CN104902431B - 一种lte网络中跨小区d2d通信频谱分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种LTE网络中跨小区D2D通信频谱分配方法。针对现有跨小区D2D资源分配算法的未考虑小区之间的负载情况，可能导致重负载小区网络拥堵而轻负载小区的资源未被充分利用、以及D2D用户复用蜂窝用户的全部资源的策略会对蜂窝通信稳定性产生较为严重的影响，本发明通过考虑相邻小区的负载情况，分别建立相应的资源分配模型，并结合部分频谱资源复用的思想，并将资源分配转化为一种最大吞吐量优化模型，通过求解优化模型得到D2D复用蜂窝用户个数不超过K条件下的最优资源分配组合。本发明有效地平衡小区间的负载，同时减小D2D通信对蜂窝通信的影响，并提高网络的总吞吐量。
Description
技术领域
本发明涉及对LTE网络中D2D通信频谱资源分配问题的研究，属于无线资源管理技术领域，特别是涉及到跨小区D2D通信的频谱分配算法研究。
背景技术
随着移动多媒体业务的快速发展，移动通信对频谱的需求越来越大，频谱资源愈显匮乏，同时，现有频谱资源未被充分利用。D2D(Device-to-Device)通信技术是指在近距离范围内的终端可以通过直连链路进行数据通信，并不需要像传统蜂窝通信那样需要基站的转发。研究表明D2D通信技术在提高频谱效率、减少功耗和提升系统容量等多方面有巨大优势。LTE系统中引入辅助的D2D通信，在提高频谱效率、系统总吞吐量的方面上具有很大的优势，但是D2D通信共享的是LTE系统的授权频谱，传统蜂窝通信链路与D2D通信链路会产生一定程度的同频干扰，从而影响系统的性能。为了抑制这些同频干扰，资源分配在D2D通信就显得十分重要。
目前D2D资源分配问题的研究工作主要集中在单小区模型下的资源分配，通常，D2D用户有3种模式与蜂窝用户共享资源：1)蜂窝模式，D2D用户进行传统的基站转发蜂窝通信；2)专用资源模式，系统分配专用资源，剩余资源用于蜂窝通信，各部分资源相互正交，D2D通信与蜂窝通信之间不会产生干扰；3)复用模式，D2D用户复用蜂窝用户的资源，会产生同频干扰。为了最大限度地提高频谱效率，复用模式下的资源分配是研究热门(参见文献：王俊义,巩志帅,符杰林,陈小徽,林基明.D2D通信技术综述[J].桂林电子科技大学学报.2014(02))。Zulhasnine.M在(Zulhasnine,M；Changcheng Huang；Srinivasan,A.Efficient Resource Allocation for Device-to-Device CommunicationUnderlaying LTE Network[C].IEEE 6th International Conference on Wireless andMobile Computing,Networking and Communications.IEEE,2010:368-372.)中针对小区内蜂窝用户和D2D用户的干扰问题提出了最大化系统吞吐量的贪婪算法，把D2D的无线资源分配问题总结为混合整数非线性规划问题。在(Bin Wang；Li Chen；Xiaohang Chen；XinZhang；Dacheng Yang.Resource Allocation Optimization for Device to DeviceCommunication Underlaying Cellular Networks[C].2011 IEEE 73rd VehicularTechnology Conference(VTC Spring).IEEE,2011:1-6.)中Bin Wang提出了一对D2D用户复用多个蜂窝用户频谱资源的分配方法，提升了小区的吞吐量的同时改善了小区边缘用户的性能。随着非连续载波聚合技术的发展，D2D用户智能的复用多个蜂窝用户一定比例的部分资源的想法成为现实。Yingqi Chai在(Yingqi Chai；Qinghe Du；PinyiRen.PartialTime-Frequency Resource Allocation for Device-to-Device CommunicationsUnderlaying Cellular Networks[C].Communi -cations(ICC),2013IEEE InternationalConferenceon.IEEE,2013:6055-6059.)中提出了Partial Time-frequency ResourceAllocation算法，蜂窝用户只复用部分频谱资源给D2D用户，基站根据具体的性能指标(吞吐量、干扰大小等)确定资源复用比例，这样既保证了蜂窝通信的稳定性，也提高了系统的容量。
以上研究都是基于单小区的D2D通信，跨小区的D2D通信因为干扰情况更为复杂，现有研究相对较少。在(ShaoyiXu；Haiming Wang；Tao Chen.Effective InterferenceCancellation Mechanisms for D2D Communication in Multi-Cell Cellular Networks[C].2012IEEE 75th Vehicular Technology Conference(VTCSpring).IEEE,2012:1-5.)中ShaoyiXu提出了一种多小区基站协作进行资源分配的方法，两基站进行一些信息交换后再进行资源分配。Niannian Dan在(Niannian Dan；Bingbing Li；Bing Lan；ChangJunRen.Resource Allocation over Cooperation for cross-cell D2D CommunicationUnderlaying LTE Network[C].TENCON 2013-2013IEEE Region 10Conference(31194).IEEE,2013:1-4.)中提出了一种以基站为中心，给基站划分了一个以基站为中心，半径r的排除区域，只有当蜂窝用户处于排除区域内，同时D2D用户处于排除区域外的情况下，才允许共享相同频谱资源的方法来进行资源分配。Jun Huang在(Jun Huang；Yanxiao Zhao；Sohraby,K.Resource allocation for intercell device-to-device communicationunderlaying cellular network:A game-theoretic approach[C].201423rdInternationl Conference on Computer Communication and Networks(ICCCN),IEEE,2014:1-8.)中提出了一种基于重复博弈模型的资源分配算法，通过求解纳什均衡得到最优的资源分配。
然而以上几种跨小区分配方案存在着不足之处：并没有考虑相邻小区的负载情况。如果两小区的负载相差悬殊，以上的资源分配方案存在着重负载小区网络拥阻而轻负载小区频谱资源未被充分利用的问题。针对这种情况，本文提出一种考虑基站负载的部分频谱资源分配方案，该方案的目的是均衡相邻小区的负载，同时有效地抑制D2D与蜂窝用户之间的干扰，提升系统吞吐量。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供了一种有效地平衡了相邻小区的负载，降低了D2D通信的加入对传统蜂窝通信稳定性的影响，提高了系统的总吞吐量的LTE网络中跨小区D2D通信频谱分配方法，本发明的技术方案如下：一种LTE网络中跨小区D2D通信频谱分配方法，所述LTE网络由异频组网的FDD-LTE系统组成，跨小区D2D模型包括小区1和小区2，包括以下步骤：
101、当小区1的蜂窝用户D_T和小区2的蜂窝用户D_R之间请求进行D2D通信时，小区1内的基站eNB1和小区2内的基站eNB2之间通过X2接口互相传递自己的小区负载，小区负载用当前传输负载来衡量；
102、根据步骤101的小区1和小区2内的当前传输负载，分两种资源分配模型：A、如果小区2的当前传输负载大于小区1的当前传输负载，且小区1和小区2的当前传输负载之间的差值大于等于阈值M时(相差悬殊的衡量数值在具体实施例举例，举例：小区1有20个蜂窝用户，小区2有30个蜂窝用户，M可设为2×108bit/s)，则小区1为轻负载小区，则由小区1的基站eNB1来负责D2D通信的资源分配，且复用的是轻负载小区1的频谱资源，跳转至步骤103进行资源分配；B、若小区1和小区2的当前传输负载之间的差值小于阈值M时，则由两基站协作进行小区间D2D资源分配，复用的是两小区中的频谱资源，跳转至步骤104进行资源分配；
103、当复用的是轻负载小区1的频谱资源，根据轻负载小区1的D2D用户的位置信息，基站eNB1将小区内另一侧的蜂窝用户到eNB1的蜂窝用户按信道增益GcB降序排列，选择前K个作为复用给D2D通信的资源组，组成集合S1＝{c11,c12,…,c1K}，n对D2D按请求通信的先后顺序组成集合D＝{d1,…,dm}；每一个蜂窝用户只提供一定比例q的频谱资源给D2D复用，假设一对D2D最多能同时复用K个蜂窝用户的频谱资源，当D2D复用k个蜂窝用户，其中k<K，则有种资源组合，每个组合下，计算每个蜂窝用户资源复用比例q，q的计算公式：Gcd表示蜂窝用户到D2D接收端的信道增益，β是标准化系数，σ是一个非负常数，将S1中未被组合选中的蜂窝用户的q置0，得到每一种组合下q的集合其中然后将资源分配转化为最大吞吐量优化模型求解来得到最终的资源分配结果；
104、当复用的是两小区中的频谱资源，则经过D2D发现过程，eNB2得到D_T跟D_R的ID，D_T向D_R发送的链路测量信号，并将测量结果反馈给基站eNB1，基站eNB1在cell 1中将小区另一侧的蜂窝用户信道增益GcB降序排列，选择前K个蜂窝用户用来复用给D2D通信，组成集合S1＝{c11,c12,…,c1K}；eNB2从Cell 2中将小区内另一侧的蜂窝用户的信道增益GcB降序排列，选取前K个用户用来复用给D2D通信，组成集合S2＝{c21,c22,…,c2K}，并将集合的信息发送给eNB1，eNB1从S1和S2中选出K个蜂窝用户组成集合S3＝{c1,c2,…,cK}；
eNB1和eNB2分别计算S3中本小区蜂窝用户复用给D2D通信、未复用的资源块RB的信干噪比以及D2D复用RB后的SINR；得到每一种组合下q的集合然后由最大吞吐量优化模型求解来得到最终的资源分配结果。
进一步的，步骤103和步骤104中所述的最大吞吐量优化模型求出最终分配给dn的资源组合：
γc.th和γd.th分别是蜂窝用户、D2D用户信干噪比的接收门限，γc1≥γc.th和γd≥γd.th确保蜂窝用户和D2D用户能够达到正常通信的要求，表示每对D2D最终分配到的带宽不超过系统分配给蜂窝用户的带宽。
进一步的，步骤104中求取蜂窝用户复用给D2D通信、未复用的资源块RB的信干噪比以及D2D复用RB后所得的SINR分别是：
Pc，Pd分别为蜂窝用户和D2D用户分配给各自RB的功率，No为高斯白噪声，I为复用相同RB的D2D用户的干扰，GcB为蜂窝用户到基站的信道增益，GdB为D2D发射端到基站的信道增益，Gdd为D2D接收端与发送端之间的信道增益，Gcd为蜂窝用户到D2D接收端之间的信道增益，
根据香农公式得相应RB的速率：
rc1＝Blog2(1+γc1)rc2＝Blog2(1+γc2) (2)
B为RB的带宽。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明的跨小区D2D通信频谱分配算法，在考虑小区负载情况下建立合适的资源分配模型，然后再根据相应模型，通过优化模型求出在D2D复用蜂窝用户数k不超过K的条件下的最大吞吐量来进行最终的资源分配。该算法起到了平衡负载的作用，同时通过使D2D用户复用多个蜂窝用户一定比例的频谱来满足D2D通信的Qos要求和抑制D2D用户对蜂窝用户的干扰，提高了蜂窝通信的稳定性和系统的总吞吐量。
附图说明
图1是本发明中LTE系统中跨小区D2D通信系统模型；
图2为本发明中小区间负载悬殊下的系统模型；
图3为本发明中小区间负载相当下的系统模型；
图4为本发明中最大化吞吐量优化模型的算法描述；
图5为本发明中负载悬殊模型下的资源分配算法描述；
图6为本发明中负载相当模型下的资源分配算法描述。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明：
1网络模型与假设
如图1所示为异频组网的FDD-LTE系统中跨小区D2D通信模型，假设在相邻小区覆盖范围的重叠区域有m对D2D用户，组成集合D＝{d1,…,dm}。小区1中有M个蜂窝用户，小区2中有N个蜂窝用户。两个小区覆盖范围重叠区域内的D2D用户之间不能复用相同的频谱资源。假设eNB知道所在小区内所有的通信链路的信道信息，D2D用户复用蜂窝用户的上行资源进行通信，我们假设一对D2D最多能同时复用K个蜂窝用户的频谱资源。
2确定资源分配模型
(1)D_T向eNB1发送D2D通信请求，eNB1获得D_R的位置信息跟eNB2的位置信息，确定D_T和D_R之间是否满足D2D通信的要求，如果满足则进行下一步。
(2)eNB1与eNB2通过X2接口交互相关信息，获得彼此的负载情况，根据负载情况，确定资源分配模型。
(3)若两小区的负载相差悬殊，假设小区1轻负载，小区2重负载，则由eNB1来负载此次D2D通信请求的资源分配过程，并且复用的是小区1中的频谱资源。资源分配模型为图2所示，这种情况下存在的干扰：蜂窝用户对D_R的干扰和D_T对eNB1的干扰。若两小区负载相当，则由两基站协作进行小区间D2D资源分配，分配模型为图3所示，存在的干扰：蜂窝用户对D_R的干扰和D_T对eNB1、eNB2的干扰。
3相关计算和资源分配优化
图2模型下的资源分配过程：
(1)D2D用户复用小区1中的蜂窝用户资源进行通信，因为D2D用户复用的不是一个蜂窝用户的全部资源，而是同时复用多个蜂窝用户一定比例的频谱资源，这样可以将D2D发射端对蜂窝用户的干扰分散到多个蜂窝用户，使得干扰弱化。这种情况下存在的干扰：D_T对所复用的蜂窝用户在基站端的接收产生的干扰，蜂窝用户对D_R的接收产生干扰。
(2)根据蜂窝用户的位置信息，eNB1将另一侧的蜂窝用户到eNB1的蜂窝用户按信道增益GcB降序排列，选择前K个作为复用给D2D通信的资源组，组成集合S1＝{c11,c12,…,c1K}。n对D2D按请求通信的先后顺序组成集合D＝{d1,…,dm}。
(3)相关计算
蜂窝用户复用给D2D通信、未复用的资源块RB的信干噪比以及D2D复用RB后所得的SINR分别是：
Pc，Pd分别为蜂窝用户和D2D用户分配给各自RB的功率，No为高斯白噪声，I为复用相同RB的D2D用户的干扰，GcB为蜂窝用户到基站的信道增益，GdB为D2D发射端到基站的信道增益，Gdd为D2D接收端与发送端之间的信道增益，Gcd为蜂窝用户到D2D接收端之间的信道增益。
根据香农公式得相应RB的速率：
rc1＝Blog2(1+γc1)，rc2＝Blog2(1+γc2)，rc2＝Blog2(1+γc2) (2)
B为RB的带宽。
(4)当D2D复用k(k<K)个蜂窝用户，则有种资源组合，每个组合下，计算每个蜂窝用户资源复用比例q，q的计算公式：β是标准化系数，σ是一个非负常数。将S1中未被组合选中的蜂窝用户的q置0，得到每一种组合下q的集合其中
D2D用户对dn与K个蜂窝用户的总吞吐量的计算公式：
i∈{1,2,…,K}，nc为系统分配给蜂窝用户的RB个数。
由下面的优化模型求出最终分配给dn的资源组合：
γc.th和γd.th分别是蜂窝用户、D2D用户信干噪比的接收门限。γc1≥γc.th和γd≥γd.th确保蜂窝用户和D2D用户能够达到正常通信的要求，是为了确保每对D2D最终分配到的带宽不超过系统分配给蜂窝用户的带宽。
通过算法1求解此优化模型，得到最终资源分配结果。
(5)该情况下完整的资源算法描述见附图5。
图3模型下的资源分配过程：
(1)经过D2D发现过程，eNB2得到D_T跟D_R的ID，D_T向D_R发送的链路测量信号，并将测量结果反馈给eNB1。
(2)eNB1在cell 1中将另一侧的蜂窝用户GcB降序排列，选择前K个蜂窝用户用来复用给D2D通信，组成集合S1＝{c11,c12,…,c1K}；eNB2从Cell 2中将基站另一侧的蜂窝用户的GcB降序排列，选取前K个用户用来复用给D2D通信，组成集合S2＝{c21,c22,…,c2K}，并将集合的信息发送给eNB1。eNB1从S1和S2中选出K个蜂窝用户组成集合S3＝{c1,c2,…,cK}。
(3)eNB1和eNB2分别计算S3中本小区蜂窝用户复用给D2D通信、未复用的资源块RB的信干噪比以及D2D复用RB后的SINR。
(4)当D2D复用k(k<K)个蜂窝用户，则有种资源组合，每个组合下，计算每个蜂窝用户资源复用比例q，S3中未被该组合选中的蜂窝用户的q置0，得到每一种组合下q的集合
同图2模型，通过算法1求解如下优化模型，得到最终资源分配结果：
(5)该情况下完整的资源算法描述见附图6。
两种资源分配模型下，都通过求解公式(4)(5)可得最优的资源分配组合，不仅能够平衡小区间负载，同时减少了D2D通信的加入对蜂窝用户通信的影响，并且提高了系统的总吞吐量。
本发明考虑相邻小区的负载情况，确定相应的资源分配模型(图2或者图3)，最后结合部分频谱资源复用思想，将资源分配转化为一种优化模型，通过优化模型的求解来得到最优的资源分配结果，不仅平衡了小区的负载，避免了重负载小区出现网络拥塞而轻负载小区的资源未被充分利用的问题出现，并且部分频谱复用思想在跨小区下的应用，减弱了D2D通信的加入对原来蜂窝用户通信的影响，提高了网络的总吞吐量。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种LTE网络中跨小区D2D通信频谱分配方法，所述LTE网络由异频组网的FDD-LTE系统组成，跨小区D2D模型包括小区1和小区2，其特征在于，包括以下步骤：
101、当小区1的蜂窝用户D_T和小区2的蜂窝用户D_R之间请求进行D2D通信时，小区1内的基站eNB1和小区2内的基站eNB2之间通过X2接口互相传递自己的小区负载，小区负载用当前传输负载来衡量；
102、根据步骤101的小区1和小区2内的当前传输负载，分两种资源分配模型：A、如果小区2的当前传输负载大于小区1的当前传输负载，且小区1和小区2的当前传输负载之间的差值大于等于阈值M时，则小区1为轻负载小区，则由小区1的基站eNB1来负责D2D通信的资源分配，且复用的是轻负载小区1的频谱资源，跳转至步骤103进行资源分配；B、若小区1和小区2的当前传输负载之间的差值小于阈值M时，则由两基站协作进行小区间D2D资源分配，复用的是两小区中的频谱资源，跳转至步骤104进行资源分配；
103、当复用的是轻负载小区1的频谱资源，根据轻D2D用户的位置信息，基站eNB1将小区1另一侧的蜂窝用户到eNB1的蜂窝用户按信道增益GcB降序排列，选择前K个作为复用给D2D通信的资源组，组成集合S1＝{c11,c12,···,c1K}，n对D2D按请求通信的先后顺序组成集合D＝{d1,···,dn}；每一个蜂窝用户只提供一定比例q的频谱资源给D2D复用，假设一对D2D最多能同时复用K个蜂窝用户的频谱资源，当D2D实际复用k个蜂窝用户，其中k<K，则有种资源组合，每个组合下，计算每个蜂窝用户资源复用比例q，q的计算公式：Gcd表示蜂窝用户到D2D接收端的信道增益，β是标准化系数，σ是一个非负常数，将S1中未被组合选中的蜂窝用户的q置0，得到每一种组合下q的集合其中 表示从K个用户中选取k个用户的组合个数，然后将资源分配转化为最大吞吐量优化模型求解来得到最终的资源分配结果；
104、当复用的是两小区中的频谱资源，则经过D2D发现过程，eNB2得到D_T跟D_R的ID，D_T向D_R发送的链路测量信号，并将测量结果反馈给基站eNB1，基站eNB1在cell 1中将小区1另一侧的蜂窝用户信道增益GcB降序排列，选择前K个蜂窝用户用来复用给D2D通信，组成集合S1＝{c11,c12,···,c1K}；eNB2从Cell2中将小区2另一侧的蜂窝用户的信道增益GcB降序排列，选取前K个用户用来复用给D2D通信，组成集合S2＝{c21,c22,···,c2K}，并将集合的信息发送给eNB1，eNB1从S1和S2中选出K个蜂窝用户组成集合S3＝{c1,c2,···,cK}；
eNB1和eNB2分别计算S3中本小区蜂窝用户复用给D2D通信、未复用的资源块RB的信干噪比以及D2D复用RB后的SINR；得到每一种组合下q的集合然后由最大吞吐量优化模型求解来得到最终的资源分配结果。
2.根据权利要求1所述的一种LTE网络中跨小区D2D通信频谱分配方法，其特征在于，步骤103和步骤104中所述的最大吞吐量优化模型求出最终分配给dn的资源组合：
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γc.th和γd.th分别是蜂窝用户、D2D用户信干噪比的接收门限，rsumn表示最大吞吐量，γc1≥γc.th和γd≥γd.th确保蜂窝用户和D2D用户能够达到正常通信的要求，表示每对D2D最终分配到的带宽不超过系统分配给蜂窝用户的带宽。
3.根据权利要求1所述的一种LTE网络中跨小区D2D通信频谱分配方法，其特征在于，步骤104中求取蜂窝用户复用给D2D通信、未复用的资源块RB的信干燥比以及D2D复用RB后所得的SINR分别是：
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Pc，Pd分别为蜂窝用户和D2D用户分配给各自RB的功率，No为高斯白噪声，I为复用相同RB的D2D用户的干扰，GcB为蜂窝用户到基站的信道增益，GdB为D2D发射端到基站的信道增益，Gdd为D2D接收端与发送端之间的信道增益，Gcd为蜂窝用户到D2D接收端之间的信道增益，
根据香农公式得RB的速率：
rc1＝Blog2(1+γc1)，rc2＝Blog2(1+γc2) (2)
B为RB的带宽。
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