CN104780610A - 一种基于终端直通通信的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于终端直通通信的资源分配方法，包括：使用穷举搜索找出所有的可行复用组合，其可行性主要根据信道状况和用户通信需求进行判断；筛选符合条件的复用组合进入候选集，并计算该集合中所有复用组合的吞吐量增益；找出吞吐量增益最大的复用组合进入有效集，并为其分配资源；删除所有与有效集冲突的复用组合，以确保D2D用户和蜂窝用户不会获得重复资源；重复选择直到复用组合中只包含一对D2D用户和一个蜂窝用户；使用Kuhn-Munkres算法，找出最优复用组合进入有效集中。有效集中每个复用组合均获得一份资源，D2D用户复用同组合中蜂窝用户的资源。

Description

一种基于终端直通通信的资源分配方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，提供了一种基于LTE-Advanced蜂窝系统下终端直通(D2D)通信的资源分配方法。

背景技术

D2D(Device-to-Device)通信技术是一种在蜂窝系统中的端到端通信技术，两个用户建立直接链路进行通信而不需要基站进行转发。D2D通信可以减轻基站的转发数据负担，提高蜂窝系统的频谱利用率，增加系统的吞吐量。但是由于D2D用户复用蜂窝用户的资源，必然对蜂窝用户和基站带来干扰，这种干扰若不进行控制，将会直接影响蜂窝用户的正常通信，甚至会降低系统性能。因此，合理的资源分配方法是提高蜂窝系统频谱利用率的关键，同时也能有效地对用户之间的干扰进行抑制。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提供了一种基于终端直通通信的资源分配方法，该方法实现了允许多对D2D用户复用同一蜂窝用户的资源，同时对各用户发送功率进行控制，从而使彼此之间的干扰不影响正常通信。基站根据信道实际状况，选择最优的复用方案使得系统能尽可能地容纳最多的D2D对，并且整个系统的吞吐量达到最大。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明定义复用组合为使用同一资源的蜂窝用户和D2D用户对，蜂窝用户使用正交资源，D2D用户复用同一组合中蜂窝用户的资源。根据信道信息、各用户通信需求以及发送功率约束，使用穷举搜索找出所有可行复用组合，然后根据复用组合吞吐量增益和所包含D2D用户对数合理挑选复用组合，使整个蜂窝系统容纳最多的D2D对数，同时整个系统吞吐量达到最大。

方法流程：

步骤1：找出所有的可行复用组合；

复用组合是指复用同一资源的蜂窝用户和D2D用户的集合。

步骤2：将复用组合中包含D2D对数为N；

N初始值为复用组合包含的D2D对数最大值的复用组合进入候选集，并计算候选集中所有复用组合的吞吐量增益。

步骤3：找出候选集中吞吐量增益最大的复用组合进入有效集。

步骤4：删除所有与有效集冲突的复用组合，以确保D2D用户和蜂窝用户不会获得重复资源。冲突是指同一用户同时出现在有效集中和待进行筛选的复用组合中。

步骤5：候选集中复用组合数是否为0：如果为0，进入步骤6；如果不是则转至步骤3；

步骤6：设N＝N-1。判断N是否为1：如果是，转至步骤7；如果不是转至步骤2；

步骤7：最后对所有只包含一个蜂窝用户和一对D2D用户的复用组合使用Kuhn-Munkres算法，找出最优复用组合进入有效集中。

步骤8：系统根据蜂窝用户为每一个复用组合分配一块资源，D2D用户复用自己同组的蜂窝用户资源。

在本发明所述的步骤1中，首先找出所有只包含一个蜂窝用户和一对D2D用户的复用组合，然后再找出包含一个蜂窝用户和两对D2D用户的复用组合，这样逐渐增加D2D对数，直到所有的复用组合中不能再容纳更多的D2D用户对为止，从而找出所有可行复用组合，具体包括如下步骤：

步骤1：假设蜂窝系统中共有M个蜂窝用户和S对D2D用户需要分配资源，并令N＝2。

步骤2：找出所有包含用户数为N的可行复用组合，注意复用组合中只能包含一个蜂窝用户。

步骤3：判断步骤2中找出的复用组合能否进一步复用，即复用组合中是否能再容纳新的D2D用户：如果能，N＝N+1，转至步骤2；如果不能则搜索结束。

在本发明中判断某一复用组合是否可行的方法：假设复用组合包含蜂窝用户i和D2D用户对j,…,k，则可复用条件为0＜A^-1B≤P_max。其中：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{g}_i^{\mathrm{cB}}& -{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c{h}_j^{\mathrm{dB}}& ...& -{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c{h}_k^{\mathrm{dB}}\\ -{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^d{h}_{i,j}^{\mathrm{cd}}& g_j^{\mathrm{dd}}& ...& -{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^d{h}_{k,j}^{\mathrm{dd}}\\ ...& ...& ...& ...\\ -{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d{h}_{i,k}^{\mathrm{cd}}& -{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d{h}_{j,k}^{\mathrm{dd}}& ...& g_k^{\mathrm{dd}}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c\\ {\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^d\\ ...\\ {\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d\end{array}\right],P_{\max }=\left[\begin{array}{c}{p}_{\max }^c\\ p_{\max }^d\\ ...\\ p_{\max }^d\end{array}\right].$

表示蜂窝用户i，D2D对j，D2D对k的信道增益， 为对应的最小信噪比，h表示干扰链路的信道增益，为第X对D2D用户发送端到基站链路的信道增益，表示蜂窝用户X到D2D用户Y链路的信道增益，表示D2D用户X到D2D用户Y链路的信道增益，表示蜂窝用户和D2D用户的最大发送功率，为加性高斯白噪声功率。

本发明所述的步骤2中复用组合的吞吐量最大增益求解方法：以上述复用组合为例，其吞吐量增益为：

$\begin{array}{c}T={\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_i^c)+{\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_j^d)+...+{\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_k^d)\\ -{\log }_2(1+\frac{P_{\max }^c{g}_i^{\mathrm{cB}}}{{\mathrm{\σ}}_N^2})\end{array}$

约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_i^c=\frac{P_i^c{g}_i^{\mathrm{cB}}}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_j^d{h}_j^{\mathrm{dB}}+...+P_k^d{h}_k^{\mathrm{dB}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c\\ {\mathrm{\ξ}}_j^d=\frac{P_j^d{g}_j}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_i^c{h}_{i,j}^{\mathrm{cd}}+...+P_k^d{h}_{k,j}^{\mathrm{dd}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^c\\ ...\\ {\mathrm{\ξ}}_k^d=\frac{P_k^d{g}_k}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_i^c{h}_{i,k}^{\mathrm{cd}}+...+P_j^d{h}_{j,k}^{\mathrm{dd}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^c\\ P_i^c\≤P_{\max }^c,P_j^d,...,P_k^d\≤P_{\max }^d\end{array}\right.$

本发明求出 $T^{*}={\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_i^c\right)+{\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_j^d\right)+...+{\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_k^d\right)$ 在约束条件下的最大值，并用此时的发射功率作为复用组合中各用户的发射功率，这样求得其吞吐量最大增益近似值，误差不会超过

所述步骤7中Kuhn-Munkres算法是用于解决最优分派问题，在本发明中用来解决最佳匹配问题，使得系统吞吐量最大。其中蜂窝用户和D2D用户对分别为二分图的顶点，复用组合吞吐量增益为其连线的加权值。

有益效果：

1、本发明能够有效地增加D2D用户接入数量，提高D2D用户接入比例，尤其是在D2D对数大于蜂窝用户数量时，系统中所容纳的D2D用户数达到最大，同时吞吐量最大。

2、本发明能够有效地提高蜂窝系统频谱利用率，同时也能够有效地对用户之间的干扰进行抑制。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明搜索所有可行复用组合的方法图。

图3为本发明搜索所有可行复用组合的流程图。

图4为本发明的蜂窝系统场景图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种基于终端直通通信的资源分配方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：找出所有的可行复用组合；

复用组合是指复用同一资源的蜂窝用户和D2D用户的集合。

步骤2：将复用组合中包含D2D对数为N；

N初始值为复用组合包含的D2D对数最大值的复用组合进入候选集，并计算候选集中所有复用组合的吞吐量增益。

步骤3：找出候选集中吞吐量增益最大的复用组合进入有效集。

步骤4：删除所有与有效集冲突的复用组合，以确保D2D用户和蜂窝用户不会获得重复资源。冲突是指同一用户同时出现在有效集中和待进行筛选的复用组合中。

步骤5：候选集中复用组合数是否为0：如果为0，进入步骤6；如果不是则转至步骤3；

步骤6：N＝N-1。判断N是否为1：如果是，转至步骤7；如果不是转至步骤2；

步骤7：最后对所有只包含一个蜂窝用户和一对D2D用户的复用组合使用Kuhn-Munkres算法，找出最优复用组合进入有效集中。

步骤8：系统根据蜂窝用户为每一个复用组合分配一块资源，D2D用户复用自己同组的蜂窝用户资源。

如图2和图3所示，在本发明所述的步骤1中，首先找出所有只包含一个蜂窝用户和一对D2D用户的复用组合，然后再找出包含一个蜂窝用户和两对D2D用户的复用组合，这样逐渐增加D2D对数，直到所有的复用组合中不能再容纳更多的D2D用户对为止，从而找出所有可行复用组合。其实施过程所示。

步骤1：假设蜂窝系统中共有M个蜂窝用户和S对D2D用户需要分配资源，并令N＝2。

步骤2：找出所有包含用户数为N的可行复用组合，注意复用组合中只能包含一个蜂窝用户。

步骤3：判断步骤2中找出的复用组合能否进一步复用，即复用组合中是否能再容纳新的D2D用户：如果能，N＝N+1，转至步骤2；如果不能则搜索结束。

在本发明中判断某一复用组合是否可行的方法：假设复用组合包含蜂窝用户i和D2D用户对j,…,k，则可复用条件为0＜A^-1B≤P_max。其中：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{g}_i^{\mathrm{cB}}& -{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c{h}_j^{\mathrm{dB}}& ...& -{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c{h}_k^{\mathrm{dB}}\\ -{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^d{h}_{i,j}^{\mathrm{cd}}& g_j^{\mathrm{dd}}& ...& -{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^d{h}_{k,j}^{\mathrm{dd}}\\ ...& ...& ...& ...\\ -{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d{h}_{i,k}^{\mathrm{cd}}& -{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d{h}_{j,k}^{\mathrm{dd}}& ...& g_k^{\mathrm{dd}}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c\\ {\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^d\\ ...\\ {\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d\end{array}\right],P_{\max }=\left[\begin{array}{c}{p}_{\max }^c\\ p_{\max }^d\\ ...\\ p_{\max }^d\end{array}\right].$

表示蜂窝用户i，D2D对j，D2D对k的信道增益， 为对应的最小信噪比，h表示干扰链路的信道增益，为第X对D2D用户发送端到基站链路的信道增益，表示蜂窝用户X到D2D用户Y链路的信道增益，表示D2D用户X到D2D用户Y链路的信道增益，表示蜂窝用户和D2D用户的最大发送功率，为加性高斯白噪声功率。

本发明所述步骤2中复用组合的吞吐量最大增益求解方法：以上述复用组合为例，其吞吐量增益为：

$\begin{array}{c}T={\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_i^c)+{\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_j^d)+...+{\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_k^d)\\ -{\log }_2(1+\frac{P_{\max }^c{g}_i^{\mathrm{cB}}}{{\mathrm{\σ}}_N^2})\end{array}$

其约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_i^c=\frac{P_i^c{g}_i^{\mathrm{cB}}}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_j^d{h}_j^{\mathrm{dB}}+...+P_k^d{h}_k^{\mathrm{dB}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c\\ {\mathrm{\ξ}}_j^d=\frac{P_j^d{g}_j}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_i^c{h}_{i,j}^{\mathrm{cd}}+...+P_k^d{h}_{k,j}^{\mathrm{dd}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^c\\ ...\\ {\mathrm{\ξ}}_k^d=\frac{P_k^d{g}_k}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_i^c{h}_{i,k}^{\mathrm{cd}}+...+P_j^d{h}_{j,k}^{\mathrm{dd}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^c\\ P_i^c\≤P_{\max }^c,P_j^d,...,P_k^d\≤P_{\max }^d\end{array}\right.$

本发明求出 $T^{*}={\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_i^c\right)+{\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_j^d\right)+...+{\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_k^d\right)$ 在约束条件下的最大值，并用此时的发射功率作为复用组合中各用户的发射功率，这样求得其吞吐量最大增益近似值，误差不会超过

在本发明所述的步骤7中，Kuhn-Munkres算法用于解决最优分派问题，用来解决最佳匹配问题，使得系统吞吐量最大。其中蜂窝用户和D2D用户对分别为二分图的顶点，复用组合吞吐量增益为其连线的加权值。

Claims (7)

1.一种基于终端直通通信的资源分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：找出所有的可行复用组合；

复用组合是指复用同一资源的蜂窝用户和D2D用户的集合；

步骤2：将复用组合中包含D2D对数为N；

N初始值为复用组合包含的D2D对数最大值的复用组合进入候选集，并计算候选集中所有复用组合的吞吐量增益；

步骤3：找出候选集中吞吐量增益最大的复用组合进入有效集；

步骤4：删除所有与有效集冲突的复用组合，以确保D2D用户和蜂窝用户不会获得重复资源；

冲突是指同一用户同时出现在有效集中和待进行筛选的复用组合中；

步骤5：候选集中复用组合数是否为0：如果为0，进入步骤6；如果不是则转至步骤3；

步骤6：设N＝N-1；判断N是否为1：如果是，转至步骤7；如果不是转至步骤2；

步骤7：最后对所有只包含一个蜂窝用户和一对D2D用户的复用组合使用Kuhn-Munkres算法，找出最优复用组合进入有效集中；

步骤8：系统根据蜂窝用户为每一个复用组合分配一块资源，D2D用户复用自己同组的蜂窝用户资源。

2.根据权利要求书1所述的一种终端直通蜂窝系统中资源分配方法，其特征在于：所述方法的步骤1是首先找出所有只包含一个蜂窝用户和一对D2D用户的复用组合，然后再找出包含一个蜂窝用户和两对D2D用户的复用组合，逐渐增加D2D对数，直到所有的复用组合中不能再容纳更多的D2D用户对为止，从而找出所有可行复用组合。

3.根据权利要求书2所述的一种终端直通蜂窝系统中资源分配方法，其特征在于，所述的找出所有可行复用组合的步骤包括：

步骤1：假设蜂窝系统中共有M个蜂窝用户和S对D2D用户需要分配资源，并令N＝2；

步骤2：找出所有包含用户数为N的可行复用组合，注意复用组合中只能包含一个蜂窝用户；

步骤3：判断步骤2中找出的复用组合能否进一步复用，即复用组合中是否能再容纳新的D2D用户：如果能，N＝N+1，转至步骤2；如果不能则搜索结束。

4.根据权利要求书1所述的一种终端直通蜂窝系统中资源分配方法，其特征在于，所述方法包括：判断某一复用组合是否可行，是假设复用组合包含蜂窝用户i和D2D用户对j,…,k，则可复用条件为0＜A^-1B≤P_max；其中：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{g}_i^{\mathrm{cB}}& -{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c{h}_j^{\mathrm{dB}}& ...& -{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c{h}_k^{\mathrm{dB}}\\ -{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^d{h}_{i,j}^{\mathrm{cd}}& g_j^{\mathrm{dd}}& ...& -{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^d{h}_{k,j}^{\mathrm{dd}}\\ ...& ...& ...& ...\\ -{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d{h}_{i,k}^{\mathrm{cd}}& -{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d{h}_{k,\min }^d& ...& g_k^{\mathrm{dd}}\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c\\ {\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^d\\ ...\\ {\mathrm{\σ}}_N^2{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^d\end{array}\right],P_{\max }=\left[\begin{array}{c}{p}_{\max }^c\\ p_{\max }^d\\ ...\\ p_{\max }^d\end{array}\right];$

表示蜂窝用户i，D2D对j，D2D对k的信道增益， 为对应的最小信噪比，h表示干扰链路的信道增益，为第X个D2D发送端用户到基站链路的信道增益，表示蜂窝用户X到D2D用户Y链路的信道增益，表示D2D用户X到D2D用户Y链路的信道增益，表示蜂窝用户和D2D用户的最大发送功率，为加性高斯白噪声功率。

5.根据权利要求书1所述的一种终端直通蜂窝系统中资源分配方法，其特征在于，所述方法的步骤2的复用组合的吞吐量最大增益求解方法包括：

$\begin{array}{c}T={\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_i^c)+{\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_j^d)+...+{\log }_2(1+{\mathrm{\ξ}}_k^d)\\ -{\log }_2(1+\frac{P_{\max }^c{g}_i^{\mathrm{cB}}}{{\mathrm{\σ}}_N^2})\end{array}$

约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_i^c=\frac{P_i^c{g}_i^{\mathrm{cB}}}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_j^d{h}_j^{\mathrm{dB}}+...+P_k^d{h}_k^{\mathrm{dB}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c\\ {\mathrm{\ξ}}_j^d=\frac{P_j^d{g}_j}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_i^c{h}_{i,j}^{\mathrm{cd}}+...+P_k^d{h}_{k,j}^{\mathrm{dd}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{j,\min }^c\\ ...\\ {\mathrm{\ξ}}_k^d=\frac{P_k^d{g}_k}{{\mathrm{\σ}}_N^2+P_i^c{h}_{i,k}^{\mathrm{cd}}+...+P_j^d{h}_{j,k}^{\mathrm{dd}}}\≥{\mathrm{\ξ}}_{k,\min }^c\\ P_i^c\≤P_{\max }^c,P_j^d,...,P_k^d\≤P_{\max }^d\end{array}\right.$

求出 $T^{*}={\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_i^c\right)+{\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_j^d\right)+...+{\log }_2\left({\mathrm{\ξ}}_k^d\right)$ 在约束条件下的最大值，并用此时的发射功率作为复用组合中各用户的发射功率，这样求得其吞吐量最大增益近似值，误差不会超过

6.根据权利要求书1所述的一种终端直通蜂窝系统中资源分配方法，其特征在于，所述方法为多对D2D用户复用同一蜂窝用户的资源，同时对各用户发送功率进行控制。

7.根据权利要求书1所述的一种终端直通蜂窝系统中资源分配方法，其特征在于，所述方法包括：定义复用组合为使用同一资源的蜂窝用户和D2D用户对，蜂窝用户使用正交资源，D2D用户复用同一组合中蜂窝用户的资源，根据信道信息、各用户通信需求以及发送功率约束，使用穷举搜索找出所有可行复用组合，然后根据复用组合吞吐量增益和所包含D2D用户对数合理挑选复用组合。