CN106878931A - 全双工d2d通信资源分配方法及装置 - Google Patents

全双工d2d通信资源分配方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及移动通信领域，特别涉及一种全双工D2D通信资源分配方法及装置，所述方法将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，对蜂窝网络中的用户进行初选，如果蜂窝用户和D2D用户之间可以进行频谱资源共享则构建蜂窝用户集合和D2D用户集合的二分图，为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配，采用本发明可以在多D2D用户对和多个蜂窝用户同时存在的系统中，提高吞吐量降低复杂度。

Description

全双工D2D通信资源分配方法及装置
技术领域
本发明涉及通信频谱资源分配技术领域，特别是涉及一种全双工蜂窝终端直通(Device-to-device，简称D2D)通信资源分配方法及装置。
技术背景
随着移动通信技术的飞速发展和各种智能设备的迅速普及，移动数据业务量呈现出爆炸式增长，因而对无线通信的数据业务速率提出了更高的需求。D2D通信作为一种新型的蜂窝终端直通通信技术，它允许位置距离相近的两个用户无需经过基站或者接入点转发而直接通信。与传统蜂窝通信方式相比，D2D通信减轻了基站或者接入点的负载，提高了系统的频谱效率，延长了设备的电池寿命。因此，D2D通信技术引起国内外的广泛关注。而将全双工通信技术运用到D2D通信中，进一步增大了D2D通信系统吞吐量。由于D2D用户共享蜂窝频谱从而导致系统中用户间产生同频干扰，用户服务质量将受到较大影响，系统容量也随之降低。因此，设计合理抑制用户间干扰的资源分配方法是实现D2D通信的关键。
目前全双工D2D频谱资源分配方法主要有：
AliS和Nandana Rajatheva等人在文献Effect of Interference of Full-Duplex Transmissions in Underlay Device-to-DeviceCommunication[C].IEEE 14thCanadian Workshop on Information Theory(CWIT),2015:54-57中提出了一种多个D2D对复用单个蜂窝用户资源的方案，其以最大化蜂窝系统中D2D用户数量为目标，但是该方案并未涉及D2D用户间的同频干扰，与实际场景相差较大。
之后，Xiaomeng Chai等人在文献Throughput Improvement in CellularNetworks Via Full-Duplexbased Device-to-Device Communications[C].IEEE Access,Year:2016,Volume:PP,Issue:99中提出了一种蜂窝链路动态保护机制，该机制提前设置蜂窝通信保护区域，在引入全双工D2D通信的同时，有效地保证了蜂窝用户的服务质量,提高了频谱利用率，但是该系统只考虑一对D2D用户与一个蜂窝用户存在的情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是多D2D用户对和多个蜂窝用户同时存在的的全双工D2D通信资源分配，具有高吞吐量低复杂度特点。
本发明一种全双工D2D通信资源分配方法，包括：
确定能被多个D2D用户对复用的多个蜂窝信道资源；
将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户与D2D用户数量；
使用二分图原理，如果蜂窝用户和D2D用户之间可以进行频谱资源共享，则将它们之间进行连线，分别遍历可参与资源复用的蜂窝用户集合和D2D用户集合，完成二分图构建；
为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配；
将已经完成资源匹配的蜂窝用户与D2D用户分别移出蜂窝用户与D2D用户集合，直到两个集合之一为空集，则完成蜂窝网络的资源匹配。
本发明一种全双工D2D通信资源分配装置，包括：
蜂窝信道资源确定单元，用于确定能被多个D2D用户对复用的多个蜂窝信道资源；
用户初选单元，用于将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户与D2D用户数量；
二分图构建单元，如果蜂窝用户和D2D用户之间可以进行频谱资源共享，则将它们之间进行连线，分别遍历可参与资源复用的蜂窝用户集合和D2D用户集合，完成二分图构建；
用户资源分配单元，用于为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配；
用户管理单元，将已经完成资源匹配的蜂窝用户与D2D用户分别移出蜂窝用户与D2D用户集合，直到二分图两个集合之一为空集，则完成蜂窝网络的资源匹配。
与现有技术相比，本发明将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，对蜂窝网络中的用户进行初选，如果蜂窝用户和D2D用户之间可以进行频谱资源共享则构建蜂窝用户集合和D2D用户集合的二分图，为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配，采用本发明可以在多D2D用户对和多个蜂窝用户同时存在的系统中，提高吞吐量降低复杂度。
附图说明
图1是本发明全双工D2D通信资源分配方法优选实施例流程示意图；
图2是本发明D2D复用蜂窝上行资源的系统模型示意图；
图3是本发明D2D资源分配的二分图模型；
图4是本发明全双工D2D通信资源分配装置优选实施例结构示意图。
图5是本发明与现有技术最优匹配算法复杂度对比图；
图6是本发明与最优匹配算法、随机匹配算法性能对比图。
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。
图1描述了本发明本发明全双工D2D通信资源分配方法优选实施例流程示意图。
确定能被多个D2D用户对复用的多个蜂窝信道资源；
优选地，多个蜂窝信道资源是根据获取到的多个D2D发送端和蜂窝用户各自的QoS需求和收到的干扰确定的。
基站端通过公共控制信道获取关于蜂窝用户和D2D用户对的位置信息，并形成蜂窝用户集合C和D2D集合D；所述D2D用户对包括D2D发送端和D2D接收端，D2D发送端和D2D接收端之间以全双工通信模式复用蜂窝上行资源，蜂窝用户通过基站转发通信。
D2D发送端和蜂窝用户通过公共控制信道将各自的服务质量QoS需求和收到的干扰上报给基站，将蜂窝网络中各用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户与D2D用户数量；
优选地，具体包括：
将蜂窝用户的信干噪比与基站为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，如果该蜂窝用户的信干噪比大于等于基站为该用户设定的信干噪比门限值，则确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户；
将D2D用户的信干噪比与基站为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，如果该D2D用户的信干噪比大于等于基站为该用户设定的信干噪比门限值，则确定能够参与频谱资源复用的D2D用户；
蜂窝网络中用户(蜂窝用户和D2D用户)的信干噪计算采用本领域常用方式，不再详述。基站为蜂窝用户设定的信干噪比门限值为γc,thes，基站为蜂窝用户设定的信干噪比门限值为γD2D,thes，见下文所述。
使用二分图原理，如果蜂窝用户和D2D用户之间可以进行频谱资源共享，则将它们之间进行连线。分别遍历可参与资源复用的蜂窝用户集合和D2D用户集合，完成二分图构建；
根据二分图中D2D用户与蜂窝用户的对应连线关系，将与第i个D2D用户所连接的总边数记为Si；同理，根据蜂窝用户与D2D用户的对应连线关系，将与第j个蜂窝用户所连接的总边数记为Tj；
作为实例，如图3所举例的二分图模型中S1＝2，SM＝2，T1＝2，TN＝2；
将上述所有D2D用户的Si(i＝1,2,…,N)数值依次升序排列I＝{I1,I2,...}；
优先为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配；
优选地，在挑选蜂窝用户与该D2D用户进行资源匹配时需遵循两个原则：1.挑选与此对D2D用户之间存在连线的蜂窝用户；2.该蜂窝用户的连线数Tj最小；因此，首先为集合I中的第一对D2D用户(即第一个元素I1)进行资源分配，选出一个(记为第j′个)蜂窝用户的频谱资源能被该对D2D用户进行匹配且其资源能被数量最少D2D用户复用(即Tj′数值最小)，即完成一次资源匹配；
优选地，D2D用户对以全双工通信模式复用蜂窝上行资源。
将已经完成资源匹配的蜂窝用户与D2D用户分别移出集合C与D，继续按照优先为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配，直到集合C或者集合D中的某一个成为空集，则停止资源匹配；
根据香农公式，计算出此时蜂窝系统的总吞吐量，用式(1)表示如下：
(1)式中，B为蜂窝系统的带宽；vi,j为资源分配系数，定义如下
(1)式中，定义为参与资源共享的蜂窝用户信干噪比，即
为第j个蜂窝用户的发射功率，为蜂窝用户与基站之间的链路增益，N0高斯白噪声功率，为第i对D2D链路中第l个D2D用户的发射功率，为第i对D2D用户中第l个D2D用户与基站之间的链路增益，γc,thes为基站为蜂窝用户设定的信干噪比门限；根据上述所述可知
(1)式中，定义为D2D用户信干噪比，即
定义为第i对D2D用户中第z(z∈{1,2},z≠l)个D2D用户的发射功率，gi为第i对D2D用户之间的链路增益SIi,l为第i对D2D用户中第l个D2D用户的自干扰，为j个蜂窝用户对第i对D2D用户中第l个D2D用户的干扰功率；γD2D,thes为基站为D2D用户设定的信干噪比门限；根据上文所述可知
(1)式中，为定义未被共享资源的蜂窝用户的信噪比吞吐量，即
本发明一种全双工D2D通信资源分配装置，如图4所示，包括：
蜂窝信道资源确定单元，用于确定能被多个D2D用户对复用的多个蜂窝信道资源；
用户初选单元，用于将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户与D2D用户数量；
二分图构建单元，如果蜂窝用户和D2D用户之间可以进行频谱资源共享，则将它们之间进行连线，分别遍历可参与资源复用的蜂窝用户集合和D2D用户集合，完成二分图构建；
用户资源分配单元，用于为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配；
用户管理单元，将已经完成资源匹配的蜂窝用户与D2D用户分别移出蜂窝用户与D2D用户集合，直到二分图两个集合之一为空集，则完成蜂窝网络的资源匹配。
本发明全双工D2D通信资源分配装置各个部件的实施方式可以参考上文全双工D2D通信资源分配方法的相关部分，不再赘述。
图2本发明D2D复用蜂窝上行资源的系统模型示意图，假设在单个小区内(图中圆圈表示的小区)，基站BS位于小区中心，小区内有N个蜂窝用户和M对D2D用户，定义蜂窝用户集合为C＝{CUE1,CUE2,...,CUEN}，D2D集合为D＝{D2D1,D2D2,...,D2DM}，图中D1、D2用户对表示为D1、D2。蜂窝用户通过基站转发通信，D2D用户以全双工通信模式复用蜂窝上行资源。
图3本发明本发明D2D资源分配的二分图模型。将该系统看作一个节点加权的无向二分图G＝(V1,V2,W)来表示蜂窝用户和D2D对之间的关系。顶点集V1＝(x1,x2,…,xm)表示D2D用户对的集合，顶点集合V2＝(y1,y2,…,yn)表示蜂窝用户的集合，边权集和为W。如果蜂窝用户与D2D用户共享同一信道，则在顶点集V1、V2分别取两个元素形成一个映射，在图中将这两点连接一条直线，这条连线的边权w(xi,yj)∈W表示蜂窝用户yj与D2D用户对xi共享信道资源时的吞吐量之和，即：w(xi,yj)＝Ri,j。遍历操作得到二分图。若D2D用户对xi与蜂窝用户yj共享信道资源时，基站不能正常接收到蜂窝用户的信号且D2D用户无法正常通信，即不满足和则其边权为0。
图5是本发明与现有技术最优匹配算法复杂度对比图，从图可以看出，在系统用户个数为10时，本发明算法与现有最优匹配算法有两个数量级的复杂度降低。与传统最优匹配方法相比，本方法在系统性能略有损失如图6所示，而算法复杂度由Ο(M+N)3降低至Ο(M+N)。
图6描述了本发明与最优匹配算法和随机匹配算法性能对比图，展示了自干扰消除值对系统吞吐量的影响。
从图6中得知，系统带宽为10MHz，蜂窝系统中有10个蜂窝用户，8对D2D用户，蜂窝用户信干噪比门限值γc,thes＝2dB，D2D用户信干噪比门限值γD2D,thes＝0dB。可以看出，系统的吞吐量随自干扰值消除值的增大而增大。在自干扰消除值为110dB时，本发明算法与现有最优匹配算法有5.5％的吞吐量损失。本发明算法与现有随机匹配算法有6.3％量的吞吐量增益。
由以上本发明所述可以看出，本发明所提供的用于全双工D2D通信资源分配的方法和装置，可以在多D2D用户对和多个蜂窝用户同时存在的系统中，提高吞吐量降低复杂度。
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 (10)

1.一种全双工D2D通信资源分配方法，其特征在于，包括：
确定能被多个D2D用户对复用的多个蜂窝信道资源；
将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户与D2D用户数量；
使用二分图原理，如果蜂窝用户和D2D用户之间可以进行频谱资源共享，则将它们之间进行连线，分别遍历可参与资源复用的蜂窝用户集合和D2D用户集合，完成二分图构建；
为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配；
将已经完成资源匹配的蜂窝用户与D2D用户分别移出蜂窝用户与D2D用户集合，直到两个集合之一为空集，则完成蜂窝网络的资源匹配。
2.根据权利要求1所述全双工D2D通信资源分配方法，其特征在于，多个蜂窝信道资源是根据获取到的多个D2D发送端和蜂窝用户各自的QoS需求和收到的干扰确定的。
3.根据权利要求1所述全双工D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户与D2D用户数量，包括：
将蜂窝用户的信干噪比与基站为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，如果该蜂窝用户的信干噪比大于等于基站为该用户设定的信干噪比门限值，则确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户；
将D2D用户的信干噪比与基站为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，如果该D2D用户的信干噪比大于等于基站为该用户设定的信干噪比门限值，则确定能够参与频谱资源复用的D2D用户。
4.根据权利要求1所述全双工D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配，包括在挑选蜂窝用户与该D2D用户进行资源匹配时要求挑选与此对D2D用户之间存在连线的蜂窝用户且该蜂窝用户的连线数最小。
5.根据权利要求1所述全双工D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述D2D用户对以全双工通信模式复用蜂窝上行资源。
6.一种全双工D2D通信资源分配装置，其特征在于，包括：
蜂窝信道资源确定单元，用于确定能被多个D2D用户对复用的多个蜂窝信道资源；
用户初选单元，用于将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户与D2D用户数量；
二分图构建单元，如果蜂窝用户和D2D用户之间可以进行频谱资源共享，则将它们之间进行连线，分别遍历可参与资源复用的蜂窝用户集合和D2D用户集合，完成二分图构建；
用户资源分配单元，用于为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配；
用户管理单元，将已经完成资源匹配的蜂窝用户与D2D用户分别移出蜂窝用户与D2D用户集合，直到二分图两个集合之一为空集，则完成蜂窝网络的资源匹配。
7.根据权利要求1所述全双工D2D通信资源分配装置，其特征在于，蜂窝信道资源确定单元中多个蜂窝信道资源是根据获取到的多个D2D发送端和蜂窝用户各自的QoS需求和收到的干扰确定的。
8.根据权利要求1所述全双工D2D通信资源分配装置，其特征在于，用户初选单元所述将蜂窝网络中所有用户的信干噪比与基站分别为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户与D2D用户数量，包括：
将蜂窝用户的信干噪比与基站为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，如果该蜂窝用户的信干噪比大于等于基站为该用户设定的信干噪比门限值，则确定能够参与频谱资源复用的蜂窝用户；
将D2D用户的信干噪比与基站为该用户设定的信干噪比门限值进行对比，如果该D2D用户的信干噪比大于等于基站为该用户设定的信干噪比门限值，则确定能够参与频谱资源复用的D2D用户。
9.根据权利要求1所述全双工D2D通信资源分配装置，其特征在于，用户资源分配单元中所述为二分图中连接边数最少的D2D用户进行资源分配，包括在挑选蜂窝用户与该D2D用户进行资源匹配时要求挑选与此对D2D用户之间存在连线的蜂窝用户且该蜂窝用户的连线数最小。
10.根据权利要求1所述全双工D2D通信资源分配装置，其特征在于，用户管理单元中所述已经完成资源匹配的蜂窝用户对以全双工通信模式复用蜂窝上行资源。
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