CN104333910B - 蜂窝网络下的联合功率控制的d2d通信资源分配方法 - Google Patents

蜂窝网络下的联合功率控制的d2d通信资源分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及移动通信蜂窝网络，尤其涉及蜂窝网络下联合功率控制的D2D通信资源分配方法。本发明根据D2D用户复用蜂窝用户资源时对基站造成的干扰与基站允许的干扰临界值的比较结果进行分组，分为：不能复用系统内蜂窝用户资源组；能复用系统内任一蜂窝用户资源组和只能复用系统内特定蜂窝用户资源组。按照分组结果进行信道分配。在只能复用系统内特定蜂窝用户资源组内采用循环搜索最小功率值的方法，对该组内的D2D用户在特定蜂窝用户资源上进行平均分配。与传统的一对D2D复用蜂窝用户资源的方法相比，本发明提高了系统容量，同时最小化了系统中D2D通信的总发射功率，频谱利用率得到提高。

Description

蜂窝网络下的联合功率控制的D2D通信资源分配方法
技术领域
本发明涉及移动通信蜂窝网络，尤其涉及蜂窝网络下联合功率控制的D2D通信资源分配方法。
背景技术
为了增加系统的频谱利用效率、减轻基站的负荷、降低终端和基站的发射功率、提升整体吞吐量，第三代合作伙伴项目(the 3rd Generation Partnership Project，3GPP)提议将终端直联(Device-to-Device communication，D2D)通信作为底层网络应用到高级国际移动通信(International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-Advanced)蜂窝网络中。D2D通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端之间通过复用小区内资源直接进行通信的新型技术，由于D2D用户与蜂窝用户共享资源，必定会存在相互干扰。目前很多研究集中在资源分配上，用来协调D2D通信与蜂窝通信之间的干扰。
但是，这些研究的前提都是一对D2D共用一个蜂窝用户的资源或者一对D2D共用多个蜂窝用户的资源。当多对D2D用户争抢某一个蜂窝用户资源时，只有其中一对能接入系统，而其他的D2D用户不能接入系统。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的不足，提供了一种在蜂窝网络下的联合功率控制的D2D通信资源分配方法，允许多对D2D共用一个蜂窝用户资源。
本发明的基本思想是根据D2D用户复用蜂窝用户资源时对基站造成的干扰与基站允许的干扰临界值的比较结果进行分组，分为：不能复用系统内蜂窝用户资源组；能复用系统内任一蜂窝用户资源组和只能复用系统内特定蜂窝用户资源组。按照分组结果进行信道分配。在只能复用系统内特定蜂窝用户资源组内采用循环搜索最小功率值的方法，对该组内的D2D用户在特定蜂窝用户资源上进行平均分配。
具体步骤如下：
S1、将系统中所有的D2D发射端的最小发射功率构建成一个最小发送功率矩阵，记作Mmin；
S2、将系统中所有的D2D发射端的最大发射功率构建一个最大发送功率矩阵，记作Mmax；
S3、比较S1所述Mmin的行和S2所述Mmax的行并进行分组，具体为：
a、当Mmin中存在一行h，所述h中的元素均大于Mmax中对应行的任意元素，则所述h对应的D2D对不能复用蜂窝网用户的资源，须使用专用信道进行通信，将所述h划分为第一组；
b、当Mmin中存在一行g，所述g中的元素均小于Mmax中对应行的任意元素，则所述g对应的D2D对复用任一蜂窝网用户的资源，将所述g划分为第二组；
c、当Mmin中存在一行j，所述j中的部分元素小于Mmax中对应行中对应位置的元素，当Mmin中存在一行l，所述l中的部分元素大于Mmax中对应行中对应位置的元素，则所述j和所述l复用特定蜂窝用户资源，将所述j和所述l划分为第三组；
S4、进行信道分配，具体为：
S41、为第三组分配，遵循分配原则为：用循环搜索最小功率对争抢同一蜂窝用户资源的D2D对进行功率调整，对调整后满足条件的D2D对按照发射功率最小化的原则进行信道分配，所述条件为D2D对通信的最小信干噪比和D2D对对基站的叠加干扰小于基站干扰门限值；
S42、为第二组分配，遵循分配原则为：按发射功率最小化的原则进行信道分配；
S43、为第一组分配专用信道，遵循分配原则为：发射功率越小越先进行分配。
进一步地，S41所述循环搜索最小功率的方法具体为：
步骤Ⅰ、将矩阵Mmin中与第三组对应的行组成的集合记作W；
步骤Ⅱ、在步骤Ⅰ所述W中搜索D2D发射端最小发射功率的最小发射功率值，标记所述最小发射功率值在矩阵Mmin中所在的行和列；
步骤Ⅲ、在步骤Ⅰ所述集合W中删除步骤Ⅱ所述的被标记的行和列，得到更新的集合W‘；
步骤Ⅳ、在步骤Ⅲ所述集合W‘中重复步骤Ⅱ和步骤Ⅲ进行循环搜索最小功率，直到获取K3个D2D发射端最小发射功率值，所述K3为第三组的D2D对数；
步骤Ⅴ、若步骤Ⅳ所述的K3个D2D发射端最小发射功率值均小于各自对应发射端的最大发射功率值，则停止搜索；
步骤Ⅵ、若步骤Ⅳ所述的K3个D2D发射端最小发射功率值中存在X个大于各自对应发射端的最大发射功率值，则对这X对D2D继续采用循环搜索最小功率的方法搜索，直至得到这X个D2D发射端最小发射功率值均小于各自对应发射端的最大发射功率值,其中，0≤X＜k3。
本发明的有益效果是：
在保证蜂窝用户正常通信的前提下让争抢同一蜂窝用户资源的D2D对共享所述蜂窝用户资源。
本发明在只能复用系统内特定蜂窝用户资源组内采用循环搜索最小功率值的方法，对特定蜂窝用户资源进行平均分配，允许多对D2D共享同一蜂窝用户的资源的同时又尽量避免了很多对D2D复用同一蜂窝用户资源。
与传统的一对D2D复用蜂窝用户资源的方法相比，本发明提高了系统容量，同时最小化了系统中D2D通信的总发射功率，频谱利用率得到提高。
具体实施方式
下面结合实施例，详细说明本发明的技术方案。
假设一个蜂窝系统内有一个基站，N个蜂窝用户的上行信道，M个专用信道，K对D2D用户。所述基站感知的干扰门限为I0，D2D链路的有效通信所需的最小信干噪比SINR为T0。
构建一个最小发送功率矩阵Mmin，具体如下:
根据公式分别计算出第k对D2D复用N个蜂窝用户的上行信道时D2D发射端的最小发送功率。其中，Pk,m表示第k对D2D复用第m个蜂窝用户的上行信道时的最小发送功率，HD,k表示第k对D2D间的信道增益，Nk表示第k对D2D接收端接收的噪声功率，Am,k表示的是使用第m个蜂窝用户的上行信道的蜂窝用户对第k对D2D的干扰，k＝1,2,3,...,K，其中，K为系统中D2D对的数目。
根据所述Pk,m，构建一个K×N的最小发送功率矩阵Mmin。
构建一个最大发送功率矩阵Mmax，具体如下：
根据公式分别计算出每对D2D复用N个蜂窝用户的上行信道时D2D发射端的最大发送功率。其中，表示第第k对D2D复用第m个蜂窝用户的上行信道时的最大发送功率，Hk,B表示第k对D2D发射端与基站之间的信道增益。
根据所述构建一个K×N的最大发送功率矩阵Mmax。
其中，矩阵Mmin和矩阵Mmax的行表示D2D对，列表示为蜂窝用户的上行信道。
比较Mmin和Mmax的行并对行进行分组，具体如下：
a、当Mmin中存在一行h，所述h中的元素均大于Mmax中对应行的任意元素，则所述h对应的D2D对不能复用蜂窝网用户的资源，须使用专用信道进行通信，将所述h划分为第一组；
b、当Mmin中存在一行g，所述g中的元素均小于Mmax中对应行的任意元素，则所述g对应的D2D对复用任一蜂窝网用户的资源，将所述g划分为第二组；
c、当Mmin中存在一行j，所述j中的部分元素小于Mmax中对应行中对应位置的元素，当Mmin中存在一行l，所述l中的部分元素大于Mmax中对应行中对应位置的元素，则所述j和所述l复用特定蜂窝用户资源，将所述j和所述l划分为第三组。
其中，第一组的D2D对数记作K1，第二组的D2D对数记作K2，第三组的D2D对数记作K3，K1+K2+K3＝K。
进行信道分配，具体如下：
STEP1、为第三组分配，遵循分配原则为：
在矩阵Mmin中与第三组对应的行中用循环搜索最小功率的方法搜索出K3个Pk,m，若这K3个Pk,m都属于不同的列，则按照下标对应的方式分配信道，即，Pk,m就是为第k对D2D分配第m个蜂窝用户上行信道。
若K3个Pk,m中有r个Pk,m在同一列d上，则d所对应的蜂窝用户上行信道就是所述r个D2D对争抢的信道资源，对每个d计算是否存在发射功率pi1pi2,...,pir使所述r个D2D对对基站的叠加干扰≤I0且所述r个D2D对各自接收端的最小信干噪比≥T0，若存在，则为所述r个D2D对分配所述d对应的蜂窝用户的上行信道并设置所述r个D2D对发射端的发射功率分别为pi1pi2,...,pir，若不存在，则将所述d对应的蜂窝用户的上行信道分配给这r个D2D对中功率最小的D2D对。
所述循环搜索最小功率的方法具体如下：
步骤Ⅰ、将矩阵Mmin中与第三组对应的行组成的集合记作W；
步骤Ⅱ、在步骤Ⅰ所述W中搜索D2D发射端最小发射功率的最小发射功率值，标记所述最小发射功率值在矩阵Mmin中所在的行和列；
步骤Ⅲ、在步骤Ⅰ所述集合W中删除步骤Ⅱ所述的被标记的行和列，得到更新的集合W‘；
步骤Ⅳ、在步骤Ⅲ所述集合W‘中重复步骤Ⅱ和步骤Ⅲ进行循环搜索最小功率，直到获取K3个D2D发射端最小发射功率值；
步骤Ⅴ、若步骤Ⅳ所述的K3个D2D发射端最小发射功率值均小于各自对应发射端的最大发射功率值，则停止搜索；
步骤Ⅵ、若步骤Ⅳ所述的K3个D2D发射端最小发射功率值中存在X个大于各自对应发射端的最大发射功率值，则对这X对D2D继续采用循环搜索最小功率的方法搜索，直至得到这X个D2D发射端最小发射功率值均小于各自对应发射端的最大发射功率值。
STEP 2、为第二组分配，遵循分配原则为：
假设第三组分配到的信道数为n，则剩余的蜂窝用户上行信道数为N-n，删除与所述n对应的矩阵Mmin中的列。
若K2≤N-n，则在与第二组对应的矩阵Mmin中搜索功率最小的Pk,m，重复搜索K2次，得到K2个不属于同一行和同一列的Pk,m，对所述Pk,m按照下标对应的方式分配信道。
若K2＞N-n，则将D2D对按照功率大小排列，去掉功率大的K2-N-n对D2D，在与第二组对应的矩阵中搜索功率最小的Pk,m，重复搜索N-n次，得到N-n个不属于同一行和同一列的Pk,m，对所述Pk,m按照下标对应的方式分配信道。
STEP 3、为第一组分配专用信道，遵循分配原则为：
若K1≥M，则第一组内所有D2D对都能接入系统，则随机选择空闲的专用信道即可。
若K1＜M，则第一组内只有M个D2D对能接入系统，则将第一组所有D2D对按照发射功率大小进行排序，从对应的发射功率小的D2D对到对应的发射功率大的D2D对开始选择M对，为这M对D2D分别分配专用信道。

Claims (1)

1.蜂窝网络下的联合功率控制的D2D通信资源分配方法，其特征在于,包括如下步骤：
S1、将系统中所有的D2D发射端的最小发射功率构建成一个最小发送功率矩阵，记作Mmin；
S2、将系统中所有的D2D发射端的最大发射功率构建一个最大发送功率矩阵，记作Mmax；
S3、比较S1所述Mmin的行和S2所述Mmax的行并进行分组，具体为：
a、当Mmin中存在一行h，所述h中的元素均大于Mmax中对应行的任意元素，则所述h对应的D2D对不能复用蜂窝网用户的资源，须使用专用信道进行通信，将所述h划分为第一组；
b、当Mmin中存在一行g，所述g中的元素均小于Mmax中对应行的任意元素，则所述g对应的D2D对复用任一蜂窝网用户的资源，将所述g划分为第二组；
c、当Mmin中存在一行j，所述j中的部分元素小于Mmax中对应行中对应位置的元素，当Mmin中存在一行l，所述l中的部分元素大于Mmax中对应行中对应位置的元素，则所述j和所述l复用特定蜂窝用户资源，将所述j和所述l划分为第三组；
S4、进行信道分配，具体为：
S41、为第三组分配，遵循分配原则为：用循环搜索最小功率对争抢同一蜂窝用户资源的D2D对进行功率调整，对调整后满足条件的D2D对按照发射功率最小化的原则进行信道分配，所述条件为D2D对通信的最小信干噪比和D2D对对基站的叠加干扰小于基站干扰门限值，其中，所述循环搜索最小功率的方法具体为：
步骤Ⅰ、将矩阵Mmin中与第三组对应的行组成的集合记作W；
步骤Ⅱ、在步骤Ⅰ所述W中搜索D2D发射端最小发射功率的最小发射功率值，标记所述最小发射功率值在矩阵Mmin中所在的行和列；
步骤Ⅲ、在步骤Ⅰ所述集合W中删除步骤Ⅱ所述的被标记的行和列，得到更新的集合W‘；
步骤Ⅳ、在步骤Ⅲ所述集合W‘中重复步骤Ⅱ和步骤Ⅲ进行循环搜索最小功率，直到获取K3个D2D发射端最小发射功率值，所述K3为第三组的D2D对数；
步骤Ⅴ、若步骤Ⅳ所述的K3个D2D发射端最小发射功率值均小于各自对应发射端的最大发射功率值，则停止搜索；
步骤Ⅵ、若步骤Ⅳ所述的K3个D2D发射端最小发射功率值中存在X个大于各自对应发射端的最大发射功率值，则对这X对D2D继续采用循环搜索最小功率的方法搜索，直至得到这X个D2D发射端最小发射功率值均小于各自对应发射端的最大发射功率值，其中，0≤X＜k3；
S42、为第二组分配，遵循分配原则为：按发射功率最小化的原则进行信道分配；
S43、为第一组分配专用信道，遵循分配原则为：发射功率越小越先进行分配。
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