CN106851838A - 多小区d2d频谱资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及D2D通信技术领域，特别涉及一种多小区D2D频谱资源分配方法，包括确定该设备到设备D2D用户的用户类型，根据D2D用户类型确定该D2D用户的备选蜂窝用户，以最大化系统吞吐量为目标，选择该D2D最终的复用蜂窝用户及对应的频率复用因子；本发明D2D用户复用多个蜂窝用户的频谱资源能够明显降低D2D通信对蜂窝用户的干扰，并可以显著提升系统容量。

Description

多小区D2D频谱资源分配方法

技术领域

本发明涉及D2D通信技术领域，特别涉及一种多小区D2D频谱资源分配方法。

背景技术

近年来，由于无线通信市场的不断发展，移动设备(Device)数量急剧上升，多媒体数据业务也急剧增长，加大了对带宽的要求，频谱资源利用问题日趋严峻，传统蜂窝通信模式对频谱资源的利用有待进一步提升。为解决该问题，D2D(Device to Device)通信技术被引入了蜂窝通信系统。D2D通信是距离相近的两个终端之间通过复用蜂窝用户的频谱资源直接进行通信的技术。该技术不仅可以减小传输时延，还可以提高频谱利用率。但另一方面，频谱资源的重复利用，导致D2D通信技术给蜂窝系统带来了频率干扰问题。

通过合理的资源分配算法，可减小蜂窝通信系统中因D2D引入带来的频谱间干扰，提升通信系统的整体性能。Kebriaei H等人在文献Bandwidth price optimization forD2D communication underlaying cellular networks.WCNCW,2014:248-253中提出了一种基于博弈机制的资源分配策略，该策略建立了一个多蜂窝用户的蜂窝网模型后，基于拍卖的方式向D2D用户出售频谱，在保证低干扰的情况下，蜂窝用户和部分D2D用户可以同时共享频谱资源。Chai Yingqi等人在文献Partial time-frequency resource allocationfor device-to-device communications underlaying cellularnetworks.Communications(ICC),2013 IEEE International Conference on.IEEE,2013:6055-6059中提出了一种部分时频资源复用(partial time-frequency resourceallocation，PTFRA)算法。在该算法中，一对D2D用户可复用多个蜂窝用户的部分频谱资源。这些算法在一定程度上提高了蜂窝系统的稳定性，提升了通信系统的整体性能。

包括以上文献的绝大部分现有研究都只考虑了单小区场景下的D2D通信。单小区中干扰相对简单，无需考虑相邻小区之间的干扰问题，但在多小区场景中，相邻小区的干扰问题是不可忽略的一部分，且多小区所涉及的干扰问题更为复杂。于是Chae H S在文献Radio resource allocation scheme for device-to-device communication incellular networks using fractional frequency reuse.IEEE APCC,2011:58-62中分析了多小区D2D通信中基于部分频率复用(FFR,Fractional Frequency Reuse)的频谱复用方案。该方案将频谱资源分为4部分，为中心用户和边缘用户分配不同的频谱资源，且相邻小区的边缘用户分配不同的频谱资源，以减小相邻小区之间的同频干扰。但是该文献中也仅仅只考虑了中心区域和边缘区域，并未考虑跨小区区域的特殊情况。进一步地Melki L在文献Radio resource allocation scheme for intra-inter-cell D2D communications inLTE-A.PIMRC,2015:1515-1519中充分考虑D2D用户的位置信息，引入了跨小区D2D用户，并为跨小区用户分配相应的备选资源。上述两个基于FFR的多小区D2D资源分配的文献中，为D2D用户选择了较优的备选频谱资源，在该备选频谱资源中随机复用，在降低蜂窝用户和D2D用户之间的干扰还有进一步提高的空间。

综上，现有D2D通信资源分配算法存在以下问题：现有基于FFR的多小区D2D频谱资源分配算法没有最大程度降低蜂窝用户和D2D用户之间的干扰；现有PTFRA算法在选择合适的蜂窝用户进行资源复用时，仅考虑蜂窝用户与D2D用户之间的信道增益对通信性能的影响，而忽略了基站和蜂窝用户间信道增益对通信性能的影响。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出多小区D2D频谱资源分配方法，结合蜂窝通信系统的部分频率复用(FFR)算法，考虑D2D用户所属的不同区域，可复用不同的频谱资源，以减小蜂窝用户和D2D用户间的区内干扰，以及相邻小区间的区间干扰问题。

本发明的多小区D2D频谱资源分配方法，包括确定该设备到设备D2D用户的用户类型，根据D2D用户类型确定该D2D用户的备选蜂窝用户，以最大化系统吞吐量为目标，选择该D2D最终的复用蜂窝用户及对应的频率复用因子。

优选地，所述确定该设备到设备D2D用户的用户类型包括：根据D2D用户信干噪比将D2D用户分为中心D2D用户CDU和边缘D2D用户，所述边缘D2D用户根据是否跨小区又被分为小区边缘D2D用户EDU和跨小区D2D用户IDU。

优选地，所述根据D2D用户信干噪比将D2D用户分为中心D2D用户CDU和边缘D2D用户包括：计算D2D用户对的信干噪比，若大于D2D用户信噪比阈值，则表示该D2D用户为中心D2D用户，否则为边缘D2D用户。

优选地，所述D2D用户对的信干噪比计算方式如下：

其中，表示D2D用户对的信干噪比，是小区k中蜂窝用户i的发射功率，表示蜂窝用户i到D2D用户j的信道增益，是小区k中D2D用户j的发射功率，表示小区k中两D2D用户之间的信道增益，N₀和I分别表示噪声功率和小区间的噪声干扰功率。

优选地，所述根据D2D用户类型确定该D2D用户的备选蜂窝用户包括：将中心D2D用户CDU的备选蜂窝用户定为相邻小区的ECU；小区边缘D2D用户EDU的备选蜂窝用户定为CCU和相邻小区的ECU；跨小区D2D用户IDU的备选蜂窝用户定为CCU和两跨小区所相邻的ECU，即除两跨小区以外的ECU。

优选地，所述以最大化系统吞吐量为目标，选择该D2D最终的复用蜂窝用户及对应的频率复用因子包括：选取使系统吞吐量最大的复用蜂窝用户集中的部分或全部蜂窝用户，输出其对应的频率复用因子。

优选地，所述系统吞吐量最大为：

其中，r_sum为系统吞吐量，表示蜂窝用户和D2D用户的吞吐量之和；表示蜂窝用户c_i被复用部分频谱资源的吞吐量，表示蜂窝用户c_i未被复用部分频谱资源的吞吐量，表示任一D2D用户的吞吐量；为目标函数，β是频率复用因子的归一化系数，K表示可被复用资源的蜂窝用户个数，表示信道增益，为蜂窝用户i与D2D用户j之间的距离，α表示路径损耗指数因子，G₀为归一化常数；表示被复用的蜂窝用户的吞吐量，表示未被复用的蜂窝用户的吞吐量，表示D2D用户的吞吐量,表示蜂窝用户i正常通信占用的资源块数目为。

与现有技术相比，本发明能够优先保证蜂窝用户正常通信的情况下，充分考虑信道增益对通信性能的影响，选取其满足信干噪比门限的蜂窝用户进行复用；其次，在保证D2D用户正常通信(满足D2D用户的信干噪比门限)的情况下，计算D2D用户复用蜂窝用户的频率复用因子；再次，计算D2D用户以该频率复用因子复用蜂窝用户的频谱资源前后系统吞吐量的大小；最后，选取可以使系统吞吐量增加的蜂窝用户的频谱资源进行复用，并输出对应的频率复用因子。本发明可以有效的提升系统吞吐量，减少系统干扰。

附图说明：

图1为本发明多小区D2D频谱资源分配方法实施例流程图；

图2为本发明实施例七小区D2D通信系统模型结构图；

图3为本发明cell1中用户的资源分配场景模型结构图；

图4为本发明蜂窝用户分配频谱资源示意图；

图5为本发明D2D用户的资源分配流程概要流程示意图；

图6为本发明蜂窝用户的稳定性与可复用个数K值关系实验仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进一步详细说明。

一般来说，D2D用户就包括D2D用户的发送段和接收端，本发明中采用了D2D用户和D2D用户对两术术语，本领域技术人员显然清楚，这仅仅是为了表述的方便，两者实质上表示相同概念；本发明中，c_i表示第i个蜂窝用户，d_j表示D2D用户j。

如图2所示，基站eNB处于每个小区的中心，每个小区内包括i个蜂窝用户c_i∈C＝{c₁,c₂,...,c_M}和j对D2D用户d_j∈D＝{(DT₁,DR₁),(DT₂,DR₂),...,(DT_N,DR_N)}，其中，C表示蜂窝用户的集合，D表示D2D用户的集合，M和N分别表示小区内蜂窝用户的个数和D2D用户的对数，DT表示D2D发送端用户，DR表示D2D接收端用户。蜂窝用户i正常通信占用的资源块数目为假设基站已知蜂窝用户和D2D用户对之间的信道状态信息(CSI)。

根据用户的信干噪比是否满足门限值，至少可将蜂窝小区中的用户可分为中心用户和边缘用户。判断蜂窝用户的信干噪比是否满足条件若满足，则该蜂窝用户被定义为中心蜂窝用户(Center Cellular User,CCU)，否则该用户被定义为边缘蜂窝用户(Edge Cellular User,ECU)；同理，根据D2D用户信干噪比是否满足条件D2D用户至少可分为中心D2D用户(Center D2D User,CDU)和边缘D2D用户，边缘D2D用户根据是否跨小区又被分为小区边缘D2D用户(Edge D2D User,EDU)和跨小区D2D用户(Inter-CellD2D User,IDU)。表示蜂窝用户信噪比阈值，表示D2D用户信噪比阈值。

由于中心蜂窝用户距离基站较近，基站接收本小区蜂窝用户的信号强度远大于接收到相邻小区的干扰信号强度，故相邻小区间的同频干扰可忽略不计，故不同小区中心蜂窝用户可以分配相同或不同的频谱资源。相邻小区的边缘蜂窝用户则会产生严重的干扰，故相邻小区的边缘蜂窝用户需分配不同的频谱资源。为便于说明，本发明将频谱资源分为4部分，F1、F2、F3、F4，中心蜂窝用户分配F1资源，相邻小区的边缘蜂窝用户分别分配F2、F3、F4资源。

根据D2D用户对蜂窝网络带来不同的干扰程度，D2D用户需要较为复杂的资源复用方法，为便于说明，本发明将中心D2D用户(CDU)的备选蜂窝用户定为：相邻小区的ECU；小区边缘D2D用户(EDU)的备选蜂窝用户定为：CCU和相邻小区的ECU；跨小区D2D用户(IDU)的备选蜂窝用户定为：CCU和两跨小区所相邻的ECU，即除两跨小区以外的ECU。

在已知D2D对复用的备选蜂窝用户之后，再以最大化系统吞吐量为目标，选择D2D对最终的复用蜂窝用户及对应的频率复用因子。下面，我们具体给出D2D对复用蜂窝用户资源的算法，步骤如下。

为方便计算，实施例中假设一个蜂窝用户的部分频谱资源只能被一对D2D用户复用，但一对D2D用户可以复用多个蜂窝用户的资源块，定义以下参数：被复用蜂窝用户i(c_i)的信干噪比为未被复用的蜂窝用户i的信干噪比为D2D用户j(d_j)的信干噪比为其中，是小区k中蜂窝用户i的发射功率，是小区k中D2D用户j的发射功率，和分别表示小区k中基站到蜂窝用户i和蜂窝用户i到D2D用户j的信道增益，表示小区k中两D2D用户间(用户对)的信道增益，N₀和I分别表示噪声功率和小区间的噪声干扰功率，信道增益α表示路径损耗指数因子，一般而言，α∈(2,4)，为便于计算，实施例优先选取α＝4。PL为蜂窝链路的路径损耗，为蜂窝用户i(c_i)与D2D用户j(d_j)之间的距离，L_dd表示D2D发送端与接收端之间的距离，G₀为归一化常数，实施例选取G₀＝1。

定义D2D用户对j复用蜂窝用户i的资源的频率复用因子其计算公式为其中，K表示可被复用资源的蜂窝用户个数，β是频率复用因子的归一化系数，调整β可以将频率复用因子控制在0到1范围内，其他参数与前述内容一致。由香农公式分别计算被复用的蜂窝用户的吞吐量未被复用的蜂窝用户的吞吐量和D2D用户的吞吐量

其中和分别表示蜂窝用户被复用的带宽，蜂窝用户未被复用的带宽和D2D用户的带宽。则该通信系统的吞吐量r_sum为：

其中，表示蜂窝用户c_i被复用部分频谱资源的吞吐量，表示蜂窝用户c_i未被复用部分频谱资源的吞吐量，即为所有蜂窝用户的总吞吐量；表示任一D2D用户的吞吐量，即表示所有D2D用户的吞吐量，则r_sum表示蜂窝用户和D2D用户的吞吐量之和，即整个蜂窝通信系统的总吞吐量。本实施例的主要目标是最大化系统的吞吐量，且该目标函数为的函数，因此优化的目标函数为：

不等式(1.1)和不等式(1.2)分别保证蜂窝用户和D2D用户的正常通信。在本文算法中，D2D用户可复用多个蜂窝用户的部分频谱资源，但每个蜂窝用户的频谱资源只能被一个D2D用户复用，不等式(1.3)保证任一D2D用户对复用的所有蜂窝用户的总频谱限定，(1.4)保证每个蜂窝用户可被复用的频谱资源不能超过其固有的频谱资源；(1.5)表示每对D2D用户复用任一蜂窝用户的频谱资源的频率复用因子均在[0,1]区间内取值。上述公式为一个非确定性多项式问题，直接求解比较困难，故提出一种基于FFR的资源分配算法求解该问题。

假设每个传输时间间隔中CSI不变且已知，在每个传输时间间隔中，基站根据用户信道增益分配给每个用户不同的子带。为简化模型，采用如图3所示的三小区场景进行描述，以cell1为例，CCU分配F1资源，ECU分配F2资源(cell2中ECU分配F3资源，cell3中ECU分配F4资源)，CDU复用F3、F4资源，EDU分配F1、F3、F4资源，cell1与cell2间的跨小区D2D用户复用F1、F4资源，其中F1、F2、F3、F4分别占系统带宽的1/4。

按照上述分配规则给蜂窝用户分配相应的频谱资源，如图4所示，先根据蜂窝用户的信干噪比与蜂窝用户信干噪比阈值的关系，判断其用户类型(中心用户或边缘用户)。中心蜂窝用户分配F1资源，边缘蜂窝用户分别分配F2、F3、F4资源，保证相邻小区蜂窝用户不使用相同的频谱资源，从而抑制相邻小区间的同频干扰。

进一步地，根据D2D用户信干噪比与D2D用户信噪比阈值的关系将D2D用户分为中心D2D用户、边缘D2D用户和跨小区D2D用户。不同类型的用户复用不同蜂窝用户的频谱资源，故在为某D2D用户对分配复用的频谱资源时，首先应判断该D2D用户的类型，并根据其D2D用户类型选择可复用的蜂窝用户的频谱资源，在已知D2D用户可复用的蜂窝用户资源以后，再分别对其进行后续的资源复用过程，如图5所示。

作为一个实例，在给定D2D用户对d_j和其所对应的备选复用蜂窝用户集合的前提下，D2D资源复用算法为：

1)充分考虑和对蜂窝用户和D2D用户信干噪比的影响，计算C_C中所有蜂窝用户c_i(c_i∈C_C)的信干噪比

2)按由大到小对C_C中的蜂窝用户进行降序排列；

3)对所有c_i∈C_C，依次判断是否大于蜂窝用户正常通信的门限值若满足，则可复用该蜂窝用户的频谱资源，否则，不可复用该蜂窝用户的频谱资源，由此得到可复用的蜂窝用户组成蜂窝用户集C_C′。

4)对3)中得到的可复用的蜂窝用户集C_C′，计算D2D用户对d_j的信干噪比判断其是否满足若满足，则计算其复用蜂窝用户c_i的频率复用因子并计算和进一步判断是否大于即判断引入D2D通信能否带来系统吞吐量的增加，若满足，则以该复用比例Q_ck″复用蜂窝用户c_i的频谱资源，该步骤得可复用蜂窝用户集C_C″。

5)对步骤4)中得到的可复用的蜂窝用户集C_C″，按由大到小进行降序排列，选取前K个吞吐量最大的蜂窝用户的频谱资源进行复用，否则d_j复用C_C″中所有蜂窝用户的频谱资源，同时输出其对应的频率复用因子

6)循环步骤1到步骤5，直到所有的D2D用户分配完成，该算法执行完毕。

为验证该算法对蜂窝用户通信性能的影响，本文引入了蜂窝用户通信稳定性这一概念，D2D引入蜂窝通信系统后对蜂窝用户吞吐量的影响大小直接决定蜂窝用户的通信稳定性，故定义稳定性S的计算公式如下所示，

其中r_original、r_final分别表示D2D通信引入蜂窝通信系统前、后，蜂窝用户的吞吐量大小。

如图6所示，分别选取K＝1,3,5,8时，K表示一对D2D用户可以复用的蜂窝用户的个数，验证蜂窝用户的通信稳定性，K＝1表示一个D2D用户只能复用一个蜂窝用户的频谱资源，现有的FFR算法采用的就是这种一对一的复用模式。K＝1时D2D用户对蜂窝用户的干扰都集中在一个蜂窝用户上，干扰较大。K>1表示一个D2D用户可以复用多个蜂窝用户的频谱资源。采用此方式可以将D2D用户对蜂窝用户的干扰分到多个蜂窝用户上，降低对单个蜂窝用户的干扰，提升蜂窝用户的通信稳定性。。其中，D2D对数为3对。下面对仿真结果进行分析：

从横向来看，当K值固定定时，随着D2D用户SNR的增大，蜂窝用户的稳定性逐渐降低。特别地，当D2D用户只复用单个蜂窝用户的频谱资源时，D2D用户会对该蜂窝用户产生严重的干扰，严重影响蜂窝用户的通信稳定性。这显然是可以理解的，因为D2D用户的SNR越大，对蜂窝用户的干扰就越强，那么蜂窝用户的稳定性越弱是理所当然的。

从纵向来看，随着被复用的蜂窝用户个数的增加(相同D2D对数时K从1到8)，蜂窝用户的稳定性有显著的提升，说明随着K值的增加蜂窝用户的稳定性越来越好；原因在于D2D用户复用多个蜂窝用户的频谱资源可将干扰分配在多个蜂窝用户上，从而减小对单个蜂窝用户的干扰，进而增强蜂窝用户的稳定性，且复用的蜂窝用户数越多，蜂窝用户的稳定性越强。

通过实验可以表明本发明D2D用户复用多个蜂窝用户的频谱资源能够明显降低D2D通信对蜂窝用户的干扰，并可以显著提升系统容量。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.多小区D2D频谱资源分配方法，其特征在于：包括确定该设备到设备D2D用户的用户类型，根据D2D用户类型确定该D2D用户的备选蜂窝用户，以最大化系统吞吐量为目标，选择该D2D最终的复用蜂窝用户及对应的频率复用因子。

2.根据权利要求1所述多小区D2D频谱资源分配方法，其特征在于：所述确定该设备到设备D2D用户的用户类型包括：根据D2D用户信干噪比将D2D用户分为中心D2D用户CDU和边缘D2D用户，所述边缘D2D用户根据是否跨小区又被分为小区边缘D2D用户EDU和跨小区D2D用户IDU。

3.根据权利要求2所述多小区D2D频谱资源分配方法，其特征在于：所述根据D2D用户信干噪比将D2D用户分为中心D2D用户CDU和边缘D2D用户包括：计算D2D用户对的信干噪比，若大于D2D用户信噪比阈值，则表示该D2D用户为中心D2D用户，否则为边缘D2D用户。

4.根据权利要求3所述多小区D2D频谱资源分配方法，其特征在于：所述D2D用户对的信干噪比计算方式如下：

${\mathrm{\γ}}_{d_j}=\frac{P_{d_j}^k{G}_{dd}^k}{N_0+I+\underset{c_i\∈C}{\mathrm{\Σ}}{P}_{c_i}^k{G}_{c_i,d_j}^k}$

其中，表示D2D用户对的信干噪比，是小区k中蜂窝用户i的发射功率，表示蜂窝用户i到D2D用户j的信道增益，是小区k中D2D用户j的发射功率，表示小区k中两D2D用户之间的信道增益，N₀和I分别表示噪声功率和小区间的噪声干扰功率，C表示蜂窝用户的集合。

5.根据权利要求1所述多小区D2D频谱资源分配方法，其特征在于：所述根据D2D用户类型确定该D2D用户的备选蜂窝用户包括：将中心D2D用户CDU的备选蜂窝用户定为相邻小区的ECU；小区边缘D2D用户EDU的备选蜂窝用户定为CCU和相邻小区的ECU；跨小区D2D用户IDU的备选蜂窝用户定为CCU和两跨小区所相邻的ECU，即除两跨小区以外的ECU。

6.根据权利要求1所述多小区D2D频谱资源分配方法，其特征在于：所述以最大化系统吞吐量为目标，选择该D2D最终的复用蜂窝用户及对应的频率复用因子包括：选取使系统吞吐量最大的复用蜂窝用户集中的部分或全部蜂窝用户，输出其对应的频率复用因子。

7.根据权利要求1所述多小区D2D频谱资源分配方法，其特征在于：所述系统吞吐量最大为：

$\underset{Q_{c_i}^{d_j}}{max}\left\{r_{sum}\right\}$

$r_{sum}=\underset{c_i\∈C}{\mathrm{\Σ}}\[\left(1-\underset{d_j\∈D}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{c_i}^{d_j}\right)m_{c_i}{\tilde{r}}_{c_i}+\underset{d_j\∈D}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{c_i}^{d_j}{m}_{c_i}{r}_{c_i}\]+\underset{d_j\∈D}{\mathrm{\Σ}}\left(\underset{c_i\∈C}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{c_i}^{d_j}{m}_{c_i}{r}_{d_j}\right)$

其中，r_sum为系统吞吐量，表示蜂窝用户和D2D用户的吞吐量之和；表示蜂窝用户c_i被复用部分频谱资源的吞吐量，表示蜂窝用户c_i未被复用部分频谱资源的吞吐量，表示任一D2D用户的吞吐量；为目标函数，β是频率复用因子的归一化系数，K表示可被复用资源的蜂窝用户个数，表示信道增益，为蜂窝用户i与D2D用户j之间的距离，α表示路径损耗指数因子，G₀为归一化常数；表示被复用的蜂窝用户的吞吐量，表示未被复用的蜂窝用户的吞吐量，表示D2D用户的吞吐量，C表示蜂窝用户的集合，D表示D2D用户的集合。