CN107155216A - 一种基于多小区公平性的d2d通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多小区公平性的D2D通信方法，包括以下步骤：根据速率提升比最大化确定D2D终端数量；根据蜂窝终端的发射功率、所述蜂窝终端的SINR阈值以及所述D2D终端的SINR阈值，确定所述D2D终端最大发射功率；根据小区间公平性的方法进行所述D2D终端的资源分配。本发明的D2D通信方法能够合理配置小区中蜂窝终端与D2D终端的比例，协调不同小区间D2D终端的资源分配，保证D2D终端间资源配置的公平性。

Description

一种基于多小区公平性的D2D通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别地，涉及多小区基于分数频率复用的一种蜂窝网络中的D2D(Device-to-Device)通信系统复用蜂窝上行链路资源的模式选择、资源分配及功率控制的通信方法。

背景技术

随着无线通信的快速发展以及多媒体业务的大量普及，移动互联网成为了社会生活中不可或缺的重要组成部分；作为移动互联网的主要载体，蜂窝通信系统承载的信息已经从文本、语音等简单的格式，发展为图片、视频、语音等相结合的形式。这对蜂窝通信系统是一个极大的挑战。

在分数频率复用蜂窝网络中引入D2D(Device-to-Device)通信系统可以在基站辅助下实现设备间短距离通信，具有提高频谱效率、提高通信速率、减低小区负载、减少电池消耗、提高网络QoS。

图1所示为蜂窝网络中部分频率复用小区结构示意图。如图所示，在多小区场景中，采用部分频率复用的蜂窝网络可以为不同小区的中心区域用户分配同一频率资源，而边缘区域用户分配不同的频谱资源，这样的资源分配方式可以有效的避免干扰；但是，边缘蜂窝终端的信道条件仍然无法完全得到保证，部分蜂窝终端可能因为信道质量不好而严重影响其通信质量，而引入D2D通信，则由于其短距离通信的优点可以极大地改善这一问题，于是对于采用蜂窝模式还是D2D模式成为一个研究问题；并且，现有文献基于部分频率复用的蜂窝网络，通过功率控制协调了蜂窝通信系统以及D2D系统之间的干扰，利用中断概率确定了D2D终端的可接入区与可复用信道资源区；在对现有方法进行分析后，发现文献所提方法未涉及到不同小区间D2D终端复用资源的协调，小区间D2D终端距离较近，在某些情况下可能产生资源竞争而导致部分D2D终端不能够复用到资源，产生小区间D2D资源分配不公平的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种基于多小区公平性的D2D通信方法，为解决边缘蜂窝终端信道条件差而导致正常通信受影响甚至不能够通信和现在研究未涉及小区间的协调而导致的D2D对之间资源分配不均匀而导致的部分D2D终端无法获取频谱资源的问题。

该D2D通信方法包括根据速率提升比β^l最大化确定D2D终端数量；根据蜂窝终端的发射功率、所述蜂窝终端的SINR阈值以及所述D2D终端的SINR阈值，确定所述D2D终端最大发射功率；根据小区间公平性的方法进行所述D2D终端的资源分配。

为实现上述基于多小区公平性的D2D通信方法，其中，通过所述速率提升比β^l最大化确定所述D2D终端SINR阈值γ_D,min，具体包括：

根据所述速率提升比β^l确定所述蜂窝终端的SINR阈值γ_C,min，当γ_C,min增大，则判断γ_C,min增大时，β^l增加是否成立；如判断β^l增加，则γ_C,min增大；如判断β^l减少，则γ_C,min减少；当γ_C,min减少时，则判断β^l增加是否成立；如判断β^l增加，则γ_C,min减少；如判断β^l减少，则γ_C,min增大；

根据所述蜂窝终端SINR阈值γ_C,min确定所述D2D终端数量，根据所述小区l中所述蜂窝终端n的发射功率获得所述蜂窝终端n的SINR值与满足所述蜂窝终端正常通信SINR阈值γ_C,min比较，若满足则以蜂窝方式通信；不满足则转为D2D模式通信，由此可得所述D2D终端的转化率

式中，表示所述D2D终端数量，N^l表示小区中终端总量。

为实现上述基于多小区公平性的D2D通信方法，其中，所述速率提升比，

式中，N^l表示蜂窝终端数，和分别表示所述D2D终端生成前小区l内所述蜂窝终端的平均速率、所述D2D终端生成后小区l内所述蜂窝终端平均速率及所述D2D终端的平均速率。

为实现上述基于多小区公平性的D2D通信方法，其中，根据蜂窝终端的发射功率、蜂窝终端的SINR阈值以及所述D2D终端的SINR阈值，确定所述D2D终端最大发射功率，具体包括：

根据所述D2D终端复用每个RB的正常通信的SINR阈值γ_D,min获得D2D终端最小发射功率

假定邻小区所述蜂窝终端以最大发射功率获得D2D发射端(D2D-Tx)在此情况下最大发射功率确定D2D-Tx的发射功率

式中，表示D2D-Tx的最大发射功率。

为实现上述基于多小区公平性的D2D通信方法，其中，根据各小区所述蜂窝终端占用资源情况，由资源矩阵N′_null获得空闲资源矩阵N″_D2D，

N″_D2D∈{N_null,N_fir,N_sec}；

式中，N_null、N_fir、N_sec分别表示全空闲、以及空闲、二级空闲三种资源状态，复用优先级排序，

为实现上述基于多小区公平性的D2D通信方法，其中，根据小区间公平性的方法进行所述D2D终端的资源分配，公平性指标

其中，表示为第l个小区的EDU用户平均速率，

式中，表示第l个小区中EDU用户速率集合，F表示小区中EDU用户总数，分别表示小区1、2、3中所述D2D终端平均速率；

为实现上述基于多小区公平性的D2D通信方法，其中，所述D2D终端资源分配：

获取空闲资源矩阵N″_D2D，小区l的所述D2D终端数目获得D2D终端复用N″_D2D中RB的SINR值并生成矩阵N_SINR；小区l的调度优先级判断小区l调度优先级是否最大；如果q最大，则为小区l分配RB；如判断q不是最大，则转向下一小区，直到确定q最大的小区l；搜寻SINR值最小的D2D终端k＝arg min{N_SINR}，复用N″_D2D中优先级最高的RB；直到所有RB均分配给D2D终端。

如上所述，本发明的基于多小区公平性的D2D通信方法，具有以下有益效果：

(1)合理配置小区中蜂窝终端与D2D终端的比例；

(2)协调不同小区间D2D终端的资源分配，保证D2D终端间资源配置的公平性。

附图说明

图1显示为蜂窝网络中D2D通信的一种应用场景示意图；

图2显示为基于多小区公平性的D2D通信方法整体流程图

图3显示为基于速率提升比最大化确定D2D终端数量流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体事例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所披露的内容轻易地了解本发明的其他优点和功效；本发明还可以通过其他不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各种细节也可以基于不同的观点及应用，在没有背离本发明的精神下进行各种改变或修饰。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施的各组件的数目、形状及比例可根据实际情况改变，且组件布局形态可能更为复杂。

本发明提供了一种基于多小区公平性的D2D通信方法，该方法如图1所示，包括：

该系统为多小区分数频率复用系统，其中，小区中心区域蜂窝终端占用F1频谱资源，各小区中心区域资源相同，相邻小区边缘用户分别分配F2、F3及F4三种频谱资源；位于边缘区域的蜂窝终端一定程度上避免了邻小区干扰，但因处于小区边缘，路径损耗较大同样存在一部分蜂窝终端信道条件不佳的情况。通过合理设定SINR阈值，将部分不能正常通信的蜂窝终端与邻近终端组合为D2D对进行通信，可以在一定程度上改善以上问题；而对于多小区边缘区域，因原有部分蜂窝终端转为D2D方式通信，释放部分资源，同时，D2D终端可以复用小区中蜂窝终端资源，因而不同小区间D2D终端间形成竞争关系，通过有效的功率控制以及资源分配手段可消除竞争带来的资源分配不均。

如图2所示，基于多小区公平性的D2D通信方法具体包括：

S11、初始化所述蜂窝终端SINR阈值γ_C,min，获取小区l的所述D2D终端数目 由此可得所述D2D终端的转化率为

S12、获取所述D2D终端的发射功率

S13、分别计算所述D2D终端生成前小区l内所述蜂窝终端的平均速率所述D2D终端生成后小区l内所述蜂窝终端平均速率及所述D2D终端的平均速率

由此，可得到D2D终端生成后小区l内所有终端的速率提升比例θ′_l，

S14、以最大化为目标对所述D2D终端进行资源分配；

S15、随着的提升，D2D终端获得更多资源，系统整体速率会随之改变。因此采用速率提升因子β^l表示D2D用户比例的增加带来小区内系统容量的改变，计算得到速率提升比β^l，

与S11、S13公式相结合，得到β^l表达式，

S16、根据所得到的β^l最大化的目标，计算及γ_C,min；根据重新获得的及γ_C,min，计算D2D终端的发射功率，继续下一步流程；

其中，S16根据速率提升比最大化的目标，计算D2D终端数量具体包括：

S161、初始化蜂窝终端SINR阈值γ_C,min，D2D终端数目速率提升比β^l；

S162、增大γ_C,min，D2D终端数目随之上升；

S163、根据最大化为D2D终端分配资源；

S164、根据所获得D2D终端的资源分配，D2D终端的发射功率，判定β^l是否增大；

S162、S164判断则增大γ_C,min，D2D终端数目随之上升，继续下一步流程；

S165、S164判断则减小γ_C,min，D2D终端数目随之下降，继续下一步流程；

S166、根据最大化为D2D终端分配资源；

S167根据所获得D2D终端的资源分配，D2D终端的发射功率，判定β^l增大是否成立；

S165、S167判断则减小γ_C,min，D2D终端数目随之下降，继续下一步流程；

S162、S167判断则增大γ_C,min，D2D终端数目随之上升，继续下一步流程；

其中，S163(S166)以最大化为目标对所述D2D终端进行资源分配，具体包括：

S1631、初始化空闲资源矩阵N″_D2D∈{N_null,N_fir,N_sec}；

式中，N_null、N_fir、N_sec分别表示全空闲、以及空闲、二级空闲三种资源状态，复用优先级排序，

S1632、获取各个D2D终端的信道状态信息，确定每个D2D终端的调度优先级，具体地，

根据D2D终端信道增益信息从差到优依次排序，得到优先级从高到低排序为s＝{s₁,s₂,...,s_j}，其中，s表示D2D终端优先级，j表示D2D终端数量；

S1633、根据小区中D2D终端数量确定小区调度优先级，具体地，

按照D2D终端数量从大到小排序，得到优先级从高到低依次表示为q∈{q₁,q₂,...,q_l}，q表示小区优先级，l表示小区编号；

S1634、搜寻优先级q最高的小区，并优先为该小区的D2D终端分配资源，具体地，

若优先级最高的小区唯一，则直接为该小区D2D终端分配资源；若优先级最高的小区不唯一，则为多个优先级同样的小区的D2D终端分配资源；

S1635、选择优先级最高的D2D终端，并未其分配空闲资源矩阵N″_D2D中优先级最高的RB，分配给所述D2D终端，该D2D终端本轮终止调度，N″_D2D中该RB不再分配至其他D2D终端；

若所有待分配RB的D2D终端均以分配到RB，则结束本轮循环，并重新获取各个D2D终端的信道状态信息，确定每个D2D终端的调度优先级，并继续下一流程；

S1636、根据空闲资源矩阵状态，判定空闲资源矩阵是否调用完；

S1632、S1636判定则重新确定D2D各个终端的信道状态信息，确定剩余每个D2D终端的调度优先级，并继续下一步流程；

S1636判定为空闲资源矩阵已调用完。

Claims (8)

1.一种基于多小区公平性的D2D通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)根据速率提升比β^l最大化确定D2D终端数量；

b)根据蜂窝终端的发射功率、所述蜂窝终端的SINR阈值以及所述D2D终端的SINR阈值，确定所述D2D终端最大发射功率；

c)根据小区间公平性的方法进行所述D2D终端的资源分配。

2.根据权利要求1所述的基于多小区公平性的D2D通信方法，其特征在于，所述D2D终端SINR阈值γ_D,min通过所述速率提升比β^l最大化来确定，具体包括：

(2.1)根据所述速率提升比β^l确定所述蜂窝终端的SINR阈值γ_C,min，当γ_C,min增大，则判断γ_C,min增大时，β^l增加是否成立；如判断β^l增加，则γ_C,min增大；如判断β^l减少，则γ_C,min减少；当γ_C,min减少时，则判断β^l增加是否成立；如判断β^l增加，则γ_C,min减少；如判断β^l减少，则γ_C,min增大；

(2.2)根据所述蜂窝终端SINR阈值γ_C,min确定所述D2D终端数量，根据小区l中所述蜂窝终端n的发射功率获得所述蜂窝终端n的SINR值与满足所述蜂窝终端正常通信SINR阈值γ_C,min比较，若满足则以蜂窝方式通信；不满足则转为D2D模式通信，由此可得所述D2D终端的转化率

式中，表示所述D2D终端数量，N^l表示小区中终端总量。

3.根据权利要求2所述的基于多小区公平性的D2D通信方法，其特征在于，所述速率提升比，

式中，N^l表示蜂窝终端数，和分别表示所述D2D终端生成前小区l内所述蜂窝终端的平均速率、所述D2D终端生成后小区l内所述蜂窝终端平均速率及所述D2D终端的平均速率。

4.根据权利要求1所述的基于多小区公平性的D2D通信方法，其特征在于，根据蜂窝终端的发射功率、蜂窝终端的SINR阈值以及所述D2D终端的SINR阈值，确定所述D2D终端最大发射功率，具体包括：

根据所述D2D终端复用每个RB的正常通信的SINR阈值γ_D,min获得D2D终端最小发射功率

假定邻小区所述蜂窝终端以最大发射功率获得D2D发射端(D2D-Tx)在此情况下最大发射功率确定D2D-Tx的发射功率

式中，表示D2D-Tx的最大发射功率。

5.根据权利要求1所述的基于多小区公平性的D2D通信方法，其特征在于，根据各小区所述蜂窝终端占用资源情况，由资源矩阵N'_null获得空闲资源矩阵N″_D2D，

N″_D2D∈{N_null,N_fir,N_sec}；

式中，N_null、N_fir、N_sec分别表示全空闲、以及空闲、二级空闲三种资源状态，复用优先级排序，

。

6.根据权利要求1所述的基于多小区公平性的D2D通信方法，其特征在于，根据小区间公平性的方法进行所述D2D终端的资源分配，公平性指标

式中，表示所述小区l中所述D2D终端平均速率，分别表示小区1、2、3中所述D2D终端平均速率。

7.根据权利要求1所述的基于多小区公平性的D2D通信方法，其特征在于，所述D2D终端资源分配：

获取空闲资源矩阵N″_DD2D，小区l的所述D2D终端数目获得所述D2D终端复用N″_DD2D中RB的SINR值并生成矩阵N_SINR；越大，所述小区l的调度优先级q越高，判断所述小区l调度优先级是否最大；如果q最大，则为所述小区l分配RB；如判断q不是最大，则转向下一小区，直到确定q最大的小区l；搜寻SINR值最小的D2D终端k＝arg min{N_SINR}，复用N″_D2D中优先级最高的RB；直到所有RB均分配给D2D终端。

8.根据权利要求1所述的基于多小区公平性的D2D通信方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)所述蜂窝终端在服务基站S-eNB中注册，然后S-eNB通过X2接口向邻小区基站N-eNB告知所述蜂窝终端对资源的使用信息；

(2)所述邻小区基站N-eNB通过X2接口获取S-eNB中的资源占用情况；

(3)所述蜂窝终端通过GPS/A-GPS模块测量到位置信息并上报至S-eNB；

(4)所述蜂窝终端根据其SINR阈值，判定是否满足正常通信，若判定满足正常通信，则按蜂窝通信方式进行通信，若判定不满足SINR阈值需求，则转为D2D方式继续进行通信，并释放原有资源；

(5)所述D2D终端向S-eNB发送建立连接请求，并通过信号测量模块测量所述D2D终端周围符合D2D通信条件的蜂窝终端的链路质量信息，而被测的蜂窝终端则在给定的PRACH资源上进行监听，以便于所述D2D终端收集信息；

(6)S-eNB判定合适的蜂窝终端，与所述的D2D终端合成D2D对，并分别向所述D2D终端的发射端及接收端发射控制请求；

(7)所述D2D终端做好D2D通信准备，并通过功率控制模块得到发射端的发射功率信息，由发射端上报至S-eNB；

(8)S-eNB与N-eNB通过X2接口交互终端位置及发射功率等信息，通过调度模块确定小区及小区中D2D终端调度顺序及资源分配信息；

(9)S-eNB向本小区D2D终端通知D2D终端调度顺序及资源分配信息,并开始D2D通信。