CN105764129A - 一种适用于设备间通信的快速资源共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于设备间通信的快速资源共享方法，包括以下步骤：首先，基站通过上行信道估计获得CU到基站的信道系数、CU被DU发送端干扰信道系数、通过DU接收端反馈获得DU发送端到DU接收端的信道系数和DU接收端被CU干扰信道系数；然后基站根据获得的信道信息按照CU的通信速率不低于R_n同时最大化所有DU频段利用率之和的准则，在所有对DU之间合理分配CU频段资源，并且优化所有对DU在已分配频段上的DU发送端的发送功率及CU的发送功率。本发明具体实现过程中只需要执行少量的计算与比较即可获得最优解，能够快速实现DU频段分配及CU和DU的发送功率控制，最大化地提高了系统总体性能。

Description

一种适用于设备间通信的快速资源共享方法

技术领域

本发明涉及一种适用于设备间通信的快速资源共享方法，属于移动通信资源共享策略与同频干扰抑制设计领域。

背景技术

设备间通信(Device-to-Device，D2D)作为对现有移动通信网络的补充型通信技术之一吸引了广泛关注。该技术的基本原理在于允许两个距离较近且有交换本地数据需求的蜂窝用户(CellualrUser，CU)建立直接的通信链路，而不是由基站(BS)中继来相互通信。此技术最大优点在于它可以减小传输延迟、节省功率消耗、减少基站及核心网的网络负担、提高本地频带利用率等等。在D2D通信中，每个D2D用户(D2DUser，DU)对由DU发送端(DUTX)与DU接收端(DURX)组成，DU发送端通过D2D链路与DU接收端传输数据，D2D链路使用了CU的物理资源，即DU与CU共享相同资源。

D2D可以复用CU上行/下行频段，因为CU上行频段的利用率低于下行频段，所以通常使用CU的上行频段进行D2D通信，在CU上行频段进行通信的干扰主要有，DU发送端对基站的干扰，CU对D2D接收端的干扰。因此，为了保证高效地利用D2D通信，通常需要采用具备有效干扰管理的适当资源共享方案。由于DU终端之间通常间距较短，所以DU发送端只需要很小的功率就可以获得较高的通信速率，因此即使DU终端与CU共享相同的频段资源，DU对CU造成的同频干扰也可以被限制在一定范围内。但是CU对于DU接收端的干扰有时确实难以忽略的。因此在为DU指定上行频段供其复用时，需要设计一定的资源共享策略来抑制上述同频干扰。

设计资源共享策略需要充分考虑到原有CU的通信速率(通信质量QoS)不能因为DU复用其频段资源后而降低过多，即需要充分保证CU的通信质量可控且有保障，同时为了充分挖掘无线信道的分集特性及用户的位置分集增益，还需要最大化所有DU在复用上行频段资源后的频率利用率之和，提高通信整体性能，并且这种资源共享策略由基站来统筹控制，这样可以有效地规划上行频段通信资源共享并将整个通信系统内的干扰抑制到最低。

中国发明专利CN201410589330.9公开了一种设备间通信的上行物理层资源共享与功率控制方法，基站根据获得的信道信息最大化所有D2D用户对的本地频带效率的同时保证每个上行用户的通信速率不低于R_n的准则，在所有D2D用户对之间合理分配频段资源，并优化所有上行用户和D2D用户对的发送功率。具体计算方法先调用功率控制计算单元计算将上行用户频段所含的频段都分配给该D2D用户对时该D2D用户对的最优发送功率，然后根据此功率结果计算频段分配利用率，选出利用率最大的资源分配即最优D2D用户对和频段的分配组合，最后根据频段分配和D2D用户对最优发送功率计算出上行用户的最优发送功率。此方法较为复杂，且计算频段利用率最大值时仅参考了D2D用户对的最优发送功率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，以基站作为核心控制单元为基础，提供了一种适用于设备间通信的快速资源共享方法，在保证CU到基站的通信速率不低于一个预设值时，最大化所有DU频谱利用率之和，该方法具体实现过程中简单，能够快速获得最优解，提高系统的整体性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于设备间通信的快速资源共享方法，在保证CU通信速率不低于一个预设值时，快速实现DU频段分配及CU和DU的发送功率控制，包括以下步骤：

步骤一，在基站通信网络中，共存在N个CU与基站保持上行通信和D对DU请求进行本地连接，CU与DU分别采用下标n(n＝1,2,...,N)和d(d＝1,2,...,D)标识来表示，每个CU占用基站总频段资源的1/N且频段资源之间相互正交，规定第n个CU的最大发送功率为安全通信速率预设值为R_n(bits/s/Hz)，每对DU由DU发送端和DU接收端构成，规定第d对DU的最大发送功率总和为每对DU可以复用任意多个CU，但每个CU只能被一对DU复用；采用变量x_d,n∈{0,1}表示第d对DU共享第n个CU的上行频段指示量，若第d对DU共享第n个CU的上行频段，则x_d,n＝1，否则，x_d,n＝0；

步骤二，基站利用信道互易性获得CU和DU的信道信息，包括，当第d个DU共享第n个CU的上行频段时(x_d,n＝1)，基站通过上行信道估计获得第n个CU的上行频段到基站的信道系数为g_n，DU发送端在第n个CU的上行频段上到基站的干扰信道系数为基站通过DU接收端反馈获得DU发送端在第n个CU的上行频段上到DU接收端的信道系数为g_d,n，CU在第n个CU的上行频段上到DU接收端的干扰信道系数为

步骤三，基站根据步骤二中获得的四类信道信息，按照第n个CU的通信速率不低于R_n同时最大化所有DU频段利用率之和的准则，在所有对DU之间合理分配CU频段资源，并且优化所有对DU在已分配频段上的DU发送端的发送功率及CU的发送功率；

步骤四，根据步骤三中所述准则，基站根据设备间上行频段分配与功率控制算法计算出最优的频段分配所有对DU在已分配频段上的最优发送功率以及所有CU的最优发送功率基站通过控制信道将频段分配结果以及最优发送功率传递给相应的DU，同时调整CU发送功率至则以保持通信速率不低于预设值R_n；

步骤五，根据步骤四所述结果，第d对DU以最优发送功率发送本地信息，第n个CU以最优发送功率与基站上行通信且保持通信速率不低于预设值R_n。

进一步的，在所述步骤四中，设备间上行频段分配与功率控制算法具体计算过程为，

(1)从n＝1开始，计算所有对DU在第n个CU共享频段上的发送功率和第n个CU在该频段上的发送功率组合

若 $(P_{d,n}^{\max }{g}_{d,n}^I+1)\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{g_n}\≤P_n^{max},$ 则

若 $(P_{d,n}^{\max }{g}_{d,n}^I+1)\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{g_n}>P_n^{max},$ 则

其中， ${\mathrm{\ω}}_n=2^{R_n}-1;$

在两个发送功率解中选择能够使DU频率利用率最高的那组作为最优解

(2)根据DU在该上行频段上的频率利用率最大解出最优DU频段分配：

并令x_d,n＝0,d≠d，即将第n个CU的上行频段分配给第d个DU共享；

(3)输出最优频段分配为最优发送功率组合为：

(4)从n＝1开始循环执行(1)-(3)直至n＝N结束，得到所有CU频段分配，并获得CU和DU在所有共享频段上的发送功率。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)本发明方法是针对多个CU与多对DU之间资源共享策略设计方法，适用范围较为广泛；

2)本发明方法给出了一种频段分配与功率控制的快速计算方法，该方法具体实现过程中只需要执行少量的计算与比较就可以获得最优解；

3)本发明方法同时保证了原有CU的通信质量，同时最大化了DU的频谱利用率之和，最大化地提高了系统总体性能。

附图说明

图1是在上行频段DU对和CU进行资源共享的系统框图；

图2是本发明方法与随机分配方法的性能随通信速率预设值的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，在D2D通信中，有一个服务于所有用户的基站(BS)，蜂窝用户(CellualrUser，CU)与基站(BS)建立直接的通信链路，每个D2D用户(D2DUser，DU)对由DU发送端(DUTX)与DU接收端(DURX)组成，DU发送端通过D2D链路与DU接收端传输数据，D2D链路使用了CU的上行频段，即DU与CU共享相同资源，此中所说的CU是在特定传输间隔期间被调度进行传输的那些CU。在D2D模型中，所有CU在正交FDMA模式下由BS服务，即，对于每个CU而言，将向其分配系统频带的一部分以用于信号传输。此外，D2D通信的会话建立要求业务满足特定标准(例如，数据速率)，以使得系统将其视作潜在的D2D业务。例如，如果配对中的两个用户都支持D2D，并且D2D通信提供更高的吞吐量，则BS将建立D2D承载。此外，该BS对于CU和DU二者而言，仍然是无线电资源的控制中心。

D2D可以复用CU上行/下行频段，因为CU上行频段的利用率低于下行频段，所以通常使用CU的上行频段进行D2D通信，在CU上行频段进行通信的干扰主要有，DU发送端对基站的干扰，CU对D2D接收端的干扰。因此在为DU指定上行频段供其复用时，需要设计一定的资源共享策略来抑制上述同频干扰。

本发明一种适用于设备间通信的快速资源共享方法，在保证CU通信速率不低于一个预设值时，快速实现DU频段分配及CU和DU的发送功率控制，包括以下步骤：

步骤一，在基站通信网络中，共存在N个CU与基站保持上行通信和D对DU请求进行本地连接，CU与DU分别采用下标n(n＝1,2,...,N)和d(d＝1,2,...,D)标识来表示，每个CU占用基站总频段资源的1/N且频段资源之间相互正交，规定第n个CU的最大发送功率为安全通信速率预设值为R_n(bits/s/Hz)，每对DU由DU发送端和DU接收端构成，规定第d对DU的最大发送功率总和为每对DU可以复用任意多个CU，但每个CU只能被一对DU复用；采用变量x_d,n∈{0,1}表示第d对DU共享第n个CU的上行频段指示量，若第d对DU共享第n个CU的上行频段，则x_d,n＝1，否则，x_d,n＝0；

步骤二，基站利用信道互易性获得CU和DU的信道信息，如图1所示，包括，当第d个DU共享第n个CU的上行频段时(x_d,n＝1)，基站通过上行信道估计获得第n个CU的上行频段到基站的信道系数为g_n，DU发送端在第n个CU的上行频段上到基站的干扰信道系数为基站通过DU接收端反馈获得DU发送端在第n个CU的上行频段上到DU接收端的信道系数为g_d,n，CU在第n个CU的上行频段上到DU接收端的干扰信道系数为以上所述的信道系数即信道的归一化功率增益；

步骤三，基站根据步骤二中获得的四类信道信息，按照第n个CU的通信速率不低于R_n同时最大化所有DU频段利用率之和的准则，在所有对DU之间合理分配CU频段资源，并且优化所有对DU在已分配频段上的DU发送端的发送功率及CU的发送功率；

步骤四，根据步骤三中所述准则，基站根据设备间上行频段分配与功率控制算法计算出最优的频段分配所有对DU在已分配频段上的最优发送功率以及所有CU的最优发送功率基站通过控制信道将频段分配结果以及最优发送功率传递给相应的DU，同时调整CU发送功率至则以保持通信速率不低于预设值R_n；

进一步的，设备间上行频段分配与功率控制算法具体计算过程为，

(1)从n＝1开始，计算所有对DU在第n个CU共享频段上的发送功率和第n个CU在该频段上的发送功率组合

若 $(P_{d,n}^{\max }{g}_{d,n}^I+1)\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{g_n}\≤P_n^{max},$ 则

若 $(P_{d,n}^{\max }{g}_{d,n}^I+1)\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{g_n}>P_n^{max},$ 则

其中， ${\mathrm{\ω}}_n=2^{R_n}-1;$

在两个功率解中选择能够使DU频率利用率最高的那组作为最优解

(2)根据DU在该上行频段上的频率利用率最大解出最优DU频段分配：

并令x_d,n＝0,d≠d，即将第n个CU的上行频段分配给第d个DU共享；

(3)输出最优频段分配为最优发送功率组合为：

(4)从n＝1开始循环执行(1)-(3)直至n＝N结束，得到所有CU频段分配，并获得CU和DU在所有共享频段上的发送功率。

步骤五，根据步骤四所述结果，第d对DU以最优发送功率发送本地信息，第n个CU以最优发送功率与基站上行通信且保持通信速率不低于预设值R_n。

为了检查本发明算法的效果，对本发明算法与随机分配算法的性能效果进行了仿真，选取基站通信系统中共存50个CU与基站进行上行通信和30对DU进行本地连接，CU的最大发送功率为14dBm，DU的最大发送功率为-10dBm。比较的对象为，一是采用本发明算法进行频段分配和功率控制，另一是采用随机分配算法进行频段分配和功率控制，所述的随机分配算法是随机将第1个CU的频段分配给第5对DU共享……第n个CU的频段分配给第d对DU共享。图2显示了本发明方法与随机分配方法的性能随通信速率预设值的变化曲线，图中“最佳性能”为采用本发明算法理论上的性能效果，“本发明算法”为基站采用本发明算法在实际通信中执行的性能效果，“随机分配算法”即基站采用随机分配算法在实际通信中执行的性能效果。如图2所示，从“本发明算法”曲线中可以得出，随着CU最低通信速率预设值R_n变大，DU频率利用率之和逐渐减小；从两种算法对比变化曲线中可以得出，在CU最低通信速率预设值R_n相同的情况下，选用本发明算法得到DU频率利用率之和远远大于随机分配算法得到的DU频率利用率之和。

本发明方法给出了一种频段分配与功率控制的快速计算方法，保证了原有CU的通信质量，同时最大化了DU的频谱利用率之和，该方法具体实现过程中只需要执行少量的计算与比较就可以获得最优解，最大化地提高了系统总体性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于设备间通信的快速资源共享方法，其特征是，在保证CU通信速率不低于一个预设值时，快速实现DU频段分配及CU和DU的发送功率控制，包括以下步骤：

步骤一，在基站通信网络中，共存在N个CU与基站保持上行通信和D对DU请求进行本地连接，CU与DU分别采用下标n(n＝1,2,...,N)和d(d＝1,2,...,D)标识来表示，每个CU占用基站总频段资源的1/N且频段资源之间相互正交，规定第n个CU的最大发送功率为安全通信速率预设值为R_n(bits/s/Hz)，每对DU由DU发送端和DU接收端构成，规定第d对DU的最大发送功率总和为每对DU可以复用任意多个CU，但每个CU只能被一对DU复用；采用变量x_d,n∈{0,1}表示第d对DU共享第n个CU的上行频段指示量，若第d对DU共享第n个CU的上行频段，则x_d,n＝1，否则，x_d,n＝0；

步骤二，基站利用信道互易性获得CU和DU的信道信息，包括，当第d个DU共享第n个CU的上行频段时(x_d,n＝1)，基站通过上行信道估计获得第n个CU的上行频段到基站的信道系数为g_n；DU发送端在第n个CU的上行频段上到基站的干扰信道系数为基站通过DU接收端反馈获得DU发送端在第n个CU的上行频段上到DU接收端的信道系数为g_d,n，CU在第n个CU的上行频段上到DU接收端的干扰信道系数为

步骤三，基站根据步骤二中获得的四类信道信息，按照第n个CU的通信速率不低于R_n同时最大化所有DU频段利用率之和的准则，在所有对DU之间合理分配CU频段资源，并且优化所有对DU在已分配频段上的DU发送端的发送功率及CU的发送功率；

步骤四，根据步骤三中所述准则，基站根据设备间上行频段分配与功率控制算法计算出最优的频段分配所有对DU在已分配频段上的最优发送功率以及所有CU的最优发送功率基站通过控制信道将频段分配结果以及最优发送功率传递给相应的DU，同时调整CU发送功率至则以保持通信速率不低于预设值R_n；

步骤五，根据步骤四所述结果，第d^*对DU以最优发送功率发送本地信息，第n个CU以最优发送功率与基站上行通信且保持通信速率不低于预设值R_n。

2.根据权利要求1所述的一种适用于设备间通信的快速资源共享方法，其特征是，在所述步骤四中，设备间上行频段分配与功率控制算法具体计算过程为，

(1)从n＝1开始，计算所有对DU在第n个CU共享频段上的发送功率和第n个CU在该频段上的发送功率组合

若 $(P_{d,n}^{\max }{g}_{d,n}^I+1)\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{g_n}\≤P_n^{max},$ 则

$(p_{d,n}^{*},p_n^{*})\∈\left\{\right(P_{d,n}^{\max }\left(1+g_{d,n}^I{P}_{d,n}^{\max }\right)\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{g_n}),(P_{d,n}^{\max },P_n^{\max }\left)\right\};$

若 $(P_{d,n}^{\max }{g}_{d,n}^I+1)\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{g_n}>P_n^{max},$ 则

$(p_{d,n}^{*},p_n^{*})\∈\left\{\right(\frac{1}{g_{d,n}^I}\left(P_n^{max}\frac{g_n}{{\mathrm{\ω}}_n}-1\right),P_n^{max}\left)\right\};$

其中， ${\mathrm{\ω}}_n=2^{R_n}-1;$

在两个发送功率解中选择能够使DU频率利用率最高的那组作为最优解

(2)根据DU在该上行频段上的频率利用率最大解出最优DU频段分配：

$d^{*}=\underset{1\≤d\≤D}{\mathrm{argmax}}{\log }_2(1+\frac{p_{d,n}^{*}{g}_{d,n}}{1+g_{n,d}^I{p}_n^{*}})$

并令即将第n个CU的上行频段分配给第d^*对DU共享；

(3)输出最优频段分配为最优发送功率组合为：

(4)从n＝1开始循环执行(1)-(3)直至n＝N结束，得到所有DU频段分配，并获得CU和DU在所有共享频段上的发送功率。