CN104796990A

CN104796990A - 蜂窝异构网络中基于功率控制的d2d资源分配方法

Info

Publication number: CN104796990A
Application number: CN201510133650.8A
Authority: CN
Inventors: 韩琰; 蒋铃鸽; 何晨
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: CN104796990B

Abstract

本发明提供了一种蜂窝异构网络中基于功率控制的D2D资源分配方法，包括：根据最优功率分配方案，分别计算D2D发送端、宏蜂窝用户、飞蜂窝用户的最优发送功率；确定D2D对的最优复用频谱数；分别计算出这个D2D对复用每个宏蜂窝用户CUE频谱资源时的根据从小到大排序，选出前N_f个频段，为此D2D对复用；对多对D2D对重复以上步骤，动态更新资源分配策略。本发明联合优化了宏蜂窝用户、飞蜂窝用户和D2D用户的发送功率，并得到了最优发送功率的闭式解；其次，本发明为每个D2D用户定义了一个最优频谱资源复用数，提高了整个网络的频谱利用率，且在提升D2D吞吐量的同时节省了系统的总功耗，符合绿色通信的要求。

Description

蜂窝异构网络中基于功率控制的D2D资源分配方法

技术领域

本发明涉及频谱资源管理技术领域，具体是一种蜂窝异构网络中基于功率控制的D2D资源分配方法。

背景技术

功率控制是蜂窝异构网络实现频谱资源共享的关键技术，为了保证D2D用户接入蜂窝用户的授权频段时的干扰不影响蜂窝用户的正常通信，同时也保证蜂窝用户对D2D用户的干扰不影响D2D用户的正常通信，需要对蜂窝异构网络中蜂窝用户和D2D用户的功率都进行适当的控制，并且为D2D用户选择适合复用的蜂窝用户资源。

传统的蜂窝异构网络中D2D资源分配方法一般考虑的是宏蜂窝与D2D两层网络异构的场景，此时只需要优化D2D发送端和宏蜂窝用户的发送功率即可，有的方法甚至仅仅通过注水法优化D2D用户的发送功率。而未来蜂窝异构网络中很可能同时存在宏蜂窝、飞蜂窝和D2D通信三层网络，由此引入的三层网络间的干扰场景与两层异构网络不再相同，且更加复杂。因此，这种三层异构网络中的资源共享优化问题需要联合优化三层用户的发送功率来解决。

还有些传统的蜂窝异构网络中的D2D资源分配方法只考虑了一个蜂窝用户和一对D2D对互相共享资源的情况，或者D2D可以复用的频谱资源数是固定的，此时一对D2D用户只需要考虑单频段上的发送功率和与之配对的蜂窝用户的发送功率。但是这样无法利用D2D通信高频谱利用率的特性，造成了频谱资源的浪费。因此，需要为D2D用户灵活地、动态地分配频谱资源。

另外一种传统的蜂窝异构网络中的D2D资源分配方法只限制满足蜂窝用户QoS最低要求时的D2D最大发送功率，且蜂窝用户使用的发送功率是固定的，D2D选择的复用频谱资源也是固定的。这样D2D发送端始终使用满足要求的最大发送功率传输数据，蜂窝用户只能保证其速率为最低门限值，大大牺牲了原蜂窝网络的性能，且D2D用户始终使用最大发送功率也造成了系统总功耗的增加，不符合绿色通信的要求。除此之外，一些D2D用户与蜂窝用户距离太近，其相互之间的干扰已经无法通过简单的功率控制来抑制，此时固定的为D2D选择复用的频谱资源就会带来难题。

发明内容

本发明提供了一种基于最优功率分配策略和最优频谱复用数的资源分配方法。本发明能够同时优化宏蜂窝用户、飞蜂窝用户和D2D用户的发送功率，并得到了最优发送功率的闭式解。同时，本方法还为每对D2D用户定义了一个最佳频谱复用数，使蜂窝异构网络的频谱效率得到最大程度的提升。相较于传统资源分配方法，本方法能够在最大化D2D链路吞吐量的同时节约系统总功耗，更符合绿色通信的要求。

根据本发明提供的一种蜂窝异构网络中基于功率控制的D2D资源分配方法，包括如下具体步骤：

第一步，根据最优功率分配方案，分别计算D2D发送端、宏蜂窝用户、飞蜂窝用户的最优发送功率i表示宏蜂窝用户占用的频谱序号，i＝1,2,...,N，N为小区内宏蜂窝用户数，上标＊表示最优；

其中，所述最优功率分配方案如下：令一个D2D对复用多个宏蜂窝用户CUE的频谱资源，通过联合优化宏蜂窝用户CUE、飞蜂窝用户FUE和D2D用户的发射功率，使得该D2D对的吞吐量最大化；

第二步，根据确定D2D对的最优复用频谱数N_f；

其中，ΔTh表示D2D复用频谱数增加时的平均吞吐量增量，Δn表示D2D复用频谱数的增量，δ表示吞吐量增长速率门限值；Th表示当D2D复用频谱数为n时的平均吞吐量，n＝1,2,...,N，N为小区内宏蜂窝用户数，那么定义D2D对的最优频谱复用数N_f即为当吞吐量增长速率小于吞吐量增长速率门限值δ时的D2D复用频谱数；

第三步，分别计算出这个D2D对复用每个宏蜂窝用户CUE频谱资源时的表示频谱i上的D2D用户、宏蜂窝用户和飞蜂窝用户的总功率；

第四步，根据从小到大排序，选出前N_f个频段，为此D2D对复用；

第五步，对多对D2D对重复以上第一步至第四步，动态更新资源分配策略。

优选地，分别为D2D发送端、宏蜂窝用户和飞蜂窝用户的最优发送功率，表达式如下：

\{\begin{matrix} p_{d}^{i *} = [\frac{\sqrt{{(A_{i} + 2 B_{i})}^{2} C_{i}^{2} - 4 (A_{i} + B_{i}) B_{i} (C_{i}^{2} - A_{i} C_{i} / λ)} - (A_{i} + 2 B_{i}) C_{i}}{2 (A_{i} + B_{i}) B_{i}}]_{0}^{P_{d_{\max}}^{i}} \\ p_{f}^{i *} = \frac{β_{i} (α_{i} H_{f}^{i} G_{c}^{i} + H_{c}^{i} G_{f}^{i}) p_{d}^{i *} + β_{i} (α_{i} H_{f}^{i} N_{c}^{i} + H_{c}^{i} N_{f}^{i})}{H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}} \\ p_{c}^{i *} = \frac{α_{i} (β_{i} G_{f}^{i} L_{c}^{i} + G_{c}^{i} L_{f}^{i}) p_{d}^{i *} + α_{i} (β_{i} L_{c}^{i} N_{f}^{i} + N_{c}^{i} L_{f}^{i})}{H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}} \end{matrix}

其中，是D2D发送端在频段i上的最大发射功率，表示投影在区间上的值，λ为拉格朗日乘子；ρ_i是频段i上的宏蜂窝用户CUE的QoS门限，θ_i是频段i上的飞蜂窝用户FUE的QoS(Quality of Service，服务质量)门限；分别为频段i上的宏蜂窝用户CUE到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益，分别为频段i上的D2D发送端到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益，分别为频段i上的飞蜂窝用户FUE到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益，分别表示频段i上的宏蜂窝用户、D2D用户和飞蜂窝用户受到的系统噪声；且有

\{\begin{matrix} A_{i} = (H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}) G_{d}^{i} \\ B_{i} = α_{i} H_{d}^{i} (G_{c}^{i} L_{f}^{i} + β_{i} G_{f}^{i} L_{c}^{i}) + β L_{d}^{i} (H_{c}^{i} G_{f}^{i} + α_{i} H_{f}^{i} G_{c}^{i}) \\ C_{i} = α i H_{d}^{i} (L_{f}^{i} N_{c}^{i} + β_{i} L_{c}^{i} N_{f}^{i}) + β L_{d}^{i} (H_{c}^{i} N_{f}^{i} + α_{i} H_{f}^{i} N_{c}^{i}) + N_{d}^{i} (H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}) \end{matrix} .

优选地，λ的最大值λ_max为且每个都随λ单调递减，λ^＊通过二分法找到，随后将λ^＊作为拉格朗日乘子λ带入到的表达式中得到D2D发送端、宏蜂窝用户和飞蜂窝用户的最优发送功率；max_i{·}表示频段i上的最大值，λ^＊表示拉格朗日乘子的最优值。

优选地，资源分配策略的更新准则为：如果某个频段同时被多个D2D对选中，则比较该多个D2D对在该频段上的系统功耗，把该频段资源分配给此频段上系统总功耗最小的那个D2D对，其余D2D对则继续更新其资源分配策略。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明联合优化了宏蜂窝用户、飞蜂窝用户和D2D用户的发送功率，并得到了最优发送功率的闭式解；其次，本发明为每个D2D用户定义了一个最优频谱资源复用数，提高了整个网络的频谱利用率，且在提升D2D吞吐量的同时节省了系统的总功耗，符合绿色通信的要求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明流程图；

图2为本发明在D2D接收端SNR从2增加到20的D2D平均吞吐量曲线图；

图3为本发明在复用频谱数从1个增加到200个时的D2D平均吞吐量曲线图；

图4为本发明在宏蜂窝用户SNR从2增加到20的系统总功耗曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明能够同时优化宏蜂窝用户、飞蜂窝用户和D2D用户的发送功率，并得到了最优发送功率的闭式解，同时，还为每对D2D用户定义了一个最佳频谱复用数，使蜂窝异构网络的频谱效率得到最大程度的提升，结果在最大化D2D链路吞吐量的同时节约系统总功耗，更符合绿色通信的要求。

本发明中整个资源分配方法的更新包含了两个部分：各用户最优发送功率的更新和D2D最优频谱复用数的更新两个部分，得到这两个最优解后，即可通过系统总功耗的排序确定D2D选择复用的宏蜂窝频谱资源。

本实施例是基于功率控制的D2D资源分配方案，系统噪声为频谱密度是-174dBm/Hz的零均值加性高斯白噪声，信道模型考虑简单的路径损耗模型，根据3GPP标准中的规定，宏蜂窝与飞蜂窝系统为L_d(dB)＝128.1+37.6lg(d(km))，D2D链路为L_d(dB)＝148+40lg(d(km))。

本实施例包括以下步骤：

第一步，根据最优功率分配方案，分别计算D2D、宏蜂窝用户、飞蜂窝用户的最优发送功率i表示宏蜂窝用户占用的频谱序号，i＝1,2,...,N，N为小区内宏蜂窝用户数，上标＊表示最优；

在第一步中，分别为D2D发送端、宏蜂窝用户和飞蜂窝用户的最优发送功率，表达式如下：

\{\begin{matrix} p_{d}^{i *} = [\frac{\sqrt{{(A_{i} + 2 B_{i})}^{2} C_{i}^{2} - 4 (A_{i} + B_{i}) B_{i} (C_{i}^{2} - A_{i} C_{i} / λ)} - (A_{i} + 2 B_{i}) C_{i}}{2 (A_{i} + B_{i}) B_{i}}]_{0}^{P_{d_{\max}}^{i}} \\ p_{f}^{i *} = \frac{β_{i} (α_{i} H_{f}^{i} G_{c}^{i} + H_{c}^{i} G_{f}^{i}) p_{d}^{i *} + β_{i} (α_{i} H_{f}^{i} N_{c}^{i} + H_{c}^{i} N_{f}^{i})}{H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}} \\ p_{c}^{i *} = \frac{α_{i} (β_{i} G_{f}^{i} L_{c}^{i} + G_{c}^{i} L_{f}^{i}) p_{d}^{i *} + α_{i} (β_{i} L_{c}^{i} N_{f}^{i} + N_{c}^{i} L_{f}^{i})}{H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}} \end{matrix}

其中，是D2D发送端在频段i上的最大发射功率，表示投影在区间上的值；ρ_i是CUE i(即第i个CUE)的QoS门限，θ_i是FUEi(即第i个FUE)的QoS门限；分别为宏蜂窝用户CUE i到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益，分别为D2D发送端到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益，分别为飞蜂窝用户FUE i到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益；且有

\{\begin{matrix} A_{i} = (H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}) G_{d}^{i} \\ B_{i} = α_{i} H_{d}^{i} (G_{c}^{i} L_{f}^{i} + β_{i} G_{f}^{i} L_{c}^{i}) + β L_{d}^{i} (H_{c}^{i} G_{f}^{i} + α_{i} H_{f}^{i} G_{c}^{i}) \\ C_{i} = α i H_{d}^{i} (L_{f}^{i} N_{c}^{i} + β_{i} L_{c}^{i} N_{f}^{i}) + β L_{d}^{i} (H_{c}^{i} N_{f}^{i} + α_{i} H_{f}^{i} N_{c}^{i}) + N_{d}^{i} (H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}) \end{matrix}

λ的最大值为且每个都随λ单调递减，所以λ^＊可以通过二分法很快找到。

第二步，根据确定D2D对的最优复用频谱数N_f；

在第二步中，Th表示当D2D复用频谱数为n时的平均吞吐量，那么定义每个D2D用户的最优频谱复用数N_f即为当吞吐量增长速率小于门限值δ时的复用频谱数。

第三步，分别计算出这个D2D对复用每个CUE频谱资源时的

第五步，对多对D2D重复以上过程，动态更新资源分配策略。

在第五步中，资源分配的更新准则为：如果某个频段同时被多个D2D对选中，则比较它们在该频段上的系统功耗，把该资源分配给此频段上系统总功耗最小的那个D2D对，其余D2D对则继续更新其资源分配策略。

在本实施例中，图2是分别采用两种次优功率分配方案SS1、SS2和本实施例方法OS得到的D2D链路的平均吞吐量，其中SS1中一对D2D只能复用一个宏蜂窝频谱资源，SS2中只优化飞蜂窝用户和D2D用户的发送功率；图3是分别采用次优功率分配方案SS1和本实施例方法OS得到的D2D平均吞吐量随可复用宏蜂窝用户数量增加的变化曲线。由图2可见，最优传输功率分配方案明显优于两种次优传输功率方案。由图3可以看出，D2D吞吐量并不是随着复用频谱数的增加无限制增加的，而是逐渐达到一个相对稳定的值。图4描述了采用传统资源分配方法和本实施例方法得到的宏蜂窝用户SNR不同时的系统总功耗。从图4中可以看出，本实施例方法比传统方法明显的降低了系统总功耗。此外，在本实施例方法中，随着宏蜂窝用户SNR的增加，每个宏蜂窝用户的发送功率随之减小，因此系统总功耗也随之下降；然而在传统方法中，随着宏蜂窝用户SNR的增加，D2D用户的最大允许发送功率也随之增加，因此系统总功耗随之上升。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种蜂窝异构网络中基于功率控制的D2D资源分配方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

第二步，根据确定D2D对的最优复用频谱数N_f；

2.根据权利要求1所述的蜂窝异构网络中基于功率控制的D2D资源分配方法，其特征在于，分别为D2D发送端、宏蜂窝用户和飞蜂窝用户的最优发送功率，表达式如下：

\{\begin{matrix} p_{d}^{i^{*}} = [\frac{\sqrt{{(A_{i} + 2 B_{i})}^{2} {C_{i}}^{2} - 4 (A_{i} + B_{i}) B_{i} ({C_{i}}^{2} - A_{i} C_{i} / λ)} - (A_{i} + 2 B_{i}) C_{i}}{2 (A_{i} + B_{i}) B_{i}}]_{0}^{P_{d_{\max}}^{i}} \\ p_{f}^{i^{*}} = \frac{β_{i} (α_{i} H_{f}^{i} G_{c}^{i} + H_{c}^{i} G_{f}^{i}) p_{d}^{i^{*}} + β_{i} (α_{i} H_{f}^{i} N_{c}^{i} + H_{c}^{i} N_{f}^{i})}{H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}} \\ p_{c}^{i^{*}} = \frac{α_{i} (β_{i} G_{f}^{i} L_{c}^{i} + G_{c}^{i} L_{f}^{i}) p_{d}^{i^{*}} + α_{i} (β_{i} L_{c}^{i} N_{f}^{i} + N_{c}^{i} L_{f}^{i})}{H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}} \end{matrix}

其中，是D2D发送端在频段i上的最大发射功率，表示投影在区间上的值，λ为拉格朗日乘子；ρ_i是频段i上的宏蜂窝用户CUE的QoS门限，θ_i是频段i上的飞蜂窝用户FUE的QoS门限；分别为频段i上的宏蜂窝用户CUE到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益，分别为频段i上的D2D发送端到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益，分别为频段i上的飞蜂窝用户FUE到宏蜂窝基站、到D2D接收端、到飞蜂窝基站的信道增益，分别表示频段i上的宏蜂窝用户、D2D用户和飞蜂窝用户受到的系统噪声；且有

\{\begin{matrix} A_{i} = (H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}) G_{d}^{i} \\ B_{i} = α_{i} H_{d}^{i} (G_{c}^{i} L_{f}^{i} + β_{i} G_{f}^{i} L_{c}^{i}) + β L_{d}^{i} (H_{c}^{i} G_{f}^{i} + α_{i} H_{f}^{i} G_{c}^{i}) \\ C_{i} = α_{i} H_{d}^{i} (L_{f}^{i} N_{c}^{i} + β_{i} L_{c}^{i} N_{f}^{i}) + β_{i} L_{d}^{i} (H_{c}^{i} N_{f}^{i} + α_{i} H_{f}^{i} N_{c}^{i}) + N_{d}^{i} (H_{c}^{i} L_{f}^{i} - α_{i} β_{i} H_{f}^{i} L_{c}^{i}) \end{matrix} .

3.根据权利要求2所述的蜂窝异构网络中基于功率控制的D2D资源分配方法，其特征在于，λ的最大值λ_max为且每个都随λ单调递减，λ^＊通过二分法找到，随后将λ^＊作为拉格朗日乘子λ带入到的表达式中得到D2D发送端、宏蜂窝用户和飞蜂窝用户的最优发送功率；max_i{·}表示频段i上的最大值，λ^＊表示拉格朗日乘子的最优值。

4.根据权利要求1所述的蜂窝异构网络中基于功率控制的D2D资源分配方法，其特征在于，资源分配策略的更新准则为：如果某个频段同时被多个D2D对选中，则比较该多个D2D对在该频段上的系统功耗，把该频段资源分配给此频段上系统总功耗最小的那个D2D对，其余D2D对则继续更新其资源分配策略。