CN104602323B - 一种基于干扰抑制的d2d通信系统的呼叫接入控制方法 - Google Patents
一种基于干扰抑制的d2d通信系统的呼叫接入控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法，D2D通信系统的终端包括蜂窝网络终端（CUE）和D2D移动终端（DUE），方法包括：（1）初始化系统参数，包括信噪比阈值、D2D发射终端的功率、基站接收到的CUE的信号强度；（2）获取网络中的DUE对的数量和终端间的距离；（3）更新网络中干扰的参数值，计算保护区域的半径；（4）判断欲接入网络的DTUE是否位于CUE禁区，若是则转到步骤7；（5）判断新DUE对接入网络后所有DUE对是否满足通信服务质量要求，若不满足则转到步骤7；（6）新DUE对接入网络，并更新DUE的数目；（7）方法结束。本发明能有效消除额外干扰、降低新呼叫阻塞率以及提高网络容量，其性能优越，且易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及异构融合网络领域，具体涉及一种基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法。
背景技术
随着高速无线数据服务的需求急剧增加，语音和数据服务需求也日益增加，下一代无线网络需要新技术来提高网络容量，提高频率利用率。端到端通信(D2D)可以有效地为蜂窝网络提高资源利用率。在D2D通信中，D2D移动终端(DUE)可以与蜂窝网移动终端(CUE)共享链路资源，有效提高了系统容量。但随之带来的干扰问题也尤为显著，CUE与DUE之间会产生相互干扰。目前，存在不少方法来减轻额外的干扰。例如，通过控制最大发射功率来抑制额外干扰、通过资源分配方法从而最小化干扰等。
D2D通信系统中的终端包括蜂窝网络终端(CUE)和D2D移动终端(DUE)，其中有M对DUE和一个CUE共享上行链路资源。一对DUE包括D2D发射移动终端(DTUE)和D2D接收移动终端(DRUE)，D2D通信系统中存在三种类型的干扰：DUE到CUE，DUE到DUE以及CUE到DUE。对于D2D通信系统来说，多种干扰的存在使得资源分配更加复杂，涉及CUE和DUE之间以及DUE对之间的干扰。
因此，对于D2D通信系统来说，需要一种基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法以提高其系统性能，从而应用于D2D通信的设计和优化。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对D2D通信系统的呼叫接入控制问题，提供一种基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法以降低D2D通信系统的新呼叫阻塞率并提高网络容量。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法，所述D2D通信系统的终端包括蜂窝网络终端(CUE)和D2D移动终端(DUE)，一对DUE包括D2D发射移动终端(DTUE)和D2D接收移动终端(DRUE)，其中有M对DUE和一个CUE共享上行链路资源，M为大于0的整数，D2D通信系统中存在三种类型的干扰：DUE到CUE，DUE到DUE以及CUE到DUE；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)初始化系统参数，所述参数包括信噪比阈值、D2D发射终端的功率、基站接收到的蜂窝网移动终端的信号强度；
(2)获取网络中的DUE对的数量以及CUE和基站(BS)之间的距离、DTUE和BS之间的距离，DRUE和CUE之间的距离，DTUE和DRUE的距离；
(3)计算网络中三种类型干扰的参数值，并基于干扰参数值和系统参数计算CUE的保护区的半径和现有网络的DRUE的保护区的半径以及欲接入网络的DRUE成功接入到网络需要满足的条件；
(4)判断欲接入网络的DTUE是否位于CUE保护区，若是则转到步骤(7)；
(5)判断新DUE对接入网络后所有DUE对是否仍然满足通信服务质量要求，具体包括：欲接入网络的DTUE是否位于现有网络的DRUE和CUE的保护区，欲接入网络的DRUE是否不满足其成功接入到网络需要的条件，若其中有一个判断结果为是则转到步骤(7)；
(6)允许新DUE对接入网络，并更新DUE对的数量，结束；
(7)拒绝新DUE对接入网络，结束。
所述步骤(3)中CUE的保护区UCUE的半径的计算公式为：
其中，PR为基站接收到的CUE的信号功率；β为信号干扰噪声比阈值；PT为DTUE的发射功率，设网络中的所有的DTUE采用相同的发射功率；ID-C(M)为DTUE到CUE的干扰；α为路径损耗指数；
所述步骤(3)中现有网络的DRUE的保护区UD`UEj的半径的计算公式为：
其中，lj为DTUEj和DRUEj之间的距离；IC-D,j为CUE到DRUEj的干扰；ID-D,j(M)为所有其它DTUE到DRUEj的干扰；
所述步骤(3)中欲接入网络的DRUE能够成功接入到网络需要满足的条件为：
其中，lnew为DTUEnew和DRUEnew之间的距离；IC-D,new为CUE到DRUEnew的干扰；ID-D,new(M)为所有其它DTUE到DRUEnew的干扰。
步骤(3)中DTUE到CUE的干扰ID-C(M)的计算公式为：
其中，ri为DTUEi和基站之间的距离；
CUE到DRUEj的干扰IC-D,j的计算公式为：
其中，Pt0为CUE的发射功率；dj为DRUEj和CUE之间的距离；
所有其它DTUE到DRUEj的干扰ID-D,j(M)的计算公式为：
其中，si,j为DTUEi和DRUEj之间的距离；
所有其它DTUE到DRUEnew的干扰ID-D,new(M)的计算公式为：
其中，si,new为DTUEi和DRUEnew之间的距离；
CUE到DRUEnew的干扰IC-D,new的计算公式为：
dnew为DRUEnew和CUE之间的距离。
有益效果：本发明基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法能够提高异构融合网络的性能，提高网络容量，其性能优越，且易于实现。
附图说明
图1是基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法流程图；
图2是D2D通信系统的场景图；
图3是D2D通信系统在PT＝0.1mW条件下新呼叫阻塞率与DUE终端数量的关系图；
图4是D2D通信系统在L＝100、r0＝300条件下新呼叫阻塞率与DUE终端数量的关系图；
图5是D2D通信系统在L＝100、r0＝300、PT＝0.1mW条件下新呼叫阻塞的情况比例与DUE终端数量的关系图；
图6是在PT＝0.1mW条件下r0与系统容量的关系图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
场景的选择直接影响了呼叫接入控制方法的性能，下面详细分析一下场景的设定与参数的设置。
1.移动终端的分类与数量
在D2D通信系统中，终端分为两类：传统蜂窝网移动终端CUE和D2D移动终端DUE。DUE是以成对形式存在的，一对DUE包括D2D发射移动终端DTUE和D2D接收移动终端DRUE。在FDD-LTE网络中，一个子信道分配给一个CUE，而多个DUE对可以同时共享CUE所使用的信道资源。因此，不失一般性，我们假设一个子信道下存在1个CUE和M对DUE。
2.保护区定义
在D2D通信系统中，我们首先保证CUE的正常通信，在不影响CUE的通信所需的QoS条件下，DUE终端对接入到网络中。也就是说，当一个新DUE终端对欲接入网络，网络会计算出如果该新DUE终端对成功接入网络后其它各个移动终端的QoS。如果有任何一个终端不满足基本通信所需的QoS，该新DUE终端对则被禁止接入到网络。因此，如果新DUE终端对接入到网络对已有终端引入过多的干扰，则该DUE对被禁止接入到网络。我们定义DUE终端对禁止接入的区域为保护区。
3.新呼叫阻塞率定义
在D2D通信系统中，我们必须同时满足CUE和DUE通信所需的QoS。因此，如果移动终端欲接入到网络，则其必须获得一个信道。如果所有信道忙或者因该新终端接入到网络导致其它移动终端不满足通信所需的QoS要求，则该移动终端被禁止接入网络。所以，新呼叫终端被禁止接入网络的概率称为新呼叫阻塞率。
4.容量定义
容量定义为在允许一定新呼叫阻塞率Pb的情况下，系统所能容纳的最大用户数。
5.干扰分析
在D2D通信系统中，DUE使用了蜂窝网络的频谱资源，因此CUE与DUE之间，不同DUE对之间存在着相互干扰。D2D通信系统的干扰可以归纳为三种：DTUE对CUE的干扰，其它DUE对的DTUE对DRUE的干扰以及CUE到DRUE的干扰。对蜂窝网络来说，D2D通信的引入提高了网络容量，但同时D2D的引入所带来的额外干扰则又降低了网络容量。而这些额外干扰与使用D2D通信移动终端的数量、发射功率和位置有密切关系。所以需要对D2D通信系统的干扰进行分析并提出合理的抑制方案。
对于CUE来说，其在基站端接收到的SINR为
同样地，对于DRUEj，其接收到的SINR记作
基于上述理论基础，对本发明的基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法进行设计。
首先对本发明使用的符号或参数说明如下：
CUE：传统蜂窝网移动终端；
DUE：D2D移动终端；
DTUE：D2D移动终端对中的发射移动终端；
DRUE：D2D移动终端对中的接收移动终端；
QoS：服务质量；
M：小区内D2D移动终端对的数量；
R：小区半径；
BS：基站；
L：一对DUE中DRUE和DTUE之间的最大距离；
r0：CUE和BS之间的距离；
ri：DTUEi和BS之间的距离(i＝1,2…M)；
dj：DRUEj和CUE之间的距离(j＝1,2…M)；
si,j：DTUEi和DRUEj之间的距离；
α：路径损耗指数；
β：信号干扰噪声比(SINR)阈值；
PT：DTUE的发射功率；
Pt0：CUE的发射功率；
PR：BS接收到的CUE的信号功率；
ID-C(M)：DTUE到CUE的干扰；
IC-D,j：CUE到DRUEj的干扰；
ID-D,j(M)：其它DTUE到DRUEj的干扰；
首先，传统的呼叫允许控制方案如下：当一个新DUE终端对欲接入网络，网络会计算出如果该新DUE终端对成功接入网络后其它各个移动终端的QoS。如果有任何一个终端不满足基本通信所需的QoS，该新DUE终端对则被禁止接入到网络。但该呼叫允许控制方案容易导致距离相近的终端接入网络从而导致后面能够接入网络的终端数量明显减少。
因此，本发明首先对保护区域进行了定义：为满足移动终端的QoS，新DUE终端对如果对已经接入网络的移动终端产生很大的干扰则该DUE终端对被禁止接入到网络中。我们定义DUE终端对禁止接入的区域为保护区。保护区可以分成两类：UCUE和UDRUEj。
保护区UCUE：为保证CUE的QoS，我们必须要求SINRCUE≥β。如果新DTUE接入到网络引入过多的干扰，则该DTUE被禁止接入到网络。我们定义DTUE禁止接入的区域为UCUE。我们仅仅考虑蜂窝网的上行时隙，所以保护区UCUE为以基站为圆心的圆形区域，半径记作
保护区UDRUEj：同样地，为保证DRUE的QoS，我们必须要求SINRDRUEj≥β。如果网络中仅有一个CUE和一对DUE，则DRUE接收到的干扰仅仅来自CUE。但当网络中存在多对DUE时，DRUEj收到的干扰来自两部分：一是来自CUE；另一是来自其它的DTUE。我们定义CUE和DTUE禁止接入的区域为UDRUEj。UDRUEj为以DRUEj为圆心的圆形区域，半径记作对于不同的DRUEj，其对应的可能不同，因为不同DUE对的DTUE和DRUE之间的距离不一定相等。
当一个新DUE对欲接入网络，为得到最小的新呼叫阻塞率，UCUE和UDRUEj的半径和应分别为和
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法，包括以下步骤：
(1)初始化：
1)初始化系统参数包括β、PT、PR等；
2)获取网络中的D2D通信移动终端的数量M以及各种距离变量r、s、l和d的值；各距离信息可以基于检测信号进行估计得到或者基于各终端向基站报告的位置信息计算得到，仿真环境中可以直接初始化各设备所在位置信息；
3)更新ID-C(M)的值，计算UCUE的半径，其中
4)对网络中的每个DRUEj(1<＝j<＝M)，更新IC-D,j和ID-D,j(M)的值，计算UDRUEj的半径；UDRUEj的半径
(2)判断CUE是否仍然满足基本通信条件：计算新DTUE是否位于UCUE内，是则转到步骤(5)；
(3)判断所有DUE对是否仍然满足通信条件：
1)对网络中的每个DRUEi(1<＝i<＝M)，计算新DTUE是否位于UDRUEi内，是则转到步骤(5)；
2)计算欲接入网络的DRUE是否不满足其成功接入到网络需要的条件：其中， 是则转到步骤(5)；
(4)接入到网络：新DUE对接入网络，M＝M+1，结束；
(5)拒绝新DUE对接入网络，结束。
图1是基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法流程图；
图2描述了D2D通信系统的场景图，基于此场景我们提出基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法。
图3选用了MATLAB仿真软件对D2D通信系统在PT＝0.1mW条件下新呼叫阻塞率与DUE终端数量的关系进行了仿真分析，并对其中的仿真参数进行了相关配置。假设小区半径R为600米，SINR阈值为4.6dB，路径衰减因子为4，系统所允许的最大新呼叫阻塞率为0.05；同时假设所有DTUE均匀分布在小区内，DRUE均匀分布在以其对应的DTUE为圆心、半径为L的圆内。其中r0是CUE与基站之间的距离。该图表明：(1)L越大，新呼叫阻塞率越大；(2)新呼叫阻塞率随着DUE终端对的数量的增加而增大；(3)在L一定情况下，对于传统的呼叫接入方法，新呼叫阻塞率随着r0的增加而增大，这是因为CUE的发射功率会随着r0的增加而增大从而对DRUE产生较大的影响；而对于本专利提出的方法，新呼叫阻塞率甚至随着r0的增加而减小，这是因为随着r0的增加，CUE远离小区中心区域，因此受CUE干扰的DUE终端对也减少了，尽管随着r0的增加导致其发射功率的增加，但所提方法能有效克服此不利影响。
图4详细比较了D2D系统在L＝100、r0＝300条件下新呼叫阻塞率与DUE终端数量的关系。该图表明：(1)对于不同的终端发射功率，新呼叫阻塞率总随着DUE终端对的数量的增加而增大；(2)对于传统的呼叫接入控制方法，新呼叫阻塞率会随着终端发射功率的降低而增加，这是因为更小的终端发射功率导致其更容易受到CUE和其他DTUE的干扰影响；但对于所提出的方法，呼叫阻塞率则随着终端发射功率的降低而减小，这再次表明所提方法能有效抑制额外干扰。
图5详细比较了D2D系统在L＝100、r0＝300、PT＝0.1mW条件下新呼叫阻塞的情况比例与DUE终端数量的关系。其中：flag＝0表示新DUE终端对能够成功接入到网络；flag＝1表明新DUE终端对不能成功接入到网络，原因是新DTUE位于其它终端的保护区；flag＝2表明新DUE终端对不能成功接入到网络，原因是新DRUE位于其它终端的保护区。该图表明：(1)无论是对传统的呼叫接入控制方法还是所提出的方法，flag＝1总是占极少数情况，这说明因DTUE位于其它终端的保护区而不能接入到网络的原因较小(2)flag＝2的比例随着DUE终端对的数量的增加而增大，这说明随着DUE终端对的数量的增加DRUE受到来自其它DTUE的干扰也随之增大。
图6详细比较了D2D系统在PT＝0.1mW条件下r0与系统容量的关系。该图表明：(1)L越大，系统容量越小；(2)对传统的呼叫接入控制方法，系统容量随着r0的增加而减小，这是因为随着r0的增加CUE的发射功率随之增大，从而导致对其它终端的干扰增加；但对所提的方法，随着r0的增加系统容量处于较稳定状态，这也说明所提方法能有效抑制额外干扰。
如上所述，本发明的基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法，能够有效提高融合网络容量，性能优越，且易于实现。
Claims (3)
1.一种基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法，所述D2D通信系统的终端包括蜂窝网络终端(CUE)和D2D移动终端(DUE)，一对DUE包括D2D发射移动终端(DTUE)和D2D接收移动终端(DRUE)，其中有M对DUE和一个CUE共享上行链路资源，M为大于0的整数，D2D通信系统中存在三种类型的干扰：DUE到CUE，DUE到DUE以及CUE到DUE；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)初始化系统参数，所述参数包括信噪比阈值、D2D发射终端的功率、基站接收到的蜂窝网移动终端的信号强度；
(2)获取网络中的DUE对的数量以及CUE和基站(BS)之间的距离、DTUE和BS之间的距离，DRUE和CUE之间的距离，DTUE和DRUE的距离；
(3)计算网络中三种类型干扰的参数值，并基于干扰参数值和系统参数计算CUE的保护区的半径和现有网络的DRUE的保护区的半径以及欲接入网络的DRUE成功接入到网络需要满足的条件；所述条件为欲接入网络的DRUE的信号干扰噪声比不小于设定的阈值；所述保护区定义为DUE终端对禁止接入的区域；
(4)判断欲接入网络的DTUE是否位于CUE保护区，若是则转到步骤(7)；
(5)判断新DUE对接入网络后所有DUE对是否仍然满足通信服务质量要求，具体包括：欲接入网络的DTUE是否位于现有网络的DRUE的保护区，欲接入网络的DRUE是否不满足其成功接入到网络需要的条件，若其中有一个判断结果为是则转到步骤(7)；
(6)允许新DUE对接入网络，并更新DUE对的数量，结束；
(7)拒绝新DUE对接入网络，结束。
2.根据权利要求1所述的基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中CUE的保护区的半径的计算公式为：
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其中，PR为基站接收到的CUE的信号功率；β为信号干扰噪声比阈值；网络中的所有的DTUE采用相同的发射功率，记作PT；ID-C(M)为DTUE到CUE的干扰；α为路径损耗指数；
所述步骤(3)中现有网络的DRUE的保护区的半径的计算公式为：
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其中，lj为DTUE j和DRUE j之间的距离；IC-D,j为CUE到DRUE j的干扰；ID-D,j(M)为所有其它DTUE到DRUE j的干扰；
所述步骤(3)中欲接入网络的DRUE能够成功接入到网络需要满足的条件为：
其中，lnew为DTUE new和DRUE new之间的距离；IC-D,new为CUE到DRUE new的干扰；ID-D,new(M)为所有其它DTUE到DRUE new的干扰。
3.根据权利要求2所述的基于干扰抑制的D2D通信系统的呼叫接入控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中DTUE到CUE的干扰ID-C(M)的计算公式为：
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其中，ri为DTUE i和基站之间的距离；
CUE到DRUE j的干扰IC-D,j的计算公式为：
其中，Pt0为CUE的发射功率；dj为DRUE j和CUE之间的距离；
所有其它DTUE到DRUE j的干扰ID-D,j(M)的计算公式为：
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其中，si,j为DTUE i和DRUE j之间的距离；
所有其它DTUE到DRUE new的干扰ID-D,new(M)的计算公式为：
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其中，si,new为DTUE i和DRUE new之间的距离；
CUE到DRUE new的干扰IC-D,new的计算公式为：
dnew为DRUE new和CUE之间的距离。
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