CN107484244A

CN107484244A - 一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法

Info

Publication number: CN107484244A
Application number: CN201710647012.7A
Authority: CN
Inventors: 郑军; 刘诚征
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2017-12-15

Abstract

本发明公开了一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，包括如下步骤：(1)利用位置信息计算蜂窝用户和D2D用户对的信道增益，并根据信噪比计算公式和香农公式，计算数据传输速率；(2)为每一个D2D用户对建立蜂窝用户候选集合；(3)确定每一个D2D用户对的分配优先级；(4)按照优先级从高到低的顺序进行QoS感知的频谱资源分配；(5)若还存在剩余频谱资源块RB未被分配，则将每一个剩余RB分配给距其所属蜂窝用户最远且不影响蜂窝用户服务质量的D2D用户对。本发明在确保蜂窝用户的QoS不被严重影响下，能够有效提高蜂窝网络D2D通信用户对的QoS满意度，同时提高系统的吞吐量性能。

Description

一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其是一种基于服务质量(QoS)感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法。

背景技术

D2D通信被认为是针对下一代蜂窝网络的一项具有发展前景的技术。在D2D通信中，一些用户设备可以在短距离范围内不需要经过基站转接，相互之间直接进行通信。这种具有短距离传输特性的D2D通信具有许多令人期待的特性，包括提高频谱效率、降低基站流量、提高系统吞吐量、延长电池设备的使用寿命等。为了提高频谱效率，D2D用户通常需要和蜂窝用户共享频谱资源进行D2D通信。但是，这会导致D2D用户和蜂窝用户之间产生干扰，进而对蜂窝用户和D2D用户的服务质量(QoS)产生严重的影响。

为了解决这一问题，需要采用有效的频谱资源分配方法来解决蜂窝用户和D2D用户对之间的相互干扰，以保证蜂窝用户和D2D用户对的QoS不受严重影响。因此，频谱资源分配是实现蜂窝网络D2D通信至一个关重要的技术问题。至今，国内外已开展了不少有关D2D通信频谱资源分配方面的研究工作。尽管目前已经取得了不少研究进展，但要使这项技术实用化，仍有待进一步研究和解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，用于解决在单小区下行资源共享场景中由于引入D2D通信造成的蜂窝用户和D2D用户之间的干扰以及对蜂窝用户和D2D用户的QoS产生影响的问题，同时提高系统吞吐量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，包括如下步骤：

(1)利用蜂窝用户和D2D用户对的位置信息，分别计算得到蜂窝用户和D2D用户对的信道增益，并根据信噪比计算公式和香农公式，分别计算得到蜂窝用户共享一个频谱资源块RB前后的数据传输速率以及D2D用户对获得一个RB后的数据传输速率；

(2)为每一个D2D用户对建立蜂窝用户候选集合，候选集合中的蜂窝用户满足与所属D2D用户对共享一个频谱资源块后其数据传输速率不低于最小速率需求；

(3)确定每一个D2D用户对的分配优先级，所述优先级与D2D用户对的最小速率需求成反比例关系，与D2D用户对共享蜂窝用户的一个频谱资源块时的数据传输速率成正比例关系；

(4)按照优先级从高到低的顺序从D2D用户对的蜂窝用户候选集合选择可共享的频谱资源块为其分配频谱资源，使得D2D用户对满足其最小速率需求，且在分配频谱资源块时满足条件：每一个资源块至多被一个D2D用户对共享，以及蜂窝用户满足其最小速率需求；

(5)若还存在剩余频谱资源块RB未被分配，则将每一个剩余RB分配给一个D2D用户对，分配过程中满足条件：每一个资源块至多被一个D2D用户对共享，以及蜂窝用户满足其最小速率需求。

优选的，步骤(1)中：

蜂窝用户C_i共享一个频谱资源块RB前的数据传输速率为：

蜂窝用户C_i与D2D用户对D_j共享一个频谱资源块RB后的数据传输速率为：

D2D用户对D_j获得一个RB后的数据传输速率为：

其中，B表示的是一个RB所占有的资源带宽，P_B表示基站的发射功率，P_D表示每个D2D用户对发射端的发射功率，N₀为噪声功率，D_jT和D_jR分别表示D2D用户对D_j的发射端和接收端，分别表示基站与蜂窝用户、基站与D2D用户对接收端、D2D用户对之间以及D2D用户对发射端和蜂窝用户之间的信道增益，i＝1,2,...,M和j＝1,2,...,N分别表示蜂窝用户和D2D用户对编号，M和N分别表示蜂窝用户和D2D用户对的数量。

优选的，步骤(2)中，D2D用户对D_j建立其蜂窝用户候选集合Θ_j的步骤包括：

(2.1)计算D2D用户对D_j和蜂窝用户C_i共享一个RB后，蜂窝用户C_i端的速率

(2.2)如果则将C_i放入D2D用户对D_j的蜂窝用户候选集合Θ_j；否则，不将C_i放入D2D用户对D_j的蜂窝用户候选集合Θ_j；

(2.3)重复步骤(2.1)、(2.2)直到所有的蜂窝用户都被考虑；

其中，表示蜂窝用户C_i的最小速率需求。

优选的，步骤(3)中，D2D用户对D_j的分配优先级为：

其中，表示D2D用户对D_j的最小速率需求，表示D2D用户对D_j获得一个RB后的数据传输速率。

优选的，步骤(4)中，为D2D用户对分配频谱资源的步骤包括：

(4.1)对所有D2D用户对的优先级进行降序排列，令j＝1；

(4.2)对于D2D用户对D_j，在其蜂窝用户候选集合Θ_j中寻找与其距离最远的蜂窝用户C_i；

(4.3)检查蜂窝用户C_i下的RB是否满足每一个资源块至多被一个D2D用户对共享的约束条件，并判断当该RB被D2D用户对共享之后，该蜂窝用户的QoS需求是否得到满足，如果两者都满足，则D2D用户对D_j共享蜂窝用户C_i的一个RB，并转向步骤(4.4)；否则，将该蜂窝用户C_i从集合Θ_j移除，并转向步骤(4.2)；

(4.4)计算共享至少一块RB后的D2D用户对D_j的数据传输速率并和其最小速率需求进行比较，如果则转向步骤(4.5)，否则转向步骤(4.2)；

(4.5)令j＝j+1，若j≤N转向步骤(4.2)，否则结束。

优选的，步骤(5)中，将剩余频谱资源块分配给D2D用户对的步骤包括：

(5.1)对任意一个剩余RB，挑选距离它最远的D2D用户对D_j；

(5.2)检查该RB拥有者的蜂窝用户C_i是否存在于D2D用户对D_j的蜂窝用户候选集合Θ_j中，如果存在，判断当将该RB分配给D_j后，该RB的蜂窝用户拥有者的QoS需求是否得到满足，如果得到满足，则将该RB分配给D2D用户对D_j，并继续步骤(5.3)；否则，寻找距离蜂窝用户C_i下一个远的D2D用户对，并且重复步骤(5.2)；

(5.3)重复步骤(5.1)直到所有的剩余RB均被分配。

本发明的有益效果为：在确保蜂窝用户的QoS不被严重影响下，能够有效提高蜂窝网络D2D通信用户对的QoS满意度，同时提高系统的吞吐量性能。

附图说明

图1为本发明的蜂窝网络D2D通信单小区下行资源共享系统模型示意图。

图2为本发明的蜂窝用户候选挑选步骤流程示意图。

图3为本发明的QoS感知的频谱资源分配步骤流程示意图。

图4为本发明的剩余频谱资源块分配步骤流程示意图。

图5为本发明的算法流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开的一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，应用于单小区环境中。在小区内存在一个基站(Base Station,BS)，M个蜂窝用户和N对D2D用户对，分别用C_i(i＝1,2,...,M)表示和D_j(j＝1,2,...,N)表示。同时，用D_jT和D_jR分别表示D2D用户对D_j的发射端和接收端。小区内每个用户都配备全球定位系统(Global positioningsystem,GPS)接收机定期向基站报告自己的位置信息。基站(Base Station,BS)可以获得所有通信链路的信道状态信息(Channel State Information,CSI)。D2D用户对通过非正交资源共享(Non-Orthogonal Sharing,NOS)的方式和蜂窝用户共享下行频谱资源。蜂窝用户和D2D用户对均匀分布在小区内。小区内存在两种链路模式：1)基站与蜂窝用户或D2D用户对接收端之间的蜂窝链路模式；2)D2D用户对发射端与蜂窝用户或D2D用户对接收端之间的直接链路模式。基站与用户v之间的信道增益可以表示为：D2D发射端u与用户v之间的信道增益可以表示为：G_uv＝K_uvL_uv ^-α，其中PL_Bv是基站与用户v之间的距离相关宏观路径损耗，K_uv是环境无线传播特性相关的归一化常量，L_uv是用户u和v之间的距离，α是路径损耗指数常量，具体设置值可以参考ITU-R M.2135。仅考虑小区内用户之间产生的干扰，不考虑小区与小区之间的干扰。小区内基站与蜂窝用户、基站与D2D用户对接收端、D2D用户对之间以及D2D用户对发射端和蜂窝用户之间的信道增益分别用表示，N₀为所有用户接收到的噪声功率。每个D2D用户对发射端的发射功率相同，用P_D表示；基站的发射功率为P_B。

如图1所示，D2D用户对D共享蜂窝用户C₁和C₃的下行频谱资源。D_T和D_R分别表示这个D2D用户对的发射端和接收端。d表示D_T和D_R之间的距离，d_max表示D_T和D_R之间的最远距离，只有满足d≤d_max才能保证D_T和D_R之间能够建立起D2D通信链路。由于D2D用户对D共享了蜂窝用户C₁和C₃的下行频谱资源，蜂窝用户C₁和C₃将会受到来自D2D发射端D_T的干扰，与此同时，D2D用户对D也将受到来自基站的干扰。

基于以上的分析，为方便起见，将频谱资源用频谱资源块(Resource Block,RB)表示，假设每个蜂窝用户分配相同的RB数目，用n表示。但本算法不限于每个蜂窝用户拥有的RB数目相同情况，也适用于不同的情况，即每个蜂窝用户数目可以拥有不同的RB数目。

此外，小区内存在两种具有不同QoS要求的用户，其中具有高QoS要求的用户的最小速率需求为R_h，具有低QoS要求的用户的最小速率需求为R_l。在单小区场景中，有一定比例的蜂窝用户具有高速率服务需求，剩余的蜂窝用户具有低速率服务需求。同样，对于D2D用户而言，有一定比例的D2D用户对具有高速率服务需求，剩余的D2D用户对具有低速率服务需求。但本算法不限于两种具有不同QoS要求的用户，同样适用单一QoS要求或多种不同QoS要求的场景。用和分别表示蜂窝用户C_i和D2D用户对D_j的最小速率服务需求，且和需要满足

本发明实施例的一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法主要包含(1)增益及速率计算；(2)蜂窝用户候选挑选；(3)D2D用户对分配优先级确定；(4)QoS感知的频谱资源分配；(5)剩余频谱资源块分配这五个步骤。

首先，利用蜂窝用户和D2D用户对的位置信息，分别计算得到蜂窝用户和D2D用户对的信道增益，并根据信噪比计算公式和香农公式，分别计算得到蜂窝用户共享频谱资源块(Resource Block,RB)前后的数据传输速率以及D2D用户对获得RB后的数据传输速率；

其次，为每一个D2D用户对建立属于他们自己的蜂窝用户候选集合，只有满足选择条件的蜂窝用户才能够进入相应D2D用户对的蜂窝用户候选集合中。这也从另一方面保证了蜂窝用户业务速率需求的QoS不受D2D通信共享下行频谱资源的严重影响；

然后，根据优先级函数，确定每一个D2D用户对的分配优先级，允许优先级高的D2D用户对优先分配得到与蜂窝用户共享的RB；

接下来，根据QoS感知的频谱资源分配规则，给每一个进入资源分配阶段的D2D用户对分配频谱资源；

最后，为了充分利用系统内的频谱资源，如果在QoS感知的频谱资源分配阶段之后，系统内还存在剩余频谱资源块RB未被分配，则按照剩余频谱资源块分配规则将每一个剩余RB分配给距该RB蜂窝用户拥有者最远的D2D用户对，并保证此分配后该蜂窝用户的QoS不受影响。

如图5所示，本发明实施例公开的一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信的频谱资源分配算法的实施步骤如下：

①增益及速率计算

小区内基站与蜂窝用户、基站与D2D用户对接收端、D2D用户对之间以及D2D用户对发射端和蜂窝用户之间的信道增益分别表示为其中，分别是基站与蜂窝用户C_i、基站与D2D用户对接收端D_jR之间的宏观路径损耗，是归一化常量，分别是D2D用户对D_j的发射端与接收端、D2D用户对D_j的发射端与基站之间的距离。

当一个RB块仅被一个蜂窝用户C_i使用时，在蜂窝用户端的信噪比可以表示为：

根据香农公式，可计算出此时蜂窝用户C_i的数据传输速率，即：

其中，B表示的是一个RB所占有的资源带宽。

当一个RB同时被一个蜂窝用户C_i和一个D2D用户对D_j共享使用时，在蜂窝用户C_i端以及D2D用户D_j接收端的信噪比分别为：

此时，蜂窝用户C_i以及D2D用户D_j端的数据传输速率分别为：

定义一个L×N的矩阵Ω＝[ω_l,j]_L×N来描述D2D通信资源分配的结果。其中，L表示系统内资源块RB的总数，且L＝nM，矩阵中ω_l,j的值表示资源块RB_l(l＝1,2,...,L)和D2D用户对D_j资源共享的情况，具体定义如下：

且

公式(8)表示每一个资源块RB至多被一个D2D用户对共享。资源分配开始之前的矩阵Ω应初始化为Ω＝0，表示没有D2D用户对未与蜂窝用户共享资源。根据该资源分配矩阵Ω，可以得到资源分配后D2D用户对D_j的数据传输速率为：

资源分配后蜂窝用户C_i的数据传输速率可以表示为：

②蜂窝用户候选挑选

1)对每一个D2D用户D_j，建立它的蜂窝用户候选集合Θ_j需执行如下步骤:

a.根据公式(5)，计算D2D用户对D_j和每一个蜂窝用户C_i共享一个RB后，蜂窝用户C_i端的速率

b.比较和如果则将C_i放入D2D用户对D_j的蜂窝用户候选集合Θ_j；否则，不将C_i放入D2D用户对D_j的蜂窝用户候选集合Θ_j；

c.重复步骤a、b直到所有的蜂窝用户都被考虑。

2)重复步骤1)直到所有的D2D用户对均建立起自己的蜂窝用户候选集合Θ_j。

具体操作详见图2的流程示意图。

③D2D用户对分配优先级确定

D2D用户对分配优先级确定的具体过程为：定义以下优先级函数：

其中，γ_j表示D2D用户D_j的优先级。

④QoS感知的频谱资源分配

1)根据公式(11)，对N个D2D用户对的优先级进行降序排列。按照排序后的D2D用户对顺序，对D2D用户对进行频谱资源分配；

2)对于D2D用户对D_j，在其蜂窝用户候选集合Θ_j中寻找与其距离最远的蜂窝用户C_i；

3)检查蜂窝用户C_i下的RB是否满足公式(8)的约束条件，并根据公式(10)计算如果约束条件(8)得到满足，并且则D2D用户对D_j共享蜂窝用户C_i的一个RB，并转向步骤4)；否则，将该蜂窝用户C_i从集合Θ_j移除，并转向步骤2)；

4)根据公式(9)，计算并和进行比较。如果说明D2D用户对D_j的数据传输速率要求已满足，转向步骤5)；否则，说明D2D用户对D_j的数据传输速率要求未满足，需要继续分配资源，转向步骤2)；

5)选择排序队列中的下一个D2D用户对，重复步骤2)，直到所有的D2D用户对均已获得资源分配。

具体操作详见图3的流程示意图。

⑤剩余RB分配

检查系统是否还存在未被分配的RB。如果没有，则不执行下述分配；如果有，则对每一个剩余RB进行下述分配：

1)对任意一个剩余RB，挑选距离它最远的D2D用户对D_j；

2)检查该RB拥有者的蜂窝用户C_i是否存在于D2D用户对D_j的蜂窝用户候选集合Θ_j中。如果存在，判断根据公式(10)计算该蜂窝用户端的数据传输速率是否满足如满足，则将该RB分配给D2D用户对D_j，并继续步骤3)；否则，寻找距离蜂窝用户C_i下一个远的D2D用户对，并且重复步骤2)。

3)重复步骤1)直到所有的剩余RB均被分配。

具体操作详见图4的流程示意图。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims

1.一种QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，其特征在于，包括如下步骤：

(5)若还存在剩余频谱资源块RB未被分配，则将每一个剩余RB分配给距其所属蜂窝用户最远且不影响蜂窝用户服务质量的D2D用户对，分配过程中满足条件：每一个资源块至多被一个D2D用户对共享，以及蜂窝用户满足其最小速率需求。

2.根据权利要求1所述的QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，其特征在于，步骤(1)中：

蜂窝用户C_i共享一个频谱资源块RB前的数据传输速率为：

D2D用户对D_j获得一个RB后的数据传输速率为：

3.根据权利要求1所述的QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，其特征在于，步骤(2)中，D2D用户对D_j建立其蜂窝用户候选集合Θ_j的步骤包括：

(2.3)重复步骤(2.1)、(2.2)直到所有的蜂窝用户都被考虑；

其中，表示蜂窝用户C_i的最小速率需求，i＝1,2,...,M和j＝1,2,...,N分别表示蜂窝用户和D2D用户对编号，M和N分别表示蜂窝用户和D2D用户对的数量。

4.根据权利要求1所述的QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，其特征在于，步骤(3)中，D2D用户对D_j的分配优先级为：

<mrow> <msub> <mi>&gamma;</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>D</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mi>R</mi> </mrow> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <msub> <mi>DQ</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

5.根据权利要求1所述的QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，其特征在于，步骤(4)中，为D2D用户对分配频谱资源的步骤包括：

(4.1)对所有D2D用户对的优先级进行降序排列，令j＝1；

(4.5)令j＝j+1，若j≤N转向步骤(4.2)，否则结束，N为D2D用户对的数量。

6.根据权利要求1所述的QoS感知的蜂窝网络D2D通信频谱资源分配算法，其特征在于，步骤(5)中，将剩余频谱资源块分配给D2D用户对的步骤包括：

(5.1)对任意一个剩余RB，挑选距离它最远的D2D用户对D_j；

(5.3)重复步骤(5.1)直到所有的剩余RB均被分配。