CN107182116B - 全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法 - Google Patents

全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法，包括：根据给定的目标门限、发射功率及约束条件，得到发射用户的发射功率的新约束条件；简化得到蜂窝通信速率与上行用户发射功率的对应关系及上行用户发射功率的新约束条件；基于凸优化理论、KKT条件及蜂窝通信速率最大化原则，得到理论最优上行用户发射功率；获得相应最优的全双工基站发射功率、蜂窝通信速率；遍历目标门限下的发射功率，迭代求出最优全双工基站与上行用户的发射功率及蜂窝通信速率；检索最大值获得满足速率最优的发射用户、全双工基站的及上行用户的发射功率进行通信。所述控制方法能够降低通信链路之间的同频干扰并且提高系统通信效率。

Description

全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法
技术领域
本发明涉及蜂窝移动通信技术领域，特别是指一种全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法。
背景技术
蜂窝网络下的终端直通技术，即设备到设备(D2D)是指在不影响整体蜂窝网络运行的情况下，终端设备之间建立通信链路进行直接通信，而不通过基站中转的新型无线传输技术。通过引入D2D技术，能够减轻基站负担，减小传输时延，提高频谱利用率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题，进一步提升蜂窝网络性能。但是，当D2D链路复用蜂窝链路资源时，会产生复杂的同频干扰。若未对此干扰进行有效处理，引入D2D通信不仅无法提升系统性能，反而极有可能使原有蜂窝通信的质量下降。因此，合理地进行资源复用，对减少干扰的影响至关重要。
现有的研究方案中，控制资源复用场景下同频干扰的办法主要有信道分配与功率分配。对于信道分配方法，可通过基于图论与基于干扰受限区域方法的应用来具体实现。在基于图论的具体方法中，首先构建用户间干扰图描述用户间的干扰关系，然后使用点着色的方法，对蜂窝用户与D2D用户分配信道，从而降低计算复杂度且最优网络总容量。在基于干扰受限区域的方法中，首先基于D2D用户侧可容忍的最大干扰设置一个阈值，并基于该阈值设置一个区域，D2D用户复用该区域内的蜂窝用户频段就会受到不能忍受的干扰，因此D2D用户只能复用该区域外蜂窝用户的频段，然后基于容量最大化的原则分配最适合复用的蜂窝信道。对于功率分配方法，当D2D链路复用蜂窝链路时频资源且D2D发射用户还需工作在全双工以便协作转发蜂窝下行链路通信资源时，为缓解D2D链路与蜂窝链路间的干扰，可在保证蜂窝通信最小速率约束、基站发射功率约束、全双工D2D发射用户功率约束及两者的总发射功率约束条件下，通过对基站与全双工D2D发射用户处的功率合理分配来最大化D2D通信速率。
对于现有的基于图论进行信道分配来缓解D2D链路与蜂窝链路间干扰的办法，随着D2D用户以及蜂窝用户数的增加，其计算复杂度将大大增加，从而将降低整个系统的反应速度。当信道分配办法采用基于干扰受限区域的具体办法来实现时，由于D2D通信用户只能与区域外的蜂窝用户共用同一信道，则会限制蜂窝用户通信信道的分配，从而减小蜂窝用户调度自由度，降低蜂窝通信总容量。另外，对于现有通过功率分配办法在保证蜂窝速率的同时尽可能增加D2D通信速率的方法，其D2D发射用户工作在全双工的同时还需具有中继协作转发的功能，这样会造成D2D发射用户复杂度的增加，从而大大增加其制造成本。
因此，在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下缺陷：现有全双工蜂窝移动通信系统中所采用与D2D通信资源共享的方法存在算法计算效率低、用户调度自由度小及设备复杂度高的问题，不仅增加了通信系统复杂度，而且降低了系统控制同频干扰的有效性.
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法，能够在降低通信链路之间同频干扰的同时减小通信系统复杂度并且提高通信系统的功率效率。
基于上述目的本发明提供了一种全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法，包括：
根据预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的一个目标门限、半双工蜂窝上行用户与全双工基站的最大发射功率、半双工蜂窝上行用户与全双工基站的最小发射功率以及半双工D2D发射用户理论可行的发射功率约束条件，得到资源复用场景下半双工D2D发射用户的发射功率需满足的新约束条件；
基于给定的半双工D2D通信速率目标门限与该门限下基于新约束条件的可行半双工D2D发射用户的发射功率、全双工基站的最大与最小发射功率以及半双工蜂窝上行用户发射功率约束条件，简化得到全双工蜂窝通信速率与半双工蜂窝上行用户发射功率的对应关系及半双工蜂窝上行用户发射功率的新约束条件；
基于凸优化理论、卡罗需-库恩-塔克(KKT)条件以及全双工蜂窝通信速率最大化原则，计算得到该可行半双工D2D发射用户的发射功率所对应的理论最优半双工蜂窝上行用户发射功率；
结合全双工基站的发射功率与半双工蜂窝上行用户发射功率的联系，获得相应最优的全双工基站的发射功率；基于所求半双工蜂窝上行用户与全双工基站的发射功率，获得相应全双工蜂窝通信速率；
遍历半双工D2D通信速率目标门限下每一可行半双工D2D发射用户的发射功率，迭代求出每一可行半双工D2D发射用户的发射功率所对应的最优全双工基站与半双工蜂窝上行用户的发射功率及相应全双工蜂窝通信速率；
基于该半双工D2D通信速率目标门限获得全双工蜂窝通信速率集，检索其最大值，获得该半双工D2D通信速率目标门限下，满足全双工蜂窝速率最优的半双工D2D发射用户的发射功率、全双工基站的发射功率以及半双工蜂窝上行用户的发射功率进行通信。
进一步，所述基于该半双工D2D通信速率目标门限获得全双工蜂窝通信速率集的步骤还包括：
遍历预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的每一目标门限，迭代求得每一理论可达目标门限下，满足全双工蜂窝通信速率最优的半双工D2D发射用户发射功率、全双工基站发射功率以及半双工蜂窝上行用户发射功率；
基于该半双工D2D通信速率的理论可达目标门限范围中的所有目标门限求得的最优功率分配集合，检索其中符合全双工蜂窝通信发射功率的集合为最终的最优解。
可选的，全双工蜂窝移动通信系统中，全双工蜂窝通信速率的计算表达式及各发射设备的发射功率约束条件为：
其中，RC为全双工蜂窝上行通信速率与下行通信速率之和，PCu、PB、PDt分别为半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户的实际发射功率，分别为半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户最大的发射功率；pCu、pB、pDt分别表示对半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户的归一化发射功率；γCuB、γBCd、γDtB、γDtCd分别为半双工蜂窝上行用户到全双工基站的通信链路、全双工基站到半双工蜂窝下行用户的通信链路、半双工D2D发射用户到全双工基站的干扰链路、半双工 D2D发射用户到半双工蜂窝下行用户的干扰链路的信噪比(SNR)；hCuB、hBCd、hDtB、hDtCd为相应链路的信道衰落系数；gCuB＝|hCuB|2、gBCd＝|hBCd|2、gDtB＝|hDtB|2、gDtCd＝|hDtCd|2为相应链路的信道增益；σ2为热噪声参数；β表示残余自干扰对热噪声的提升系数；
半双工D2D通信速率的计算表达式为：
其中，RDtDr为半双工D2D通信速率，PCu、PB、PDt分别为半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户的实际发射功率，分别为半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户最大的发射功率； pCu、pB、pDt分别表示对半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户的归一化发射功率；γDtDr、γCuDr、γBDr分别表示半双工D2D的通信链路、半双工蜂窝上行用户到半双工D2D接收用户的干扰链路、全双工基站到半双工 D2D接收用户的干扰链路的信噪比；hDtDr、hCuDr及hBDr分别为相应链路的信道衰落系数；gDtDr＝|hDtDr|2、gCuDr＝|hCuDr|2及gBDr＝|hBDr|2分别表示相应链路的信道增益。
可选的，所述资源复用场景下半双工D2D发射用户的发射功率需满足的新约束条件的表达式为：
其中，RDT为预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的一个目标门限；a1、a2分别表示当半双工蜂窝上行用户与全双工基站的归一化发射功率都取最小值0或最大值1时半双工D2D发射用户采用的最大与最小发射功率。
可选的，还包括对半双工D2D通信速率的计算表达式进行转化，得到表达式并用s来简化表达：
其中，当RDT与pDt给定后，上述表达式将为一定值，即s为定值；
可选的，所述全双工蜂窝通信速率与半双工蜂窝上行用户发射功率的对应关系的计算表达式为：
b＝pDtγDtB；
c＝pDtγDtCd；
其中，β表示全双工基站处的残余自干扰将基站处的噪声提升的倍数；
半双工蜂窝上行用户发射功率的新约束条件为：
0≤pCu≤1；
或者半双工蜂窝上行用户发射功率的新约束条件为：
可选的，无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率的计算表达式为：
其中，为无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率。
可选的，通过无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率与其可取的约束区间，求得满足可取的功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率的方法包括：
判断无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率是否满足该发射用户发射功率的新约束条件；
若无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率满足相应发射功率的新约束条件，即
则满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优全双工基站发射功率的表达式为：
其中，为满足半双工蜂窝上行用户功率约束的最优半双工蜂窝上行用户发射功率，为满足全双工基站功率约束的最优全双工基站发射功率；
若无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率大于对应发射功率的新约束条件，即
则满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优全双工基站发射功率的表达式为：
若无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率小于对应发射功率的新约束条件，即
则满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优全双工基站发射功率的表达式为：
从上面所述可以看出，本发明提供的全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法，通过预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的一个目标门限和各发射设备的功率约束条件计算得到资源复用条件下半双工D2D发射用户的新功率约束条件，然后通过凸优化理论、KKT 条件以及全双工蜂窝通信速率最大化原则，计算得到理论最优的半双工蜂窝上行用户发射功率；基于相应的功率约束条件得到最优的半双工蜂窝上行用户发射功率及全双工基站发射功率，计算全双工蜂窝通信速率，进而选定各发射设备相应的最优发射功率进行无线通信；其中，对于半双工D2D通信速率所有理论可达目标门限求得的功率分配集合，选取其中符合全双工通信发射功率的集合为最终的最优解。因此，本申请所述的全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法能够同时优化半双工蜂窝上行用户、全双工基站及半双工D2D发射用户三者的发射功率，有效缓解半双工D2D通信链路与全双工蜂窝通信链路之间的同频干扰，从而在提高半双工D2D通信与全双工蜂窝通信速率的同时提升无线通信系统的功率效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的第一组信道增益取值对应的全双工蜂窝通信速率与 D2D通信速率关系示意图；
图3为本发明提供的第二组信道增益取值对应的全双工蜂窝通信速率与 D2D通信速率关系示意图；
图4为本发明提供的第二组信道增益取值对应功率情况的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
基于当前全双工蜂窝移动通信系统中存在的算法计算效率低、用户调度自由度小及设备复杂度高的问题，使得现有系统不仅增加了通信系统复杂度，而且也降低了系统控制同频干扰的有效性。本申请进一步包含半双工D2D通信与全双工蜂窝通信共享同一时频资源时的资源复用方法，包括分析D2D通信复用全双工蜂窝通信资源时存在更复杂同频干扰条件时，D2D通信与全双工蜂窝通信的信号及速率模型；构造可获得的蜂窝通信与D2D通信速率的优化函数并设计半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工D2D发射用户三者合理的功率分配策略求解优化函数，最终求得基于全双工蜂窝通信速率与 D2D通信速率的最优解。本申请实施例的目的在于，在半双工D2D通信与全双工蜂窝通信使用同一时频资源的通信场景下，对于半双工D2D通信与蜂窝通信间更复杂的同频干扰环境，提出一种有效的D2D通信资源复用方法缓解半双工D2D通信与全双工蜂窝通信间的同频干扰，同时提高该无线通信系统的功率效率。
具体的，本申请的优化过程主要包括：首先，依据给定的半双工D2D通信速率的理论可达目标门限范围中的一个目标门限与半双工蜂窝上行用户、全双工基站及半双工D2D发射用户的发射功率约束条件，更新半双工D2D 发射用户的发射功率需满足的新约束条件；然后，假设给定半双工D2D发射用户发射功率，从而将问题转化为一个含有半双工蜂窝上行用户与全双工基站发射功率的可用凸优化理论解的功率分配问题；其次，基于半双工蜂窝上行用户与全双工基站的发射功率与给定的半双工D2D通信目标门限与半双工 D2D发射用户发射功率的关系，将功率分配问题进一步转化为只含有半双工蜂窝上行用户发射功率的凹函数，基于凸优化理论与KKT条件求解出最优的半双工蜂窝上行用户发射功率，进而求解出全双工基站的最优发射功率；接着，依据最优的蜂窝速率获取最优的半双工D2D发射用户的发射功率；最后，在已求出的最优半双工蜂窝上行用户、全双工基站以及半双工D2D发射用户的发射功率集合中选取符合全双工蜂窝通信发射功率的集合，从而得到最终的最优解。
参照图1所示，为本发明提供的全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法的一个实施例的流程示意图。所述全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法包括：
步骤101，根据预先给定的半双工D2D通信速率的理论可达目标门限范围中的一个目标门限、半双工蜂窝上行用户与全双工基站的最大发射功率、最小发射功率以及半双工D2D发射用户理论可行的发射功率约束条件，得到资源复用场景下半双工D2D发射用户的发射功率需满足的新约束条件；也即，本申请基于预定的目标门限和原始的功率约束条件，可以进一步推导得到半双工D2D发射用户的发射功率的新约束条件。这样可以使得后续对于半双工 D2D发射用户的发射功率的推导和计算均能够处于预定通信速率和相应功率约束下，能够优化计算过程。
步骤102，基于给定的半双工D2D通信速率的理论可达目标门限范围中的一个目标门限与该门限下基于新约束条件的可行半双工D2D发射用户的发射功率、全双工基站的最大与最小发射功率以及半双工蜂窝上行用户发射功率约束条件，简化得到全双工蜂窝通信速率与半双工蜂窝上行用户发射功率的对应关系及半双工蜂窝上行用户发射功率的新约束条件；在半双工D2D发射用户的发射功率的新约束条件下，可以将其视为已知参数，然后可以对相应的公式进行简化计算，尤其是可以得到一些数值固定参数，有利于得到可靠的计算结果。这里可行是指可以获取得到的意思。
步骤103，基于凸优化理论、卡罗需-库恩-塔克(KKT)条件以及全双工蜂窝通信速率最大化原则，计算得到该可行半双工D2D发射用户的发射功率所对应的理论最优半双工蜂窝上行用户发射功率；也即，计算得到无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率；基于前述步骤的简化计算，能够进一步计算得到满足相应功率约束条件的半双工蜂窝上行用户发射功率。
步骤104，结合全双工基站发射功率与半双工蜂窝上行用户发射功率的联系，获得相应最优的全双工基站发射功率；基于所求半双工蜂窝上行用户与全双工基站的发射功率，获得相应全双工蜂窝通信速率；也即基于全双工蜂窝通信速率与半双工蜂窝上行用户发射功率的对应关系的函数特性，获得满足相应功率约束条件的半双工蜂窝上行用户发射功率及对应的全双工基站发射功率；
步骤105，遍历该半双工D2D通信速率目标门限下每一可行半双工D2D 发射用户发射功率，迭代求出每一可行半双工D2D发射用户发射功率所对应的最优全双工基站与半双工蜂窝上行用户的发射功率及相应全双工蜂窝通信速率；
步骤106，基于该半双工D2D通信速率目标门限获得全双工蜂窝通信速率集，检索其最大值，获得该半双工D2D通信速率目标门限下，满足全双工蜂窝速率最优的半双工D2D发射用户发射功率、全双工基站发射功率以及半双工蜂窝上行用户发射功率进行通信；也即，选出最优半双工蜂窝上行用户发射功率、全双工基站发射功率以及半双工D2D发射用户的发送功率进行通信，提高通信效率。
进一步，基于给定的半双工D2D通信速率的理论可达目标门限范围中所有目标门限所求得的最优功率分配集合，选择其中全双工基站发射功率与半双工蜂窝上行用户发射功率都不为0的最优半双工D2D用户发射功率、全双工基站发射功率以及半双工蜂窝上行用户发射功率，从而保证全双工通信链路始终处于工作状态。
由上述实施例可知，本申请提供的全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法，通过预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的一个目标门限和各发射设备的功率约束条件计算得到资源复用条件下半双工D2D发射用户的新功率约束条件，然后通过凸优化理论、KKT 条件以及全双工蜂窝通信速率最大化原则，计算得到理论最优的半双工蜂窝上行用户发射功率；最后，基于相应的功率约束条件得到最优的半双工蜂窝上行用户发射功率及全双工基站发射功率，计算全双工蜂窝通信速率，进而选定相应半双工D2D用户发射功率；求得半双工D2D通信速率每一理论可达目标门限所对应的各发射设备的最优发射功率，基于全双工通信链路需要始终处于工作状态的要求，选定各发射设备最终的最优发射功率。因此，本申请所述的全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法能够同时优化半双工蜂窝上行用户、全双工基站及半双工D2D发射用户三者的发射功率，有效缓解半双工D2D通信链路与全双工蜂窝通信链路之间的同频干扰，从而在提高半双工D2D通信与全双工蜂窝通信速率的同时提升无线通信系统的功率效率。
在本申请可选的实施例中，为了解决现有技术中存在的各种问题，本申请提供了一种全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法，包括：建立当半双工D2D通信复用全双工蜂窝链路通信时频资源且存在主要同频干扰时相应的速率表达式，依据速率表达式，通过同时对全双工基站、半双工蜂窝上行用户以及半双工D2D发射用户三者发射功率的控制，有效缓解相互间的同频干扰影响，在增加D2D通信速率与全双工蜂窝速率的同时提升整个系统的功率效率。
当半双工D2D通信与全双工蜂窝通信共享同一时频通信资源时，依据无线通信系统中的新干扰环境，全双工蜂窝通信速率表达式如下：
其中，等式右边的第一项代表全双工蜂窝上行链路通信速率，第二项则表示全双工蜂窝下行链路的通信速率，及分别为归一化后的半双工蜂窝上行用户、全双工基站及半双工蜂窝下行用户的发射功率，其约束条件分别为0≤pCu≤1、0≤pB≤1及0≤pDt≤1。PCu,PB,PDt分别为相应实际的发射功率；则分别为相应最大的发射功率； 及分别表示半双工蜂窝上行用户到全双工基站的通信链路、全双工基站到半双工蜂窝下行用户通信链路、半双工D2D发射用户到全双工基站干扰链路及半双工D2D发射用户到半双工蜂窝下行用户干扰链路的信噪比(SNR)，hCuB、hBCd、hDtB及hDtCd为相应链路的信道衰落系数；gCuB＝|hCuB|2、gBCd＝|hBCd|2、gDtB＝|hDtB|2及gDtCd＝|hDtCd|2则表示相应链路的信道增益，σ2表示热噪声。基于现有联合数字消除与模拟消除的自干扰消除技术能使全双工设备处的自干扰被消除到噪声级别，本发明中全双工基站处的残余自干扰能将基站处的噪声提升到原来的β倍。
半双工D2D通信速率可表示如下：
其中，及分别为归一化后的半双工蜂窝上行用户、全双工基站及半双工蜂窝下行用户的发射功率，其约束条件分别为0≤pCu≤1、0≤pB≤1及0≤pDt≤1。PCu,PB,PDt分别为相应实际的发射功率；则分别为相应最大的发射功率； 及分别表示半双工D2D通信链路、半双工蜂窝上行用户到半双工D2D接收用户的干扰链路及全双工基站到半双工D2D接收用户干扰链路的信噪比，hDtDr、hCuDr及hBDr分别为相应链路的信道衰落系数；gDtDr＝|hDtDr|2、gCuDr＝|hCuDr|2及gBDr＝|hBDr|2则分别表示相应链路的信道增益。
在本申请另一些可选的实施例中，所述全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法包括如下具体步骤：
依据给定的半双工D2D通信速率的理论可达目标门限范围中的一个目标门限与半双工蜂窝上行用户、全双工基站及半双工D2D发射用户发射功率的约束条件，更新半双工D2D发射用户的发射功率限制得到新的约束条件，新的约束条件可通过如下公式得到：
其中，RDT为预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的一个目标门限；a1、a2分别表示当半双工蜂窝上行用户与全双工基站的归一化发射功率都取最小值0或最大值1时半双工D2D发射用户采用的最大与最小发射功率。
基于上述获得的半双工D2D发射功率范围，假设半双工D2D发射用户的发射功率为给定值，则全双工蜂窝速率的表达式便只含有半双工蜂窝上行用户发射功率与全双工基站发射功率两个变量，并且诸多变量可因此为定值，例如：
b＝pDtγDtB；
c＝pDtγDtCd；
再基于给定的半双工D2D目标通信速率，半双工D2D通信速率表达式可做如下转化：
其中，s为定值。
基于上式并且结合半双工蜂窝上行用户与全双工基站的发射功率约束，可进一步化简，如将全双工蜂窝通信的速率表达式化简成只含有半双工蜂窝上行用户发射功率的凹函数，表达式如下：
其中，对于变量半双工蜂窝上行用户的发射功率，其约束条件需同时满足0≤pCu≤1与两个约束条件，也即满足条件
基于凸优化理论并结合KKT条件，仅对于最大化全双工蜂窝通信速率函数，其无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率可如下表示：
其中，是基于全双工蜂窝通信速率表达式无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率。
基于凹函数特性，通过分析半双工蜂窝上行用户的发射功率的无约束最优值与其可取的约束区间，可最终获得实际最优的半双工蜂窝上行用户发射功率，其具体分析如下：
当无约束最优值满足相应发射功率的新约束条件，即
则满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优全双工基站发射功率则可表示如下：
若无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率大于对应发射功率的新约束条件，即
由于全双工蜂窝通信速率表达式为凹函数，则全双工蜂窝通信速率在约束范围中便是递增的，因而满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优的全双工基站发射功率则可表示如下：
若无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率小于对应发射功率的新约束条件，即
由于全双工蜂窝通信速率表达式为凹函数，则全双工蜂窝通信速率在约束范围中便是递减的，因而满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优全双工基站发射功率则可表示如下：
基于一个给定的半双工D2D通信速率目标门限，最优的半双工D2D发射功率可依据最大的全双工蜂窝通信速率从可取的半双工D2D发射功率集合中获得。
对于半双工D2D通信速率理论可达的每一目标门限，求得其对应的最优半双工D2D发射功率、半双工蜂窝上行用户发射功率及全双工基站发射功率。
基于全双工通信链路始终需要处于工作状态的要求，即半双工蜂窝上行用户与全双工基站发射功率都不能为零，检索符合要求的最优半双工D2D发射功率、半双工蜂窝上行用户发射功率及全双工基站发射功率。
因此，本申请实施例解决了半双工D2D通信只允许复用一个全双工蜂窝通信时频资源时的资源复用问题。针对半双工D2D通信链路复用全双工蜂窝通信链路时频资源是相互间主要的同频干扰，从功率分配的角度同时对半双工蜂窝上行用户、全双工基站及半双工D2D发射用户三者的发射功率进行了控制，同时提高了半双工D2D通信速率与全双工蜂窝通信速率。
在一些可选的实施例中，本申请还给出了几种典型应用实例。具体如下：
首先，考虑蜂窝上下行链路信道增益极不对称的应用场景、基站与D2D 用户间的干扰链路是对称的、蜂窝用户与D2D用户间的干扰信道增益比较大等因素。本申请计算公式中的相应参数取值为：gCuB＝0.02,gBCd＝0.2,gDtDr＝0.5, gBDr＝0.12,gDtB＝0.12,gCuDr＝0.25及gDtCd＝0.16。假设残余自干扰将噪声提升为原来的1.2倍，即β＝1.2。为显示本申请方法的性能，本发明还考虑了普通的对全双工蜂窝通信链路不进行功率分配的场景、半双工D2D通信复用半双工蜂窝通信上行链路通信资源且半双工通信链路不进行功率分配场景以及半双工 D2D通信复用半双工蜂窝通信下行链路通信资源且半双工通信链路不进行功率分配的场景，分别用Optimal、Common、HD UL以及HD DL来表示。
参照图2所示为本发明提供的第一组信道增益取值对应的全双工蜂窝通信速率与D2D通信速率关系示意图。从图2中可以看出本发明所提的方法能够获一个更好的全双工蜂窝通信与D2D通信速率，可获得全双工蜂窝通信的速率范围整体也得到了提升。
然后，考虑蜂窝上下行链路信道增益对称的应用场景，参数取值为： gCuB＝0.3；gBCd＝0.3；gBDr＝0.1；gDtB＝0.1；gCuDr＝0.01；gDtCd＝0.36。D2D通信链路的信道增益取gDtDr＝0.6。另外，还考虑D2D通信链路要受到来自蜂窝通信链路严重的同频干扰，参照图3所示，为本发明提供的第二组信道增益取值对应的全双工蜂窝通信速率与D2D通信速率关系示意图；图3中具体说明了相应的信道增益。从图3中可以看出，本发明提供的资源复用方法能够获得最优的蜂窝通信与D2D通信速率。参照图4所示，为本发明提供的第二组信道增益取值对应功率情况的示意图。图4则给出了图3速率性能比较中Optimal 与Common两方案相应具体的功率分配，从图4中可以看出本发明所提出的方法能够有效减少发射功率的使用，从而提高无线通信系统的功率效率。
所述全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法主要关注的是全双工蜂窝通信与D2D通信两者之间的相互影响，并且采用功率分配的办法缓解两者间的相互干扰，优化了两者间的相互影响。最终在仿真图部分通过两者间的速率关系图分析此种影响及验证所提算法的优越性。因而，该方法通过优化发射功率来最终实现通信系统的功率效率。
可选的，本申请所述全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法至少包含以下内容：
(1)考虑单一小区包含一个全双工基站，一对半双工蜂窝上下行用户及一对半双工D2D用户，一组半双工D2D通信只允许复用一组全双工蜂窝通信的时频通信资源。复用场景中主要存在的同频干扰有：半双工蜂窝上行用户与全双工基站对半双工D2D接收用户的干扰与半双工D2D发射用户对全双工基站及半双工蜂窝下行用户的干扰。另外，假设蜂窝上下行用户相距足够远，以致不需要考虑因全双工基站的使用所带来的用户间干扰，全双工基站处的自干扰可被抑制到热噪声级别。
(2)本申请所述全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法能够同时对半双工蜂窝上行用户、全双工基站及半双工D2D用户的发射功率进行控制并获得全双工蜂窝通信速率与半双工D2D通信速率的提升。
(3)本申请提供的半双工D2D通信复用全双工蜂窝通信时频资源的资源复用方法首先结合所建立的半双工D2D通信速率表达式特点以及各发射功率的约束条件将变量化简为只含有半双工蜂窝上行用户的发射功率，然后基于全双工蜂窝通信速率表达式是一凹函数的特点，运用凸优化理论及KKT条件，给出和最优半双工蜂窝上行用户发射功率表达式，进而给出半双工蜂窝下行用户发射功率表达式；最后依据最大的蜂窝速率，获取其相应的半双工 D2D用户最优发射功率。
(4)本申请还包括支持上述资源复用方式的计算方法，以及基于本申请进行非实质性改动后的方法。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (3)

1.一种全双工蜂窝移动通信系统中基于功率分配的干扰控制方法，其特征在于，包括：
根据预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的一个目标门限、半双工蜂窝上行用户与全双工基站的最大发射功率、最小发射功率以及半双工D2D发射用户理论可行的发射功率约束条件，得到资源复用场景下半双工D2D发射用户的发射功率需满足的新约束条件；
其中，全双工蜂窝移动通信系统中，全双工蜂窝通信速率的计算表达式及各发射设备的发射功率约束条件为：
其中，RC为全双工蜂窝上行通信速率与下行通信速率之和，PCu、PB、PDt分别为半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户的实际发射功率，分别为半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户最大的发射功率；pCu、pB、pDt分别表示对半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户的归一化发射功率；γCuB、γBCd、γDtB、γDtCd分别为半双工蜂窝上行用户到全双工基站的通信链路、全双工基站到半双工蜂窝下行用户的通信链路、半双工D2D发射用户到全双工基站的干扰链路、半双工D2D发射用户到半双工蜂窝下行用户的干扰链路的信噪比；hCuB、hBCd、hDtB、hDtCd为相应链路的信道衰落系数；gCuB＝|hCuB|2、gBCd＝|hBCd|2、gDtB＝|hDtB|2、gDtCd＝|hDtCd|2为相应链路的信道增益；σ2为热噪声参数；β表示残余自干扰对热噪声的提升系数；
半双工D2D通信速率的计算表达式为：
其中，RDtDr为半双工D2D通信速率，PCu、PB、PDt分别为半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户的实际发射功率，分别为半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户最大的发射功率；pCu、pB、pDt分别表示对半双工蜂窝上行用户、全双工基站、半双工蜂窝下行用户的归一化发射功率；γDtDr、γCuDr、γBDr分别表示半双工D2D的通信链路、半双工蜂窝上行用户到半双工D2D接收用户的干扰链路、全双工基站到半双工D2D接收用户的干扰链路的信噪比；hDtDr、hCuDr及hBDr分别为相应链路的信道衰落系数；gDtDr＝|hDtDr|2、gCuDr＝|hCuDr|2及gBDr＝|hBDr|2分别表示相应链路的信道增益；
所述资源复用场景下半双工D2D发射用户的发射功率需满足的新约束条件的表达式为：
其中，RDT为预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的一个目标门限；a1、a2分别表示当半双工蜂窝上行用户与全双工基站的归一化发射功率都取最小值0或最大值1时半双工D2D发射用户采用的最大与最小发射功率；
基于给定的半双工D2D通信速率目标门限与该门限下基于新约束条件的可行半双工D2D发射用户的发射功率、全双工基站的最大与最小发射功率以及半双工蜂窝上行用户发射功率约束条件，简化得到全双工蜂窝通信速率与半双工蜂窝上行用户发射功率的对应关系及半双工蜂窝上行用户发射功率的新约束条件；
其中，通过对半双工D2D通信速率的计算表达式进行转化，简化得到表达式并用s表示为：
其中，当RDT与pDt给定后，上述表达式s将为一定值；
所述全双工蜂窝通信速率与半双工蜂窝上行用户发射功率的对应关系的计算表达式为：
b＝pDtγDtB；
c＝pDtγDtCd；
其中，β表示全双工基站处的残余自干扰将基站处的噪声提升的倍数；
半双工蜂窝上行用户发射功率的新约束条件为：
0≤pCu≤1；
或者半双工蜂窝上行用户发射功率的新约束条件为：
基于凸优化理论、KKT条件以及全双工蜂窝通信速率最大化原则，计算得到该可行半双工D2D发射用户的发射功率所对应的理论最优半双工蜂窝上行用户发射功率；
其中，无约束条件下所述最优的半双工蜂窝上行用户发射功率的计算表达式为：
其中，为无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率；
结合全双工基站的发射功率与半双工蜂窝上行用户发射功率的联系，获得相应最优的全双工基站发射功率；基于所求半双工蜂窝上行用户与全双工基站的发射功率，获得相应全双工蜂窝通信速率；
其中，通过无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率与对应可取的约束区间，求得满足可取的功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率的方法包括：
判断无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率是否满足该发射用户发射功率的新约束条件；
若无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率满足相应发射功率的新约束条件，即
则满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优全双工基站发射功率的表达式为：
其中，为满足半双工蜂窝上行用户功率约束的最优半双工蜂窝上行用户发射功率，为满足全双工基站功率约束的最优全双工基站发射功率；
若无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率大于对应发射功率的新约束条件，即
则满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优全双工基站发射功率的表达式为：
若无约束条件下最优的半双工蜂窝上行用户发射功率小于对应发射功率的新约束条件，即
则满足相应功率约束条件的最优半双工蜂窝上行用户发射功率与最优全双工基站发射功率的表达式为：
遍历半双工D2D通信速率目标门限下每一可行半双工D2D发射用户的发射功率，迭代求出每一可行半双工D2D发射用户的发射功率所对应的最优全双工基站与半双工蜂窝上行用户的发射功率及相应全双工蜂窝通信速率；
基于该半双工D2D通信速率目标门限获得全双工蜂窝通信速率集，检索其最大值，获得该半双工D2D通信速率目标门限下，满足全双工蜂窝速率最优的半双工D2D发射用户的发射功率、全双工基站的发射功率以及半双工蜂窝上行用户的发射功率进行通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于该半双工D2D通信速率目标门限获得全双工蜂窝通信速率集的步骤还包括：遍历预先给定的半双工D2D通信速率理论可达目标门限范围中的每一目标门限，迭代求得每一理论可达目标门限下，满足全双工蜂窝通信速率最优的半双工D2D发射用户发射功率、全双工基站发射功率以及半双工蜂窝上行用户发射功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于该半双工D2D通信速率目标门限获得全双工蜂窝通信速率集的步骤还包括：基于该半双工D2D通信速率的理论可达目标门限范围中的所有目标门限求得的最优功率分配集合，检索其中符合全双工蜂窝通信发射功率的集合为最终的最优解。
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