CN105898876A - 蜂窝通信系统下d2d通信建立及功率分配方案 - Google Patents

Abstract

在蜂窝通信架构下实现D2D(Device‑to‑Device)用户和小区用户共存并允许D2D用户使用多信道的通信属于无线通信技术领域。在D2D通信模式下，部分距离较近的用户可以直接传输数据进行通信，蜂窝网络架构下的D2D通信被视为提高区域无线频谱效率的一项重要技术手段。由于D2D用户的存在，通信环境变得更为复杂，用户之间的干扰问题尤其突出。本发明将先提出一种在蜂窝网络下实现D2D通信的可行性方案，然后提出一种传统小区用户和D2D用户都可以使用多信道的功率分配策略，适合在无线移动通信中应用。

Description

蜂窝通信系统下D2D通信建立及功率分配方案

技术领域

本发明属于无线通信领域，给出一种在蜂窝通信架构下实现D2D(Device-to-Device)用户和小区用户共存并允许D2D用户使用多信道的技术方案。在D2D通信模式下，相互之间距离较近的用户可以直接传输数据进行通信，但是需要在基站的协助之下以来提高系统的可控性，蜂窝网络架构下的D2D通信被视为提高区域无线频谱效率的一项重要技术手段。但是由于D2D用户的存在，通信环境变得更为复杂，比如小区内使用同一频段的传统蜂窝网络用户对同小区以及周围小区内的D2D用户会受到相互之间的干扰，同信道的D2D用户之间同样也会存在着干扰。由于干扰的存在，经过数学建模后规约出的最优化问题都是NP-hard，这类问题在数学上是很难解决的。本发明将先提出一种在蜂窝网络下实现D2D通信的可行性方案，然后提出一种传统小区用户和D2D用户都可以使用多信道的功率分配策略，并且通过仿真来证明本算法在实际场景中的效果很好，适合在无线移动通信中应用。

背景技术

随着移动通信系统演进带来带宽需求的不断加大，且可用于移动通信的频谱资源有限，带宽的分配变得越来越拥挤，更好的频谱利用率是当前移动蜂窝网络的刚性需求。在这样的背景下，Device-to-Device(D2D)通信技术逐渐成为近几年无线网络中研究的热点之一。其利用距离相近的设备之间信道状况良好，数据通信具有高比特率、低时延、低功率消耗等特点，设备之间可以在小区无线网络的控制之下通过D2D链路直接相互通信，D2D通信将在宏蜂窝基站的控制下决定通信所需的频率资源和传输功率，无线资源可以被D2D链路和蜂窝通信链路同时使用。

下一代移动通信网络，如LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)，将无线接入架构分成了两层，分别是无线接入网络(Radio-Access Network，RAN)层和核心网络(Core Network，CN)层。接入层由LTE-A标准中所提出的基站构成，提供用户和基站的接入。核心网络层由移动性管理实体(Mobility Management Entity，MME)、归属用户服务器(Home SubscriberNode，HSS)、服务网关(Serving Gateway，S-GW)，分组数据网络网关(Packet Data Network Gateway，P-GW)等所组成，负责用户和核心网络层的接入并集中处理用户的服务要求。在蜂窝网络模式下，D2D用户可以和小区用户以正交或者非正交的方式共享频谱。对于前者来说，小区用户使用一部分频谱，剩余的部分都交给D2D用户使用，这样就能完全消除这两种通信模式用户之间的相互干扰。第二种方式则允许D2D用户和传统蜂窝网络用户同时使用小区内的全部频谱，这种方式能够极大的提高区域频谱效率。但是在这种方式下，不同通信模式用户之间的有着很大的相互干扰，如何有效地控制干扰时实现D2D通信的一个重要研究方向。

在资源共享模式下对D2D通信的研究有很多，比如在有一个小区用户和一对D2D用户共享一个信道的情景下，通过控制D2D链路的传输功率来限制小区内干扰。在一些研究中，基站可以作为一个中继来提升D2D用户的容量，同样，D2D用户也可能作为中继来协助基站与相距较远的小区用户的通信。

目前学术界对D2D通信的研究绝大多数集中于用户只能使用一个信道的情况，也就是说，每个用户(包括传统的蜂窝网络用户，D2D用户)占用多个信道的资源复用方案并没有得到深入的研究。因此本专利探讨了单D2D用户情况下，传统蜂窝网络用户和D2D用户可以复用小区内所有信道情景下的通信实现及资源分配问题。

发明内容

本发明的目的是为了实现在LTE-A标准下D2D通信建立及全频谱复用的资源分配方案。

本发明技术方案包括如下步骤：

所有通信需求的用户全部以传统蜂窝模式先建立通信；

一旦通信建立，无线接入层(主要由基站组成)就能够获得用户的所有相关信息包括发射用户和接收用户的位置，信道情况等，将用户信息交由核心网络层处理；

核心网络层中的D2D控制单元对用户进行分类，主要依据是用户之间相互距离，距离较近的用户可以判定为D2D用户；

给用户重新分类后的系统进行建模，规约出优化问题后进行资源分配。

核心网络层将资源分配结果传递到无线接入层，小区用户按照原模式继续通信，重新判定为D2D用户的通信模式发生切换，由小区模式转变为D2D传输模式。

本发明的思想是通过LTE-A中的标准采用一种后验策略的方式来建立D2D通信，充分考虑到在上行链路中D2D用户所接收到的干扰，最大化小区内不同类型用户的速率总和。本发明允许小区用户和D2D用户利用所有的信道来传输信息，能够极大地提高区域频谱效率，利用近似和凸优化理论来求解规约出来的数学问题，获得接近最优解的性能。

附图说明

附图是本发明提供的在基站控制下的D2D通讯建立并分配资源的流程图。

具体实施方式

在附图中，可以看到基于LTE-A标准的D2D用户通信及资源分配方案包括五个步骤：

在小区范围内有通信需求的用户按照蜂窝模式建立通信；

通信建立之后，基站就可获得用户的全部相关信息，例如信道增益和位置等，通过LTE-A标准中模块之间的不同通信链路将用户信息传递至核心网络层；

核心网络层中的D2D控制单元对已建立通信的用户信息进行处理，将相互之间距离较近的用户重新判定为D2D用户；

对重新分类后的用户进行资源分配，本专利中不同传输模式的用户可以使用所有的信道来传输信息，因此此处的资源分配指的是功率分配；

核心网络层将用户传输模式判定及资源分配结果传递到无线接入层，由基站发送相应的信息给用户，小区用户按照分配好的功率进行传输，转变为D2D用户的小区用户需要切换通信模式。

第一步的实现方法：有通信需求的用户先按照传统的蜂窝模式建立通信，通信建立之后基站就自然获得了正在通信用户的所有信息；

第二步的实现方法：在LTE-A的网络架构中，无线接入层与核心网络层之间可以通过专用链路通信，基站和服务网关之间通过Sl-u协议通信，而基站与移动管理实体之间通过Sl-c链路通信。通过这些方式，基站所组成的无线接入网络层可以将正在通信用户的信息传递到核心网络层进行集中处理；

第三步的实现方法：在核心网络层中增设D2D控制单元，D2D控制单元位于网关(GW)中。基站之间可以通过X2链路进行通信，这样处于不同小区内用户的信息可以就被相邻的小区内基站获得。D2D控制单元对正在通信的用户进行重新分类，根据相应的判断标准，如相互距离较近(或信道状况)等，就可以将这对用户判定为D2D用户；

第四步的实现方法：对用户重新选择通信模式之后，接下来就需要对无线资源进行分配，本专利考虑通信的上行链路，用户可以利用所有的信道来传输信息。资源分配的目的是最大化系统容量，即最大化不同类型用户的传输速率总和。

对所要解决的问题进行数学建模，假设一个单小区模型，在判定后小区内有一个传统小区用户和一对D2D用户，分别用户1和用户2来表示。系统将带宽分为N个子信道，这N个子信道可以同时被用户1，2所使用。用户在第n个信道上的发射功率分别用p_n，1和p_n，2来表示。小区内用户的传输速率总和为：

R_n(p)＝log₂(1+γ_n，1(p))+log₂(1+γ_n，2(p))

γ_n，1(p)和γ_n，2(p)分别表示用户1，2在信道n上的信干噪比，

${\mathrm{\γ}}_{n,1}\left(p\right)=\frac{p_{n,1}{H}_{n,1}}{p_{n,2}{\tilde{H}}_{n,2}+I_{\mathrm{\σ},1}},{\mathrm{\γ}}_{n,2}\left(p\right)=\frac{p_{n,2}{H}_{n,2}}{p_{n,1}{\tilde{H}}_{n,1}+I_{\mathrm{\σ},2}}$

H和分别表示相应的信道增益和干扰增益。

假设在这个小区周围有M个相邻的小区，用和分别表示用户1，2对小区m内D2D用户的干扰增益。本专利在使本小区速率和最大的同时保证对其他小区内的D2D用户的干扰不能超过一定的阈值，因此，建模后的优化问题为：

$\underset{p}{\max }\underset{n\∈N}{\mathrm{\Σ}}{R}_n\left(p\right)$

$s.t.C_1:f_m=I_{\mathrm{th}}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n,1}^m{p}_{n,1}\≥0,\∀m\∈M,$

$C_2:f_{m+M}=I_{\mathrm{th}}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{n,2}^m{p}_{n,2}\≥0,\∀m\∈M,$

$C_3:f_{2M+1}=P_1^{\max }-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{n,1}\≥0,$

$C_4:f_{2M+2}=P_2^{\max }-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{n,2}\≥0,$

$C_5:p_{n,1}\≥0,p_{n,2}\≥0,\∀n\∈N,$

其中C₁，C₂是对其他小区内D2D用户的干扰阈值约束，其余约束条件是功率限制。

由于目标函数对p_n，1p_n，2来说都是非凸的，这样就意味着可能存在多个局部最优解。因此本专利提出一个高效的迭代算法来解决规约出的问题。首先建立速率的凹下限来替代原来的速率函数：

$\begin{array}{c}{R}_n^{*}(p,p^{*})={\log }_2{P}_{n,1}\left(p\right)+{\log }_2{P}_{n,2}\left(p\right)-{\log }_2{I}_{n,1}\left(p^{*}\right)\\ {-\log }_2{I}_{n,2}\left(p^{*}\right)-\frac{{\tilde{H}}_{n,2}(p_{n,2}-p_{n,2}^{*})}{\ln 2\·I_{n,1}\left(p^{*}\right)}-\frac{{\tilde{H}}_{n,1}(p_{n,1}-p_{n,1}^{*})}{\ln 2\·I_{n,2}\left(p^{*}\right)}\end{array}.$

将实际速率用上式替换，这样对于每个给定的功率分配P^*，通过求解替换后的问题得到新的功率分配P可以保证比P^*更好。

对于替换速率后的优化问题，本专利使用凸优化中的快速栅栏法来求解，得到转化后问题的最优解P，然后通过不断地迭代得到原问题的近似最优解。

第五步：D2D控制单元将资源分配结果发送至无线接入层，由基站来发送相应的信息给用户来建立通信。传统的小区用户根据资源分配结果发送信息，重新判定为使用D2D传输模式的小区用户将发生模式切换，由小区模式切换至D2D模式，直接与目标用户通信，发射功率值由基站发送的资源分配信息获得。

Claims (6)

1.一种实现D2D(Device-to-Device)用户和小区用户共存，并允许D2D用户使用多信道的技术方案，是适用于异构蜂窝无线网络；根据基站获得的用户信息，并将之传递到核心网络中，由核心网络来判断用户的传输模式，同时进行资源分配；资源分配的结果由核心网络层传递到无线接入层，在传递给用户进行功率调整和模式切换。

2.根据权利要求1所述的技术方案，其基站获知服务区域内用户所有信息的特征在于所有用户先按照传统蜂窝网络建立通信，由用户与基站所建立的通信链路来传递判断用户传输模式所需要的信息位置信息和信道状况信息。

3.根据权利要求1所述的技术方案，其核心网络获知所有用户信息的特征在于基站之间通过X2链路传递信息，同时能够通过S1-u协议将基站所拥有的用户信息传递给网关，这样核心网络就能够获得所有用户的信息；在核心网络的网关中增设D2D控制单元，核心网络既能通过D2D控制单元集中式处理用户信息，又能分布式的在小范围内进行资源分配。

4.根据权利要求1所述的技术方案，其用户通信模式判断的特征在于采用后验策略，即在用户建立通信之后，网关中的D2D控制单元根据相应如距离信道强度等信息将用户分为传统小区用户或D2D用户，当小区用户转变为D2D用户时传输模式需要发生切换。

5.根据权利要求1所述的技术方案，其资源分配算法的特征在于建立用户实际通信速率的凹下限，并用这个下限来替代实际速率，将建模规约后的数学问题转变为凸问题，并使用迭代算法来求解，得出最终的资源分配方案。

6.根据权利要求1所述的技术方案，其资源分配结果传递到无线接入层的特征在于核心网络将资源分配结果传递到无线接入层，由基站按照资源分配结果将用户的通信模式进行切换，并分配功率。