CN104349498A - 蜂窝小区中基于mimo预编码的d2d对用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝小区中基于MIMO预编码的D2D对用户调度方法，包括以下步骤：1)按照预编码方式选择下行调度的空分用户组；2)确定D2D对备选集；3)D2D对发射端用户发射带有D2D对序号信息的测试信号；4)将备选集中的D2D对进行分类，划分为第一类和第二类：5)选定干扰抑制信道，获取预编码矩阵，并由此对基站下行信道进行预编码处理：6)广播D2D对的序号信息，确定D2D对在当前调度周期内是否可调度。与现有技术相比，本发明不减小基站信号的覆盖范围、不影响小区边缘D2D对调度的同时，也能够调度小区中心的D2D对，提高了D2D对在小区内分布灵活性。

Description

蜂窝小区中基于MIMO预编码的D2D对用户调度方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是涉及一种能够有效减少并抑制基站下行链路和D2D对通信链路同频干扰的D2D对用户调度方法。

背景技术

D2D(Device-to-Device)，即终端直通技术，是指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，而无需基建设备进行转发的方式。D2D技术最直观的两大特点是直通通信方式和短距离通信，直通通信方式可以减少处理时延，而短距离通信则可以节约终端功耗，从而能够减少干扰，提高频谱资源利用率。此外，通信终端的广泛分布和节点移动的灵活性可以扩展网络的覆盖范围，而工作在许可频段则可实现干扰控制。故D2D技术在解决宽带蜂窝移动通信系统中覆盖和容量等方面的局限性具有巨大优势，在IMT-Advanced演进中融合D2D技术，将显著改善网络结构、增强覆盖、提高系统容量。

D2D通信与蜂窝通信对无线资源的共享有正交和复用两种方式，正交模式下D2D通信与蜂窝通信不会产生干扰，但无线资源得不到充分利用，频谱资源利用率较低，而采用复用模式共享则必须要考虑减少或抑制由于复用而产生的干扰。

相比于传统的小区通信，引入D2D对通信后，增加的下行信道干扰主要有三类：D2D对的发射端用户对小区用户的干扰，基站对D2D对的接收端用户的干扰，以及D2D对的发射端用户对其他D2D对接收端用户的干扰。已有相关专利基于用户在小区中的位置来避免干扰，其方案是D2D对选择距离最远的小区用户复用其资源，但是为了减小基站对D2D对接收端用户的干扰，D2D对大多在小区边缘，降低了D2D对分布的灵活性，或者需要进行基站功率控制，减小了基站信号的覆盖范围。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蜂窝小区中基于MIMO预编码的D2D对用户调度方法，该方法能够减少基站下行通信链路和D2D对通信链路干扰，同时在不减小基站信号覆盖范围的前提下，增加D2D对在小区内分布灵活性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种蜂窝小区中基于MIMO预编码的D2D对用户调度方法，包括以下步骤：

1)在调度周期开始阶段，按照预编码方式选择下行调度的空分用户组，该空分用户组中的用户个数不大于满复用时的用户个数-1；

2)根据当前时刻提出资源占用申请的D2D对发射端用户的位置信息确定D2D对备选集；

3)备选集中的D2D对发射端用户发射带有D2D对序号信息的测试信号；

4)根据接收到的测试信号的强度，将备选集中的D2D对进行分类，其中第一类为本调度周期内不许与调度的D2D对，第二类为本调度周期内允许调度的D2D对；

5)在第二类D2D对的接收端用户下行信道中选择与空分用户组下行信道正交性最好的，选定为干扰抑制信道，根据该干扰抑制信道的信道信息和空分用户组的下行信道信息初步得到预编码矩阵，然后删除干扰抑制信道的信道信息所对应的矢量，得到最终的预编码矩阵，对基站下行信道进行预编码处理；

6)基站广播第一类D2D对的序号信息，使其在本调度周期内不允许调度，然后测量第二类D2D对接收端用户接收的来自预编码处理后基站的信号强度P_BS′和来自其对应D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_BS′＜αP_D2D，则通知对应D2D对的发射端用户，允许该D2D对进行通信；其中α为接收端用户所能接收的来自基站的干扰程度。

步骤2)中D2D对备选集的确定标准为：(1)D2D对接收端用户和发射端用户的距离小于有效通信半径；(2)两个不同D2D对的发射端用户之间的距离大于通信干扰半径的两倍。有效通信半径定义为D2D接收端达到最低接收信号噪声功率比时D2D收发端之间的距离，通信干扰半径定义为D2D收发端距离为有效通信半径、并且目标接收端达到最低接收信号干扰功率比时D2D干扰发射端与目标接收端之间的距离。在具体的通信场景下，这两个距离阈值可以通过D2D发射功率、D2D链路路径损耗计算公式预先计算出来。提出以上2个D2D对通信条件的原则在于保证D2D对通信质量的同时规避不同D2D对之间的干扰，用户间的距离测量可通过GPS或基站定位等终端定位技术实现。

步骤4)中D2D对进行分类的具体方法为：

41)测量所有占用该频带的空分用户组中的小区用户接收来自基站的信号强度P_BS和来自D2D对备选集中D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_D2D＞β_PBS，则将该D2D对的序号信息上报基站，将其分类为第一类D2D对；其中β为小区用户所能接收的来自D2D对发射端用户的干扰程度；

42)测量D2D对备选集中每个D2D对接收端用户接收来自基站的信号强度P_BS和来自其对应D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_BS＞αP_D2D，将该D2D对的序号信息上报基站；

43)在步骤41)上报的第一类D2D对的序号信息中，进行搜索，若无步骤42)得到的序号信息，则将其对应的D2D对归类为第二类D2D对。

与现有技术相比，本发明应用于移动通信的蜂窝网络中的多用户MIMO场景下，提出了一种能够减少基站下行通信链路和D2D对通信链路干扰的D2D对用户调度的方案，而且能够在不减小基站信号覆盖范围的前提下，增加D2D对在小区内分布的灵活性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的网络场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

以某小区为例，其中基站配置4根天线，小区用户及D2D对用户均配置1根天线，只讨论中心频率为2G带宽为15kHz的慢变信道，基站到用户的信道模型采用瑞利衰落模型，D2D对用户的收发信道采用莱斯衰落模型，预编码方式为完备信道状态下的迫零预编码。符号说明：粗体大写字母表示矩阵，粗体小写字母表示维度是1×Tx的行矢量，(·)’表示矩阵或矢量转置，(·)^*表示矩阵或矢量共轭转置。

采用该方法进行D2D对用户的调度，其具体步骤如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，由于小区用户具有较高的调度优先级，可以先不考虑D2D对用户的影响，基站先按照迫零预编码的性质，在该频段该时隙上申请调度的小区用户中，选出信道增益较大且信道方向正交性较好的3个小区用户，作为空分用户组。

步骤2，根据当前时刻提出资源占用申请的D2D对发射端用户的位置信息确定D2D对备选集。其中，D2D对备选集的确定标准为：(1)D2D对接收端用户和发射端用户的距离小于有效通信半径；(2)两个不同D2D对的发射端用户之间的距离大于通信干扰半径的两倍。

有效通信半径是根据D2D发射功率、D2D链路路径损耗和最低有效接收功率计算出来的收发端距离，通信干扰半径定义为有效通信半径的2倍。用户距离测量可通过GPS或基站定位等终端定位技术实现。

步骤3，备选集中的D2D对发射端用户发射带有D2D对序号信息的测试信号；

步骤4，根据接收到的测试信号的强度，将备选集中的D2D对进行分类。其中，第一类为本调度周期内不允许调度的D2D对，其发射端用户对小区用户产生不可忽略的干扰，第二类为可调度的D2D对，包括两种情况：一种D2D对接收端用户受到来自基站下行链路的不可忽略的干扰，需要进行干扰抑制才能被调度，另一种D2D对受到基站下行链路的干扰及对小区用户的干扰均可忽略。干扰是否可以忽略是由用户接收到的有效信号功率及干扰信号功率之比决定的。分别为D2D用户和小区用户定义可接受的最低信干比阈值，若接收信干比高于该阈值，则说明干扰可以忽略，反之不可忽略。P_D2D表示用户接收到的来自D2D对发射端用户的接收信号强度大小，P_BS表示用户接收到的来自基站的接收信号强度大小，α是位于(0，1)区间的阈值，表示D2D对接收端用户所能接受的来自基站的干扰程度，或者D2D对接收端用户所能接受的最低信干比的倒数，β是位于(0，1)区间的阈值，表示小区用户所能接受的来自D2D对发射端用户的干扰程度，或者小区用户所能接受的最低信干比的倒数。

其具体的分类过程为：首先，测量所有占用该频带的空分用户组中的小区用户接收来自基站的信号强度P_BS和来自D2D对备选集中D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_D2D＞βP_BS，则将该D2D对的序号信息上报基站，将其分类为第一D2D对；同时，测量D2D对备选集中每个D2D对接收端用户接收来自基站的信号强度P_BS和来自其对应D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_BS＞αP_D2D，将该D2D对的序号信息上报基站；基站在上报的第一类D2D对的序号信息中进行搜索，若第二次得到的序号信息，则将其对应的D2D对归类为第二类D2D对。

步骤5，将步骤2选出的3个小区用户的下行信道矢量组成信道矩阵H的前3行，用符号表示。由于基站将采用迫零原则进行MIMO预编码，计算干扰信道备选队列的中矢量与各行的正交性，选择正交性最好的1个矢量添加到信道矩阵H的第4行，其对应的D2D对定义为优选D2D对。具体选择方法如下：

(1)归一化干扰信道备选队列中各矢量：

${\stackrel{-}{h}}_{B2D,i}=\frac{h_{B2D,i}}{\left|\right|h_{B2D,i}\left|\right|},$ i＝1，2，...，N

其中，h_B2D，i表示干扰信道备选队列中的第i个矢量，即基站到第i个D2D对接收端用户的下行信道，表示归一化处理后的信道。归一化处理的目的是为了在后续进行正交化计算时只考虑矢量的方向而排除矢量模值的影响。

(2)计算各行矢量所张成的子空间的正交投影矩阵：

$\tilde{H}=\left[\begin{array}{c}{h}_{B2C,1}\\ h_{B2C,2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_{B2C,T_x-1}\end{array}\right]$

其中，h_B2C，i表示基站到已选出的第i个小区用户接收端用户的下行信道，i＝1，2，...，T_x-1，T_x是基站天线数目，本实例中为4。注意这里的行矢量应该按模值自大到小排列。然后计算各行矢量对应的正交矢量g_k：

g₁＝h_B2C，1

$g_k=h_{B2C,k}-\underset{j=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_{B2C,k}{g}_j^{*}}{{\left|\right|g_j^{*}\left|\right|}^2}{g}_j,$ k＝2，...，T_x-1

则各行矢量所张成的子空间的正交投影矩阵：

$G=\underset{j=1}{\overset{T_x-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_j^{*}}{{\left|\right|g_j^{*}\left|\right|}^2}{g}_j$

(3)计算干扰信道备选队列中各归一化矢量到各行矢量所张成的子空间的正交投影

$v_{B2D,i}={\stackrel{\_}{h}}_{B2D,i}G$

(4)选出第(3)步中投影模值最大者即为正交性最好的矢量：

h_{B2D，choosed}＝argmax||v_B2D，i||

将该矢量添加到信道矩阵H的最后一行，得到完整的信道矩阵：

$H=\left[\begin{array}{c}{h}_{B2C,i}\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_{B2C,T_x-1}\\ h_{B2D,\mathrm{choosed}}\end{array}\right]$

得到完整的信道矩阵后，按照迫零预编码原则计算初步预编码矩阵

$\tilde{W}=H^{*}{\left({\mathrm{HH}}^{*}\right)}^{-1}B=[{\tilde{w}}_1^{\′},{\tilde{w}}_2^{\′},\·\·\·,{{\tilde{w}}^{\′}}_{T_x}]$

$b_k=\frac{1}{\sqrt{{\left\{{\left({\mathrm{HH}}^{*}\right)}^{-1}\right\}}_{k,k}}}$

删除初步预编码矩阵中与信道矩阵H中干扰信道矢量对应的列，并进行功率分配，得到预编码矩阵W。

$=[p_1{\tilde{w}}_1^{\′},p_2{\tilde{w}}_2^{\′},\·\·\·,p_{T_x-1}{{\tilde{w}}^{\′}}_{T_x-1}]=[w_1^{\′},w_2^{\′},\·\·\·,{w_{T_x-1}}^{\′}]$

根据迫零预编码的性质，该预编码矩阵消除了小区用户之间的干扰。设发射信号矢量为，由于h_{B2D，choosed}与预编码矩阵各列正交，基站对优选D2D对接收端用户的干扰也得到消除，若忽略加性噪声，该D2D对接收端用户接收到的基站发射的信号为

$y_{D2D}=h_{B2D,\mathrm{choosed}}[{w_1}^{\′}\·\·\·{w_{T_x-1}}^{\′}]x=0$

步骤6，基站广播第一类D2D对的序号信息，使其在本调度周期内不允许调度，然后测量第二类D2D对接收端用户接收的来自预编码处理后基站的信号强度P_BS′和来自其对应D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_BS′＜αP_D2D，即信号干扰比大于阈值，则通知对应D2D对的发射端用户，允许该D2D对进行通信；其中α为接收端用户所能接收的来自基站的干扰程度。

在以上流程中，步骤2抑制了D2D对之间的干扰，步骤4划分第一类D2D对和步骤6不允许第一类D2D对在本周期内调度两个措施有效抑制了D2D对发射端用户对小区用户的干扰，步骤5、6采用的预编码方法不仅消除了基站对优选D2D对接收端用户的干扰，同时减小了基站对下行信道方向与h_{B2D，choosed}相近的D2D对接收端用户的干扰，增加了位于小区中心的D2D对用户的被调度概率。与基于地理位置的D2D对调度方案相比，本方案在不减小基站信号的覆盖范围、不影响小区边缘D2D对调度的同时，也能够调度小区中心的D2D对，提高了D2D对在小区内分布灵活性。

Claims (4)

1.一种蜂窝小区中基于MIMO预编码的D2D对用户调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在调度周期开始阶段，按照预编码方式选择下行调度的空分用户组，该空分用户组中的用户个数不大于满复用时的用户个数-1；

2)根据当前时刻提出资源占用申请的D2D对发射端用户的位置信息确定D2D对备选集；

3)备选集中的D2D对发射端用户发射带有D2D对序号信息的测试信号；

4)根据接收到的测试信号的强度，将备选集中的D2D对进行分类，其中第一类为本调度周期内不许与调度的D2D对，第二类为本调度周期内允许调度的D2D对；

5)在第二类D2D对的接收端用户下行信道中选择与空分用户组下行信道正交性最好的，选定为干扰抑制信道，根据该干扰抑制信道的信道信息和空分用户组的下行信道信息初步得到预编码矩阵，然后删除干扰抑制信道的信道信息所对应的矢量，得到最终的预编码矩阵，对基站下行信道进行预编码处理；

6)基站广播第一类D2D对的序号信息，使其在本调度周期内不允许调度，然后测量第二类D2D对接收端用户接收的来自预编码处理后基站的信号强度PBS′和来自其对应D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_BS′＜αP_D2D，则通知对应D2D对的发射端用户，允许该D2D对进行通信；其中α为接收端用户所能接收的来自基站的干扰程度。

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝小区中基于MIMO预编码的D2D对用户调度方法，其特征在于，步骤2)中D2D对备选集的确定标准为：(1)D2D对接收端用户和发射端用户的距离小于有效通信半径；(2)两个不同D2D对的发射端用户之间的距离大于通信干扰半径的两倍。

3.根据权利要求2所述的一种蜂窝小区中基于MIMO预编码的D2D对用户调度方法，其特征在于，所述的有效通信半径为D2D接收端达到最低接收信号噪声功率比时D2D收发端之间的距离，所述的通信干扰半径为D2D收发端相距有效通信半径、并且目标接收端达到最低接收信号干扰功率比时D2D干扰发射端与目标接收端之间的距离。

4.根据权利要求1所述的一种蜂窝小区中基于MIMO预编码的D2D对用户调度方法，其特征在于，步骤4)中D2D对进行分类的具体方法为：

41)测量所有占用该频带的空分用户组中的小区用户接收来自基站的信号强度P_BS和来自D2D对备选集中D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_D2D＞βP_BS，则将该D2D对的序号信息上报基站，将其分类为第一类D2D对；其中β为小区用户所能接收的来自D2D对发射端用户的干扰程度；

42)测量D2D对备选集中每个D2D对接收端用户接收来自基站的信号强度P_BS和来自其对应D2D对发射端用户的信号强度P_D2D，若P_BS＞αP_D2D，将该D2D对的序号信息上报基站；

43)在步骤41)上报的第一类D2D对的序号信息中，进行搜索，若无步骤42)得到的序号信息，则将其对应的D2D对归类为第二类D2D对。