CN105554816A - 一种异构网络下基于d2d通信机制的负载均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，包括：1)判断处于通信状态的蜂窝链路用户是否需要进行中继接入；2)根据通信用户地理位置选定距离最近的微小区，将通信用户信息发送至该选定微小区，由该选定FBS判断能否提供中继接入，并选定中继用户；3)选定FBS向选定的中继用户发送控制信息，准备建立连接；4)MBS通过信道命令控制通信用户取消原蜂窝链路；5)通信用户与中继用户接收相关信息后建立D2D中继通信，开始数据传输；本方法将满载MBS下的部分蜂窝用户通过D2D通信转移到空闲FBS，满载MBS释放原蜂窝用户的资源并重新分配给小区边缘无法接入FBS的用户，使其接入系统，从而提升了系统整体性能。

Description

一种异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法。

背景技术

随着移动智能终端的逐步普及多媒体业务及应用的快速发展，未来无限网络需要处理的数据流量呈现爆炸式增长，下一代无线网络不会是某一种单一技术的升级，而是多种技术的相辅相成。异构网络可以实现不同接入技术的共存，在现有网络架构基础上提升网络整体性能。基于宏小区基站(MacrocellBaseStation，MBS)提供整体覆盖的基础上、通过架设一定数量、覆盖范围有限、低成本的微小区基站(FemtocellBase-Station，FBS)提供小区内的热点覆盖可以减少覆盖盲区，提升边缘用户的体验。但是，微小区基站的引入并不能解决异构网络下数据分布不均现象。

引入终端直连通信技术(Device-to-Device，D2D)进行辅助通信，可以实现数据从高负载区域到低负载区域的转移，提升异构网络性能。现有技术提出了一种蜂窝与D2D共存条件下，D2D到基站的负载转移最优中继选择算法，其不适应于复杂异构网络场景。还提出了一种通过D2D，将满载大基站数据分流到周围空闲小基站的负载均衡策略，但是仅仅针对了空闲微小区附近的新用户接入进行了研究，适用场景单一。基于以上两种负载均衡策略，提出了一种引入D2D通信后的异构网络下的负载均衡方法。首先通过建立D2D中继链路将满载宏小区基站下通信状态差的用户转接到空闲微小区基站进行通信，然后宏小区基站将频谱资源重新分配给无法接入系统的用户。改善蜂窝用户体验的同时，使得更多小区边缘用户可以接入系统。基于D2D的中继链路复用宏小区频段进行数据传输，会给宏小区用户带来干扰。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，该方法能够改善满载宏小区基站用户体验，降低能耗、减少对使用相同频段用户的干扰，提升系统性能，有效提高资源利用率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括以下步骤：

1)判断处于通信状态的蜂窝链路用户是否需要进行中继接入；

2)根据步骤1)中通信用户地理位置选定距离最近的微小区，并将通信用户信息发送至该选定微小区，由该选定FBS判断能否提供中继接入，并选定中继用户；

3)选定FBS向选定的中继用户发送控制信息，准备建立连接；

4)MBS通过信道命令控制通信用户取消原蜂窝链路；

5)通信用户与中继用户接收相关信息后建立D2D中继通信，开始数据传输。

进一步的，所述步骤1)具体包括：

通信用户向MBS提交位置信息和CQI，并判断通信用户的传输速率和发射功率信息，当传输速率、发射功率的一个或两个信息同时低于门限值时，判断为需要进行中继接入；

所述传输速率

所述发生功率

式中k_Th为大于1的常数，由系统预先设定，为通信用户接入到满载基站MBS时传输所需发射功率，表示蜂窝用户在该位置正常接入MBS所需的平均发射功率值。

进一步的，所述步骤2)具体包括：

(1)确定同一通信系统下用户正常通信条件：当一个MU和F_r个FBS同时使用频段RB(r)通信时，对应MBS、FBS和D2D接收端用户能在频段RB(r)上进行正常通信满足的约束条件为：

任意用户发射功率不超过设备最大发射功率P₀：P_f≤P₀(6)；

(2)确定通信用户选择中继链路所需发射功率：选定FBS随机分配空闲频段RB(r),(r∈U_f)设置为发送频段，根据通信用户最低速率要求信息，依次选择选定微小区内空闲用户z作为中继，计算出通信用户和空闲用户z在频段RB(r)下所需发射功率；其中：1≤z≤Z_f；1≤r≤U_f；

当式(7)取等号时，表示通信用户通过MBS接入所需最低传输速率，为频段RB(r),(r∈U_f)下保证通信用户正常通信所需最低传输速率，B_RB为RB(r)对应的频带宽度；

当式(7)(8)(9)同时成立可以得到频段RB(r)下通信用户与不同空闲用户z建立中继链路所需最低发射功率：

(3)确定中继链路最低发射功率：选定FBS使用频段RB(r),(r∈U_f)，通信用户以及所有候选空闲用户z的位置信息，和对应发射功率信息 信息，上传至MBS，MBS将其广播给其他FBS；

各FBS接收消息后，分别将通信用户与空闲用户z的带入式(3)、(4)、(5)，判断当前频段RB(r)的用户能否正常通信；如果低于用户通信所需门限，判定该空闲用户z不能作为中继用户，各FBS将不能作为中继的空闲用户信息自行删除；将满足式(3)、(4)、(5)的空闲用户作为有效候选中继用户并将有效候选中继用户信息发送至MBS；MBS将有效候选中继用户信息反馈回选定FBS；选定FBS随机选定一个有效候选中继用户作为选定中继用户。

进一步的，所述步骤2)还包括：(4)确定最优中继用户：选定FBS根据MBS返回的有效候选中继用户信息，按照能效最优准则选定最优中继用户z^*，使通信系统整体能耗最小，且满足对通信系统带来的干扰小于门限值，即：

满足式(12)、(13)的有效候选中继用户作为选定的最优中继用户z^*，对应的发射功率为建立中继链路的最终传输功率，记为

进一步的，所述步骤3)具体包括：选定FBS向选定中继用户下发传输频段信息RB(r)，发送功率将通信用户的传输频段RB(r)，发送功率信息上传到MBS。

进一步的，还包括：步骤6)MBS将释放的RB重新分配给小区内无法接入FBS的带接入用户。

进一步的，步骤5)所述通信用户与中继用户接收信息包括：通信用户改用中继链路接入选定FBS的发射功率、中继用户的发射功率，以及中继链路通信频段。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本方法首先判断处于通信状态的蜂窝链路用户是否需要进行中继接入，当需要中继接入时选择距离最近的FBS作为选定FBS，并选定中继用户，建立D2D通信；从而实现将满载宏小区基站下的数据进行转移，并对资源进行释放；同时改善满载宏小区基站用户体验，提高资源利用率，有效降低系统功耗，减少对宏小区用户的干扰。

进一步的，通过步骤2)首先保证系统下用户的正常通信条件，再进行中继用户的选择，保证原系统下用户的正常通信。

进一步的，通过确定最优中继用户，使系统整体能耗最小，且满足对系统带来的干扰最小。

进一步的，通过设置步骤6)，将满载宏小区基站下的数据进行转移，然后对资源进行释放，重新分配给待接入用户，进一步的提升系统性能，降低系统功耗。

附图说明

图1为本发明工作原理图。

图2为本发明实施例系统可接入用户数随微小区忙闲比变化趋势。

图3为本发明实施例不同的负载均衡策略下FBS随可用资源数变化趋势图。

图4为本发明实施例不同中继选择算法下用户能耗随中继链路传输距离的变化趋势图。

图5为两阶段传输距离对中继链路能耗的影响图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明提供的方法包括以下步骤：

1)判断处于通信状态的蜂窝链路用户是否需要进行中继接入；

通信用户向MBS提交位置信息和CQI，并判断通信用户的传输速率和发射功率信息，当传输速率、发射功率的一个或两个信息同时低于门限值时，判断为需要进行中继接入；

所述传输速率

所述发生功率

式中k_Th为大于1的常数，由系统预先设定，为通信用户接入到满载基站MBS时传输所需发射功率，表示蜂窝用户在该位置正常接入MBS所需的平均发射功率值。

2)根据步骤1)中通信用户地理位置选定距离最近的微小区，并将通信用户信息发送至该选定微小区，由该选定FBS判断能否提供中继接入，并选定中继用户；

具体包括：(1)确定同一通信系统下用户正常通信条件：当一个MU和F_r个FBS同时使用频段RB(r)通信时，对应MBS、FBS和D2D接收端用户能在频段RB(r)上进行正常通信满足的约束条件为：

任意用户发射功率不超过设备最大发射功率P₀：P_f≤P₀(6)；

(2)确定通信用户选择中继链路所需发射功率：选定FBS随机分配空闲频段RB(r),(r∈U_f)设置为发送频段，根据通信用户最低速率要求信息，依次选择选定微小区内空闲用户z作为中继，计算出通信用户和空闲用户z在频段RB(r)下所需发射功率；其中：1≤z≤Z_f；1≤r≤U_f；

当式(7)取等号时，表示通信用户通过MBS接入所需最低传输速率，为频段RB(r),(r∈U_f)下保证通信用户正常通信所需最低传输速率，B_RB为RB(r)对应的频带宽度；

当式(7)(8)(9)同时成立可以得到频段RB(r)下通信用户与不同空闲用户z建立中继链路所需最低发射功率：

(3)确定中继链路最低发射功率：选定FBS使用频段RB(r),(r∈U_f)，通信用户以及所有候选空闲用户z的位置信息，和对应发射功率信息 信息，上传至MBS，MBS将其广播给其他FBS；

各FBS接收消息后，分别将通信用户与空闲用户z的带入式(3)、(4)、(5)，判断当前频段RB(r)的用户能否正常通信；如果低于用户通信所需门限，判定该空闲用户z不能作为中继用户，各FBS将不能作为中继的空闲用户信息自行删除；将满足式(3)、(4)、(5)的空闲用户作为有效候选中继用户并将有效候选中继用户信息发送至MBS；MBS将有效候选中继用户信息反馈回选定FBS；选定FBS随机选定一个有效候选中继用户作为选定中继用户。

(4)确定最优中继用户：选定FBS根据MBS返回的有效候选中继用户信息，按照能效最优准则选定最优中继用户，使通信系统整体能耗最小，且满足对通信系统带来的干扰小于门限值，即：

满足式(12)、(13)的有效候选中继用户作为最优中继用户z^*，对应的发射功率为建立中继链路的最终传输功率，记为

3)选定FBS向选定的中继用户发送控制信息，准备建立连接；

具体包括：选定FBS向选定中继用户下发传输频段信息RB(r)，发送功率将通信用户的传输频段RB(r)，发送功率信息上传到MBS。

4)MBS通过信道命令控制通信用户取消原蜂窝链路；

5)通信用户与中继用户接收相关信息后建立D2D中继通信，开始数据传输；所述通信用户与中继用户接收信息包括：通信用户改用中继链路接入选定FBS的发射功率、中继用户的发射功率，以及中继链路通信频段。

6)MBS将释放的RB重新分配给小区内无法接入FBS的带接入用户。

参见图1，所有通信用户均工作在正交频分多址接入(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)模式下。

假定MBS处于满载状态，宏小区内包含M个可用频段，每个频段记为RB(r),(1≤r≤M)；M个宏小区用户(MacrocellUser，MU)最多占用全部M个频段，每个MU记为m,(1≤m≤M)。在MBS覆盖范围内，根据小区地形及建筑结构，选择一部分信道质量好的区域作为资源可复用区域(ResourceReusableArea，RRA)，如图中用户A所在阴影区域，该部分区域可提供F_f个频段被复用。

在宏小区边缘设置N个FBS进行热点覆盖，任意微小区f,(1≤f≤N)复用RRA区域的F_f个频段进行通信，在其覆盖范围R_F内，记：处于通信状态用户个数为L_f，任意一个处于通信状态用户记作l,(1≤l≤L_f)，微小区用户(FemtocellUser，FU)接入到微小区基站的发射功率为处于空闲状态用户个数为Z_f，任意一个空闲用户记作z,(0≤z≤Z_f)，微小区f内所有空闲频段集合用U_f表示。

由于MBS以及FBS抗干扰能力优于移动设备，因此设定D2D通信复用上行链路进行数据通信，且所建立的D2D中继链路使用微小区内的空闲频段进行数据传输。假设所有微小区内空闲用户都可以作为中继用户转发数据，那么记工作在同一频段RB(r),(1≤r≤F_f)上的所有FU个数和D2D用户对数之和为F_r,(0≤F_r≤N)，其发射功率记为P_f(涉及多个微小区和用户时使用k,i等进行区分)。当F_r取0时，说明其他微小区内该频段空闲；当F_r取N时，说明所有N个微小区内该频段均被使用。

在本文所提出的负载均衡策略中，需要将部分服务质量(QualityofService，QoS)较低MU的业务转接到空闲的FBS，因此其通信方式会发生改变。为了清楚表示，将频段RB(r),(1≤r≤M)上，宏小区用户m的发射功率记为将频段RB(r),r∈U_f上，利用D2D中继链路接入到空闲FBS的用户m发射功率记为

在数据传输过程中，记N₀为单个RB(r)频带宽度下对应的高斯白噪声强度。为频段RB(r)上数据发送端i向接收端j发送数据时的信道增益；表示频段RB(r)上数据发送端i向接收端j发送数据，接收端j的信干噪比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，SINR)；表示数据接收端i要保证正常通信所需的SINR门限值。

在图1中，用户A处于宏小区内的RA区域，由于其信道质量好，可以通过MBS获得高质量服务。用户K处于宏小区边缘，靠近微小区3，FBS_3处于轻载状态，因此用户K可以通过微小区3内空闲用户H，通过D2D中继链路连接到FBS_3获取服务。用户C通过MBS获取服务，但是通信距离较远，路径损耗大，信道质量较差，需要很高的发射功率维持蜂窝链路通信。用户D处于宏小区边缘，由于MBS满载，且距离空闲FBS_1较远，无法获得接入。在这情况下，用户C和用户D的体验很差。

针对MBS满载、FBS存在不同空闲程度的场景，提出了新的负载均衡策略。首先通过MBS辅助FBS寻找空闲用户建立D2D中继链路，将QoS较差的MU由MBS转接到FBS进行通信。然后MBS释放原MU占用的蜂窝频段，并分配给新用户提供系统接入。

具体的系统负载均衡过程如下：

第一步：判决用户是否需要进行中继接入：MBS要求处于通信状态的用户，如图1中用户C上报包含位置信息的CQI，及时掌握小区内MU的信道质量。存在两种情况可以触发MBS为蜂窝用户选择切换D2D中继链路通信：

1)链路可靠性限制条件

由于某些用户信道质量下降导致MBS无法为用户提供所需求传输速率，即：

2)发射功率限制条件

由于信道的多变性，用户维持原来蜂窝链路性能所需发射功率远远大于正常能量消耗，即：

上式中k_Th为大于1的常数，由系统预先设定，为用户C接入到满载基站MBS时传输所需发射功率，表示蜂窝用户在该位置正常接入MBS所需的平均发射功率值。

第二步：寻找可靠D2D中继链路：MBS根据用户的地理位置信息，寻找距离其最近的微小区(如图1中的微小区1)，并将用户信息发送至该微小区基站(如图1所示FBS_1)，由FBS判决是否提供可靠中继接入。

1)确定系统下用户正常通信条件：当一个MU和F_r个微小区同时使用频段RB(r)通信时，对应MBS、FBS和D2D接收端用户能在频段RB

(r)上进行正常通信满足的约束条件为：

任意用户发射功率不超过设备最大发射功率P₀：P_f≤P₀(6)。

2)估算用户切换中继链路所需发射功率：FBS随机分配空闲频段RB(r),(r∈U_f)设置为发送频段，根据用户最低速率要求信息，依次选择微小区1覆盖范围内的空闲用户z(1≤z≤Z_f)(如图1中用户B,I,J)作为中继，依次计算出用户C和每个中继z在频段RB(r)下所需发射功率。

当式(7)取等号时，表示用户C通过MBS接入所需最低传输速率，为频段RB(r),(r∈U_f)下保证用户C正常通信所需最低传输速率，B_RB为RB(r)对应的频带宽度。式(7)(8)(9)同时成立可以得到频段RB(r)下用户C与不同中继用户z建立中继链路所需最低发射功率：

3)确定中继链路最低发射功率：FBS_1将使用频段RB(r),(r∈U_f)，所有候选中继用户z和用户C的位置，对应发射功率信息，上传到MBS，MBS将其广播给其他FBS。各个FBS接收到消息后，依次将用户C、候选中继z，发射功率带入式(3)(4)(5)，判断目前正在使用频段RB(r)传输数据的用户能否正常通信。如果低于用户通信所需门限，判定该空闲用户z不能作为中继用户，各FBS将不能作为中继的用户信息自行删除，仅将不影响各个FBS正常通信的用户信息上报到MBS。MBS将有效功率信息反馈回FBS_1。

4)选择最优中继用户。由于本方法采用D2D通信使用上行链路进行数据传输，因此对系统带来的干扰如图1所示。随着D2D通信用户数量的增加，系统受到的干扰逐渐增大。因此，如何在增加系统可接入用户数目的同时降低对原系统的干扰是一个需要解决的问题。目前所研究的单中继选择方案主要有：随机中继选择、最优SNR中继选择，最近距离中继选择等。这些中继选择策略无法保证用户传输速率，无法降低对系统的干扰，因而不适用于复杂度较高的异构网络通信。为了保证高接入用户数，最小化系统干扰，提出基于能耗最优的中继选择算法(EERS，EnergyEfficiencyRelaySelection)。优化目标为：求出最优中继用户，并给出传输频段、用户和中继的发送功率信息，即：

FBS_1根据MBS返回的有效用户信息，按照EERS准则，计算出满足式(12)，限制条件为(13)的最优中继用户z^*，对应的发射功率为建立中继链路的最终传输功率，记为通过EERS算法，不影响原系统用户通信的条件下，保证了用户通信需求，最小化电量受限设备的能量消耗，减小对系统带来干扰，使得系统整体性能提升。

第三步：发送控制信息，准备建立连接：FBS向选定的中继用户z^*(如图1中用户B)发送传输频段信息RB(r)，发送功率将用户C的传输频段RB(r)，发送功率信息上传到MBS。

第四步：MBS控制用户进行中继接入：MBS通过控制信道命令使用户C取消原蜂窝链路，使用D2D通信进行中继通信，传输频段RB(r)，发送功率

第五步：链路建立，数据传输：用户B和用户C接收到相关信息后建立D2D中继通信，开始数据传输。

第六步：新用户接入：MBS将释放的频谱资源重新分配给小区内无法接入系统的用户(如图1中用户D)。

在本方法所提的负载均衡策略中，MBS辅助空闲FBS，通过基于能耗的EERA算法建立了低能耗的D2D中继链路，将部分低QoS的MU转接到空闲FBS进行通信，然后MBS将释放的资源分配给新接入用户。所提负载均衡策略改善了满载MBS下的QoS，提高了系统可接入用户数。得益于EERA算法，保证了用户通信需求，最小化电量受限设备能耗，降低了D2D中继链路对系统带来的干扰。

实施例

MBS覆盖半径为500米，MBS位于宏小区中心，MBS最多同时允许200个用户通信。距离MBS等距离400米处均匀覆盖6个微小区，FBS覆盖半径50米，FBS分别位于微小区中心位置，最多同时允许40个用户通信。D2D通信距离上限为30米。所有移动设备发射功率上限制为23dBm。MBS、FBS处噪声强度为5dB，D2D接收端噪声强度7dB，信噪比门限值为-2.5dB。

本文中FBS忙闲比为FBS内处于通信状态的用户数目除以微小区内总频段数目。简单认为系统下一个用户可使用一个资源块，用FBS内可用资源块数目来描述FBS内空闲的资源多少。

仿真实验中，MBS处于满载状态，距离MBS距离最近的40个用户所在区域记为RA，微小区复用RA内用户的频段。本文首先对比了不同负载均衡策略下系统性能随空闲资源数目变化的趋势，然后仿真了不同中继选择算法下，低QoS的MU切换为D2D中继连接到FBS下的链路能耗随MU到FBS距离的变化趋势。仿真结果保证程序运行500次求平均值。本文考虑如下三种场景进行对比：

场景(1)：不考虑负载均衡；

场景(2)：参考文献所提负载均衡方法，仅考虑靠近空闲微小区时对新用户进行中继接入的策略。

场景(3)：所提负载均衡方法。

参见图2，分别表示了不同场景下，系统可接入用户数随着微小区忙闲比的变化，可以得到以得到如下结论：引入D2D中继通信可以扩大FBS有效覆盖范围，使得系统可接入用户数增加；由于所提负载解决策略使用D2D中继将部分满载MBS下的用户接入到了空闲微小区，然后满载MBS可以释放资源，分配给距离空闲FBS较远的边缘用户，相比于文献所提的负载均衡策略，使得系统可接入用户数进一步提升。

参见图3，分别表示了不同场景下，系统容量随着FBS内可用资源块数量的变化，可以得到如下结论：由于所提负载均衡策略首先将部分低QoS的蜂窝用户转接到了空闲FBS，然后可以为更多无法接入空闲FBS的用户提供接入服务，相比文献所提策略，本文的负载解决方法实用场景更优，带来的系统性能提升也更大。

参见图4，分别表示了不同中继选择算法下，原满载MBS用户选择中继链路切换到空闲FBS下的能耗与原来保持蜂窝链路所需能耗的对比，可以得到如下结论：随着用户与空闲FBS基站的距离增加，用户建立中继链路功耗逐渐增加。将原来满载MBS下的蜂窝用户通过D2D中继转接到空闲FBS下，建立的中继链路所需能耗低于维持原来蜂窝链路所需能耗。基于能耗最优中继选择算法确定的中继链路能耗优于随机中继选择和基于距离最近的中继选择策略。

参见图5，表示用户建立中继链路后，随着第一阶段传输距离(D2D)和第二阶段传输距离(中继用户到FBS)变化，其中纵轴表示，链路整体功耗与原来保持蜂窝链路所需功率的对比。可以得到如下结论：在中继用户距离FBS较近时，D2D通信距离的增加对整个链路能耗影响较大。在中继用户距离FBS较远时，由于多跳中继链路性能受限制于最差传输链路，因此D2D通信需要提高发射功率来维持链路性能，导致链路能耗增加较大。

Claims (7)

1.一种异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)判断处于通信状态的蜂窝链路用户是否需要进行中继接入；

2)根据步骤1)中通信用户地理位置选定距离最近的微小区，并将通信用户信息发送至该选定微小区，由该选定FBS判断能否提供中继接入，并选定中继用户；

3)选定FBS向选定的中继用户发送控制信息，准备建立连接；

4)MBS通过信道命令控制通信用户取消原蜂窝链路；

5)通信用户与中继用户接收相关信息后建立D2D中继通信，开始数据传输。

2.根据权利要求1所述的异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

通信用户向MBS提交位置信息和CQI，并判断通信用户的传输速率和发射功率信息，当传输速率、发射功率的一个或两个信息同时低于门限值时，判断为需要进行中继接入；

所述传输速率 ${\mathrm{\γ}}_{MBS,C}^r=\frac{P_C^{MBS}{h}_{C,MBS}^r}{N_0+\underset{f\∈\[1,F_r\]}{\Σ}{P}_f^{FBS}{h}_{f,MBS}^r}\≤{\mathrm{\γ}}_{MBS}^{th}---\left(1\right);$

所述发生功率 $\frac{P_C^{MBS}}{\stackrel{\‾}{P_m^{MBS}}}>k_{Th}---\left(2\right);$

式中k_Th为大于1的常数，由系统预先设定，为通信用户接入到满载基站MBS时传输所需发射功率，表示蜂窝用户在该位置正常接入MBS所需的平均发射功率值。

3.根据权利要求1所述的异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

(1)确定同一通信系统下用户正常通信条件：当一个MU和F_r个FBS同时使用频段RB(r)通信时，对应MBS、FBS和D2D接收端用户能在频段RB(r)上进行正常通信满足的约束条件为：

${\mathrm{\γ}}_{MBS,m}^r=\frac{P_m^{MBS}\left(r\right)h_{m,MBS}^r}{N_0+\underset{f\∈\[1,F_r\]}{\Σ}{P}_f^{FBS}\left(r\right)h_{f,MBS}^r}\≥{\mathrm{\γ}}_{MBS}^{th}---\left(3\right);$

${\mathrm{\γ}}_{FBS,m}^r=\frac{P_l^{FBS}\left(r\right)h_{l,FBSk}^r}{N_0+P_m^{MBS}\left(r\right)h_{m,FBSk}^r+\underset{f\≠k,f\∈\[1,F_r\]}{\Σ}{P}_f^{FBS}\left(r\right)h_{f,FBSk}^r}\≥{\mathrm{\γ}}_{FBS}^{th}---\left(4\right);$

${\mathrm{\γ}}_i^r=\frac{P_i^{relay}\left(r\right)h_{i,i}^r}{N_0+P_m^{MBS}\left(r\right)h_{m,i}^r+\underset{f\≠i,f\∈\[1,F_f\]}{\Σ}{P}_f^{FBS}\left(r\right)h_{f,i}^r}\≥{\mathrm{\γ}}_i^{th}---\left(5\right);$

任意用户发射功率不超过设备最大发射功率P₀：P_f≤P₀(6)；

(2)确定通信用户选择中继链路所需发射功率：选定FBS随机分配空闲频段RB(r),(r∈U_f)设置为发送频段，根据通信用户最低速率要求信息，依次选择选定微小区内空闲用户z作为中继，计算出通信用户和空闲用户z在频段RB(r)下所需发射功率；其中：1≤z≤Z_f；1≤r≤U_f；

$R_C^{relay}=\frac{1}{2}\min \left(B_{RB}log\right(1+{\mathrm{\γ}}_{z,C}),B_{RB}log(1+{\mathrm{\γ}}_{FBS}\left)\right)\≥R_C^{MBS}---\left(7\right);$

${\mathrm{\γ}}_{z,C}=\frac{P_C^{relay}\left(r\right)h_{z,C}^r}{N_0+P_m^{MBS}\left(r\right)h_{m,z}^r+\underset{f\∈\[1,F_r\]}{\Σ}{P}_f^{FBS}\left(r\right)h_{z,f}^r}\≥{\mathrm{\γ}}_z^{th}---\left(8\right);$

${\mathrm{\γ}}_{FBSf,z}=\frac{P_z^{FBS}\left(r\right)h_{FBSf,z}^r}{N_0+P_m^{MBS}\left(r\right)h_{m,FBSf}^r+\underset{f\∈\[1,F_r\]}{\Σ}{P}_f^{FBS}\left(r\right)h_{f,FBSf}^r}\≥{\mathrm{\γ}}_{FBSf}^{th}---\left(9\right);$

当式(7)取等号时，表示通信用户通过MBS接入所需最低传输速率，为频段RB(r),(r∈U_f)下保证通信用户正常通信所需最低传输速率，B_RB为RB(r)对应的频带宽度；

当式(7)(8)(9)同时成立可以得到频段RB(r)下通信用户与不同空闲用户z建立中继链路所需最低发射功率：

$P_{C\_need}^{relay}=\frac{\[N_0+P_m^{MBS}\left(r\right)h_{m,z}^r+\underset{f\∈\[1,F_r\]}{\Σ}{P}_f^{FBS}\left(r\right)h_{z,f}^r)\]\×{\mathrm{\γ}}_z^{th}}{h_{z,C}^r}---\left(10\right);$

$P_{z\_need}^{relay}=\frac{\[N_0+P_m^{MBS}\left(r\right)h_{m,z}^r+\underset{f\∈\[1,F_r\]}{\Σ}{P}_f^{FBS}\left(r\right)h_{f,FBSf}^r\]\×{\mathrm{\γ}}_{FBSf}^{th}}{h_{FBSf,z}^r}---\left(11\right);$

(3)确定中继链路最低发射功率：选定FBS使用频段RB(r),(r∈U_f)，通信用户以及所有候选空闲用户z的位置信息，和对应发射功率信息 信息，上传至MBS，MBS将其广播给其他FBS；

各FBS接收消息后，分别将通信用户与空闲用户z的带入式(3)、(4)、(5)，判断当前频段RB(r)的用户能否正常通信；如果低于用户通信所需门限，判定该空闲用户z不能作为中继用户，各FBS将不能作为中继的空闲用户信息自行删除；将满足式(3)、(4)、(5)的空闲用户作为有效候选中继用户并将有效候选中继用户信息发送至MBS；MBS将有效候选中继用户信息反馈回选定FBS；选定FBS随机选定一个有效候选中继用户作为选定中继用户。

4.根据权利要求3所述的异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，其特征在于，所述步骤2)还包括：(4)确定最优中继用户：选定FBS根据MBS返回的有效候选中继用户信息，按照能效最优准则选定最优中继用户z^*，使通信系统整体能耗最小，且满足对通信系统带来的干扰小于门限值，即：

$min.\underset{1\≤\stackrel{\‾}{z}\≤Z_f}{\Σ}{x}_k\left(P_{C,\stackrel{\‾}{z}}^{relay}\right(r)+P_{\stackrel{\‾}{z},FBS}^{relay}(r\left)\right)---\left(12\right)$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{C,\stackrel{\‾}{z}}^r\≥{\mathrm{\γ}}_i^{th}\\ {\mathrm{\γ}}_{\stackrel{\‾}{z},FBS}^r\≥{\mathrm{\γ}}_{FBS}^{th}\\ 1\≤\stackrel{\‾}{z}\≤Z_f\\ r\∈U_f\\ R_C^{relay}\left(r\right)\≥R_C^{MBS}\\ \underset{1\≤\stackrel{\‾}{z}\≤Z_f}{\Σ}{x}_{\stackrel{\‾}{z}}=1\\ x_{\stackrel{\‾}{z}}\∈\{0,1\}\end{array}\right.---\left(13\right)$

满足式(12)、(13)的有效候选中继用户作为选定的最优中继用户z^*，对应的发射功率为建立中继链路的最终传输功率，记为 $P_{C\_final}^{relay}=P_{C\_need}^{relay},$ $P_{z^{*}\_final}^{relay}=P_{z^{*}\_need}^{relay}.$

5.根据权利要求3或4所述的异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：选定FBS向选定中继用户下发传输频段信息RB(r)，发送功率将通信用户的传输频段RB(r)，发送功率信息上传到MBS。

6.根据权利要求1所述的异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，其特征在于，还包括：步骤6)MBS将释放的RB重新分配给小区内无法接入FBS的带接入用户。

7.根据权利要求1所述的异构网络下基于D2D通信机制的负载均衡方法，其特征在于，步骤5)所述通信用户与中继用户接收信息包括：通信用户改用中继链路接入选定FBS的发射功率、中继用户的发射功率，以及中继链路通信频段。