在k种颜色中选择互干扰(指复用同一颜色的节点间互干扰)最小的一种颜色。

所述资源分配为假设D2D用户数为N，分配给D2D用户的总带宽为W，分成m个子带，编号为w⁽¹⁾,w⁽²⁾,…,w^(m)，多个D2D对可复用同一个子带资源，设使用每个子带的D2D对数为k₁,k₂,…,k_m，系统和速率如下式：

其中，w_n是具体分配给每个D2D对的带宽，由于图着色，m≤N。

所述系统和速率公式中会有不同D2D对复用相同资源，即w_i＝w_j,i≠j，m个子带表示成w⁽¹⁾,w⁽²⁾,…,w^(m)，相应的，使用每一个子带的D2D对数为k_i,i＝1,2,…,m。则：

相对应的：

定义效用函数：

U(r)＝a+bln(r) (15)

其中，r是速率。则和效用如下式：

选出一组w⁽ⁱ⁾使得和效用最大，即：

根据KKT条件，构造函数：

其中，λ≠0，μ_i≥0,i＝1,2,…,m。

由于存在对偶条件以及约束条件：

所述式(7)变为：

所述式(9)分别对w和λ求导：

所述式(10)可以推算出：

式(11)即是最终的资源分配方案。

在实际使用时，只需要将上述步骤通过计算机模拟得出公式(11)然后使用计算工具计算出最终的结果即可。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种蜂窝网中D2D资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、UE测量上报；UE测量上报为基站通过UE测量上报可以获得D2D对间的干扰信息；首先基站给每个D2D通信对分配一个特有的D2D通信ID或标识，然后开始UE测量上报流程，对于任意一个循环，D2D_i的发射端发送探测消息，即时分或频分，其他D2D对用户的接收端侦听探测消息Prob，然后将接收到的探测信号的相关信息反馈给eNB，这里假设所有的探测信号均以最大发射功率发送，探测消息和反馈消息都包含各自的D2D通信ID或标识信息；

第二步、基站构图,形成图集；基站构图为基站获得所有D2D对之间的链路增益，构建一个图集，其中的点表示一个D2D通信对，点和点之间有连线表示两个D2D通信对之间的干扰较大，不能使用相同的资源；两个点之间没有连线表示两个D2D对之间的干扰较小，可以复用相同的资源；

第三步、图着色，形成集合；图着色为是将第二步中的图集进行点着色；

第四步、资源分配，资源分配为经过图着色以后，得到颜色数m，即所有D2D对被分成m个子集，每个子集中的D2D对数不等，每一个子集使用相同的子带资源；然后使用基于效用的资源分配方法来最大化频率利用率；

所述UE测量上报会出现如下情况：D2D_i发送探测信号时，D2D_j侦听Prob信号，然后把侦听到的Prob信号功率反馈给基站，此外，为了获得D2D_i的发射端到接收端的链路增益信息，D2D_i的接收端也需要向基站上报接收到的Prob信号功率；

所述UE测量上报情况需要如下信令交互过程：信令交互仅含D2D对用户向eNB上报接收信号功率，每一个循环有N个D2D对用户上报，总的上报次数为：N²；

所述基站构图基于SIR方案，预先设定一个SIR门限值Γ_SIR，首先假定所有D2D对都复用相同的资源，即所有D2D对之间均存在互干扰，对于任意一个D2D_i，依照其余D2D对用户对D2D_i的干扰从强到弱的顺序不断剔除干扰项，直到SIR(i)≥Γ_SIR为止，所有剔除项所对应的D2D对与D2D_i互干扰较强，在图集中邻接，循环N次，就完成了构图。

2.如权利要求1所述的蜂窝网中D2D资源分配方法，其特征在于：所述UE测量上报会出现如下情况：基站预先设定一个接收功率门限值Γ_Prx，并且把这一门限值广播给所有D2D用户；D2D_i为发射端，D2D_j为接收端，D2D_i发送探测信号时，D2D_j侦听Prob信号，若侦听到的Prob信号功率Pr≥Γ_Prx，则认为D2D_i对自身的干扰较大，发送一个反馈消息给基站；否则，不做任何操作。

3.如权利要求2所述的蜂窝网中D2D资源分配方法，其特征在于：所述UE测量上报情况需要如下信令交互过程：基站广播接收功率门限和D2D对用户上报；基站广播接收功率门限只需一次信令交互；而由于每个循环中只有受到干扰的D2D用户才上报，所有D2D对用户上报次数之和取决于D2D对之间的干扰情况；最坏的情况是任意两个D2D对之间均存在干扰，即每一次循环中，有N-1个D2D用户需要向基站上报，所有D2D对用户上报次数为N(N-1)；完成整个UE测量上报过程，在最坏的情况下所需的总的信令交互次数为N(N-1)+1。

4.如权利要求3所述的蜂窝网中D2D资源分配方法，其特征在于：所述基站构图基于接收信号功率方案，在基站侧，对于任意一个循环，D2D_i发送探测信号，若基站收到D2D_j的反馈信息，则在图集中代表D2D_i和D2D_j的两点间添加连线；反之，在图集中代表D2D_i和D2D_j的两点间不连线；这样经过一个循环以后就完成了构图操作。

5.如权利要求1所述的蜂窝网中D2D资源分配方法，其特征在于：所述基站构图基于效用方案，为遍历方案，可用最大颜色数为N，实际使用颜色数可以是从1到N，一共有N种可能，然后，每一次遍历循环都进行构图、着色和资源分配，并根据公式计算和效用；遍历N种可能的构图着色方案，找出使得系统和效用最大的一种方案。

6.如权利要求1或4所述的蜂窝网中D2D资源分配方法，其特征在于：所述图着色方案为采用最大度优先算法或者最大饱和度优先算法，得到需要的颜色数m以及使用每一种颜色的节点数k_i，然后基站直接对图集进行点着色。

7.如权利要求5所述的蜂窝网中D2D资源分配方法，其特征在于：所述图着色方案为每一次的遍历循环中，如第k次循环，首先按照节点度数递减的顺序选出k个节点使用k种不同的颜色，然后其余N-k个节点在k种颜色中选择复用同一颜色的节点间互干扰最小的一种颜色。