CN104270712A - 一种设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法，按如下步骤进行：首先，基站通过上行信道估计可以获得所有上行用户至基站的信道信息以及所有D2D(device-to-device)用户对的发射机在基站处对被复用上行用户的干扰信道信息；类似地，任一D2D用户对的接收机可以获得与发射机之间在整个频段上的信道信息和被复用上行用户到D2D用户对接收机的反向干扰信道信息，并将它们反馈给基站。基站根据获得的所有四类信道信息最大化所有D2D用户对的本地频带效率的同时保证每个上行用户的通信速率不低于R_n的准则，在所有D2D用户对之间合理分配频段资源，并优化所有所有上行用户和D2D用户对的发送功率。最后，基站将资源分配、功率控制结果通过控制信道告知D2D用户对和上行用户。

Description

一种设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法，属于物理层资源分配、干扰控制设计领域。

背景技术

自本世纪初至今的十几年内，有多项新技术已经或即将被引入现有的/未来的移动通信网络(例如，宽带码分多址接入(wideband code division multiple access，WCDMA)、长期演进(long term evolution，LTE)、增强型长期演进(LTE-Advanced)等。)。设备间通信(Device-to-Device,D2D)作为对现有移动通信网络的补充型通信技术之一吸引了广泛关注。该技术的基本原理在于允许两个距离较近的本地用户建立直接的通信链路，取代了通过基站中继传统通信模式。此技术最大优点在于它可以减小传输延迟、节省功率消耗、提高本地频带利用率等等。在这样一个传统移动网络及设备间通信同时存在的混合网络中，设备间通信主要受控于移动网络(例如基站)。移动网络作为集中式控制单元将不仅控制网络内任意的设备间通信链路的建立、中断，还需负责为本地直接通信用户指定物理资源。

近些年来，包括学术界、产业界在内的科研单位，通信公司以及国际性合作组织致力于解决D2D通信的各项技术难题。合理规划移动网络与D2D通信相互之间资源复用就是其中关键技术之一。D2D通信的小范围、位置分散等特点可以认为是位置分集，具体来说，某对本地用户完全可以利复用距离他们较远的某个移动用户的频段资源。由于D2D通信发送功率较小且距离较远，D2D用户对和被复用的移动用户之间的相互干扰可以被控制在一个极低的水平。这种干扰抑制，资源复用方案主要通过基站来统筹控制，这样可以有效的规划频段复用并将整个混合系统内的干扰抑制到最低。

发明内容

本专利以基站作为核心控制单元为基础，提供了一种关于设备间通信复用上行资源的物理层分配技术。该技术充分利用了网络中D2D通信与移动用户的位置信息来统筹规划D2D通信如何合理的复用相应的频段资源，使得D2D通信的本地频带效率最大化，同时必须保证了所有移动用户的传输质量不会因为频段被复用带来的干扰而降低。

本发明采用的技术方案为：一种关于设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制技术，该方法按以下步骤进行：

1)在一个单小区网络中，共存在N个上行用户以及D对D2D用户对(每个D2D用户对由一个发射机(‘D2DRX’)和接收机(‘D2DTX)构成)。上行用户和D2D用户对分别采用下标n(n＝1,2,…,N)和d(d＝1,2,…,D)来表示。每个上行用户占用系统总频段资源的1/N且相互之间正交。所有上行用户并与基站保持稳定的通信链路，且规定其最大发送功率为通信速率始终保持R_n(bits/s/Hz)。为了提升本地频带利用率并有利于运营商针对每个D2D用户对占用资源的情况合理收费。所有D2D对以最大发送功率总和为可以复用任意多个上行用户资源，且每个上行用户只能被一个D2D对复用。x_d,n被用作D2D用户对d占用上行用户n频段的指示变量。如果上行用户n频段被基站指定给了D2D用户对d，那么x_d,n＝1；否则x_d,n＝0；

2)在TDD系统中，为了使基站获得完整的信道信息来实现最优资源分配，基站可以通过上行信道估计获得上行用户n至基站的信道h_n以及D2D用户对d的发射机对被复用上行用户n在基站处的上行干扰信道通过上述相同的信道估计方式，D2D用户对d的接收机可以获得它与其发射机之间在上行用户n频段上的传输信道h_d,n和被复用移动用户n到它的反向干扰信道最后D2D用户对d的接收机将h_d,n和反馈给基站；

3)基站根据获得的2)中所述四类信道信息，按照最大化所有D2D用户对的本地频带效率同时保证每个上行用户的通信速率不低于R_n的准则，在所有D2D用户对之间合理分配频段资源，并且优化所有D2D用户对在已分配频段上的发射机的发送功率p_d,n以及所有上行用户的发送功率p_n；

4)基站根据3)中所述准则，根据设备间通信复用上行物理层资源与功率控制算法计算得出最优的所有D2D用户对在已分配频段上的最优发送功率以及所有上行用户的最优发送功率基站通过控制信道将频段分配结果以及最优功率传递给相应的D2D用户对；同时提高上行用户功率至对抗来自于D2D用户对的干扰以维持通信速率R_n不变；

5)最后根据4)所述结果，所有D2D用户对在基站指定的频段资源上，以最优功率发送本地信息。而上行用户则按照最优功率与基站保持通信。

根据所述设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制的技术方案，首先采用和分别表示所有D2D用户对集合以及未分配的上行用户频段集合，并用代表D2D用户对d已分配的频段集合。初始时刻，包含了当前小区内所有上行用户的频段，则为空集。每个D2D用户对的功率上限为 $P_d=\min (P_d^{\max },\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{d,n})$ 其中 $Q_{d,n}=\min (P_d^{\max },(g_n{P}_n^{\max }-{\mathrm{\ω}}_n)/\left({\mathrm{\ω}}_n{g}_{d,n}^I\right)),$ ${\mathrm{\ω}}_n=2^{^R_n}-1.$

具体迭代计算方法如下：

步骤1：针对D2D对用户集合中的任意D2D用户对d，调用功率控制计算单元计算若将频段集合所含的频段都分配给该D2D用户对时的最优发送功率

步骤2：将步骤1中的计算得到的功率结果代入到(1)式计算频段分配收益函数，并挑选出所有D2D用户对和所有未分配频段配对组合中收益最大的那种资源分配方式，即最优D2D用户对和频段组合(d^*,n^*)；

步骤3：更新未分配频段集合为以及所有D2D用户对已分配频段集合为

步骤4：更新所有D2D用户对的有效功率上限为

回到步骤1继续执行步骤1-步骤4直到(为空集合)即所有的频段资源都被分配完；

$H_{d,n}={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\α}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}}{{\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}})-\frac{{\mathrm{\α}}_{d,n}{\mathrm{\β}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}}{\ln 2({\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*})({\mathrm{\α}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}+{\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*})}---\left(1\right)$

其中α_d,n＝g_ng_d,n, ${\mathrm{\β}}_{d,n}=g_n+{\mathrm{\ω}}_n{g}_{n,d}^I,{\mathrm{\γ}}_{d,n}={\mathrm{\ω}}_n{g}_{n,d}^I{g}_{d,n}^I,$ ${\mathrm{\ω}}_n=2^{^R_n}-1.$ 而 $g_n={\left|h_n\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_n^2,g_{d,n}^I={\left|h_{d,n}^I\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_n^2,g_{d,n}={\left|h_{d,n}\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_d^2,g_{n,d}^I={\left|h_{n,d}^I\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_d^2$ 是权利要求2)中所述4类信道的归一化功率增益；分别表示为D2D用户对d的接收机和上行用户n在频段n上的高斯白噪声的功率；

步骤5：按照公式(2)并根据上述迭代算法输出的最优频段分配、D2D用户对功率控制结果计算所有上行用户的最优发送功率

$p_n^{*}={\mathrm{\ω}}_n(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n}^{*})/g_n---\left(2\right)$

有益效果：1)本发明方法更加全面地考虑了基站对D2D链路的干扰以及D2D用户对无线移动网络链路的干扰。充分利用所有用户对、上行用户的位置分集特点，联合优化对D2D用户对的频段分配以及它们连同上行用户的发送功率。

2)采用本发明方法中计算出频段分配、功率控制结果可以最大程度的提升系统本地频带利用效率，同时保证所有上行用户的QoS不会收到D2D用户对复用的影响而降低。

附图说明

图1是本发明提出的设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法的系统框图。

图2是本发明提出的D2D通信复用上行用户频段资源及最优功率控制算法性能比较曲线，其中包含本发明算法的性能上界，本发明算法的性能，一种启发式频段分配与功率控制算法，和随机频段分配联合本发明功率控制算法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示：本发明的具体实施步骤如下：

1)在一个单小区网络中，共存在N个上行用户以及D对D2D用户对(每个D2D用户对由一个发射机(‘D2DRX’)和接收机(‘D2DTX)构成)。上行用户和D2D用户对分别采用下标n(n＝1,2,…,N)和d(d＝1,2,…,D)来表示。每个上行用户占用系统总频段资源的1/N且相互之间正交。所有上行用户并与基站保持稳定的通信链路，且规定其最大发送功率为通信速率始终保持R_n(bits/s/Hz)。为了提升本地频带利用率并有利于运营商针对每个D2D用户对占用资源的情况合理收费。所有D2D对以最大发送功率总和为可以复用任意多个上行用户资源，且每个上行用户只能被一个D2D对复用。x_d,n被用作D2D用户对d占用上行用户n频段的指示变量。如果上行用户n频段被基站指定给了D2D用户对d，那么x_d,n＝1；否则x_d,n＝0；

2)在TDD系统中，为了使基站获得完整的信道信息来实现最优资源分配，基站可以通过上行信道估计获得上行用户n至基站的信道h_n以及D2D用户对d的发射机对被复用上行用户n在基站处的上行干扰信道通过上述相同的信道估计方式，D2D用户对d的接收机可以获得它与其发射机之间在上行用户n频段上的传输信道h_d，n和被复用移动用户n到它的反向干扰信道最后D2D用户对d的接收机将h_d,n和反馈给基站；

3)基站根据获得的2)中所述四类信道信息，按照最大化所有D2D用户对的本地频带效率同时保证每个上行用户的通信速率不低于R_n的准则，在所有D2D用户对之间合理分配频段资源，并且优化所有D2D用户对在已分配频段上的发射机的发送功率p_d,n以及所有上行用户的发送功率p_n；

4)基站根据3)中所述准则，根据设备间通信复用上行物理层资源与功率控制算法计算得出最优的所有D2D用户对在已分配频段上的最优发送功率以及所有上行用户的最优发送功率基站通过控制信道将频段分配结果以及最优功率传递给相应的D2D用户对；同时提高上行用户功率至对抗来自于D2D用户对的干扰以维持通信速率R_n不变；

5)最后根据4)所述结果，所有D2D用户对在基站指定的频段资源上，以最优功率发送本地信息。而上行用户则按照最优功率与基站保持通信。

2、根据上述设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法的具体实施方式，首先令和分别表示所有D2D用户对集合以及未分配的上行用户频段集合，并记则代表D2D用户对d已分配的频段集合。初始时刻，包含了当前小区内所有上行用户的频段，则为空集。每个D2D用户对的功率上限为 $P_d=\min (P_d^{\max },\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{d,n})$ 其中 $Q_{d,n}=\min (P_d^{\max },(g_n{P}_n^{\max }-{\mathrm{\ω}}_n)/\left({\mathrm{\ω}}_n{g}_{d,n}^I\right)),$ ${\mathrm{\ω}}_n=2^{^R_n}-1.$

具体迭代计算方法如下：

步骤1：针对D2D对用户集合中的任意D2D用户对d，调用功率控制计算单元计算若将频段集合所含的频段都分配给该D2D用户对时的最优发送功率

步骤2：将步骤1中的计算得到的功率结果代入到(1)式计算频段分配收益函数，并挑选出所有D2D用户对和所有未分配频段配对组合中收益最大的那种资源分配方式，即最优D2D用户对和频段组合(d^*,n^*)；

步骤3：更新未分配频段集合为以及所有D2D用户对已分配频段集合为

步骤4：更新所有D2D用户对的有效功率上限为

回到步骤1继续执行步骤1-步骤4直到(为空集合)即所有的频段资源都被分配完。

$H_{d,n}={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\α}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}}{{\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}})-\frac{{\mathrm{\α}}_{d,n}{\mathrm{\β}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}}{\ln 2({\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*})({\mathrm{\α}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}+{\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*})}---\left(1\right)$

其中α_d,n＝g_ng_d,n, ${\mathrm{\β}}_{d,n}=g_n+{\mathrm{\ω}}_n{g}_{n,d}^I,{\mathrm{\γ}}_{d,n}={\mathrm{\ω}}_n{g}_{n,d}^I{g}_{d,n}^I,$ ${\mathrm{\ω}}_n=2^{^R_n}-1.$ 而 $g_n={\left|h_n\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_n^2,g_{d,n}^I={\left|h_{d,n}^I\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_n^2,g_{d,n}={\left|h_{d,n}\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_d^2,g_{n,d}^I={\left|h_{n,d}^I\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_d^2$ 是权利要求2)中所述4类信道的归一化功率增益。分别表示为D2D用户对d的接收机和上行用户n在频段n上的高斯白噪声的功率。

步骤5：按照公式(2)并根据上述迭代算法输出的最优频段分配、D2D用户对功率控制结果计算所有上行用户的最优发送功率

$p_n^{*}={\mathrm{\ω}}_n(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n}^{*})/g_n---\left(2\right)$

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法，所述方法包括以下步骤：

1)在一个单小区网络中，共存在N个上行用户以及D对D2D用户对，其中每个D2D用户对由一个发射机(‘D2DRX’)和接收机(‘D2DTX)构成，上行用户和D2D用户对分别采用下标n(n＝1,2,…,N)和d(d＝1,2,…,D)来表示，每个上行用户占用系统总频段资源的1/N且相互之间正交，所有上行用户并与基站保持稳定的通信链路，且规定其最大发送功率为通信速率始终保持R_n(bits/s/Hz)，为了提升本地频带利用率并有利于运营商针对每个D2D用户对占用资源的情况合理收费，所有D2D对以最大发送功率总和为可以复用任意多个上行用户资源，且每个上行用户只能被一个D2D对复用，x_d,n；被用作D2D用户对d占用上行用户n频段的指示变量，如果上行用户n频段被基站指定给了D2D用户对d，那么x_d,n＝1；否则x_d,n＝0；

2)在时分双工系统中，为了使基站获得完整的信道信息来实现最优资源分配，基站可以通过上行信道估计获得上行用户n至基站的信道h_n；以及D2D用户对d的发射机对被复用上行用户n在基站处的上行干扰信道通过上述相同的信道估计方式，D2D用户对d的接收机可以获得它与其发射机之间在上行用户n频段上的传输信道h_d,n和被复用移动用户n到它的反向干扰信道最后D2D用户对d的接收机将h_d,n和反馈给基站；

3)基站根据获得的2)中所述四类信道信息h_n，hd,n，按照最大化所有D2D用户对的本地频带效率同时保证每个上行用户的通信速率不低于R_n的准则，在所有D2D用户对之间合理分配频段资源，并且优化所有D2D用户对在已分配频段上的发射机的发送功率p_d,n以及所有上行用户的发送功率p_n；

4)基站根据3)中所述准则，根据设备间通信复用上行物理层资源与功率控制算法计算得出最优的所有D2D用户对在已分配频段上的最优发送功率以及所有上行用户的最优发送功率基站通过控制信道将频段分配结果以及最优功率传递给相应的D2D用户对；同时调整上行用户功率至对抗来自于D2D用户对的干扰以维持通信速率R_n不变；

5)最后根据4)所述结果，所有D2D用户对在基站指定的频段资源上，以最优功率发送本地信息，而上行用户则按照最优功率与基站保持通信。

2.根据权利要求1所述设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法，采用和分别表示所有D2D用户对集合以及未分配的上行用户频段集合，并用代表D2D用户对d已分配的频段集合，初始时刻，包含了当前小区内所有上行用户的频段，则为空集，每个D2D用户对的功率上限为 $P_d=\min (P_d^{\max },\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{d,n})$ 其中 $Q_{d,n}=\min (P_d^{\max },(g_n{P}_n^{\max }-{\mathrm{\ω}}_n)/\left({\mathrm{\ω}}_n{g}_{d,n}^I\right)),{\mathrm{\ω}}_n=2^{^R_n}-1;$

其中，具体迭代计算方法如下：

步骤1：针对D2D对用户集合中的任意D2D用户对d，调用功率控制计算单元计算若将频段集合所含的频段都分配给该D2D用户对时的最优发送功率

步骤2：将步骤1中的计算得到的功率结果代入到(1)式计算频段分配收益函数，并挑选出所有D2D用户对和所有未分配频段配对组合中收益最大的那种资源分配方式，即最优D2D用户对和频段组合(d^*,n^*)；

步骤3：更新未分配频段集合为以及所有D2D用户对已分配频段集合为

步骤4：更新所有D2D用户对的有效功率上限为(d＝1,2,…,D)；

回到步骤1继续执行步骤1-步骤4直到(为空集合)即所有的频段资源都被分配完；

$H_{d,n}={\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\α}}_{d,n}{P}_{d,n}^{*}}{{\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}})-\frac{{\mathrm{\α}}_{d,n}{\mathrm{\β}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}}{\ln 2({\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*})({\mathrm{\α}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*}+{\mathrm{\β}}_{d,n}+{\mathrm{\γ}}_{d,n}{p}_{d,n}^{*})}---\left(1\right)$

其中 ${\mathrm{\α}}_{d,n}=g_n{g}_{d,n},{\mathrm{\β}}_{d,n}=g_n+{\mathrm{\ω}}_n{g}_{n,d}^I,{\mathrm{\γ}}_{d,n}={\mathrm{\ω}}_n{g}_{n,d}^I{g}_{d,n}^I,{\mathrm{\ω}}_n=2^{^R_n}-1,$ 而 $g_n={\left|h_n\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_n^2,g_{d,n}^I={\left|h_{d,n}^I\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_n^2,g_{d,n}={\left|h_{d,n}\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_d^2,g_{n,d}^I={\left|h_{n,d}^I\right|}^2/{\mathrm{\σ}}_d^2$ 是权利要求2)中所述4类信道的归一化功率增益，分别表示为D2D用户对d的接收机和上行用户n在频段n上的高斯白噪声的功率；

步骤5：按照公式(2)并根据上述迭代算法输出的最优频段分配、D2D用户对功率控制结果计算所有上行用户的最优发送功率

$p_n^{*}={\mathrm{\ω}}_n(1+g_{d,n}^I{p}_{d,n}^{*})/g_n---\left(2\right).$