CN104683986B - 嵌入d2d的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方案 - Google Patents
嵌入d2d的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方案 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方案，属于无线通信技术领域。嵌入D2D的蜂窝网络系统由蜂窝基站BS、蜂窝移动用户UEC、D2D发送端D2D接收端其中i＝1,2,…,M，M为D2D通信对数。通过协作中继，将一部分蜂窝通信带宽分配给D2D通信，并让D2D发送端作为蜂窝通信的中继节点，在传输自己信号的同时，中继移动用户UEC向基站BS发送的信号，以补偿蜂窝通信的速率损耗。本发明方案可以在保证蜂窝通信最小速率的前提下，最大化D2D通信速率，提高正交资源共享方案的频谱资源利用率。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别地涉及一种嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方案。
背景技术
智能手机、平板电脑等移动终端已经成为当今人们的生活必备品，移动用户数据业务需求快速增大，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。在蜂窝网络中引入D2D(Device-to-Device)通信技术就是一个有效的解决办法。
传统的蜂窝网络中，两个用户之间的通信数据需要经过基站BS(Base Station)的中转来完成，而D2D通信是一种近距离直接通信技术，即在地理位置上距离很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。在蜂窝网络中引入D2D通信技术不仅能够使蜂窝网络的频谱资源同时为蜂窝通信和D2D通信服务，而且相近的用户之间可以获得高速率、低延时和低功耗的通信。
文献K.Doppler,C.-H.Yu,C.B.Ribeiro,and P.Janis,“Mode selection fordevice-to-device communication underlaying an LTE-Advanced network,”in IEEEWirel.Commun.and Netw.Conference(WCNC).IEEE,2010:1-6.与文献C.-H.Yu,K.Doppler,C.B.Ribeiro,and O.Tirkkonen,“Resource sharing optimization for Device-to-Device communication underlaying cellular networks,”IEEE Trans.Wirel.Commu.,2011,vol.10,no.8,pp.2752-2763.中提出D2D通信可以选择的多种模式，可分为非正交资源共享模式(NORS)与正交资源共享模式(ORS)两类。NORS模式存在D2D通信与蜂窝网络间的干扰问题，ORS模式不存在这种干扰，但其资源利用率不如NORS模式高。因此，在ORS模式中，分配给蜂窝通信和D2D通信的资源必须仔细地进行最优化处理。
发明内容
本发明提供一种嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享(CR-ORS)方案以解决ORS模式资源利用率不高的问题。通过动态带宽分配机制优化分配蜂窝通信和D2D通信的带宽资源，在满足蜂窝通信最小速率的前提下，最大化D2D通信速率。
为实现上述目标，本发明的技术构思如下：
嵌入D2D的蜂窝网络系统由蜂窝基站BS、蜂窝移动用户UEC、D2D发射端D2D接收端其中i＝1,2,...,M，M为D2D通信对数。当移动用户UEC到基站BS间的信道处于深度衰落，即GC,BS非常小时，为了保证蜂窝通信的最小速率需求，DT-ORS模式下会非常大，分配给D2D通信的带宽将会非常小。
本发明通过协作中继技术，让基站BS分配部分上行带宽给能够成功接收UEC数据的D2D发射端并将其作为中继节点。中继节点使用分配到的一部分带宽中继移动用户UEC向基站BS发送的信号，来保证蜂窝通信的最小速率，与此同时使用另一部分带宽向D2D接收端带宽发送自己的信号，从而提高嵌入D2D的蜂窝网络带宽资源利用效率，实现嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方案。基站BS按照最大比合并方式将移动用户UEC与中继节点发送来的信号进行合并。
一种嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享(CR-ORS)方案，包括以下步骤：
步骤一：基站BS通过专用的反馈控制信道分别得到移动用户UEC到基站BS的信道增益GC,BS，D2D发送端到D2D接收端的信道增益Gi,i，移动用户UEC到D2D发送端的信道增益GC,i，D2D发送端到基站BS的信道增益Gi,BS；
步骤二：计算传统正交资源共享模式(DT-ORS模式)下分配给蜂窝通信的带宽和分配给D2D通信的带宽其中B为蜂窝通信上行链路总带宽；
计算DT-ORS模式下蜂窝通信的最大发送功率蜂窝通信的传输速率
计算DT-ORS模式下D2D发送端的最大发送功率第i个D2D通信的传输速率
步骤三：将DT-ORS模式下分配给移动用户UEC的带宽中的一部分带宽分配给D2D通信；
步骤四：D2D发送端将额外分配到的带宽分为和两部分，带宽用于中继移动用户UEC向基站BS发送的信号，带宽与DT-ORS模式下分配到的带宽一起用于传输自己的信号；
步骤五：计算蜂窝通信速率第i个D2D通信速率
步骤六：对第i个D2D通信速率进行优化建模并采用启发式算法对优化模型进行求解。
本发明方案可以在保证蜂窝通信最小速率的前提下，最大化D2D通信速率，提高正交资源共享方案的频谱资源利用率。当蜂窝通信信道状况较差时，本发明方案还可以向D2D通信提供更多的速率增益。
附图说明
图1是嵌入D2D的蜂窝网络系统组成示意图；
图2是CR-ORS方案流程图；
图3是DT-ORS模式示意图；
图4是CR-ORS模式示意图；
图5是噪声方差为10-14W的情况下蜂窝通信和第i个D2D通信的速率增益；
图6是噪声方差为10-14W的情况下优化模型的最优解；
图7是噪声方差为10-15W的情况下蜂窝通信和第i个D2D通信的速率增益；
图8是噪声方差为10-15W的情况下优化模型的最优解；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
如图1所示，嵌入D2D的蜂窝网络系统由蜂窝基站BS、蜂窝移动用户UEC、D2D发射端D2D接收端其中i＝1,2,...,M，M为D2D通信对数。
本发明包括如下步骤，参照图2：
步骤一：基站BS通过专用的反馈控制信道分别得到移动用户UEC到基站BS的信道增益GC,BS，D2D发送端到D2D接收端的信道增益Gi,i，移动用户UEC到D2D发送端的信道增益GC,i，D2D发送端到基站BS的信道增益Gi,BS，其中i＝1,2,...,M；
步骤二：参照图3，DT-ORS模式下分配给移动用户UEC的带宽和分配给D2D通信的带宽其中为满足蜂窝通信的最小速率，分配给蜂窝通信的单位带宽功率，B为蜂窝通信上行链路总带宽；
设为传统蜂窝网络分配给UEC的带宽，则UEC的最大发送功率蜂窝通信速率为
设为分配给第i个D2D通信的带宽，则有设为D2D发送端的最大发送功率，则第i个D2D通信的速率其中为分配给第i个D2D通信的单位带宽功率；
步骤三：参照图4，将DT-ORS模式下分配给移动用户UEC的带宽中的一部分带宽分配给D2D通信；
步骤四：D2D发送端将额外分配到的带宽分为和两部分，带宽用于中继移动用户UEC向基站BS发送的信号，带宽与DT-ORS模式下分配到的带宽一起用于传输自己的信号；
设x为带宽分配到第i个D2D通信的带宽，则
设为带宽分配到第i个D2D通信的带宽，则
步骤五：蜂窝通信的速率
其中为蜂窝通信的单位带宽功率；
第i个D2D通信的速率其中为第i个D2D通信的单位带宽功率；
步骤六：对第i个D2D通信速率进行优化建模并求解，结合蜂窝通信最小速率和D2D通信最优速率，保证问题被建模为一非凸优化问题；
优化模型：约束条件为
为变量和的函数，求解两个变量函数的极值问题，一般先判断海森矩阵是否正定或负定，再进行求解；记则Γi为一常数，的海森矩阵为
其中
故而
由上可知的海森矩阵既不是正定矩阵也不是负定矩阵，因此无法通过此法求出优化模型的全局最优解。
本发明根据下述引理结合启发式算法来求解优化模型的全局最优解。
引理：若CR-ORS模式下蜂窝网络分配D2D通信的带宽为则上述优化模型总存在全局最优解，并且此最优解可以通过求解方程其中
启发式算法求解：1.将DT-ORS模式下所分带宽分为N个离散间隔，则第j间隔为j＝1,2,...N；2.根据上述引理，对于每一对和D2D发送端可得最佳解以及相应的最佳值3.经过N次最优化，最终得到第i个D2D通信的全局最优值和全局最优解
本发明经过多次仿真实验，仿真实施例是模拟图1所示的嵌入D2D的蜂窝网络系统，仿真参数如下表所示。
仿真实验中只考虑路径损耗，因此当D2D发送端移动时，基站BS与移动用户UEC、D2D发送端D2D接收端之间的信道增益保持不变。Y表示D2D收发端的y坐标，同时表征基站BS与UEC之间的中继信道增益。图5表示当中继信道增益变差时，蜂窝通信的速率增益与D2D通信的速度增益图6表示相对应的最佳解
如图5和图6所示，在蜂窝通信中具有较高中继链路信道增益时，UEC愿意分配出较多的带宽给D2D通信，可以只用获得带宽中的很小一部分去补偿蜂窝链路的速率损耗，并将剩余的带宽用来传输自己的信号，从而获得较高的速率。当D2D收发端远离蜂窝链路时，中继信道增益恶化，UEC分配给D2D通信的带宽有限，并且需要使用较多的带宽去补偿蜂窝通信速率损耗，从而D2D的速率增益连续降低，最终当Y≥400m时，最佳解为在这种情况下D2D通信不能进一步提升。
为考察信道变化对算法的影响，改变信道噪声值为10-15W，其余的仿真参数不变。图7表示当中继信道增益变差时，蜂窝通信的速率增益与D2D通信的速度增益图8表示相对应的最佳解
对比图7与图5，当噪声方差为10-15W，信道状态较好时，Y＝250m时蜂窝通信和D2D通信之间的协作终止；当当噪声方差为10-14W，信道状态较差时，直到Y＝400m时蜂窝通信和D2D通信之间的才停止协作。由此可见，当信道状况较差时，CR-ORS方案可以向D2D通信提供更多的速率增益。
以上对本发明的具体方式进行了描述。本文中对于发明的描述是说明性的，因而本发明的范围不应限制于上述具体实施方式。本领域技术人员应清楚，在不脱离本发明的主旨或本质特征的情况下，对上述具体实施方式进行其他变形或改变，也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：基站BS通过专用的反馈控制信道分别得到移动用户UEC到基站BS的信道增益GC,BS，D2D发送端到D2D接收端的信道增益Gi,i，移动用户UEC到D2D发送端的信道增益GC,i，D2D发送端到基站BS的信道增益Gi,BS；
步骤二：传统正交资源共享模式(DT-ORS模式)下，计算分配给蜂窝通信的带宽和分配给D2D通信的带宽其中 为满足蜂窝通信的最小速率，为分配给蜂窝通信的单位宽带功率；B为蜂窝通信上行链路总带宽；
计算蜂窝通信的最大发送功率蜂窝通信的传输速率具体计算为：设为传统蜂窝网络分配给UEC的带宽，则UEC的最大发送功率蜂窝通信的传输速率
计算D2D发送端的最大发送功率第i个D2D通信的传输速率具体计算为：设为分配给第i个D2D通信的带宽，则有设为D2D发送端的最大发送功率，则第i个D2D通信的速率其中为分配给第i个D2D通信的单位宽带功率；
步骤三：将DT-ORS模式下分配给移动用户UEC的带宽中的一部分带宽分配给D2D通信,其中
步骤四：D2D发送端将额外分配到的带宽分为和两部分，带宽用于中继移动用户UEC向基站BS发送的信号，带宽与DT-ORS模式下分配到的带宽一起用于传输自己的信号；
步骤五：计算蜂窝通信速率第i个D2D通信速率具体计算为：
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其中为蜂窝通信的单位带宽功率；
第i个D2D通信速率其中为第i个D2D通信的单位带宽功率；
步骤六：对第i个D2D通信速率进行优化建模并求解；
优化模型：约束条件为
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采用下述引理结合启发式算法求解优化模型求解资源分配的非凸优化问题：
引理：若CR-ORS模式下蜂窝网络分配D2D通信的带宽为则上述优化模型总存在全局最优解，并且此最优解可以通过求解方程其中
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<mn>1</mn>
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<mo>;</mo>
</mrow>
启发式算法求解：1.将DT-ORS模式下所分带宽分为N个离散间隔，则第j间隔为2.根据上述引理，对于每一对和D2D发送端可得最佳解以及相应的最佳值3.经过N次最优化，最终得到第i个D2D通信的全局最优值和全局最优解
2.如权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方法，其特征在于：通过动态带宽分配机制优化分配蜂窝通信和D2D通信的带宽资源，在满足蜂窝通信最小速率的前提下，最大化D2D通信速率。
3.如权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方法，其特征在于：将所述的D2D发送端作为蜂窝通信的中继节点，采用放大转发协议向基站BS发送从移动用户UEC接收到的信号。
4.如权利要求1所述的嵌入D2D的蜂窝网络中基于协作中继的正交资源共享方法，其特征在于：所述的基站BS按照最大比合并方式将移动用户UEC与中继节点发送来的信号进行合并。
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