CN107592625A - 一种计及设备间通信的多载波共享方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及设备间通信的多载波共享方法，按如下步骤进行：首先，多个CU（cellular user）与基站保持一个固定速率上行通信链路，同时，多个DU(D2D user)向基站发起建立直接通信请求；基站通过上行信道估计获得CU到基站的上行传输信道归一化系数，DU发送端到基站的干扰信道归一化系数；另一方面，DU接收端获得发送端与CU到其传输信道和干扰信道的归一化系数，并通过反馈信道告知基站；接着，基站根据获得的所有信道信息计算出DU的子载波分配结果，以及相应的CU与DU发送端子载波上的最优发送功率，达到最大化所有DU频谱利用率之和，并保证所有CU到基站的上行通信速率不低于一个预设值。

Description

一种计及设备间通信的多载波共享方法

技术领域

本发明涉及一种计及设备间通信的多载波共享方法，属于移动通信多用户无线资源管理与干扰抑制设计领域。

背景技术

设备间通信（Device-to-device Communications, D2D）是一种允许本地距离较近的终端之间直接进行通信的新型技术。由于允许两个本地用户建立连接，因此D2D通信可以降低通信时延，减少发送功率，降低核心网的承载负担等。另一方面，随着LTE的不断发展，在未来4G-Advanced及5G技术中将广泛使用多载波技术来提升系统传输速率，多载波系统将整个频谱划分为多个带宽较低的子载波，可以获得较多优势：在每个子载波上传输的信号具备较强的抗多径干扰能力，多用户可以接入不同的子载波，从而达到多址接入的效果。而在这样的多载波系统中，设备间通信也将面临子载波的共享分配问题。

设备间通信设备工作在商用频段并受控于基站，这样可以保证通信质量；允许DU与CU同时共享多载波系统的频率资源可以极大的提高频率利用率；但是频率上的重叠会导致CU与DU之间产生严重的同频干扰，因此，需要设计灵活的子载波分配策略来达到有效抑制同频干扰的目的。

本发明设计了一种计及设备间通信的多载波共享方法，该方法适用于多载波通信系统；同时该方法也考虑了多个CU与多个DU之间子载波共享设计问题，不仅提供了CU的多址接入，还解决了DU的多址接入问题，因此适用范围更加广泛。本发明提出的方法同时兼顾了传统CU的通信质量不会因为DU的复用导致过多下降，同时本发明还最大化了DU的频谱利用率之和，最大化地提高了系统总体性能。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种计及设备间通信的多载波共享方法，该方法联合子载波分配与功率控制的具体实现，可以在整个基站覆盖范围内发起设备间通信时候最大化所有DU频谱利用率之和，并保证所有CU与基站之间的上行链路通信速率不低于一个预设值。

本发明采用的技术方案为：一种计及设备间通信的多载波共享方法，该方法按以下步骤进行。

1) 基站覆盖范围内存在N个处于上行通信的CU和D个DU，分别用下标与标识；小区内总的频段资源共可划分为个子载波，且用下标标识，将第n个CU拥有的子载波集合记为，且基站与该CU在上维持通信速率不低于的上行通信链路；CU之间采用正交方式复用子载波，即；所有DU向基站请求建立本地连接，并向基站请求分配相应的子载波用于本地通信，CU与DU之间采取本发明公开方法共享子载波，且DU之间也采用正交方式复用子载波。

2) 第n个CU与第个DU的最大发送功率分别记为与；采用离散二元变量表示第个DU复用第k个子载波指示量，若第个DU复用第k个子载波，则，否则，；将第n个CU在第k个子载波上的传输信道归一化信道系数记为；当第个DU共享第k个子载波时()，将DU发送端到DU接收端的传输信道归一化信道系数记为，将DU发送端在该子载波上到基站的干扰信道归一化信道系数记为，将CU到DU接收端的干扰信道归一化信道系数记为。

3）当DU向基站请求建立直接通信时，基站根据获得上述四类信道信息，计算出CU和DU之间子载波共享结果以及它们的发送功率，并通过控制信道将上述结果发送给CU和DU；DU在共享的子载波集合上按上述发送功率传输本地数据，而CU以上述功率保持上行通信速率不低于预设值；采用本专利发明公开的一种计及设备间通信的多载波共享方法不仅保证了CU上行通信速率，还可以最大化所有DU的频率利用率之和。

进一步，本发明专利所述步骤3)中基站利用联合子载波分配与功率控制算法可获得所有CU与DU之间的子载波共享方案以及相应的功率控制结果，该算法的具体上计算方法如下。

步骤1：初始化，为第n个CU在第k个子载波上的传输速率；执行下列循环直到所有DU的频率利用率之和收敛，并输出最优解。

步骤2：依据初始值或更新的执行下列步骤201-206，计算获得。

步骤201：初始化中间变量；引入为循环计数变量并初始化；一个极小的正数，用于判定循环是否结束。

步骤202：通过计算下式获得：

其中，，， ，，，，。

步骤203：令，其中，，。

步骤204：；

其中，，，

。

步骤205：q=q+1。

步骤206：判断是否满足，若满足则输出，否则跳至步骤201继续执行，其中为取绝对值操作。

步骤3：依据获得的，按照下列步骤301-303计算更新获得的更新值。

步骤301：令循环计数变量m=1，且令，采用凸优化标准优化算法如内点法求解下列个凸优化问题，并获得最优解，第n个凸优化问题如下所示：

,

其中，。

步骤302：m=m+1。

步骤303：判断所有DU的频率利用率之和是否收敛，若DU的频率利用率之和收敛，则输出最优解，否则回到步骤2继续更新执行。

有益效果：1）本发明方法适用于多载波通信系统，适用范围广泛。

2）本发明方法是针对多个CU与多个DU之间资源共享设计的联合子载波分配与功率控制算法，因此适用范围更加广泛。

3）本发明方法同时兼顾了传统CU的通信质量不会因为DU的复用导致过多下降，同时本发明还最大化了DU的频谱利用率之和，最大化地提高了系统总体性能。

附图说明

图1 是本发明提出的一种计及设备间通信的多载波共享方法的系统框图。

图2 是性能上界、本发明方法、启发式子载波分配方法与随机子载波分配方法随CU上行通信最低速率的性能变化曲线。图中，共有6个DU，4个CU，且每个CU占用4个子载波，其上行最低传输速率为[66 72 72 66]:-1.5:[57 63 63 57]bits/s/Hz，其中-1.5bits/s/Hz是CU上行最低传输速率的递减量，4个CU的上行最低传输速率从[66 72 72 66] bits/s/Hz逐步减少为[57 63 63 57]bits/s/Hz；CU和DU的最大发送功率分别为20dBm和10dBm。

图3 是性能上界、本发明方法、启发式子载波分配方法与随机子载波分配方法随DU最大发送功率性能变化曲线。共有4个CU，6个DU；图中，CU的上行通信最低速率为[66,72,72,66]bits/s/Hz，每个CU占用4个子载波，且CU的最大发送功率分别为20dBm。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示：本发明的具体实施步骤如下：

1) 基站覆盖范围内存在N个处于上行通信的CU和D个DU，分别用下标与标识；小区内总的频段资源共可划分为个子载波，且用下标标识，将第n个CU拥有的子载波集合记为，且基站与该CU在上维持通信速率不低于的上行通信链路；CU之间采用正交方式复用子载波，即；所有DU向基站请求建立本地连接，并向基站请求分配相应的子载波用于本地通信，CU与DU之间采取本发明公开方法共享子载波，且DU之间也采用正交方式复用子载波。

2) 第n个CU与第个DU的最大发送功率分别记为与；采用离散二元变量表示第个DU复用第k个子载波指示量，若第个DU复用第k个子载波，则，否则，；将第n个CU在第k个子载波上的传输信道归一化信道系数记为；当第个DU共享第k个子载波时()，将DU发送端到DU接收端的传输信道归一化信道系数记为，将DU发送端在该子载波上到基站的干扰信道归一化信道系数记为，将CU到DU接收端的干扰信道归一化信道系数记为。

3）当DU向基站请求建立直接通信时，基站根据获得上述四类信道信息，计算出CU和DU之间子载波共享结果以及它们的发送功率，并通过控制信道将上述结果发送给CU和DU；DU在共享的子载波集合上按上述发送功率传输本地数据，而CU以上述功率保持上行通信速率不低于预设值；采用本专利发明公开的一种计及设备间通信的多载波共享方法不仅保证了CU上行通信速率，还可以最大化所有DU的频率利用率之和。

进一步，本发明专利所述步骤3)中基站利用联合子载波分配与功率控制算法可获得所有CU与DU之间的子载波共享方案以及相应的功率控制结果，该算法的具体上计算方法如下。

步骤1：初始化，为第n个CU在第k个子载波上的传输速率；执行下列循环直到所有DU的频率利用率之和收敛，并输出最优解。

步骤2：依据初始值或更新的执行下列步骤201-206，计算获得。

步骤201：初始化中间变量；引入为循环计数变量并初始化；一个极小的正数，用于判定循环是否结束。

步骤202：通过计算下式获得：

其中，，， ，，，，。

步骤203：令，其中，，；

步骤204：；

其中，，，

。

步骤205：q=q+1。

步骤206：判断是否满足，若满足则输出，否则跳至步骤201继续执行，其中为取绝对值操作。

步骤3：依据获得的，按照下列步骤301-303计算更新获得的更新值；。

步骤301：令循环计数变量m=1，且令，采用凸优化标准优化算法如内点法求解下列个凸优化问题，并获得最优解，第n个凸优化问题如下所示：

,

其中，。

步骤302：m=m+1。

步骤303：判断所有DU的频率利用率之和是否收敛，若DU的频率利用率之和收敛，则输出最优解，否则回到步骤2继续更新执行。

Claims (2)

1.一种计及设备间通信的多载波共享方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：

1) 基站覆盖范围内存在N个处于上行通信的CU和D个DU，分别用下标与标识；小区内总的频段资源共可划分为个子载波，且用下标标识，将第n个CU拥有的子载波集合记为，且基站与该CU在上维持通信速率不低于的上行通信链路；CU之间采用正交方式复用子载波，即；所有DU向基站请求建立本地连接，并向基站请求分配相应的子载波用于本地通信，CU与DU之间采取本发明公开方法共享子载波，且DU之间也采用正交方式复用子载波；

2) 第n个CU与第个DU的最大发送功率分别记为与；采用离散二元变量表示第个DU复用第k个子载波指示量，若第个DU复用第k个子载波，则，否则，；将第n个CU在第k个子载波上的传输信道归一化信道系数记为；当第个DU共享第k个子载波时()，将DU发送端到DU接收端的传输信道归一化信道系数记为，将DU发送端在该子载波上到基站的干扰信道归一化信道系数记为，将CU到DU接收端的干扰信道归一化信道系数记为；

3) 当DU向基站请求建立直接通信时，基站根据获得上述四类信道信息，计算出CU和DU之间子载波共享结果以及它们的发送功率，并通过控制信道将上述结果发送给CU和DU；DU在共享的子载波集合上按上述发送功率传输本地数据，而CU以上述功率保持上行通信速率不低于预设值；采用本专利发明公开的一种计及设备间通信的多载波共享方法不仅保证了CU上行通信速率，还可以最大化所有DU的频率利用率之和。

2.根据权利要求1所述的计及设备间通信的多载波共享方法，其特征在于：所述步骤3)中基站利用联合子载波分配与功率控制算法可获得所有CU与DU之间的子载波共享方案以及相应的功率控制结果，该算法的具体上计算方法如下：

步骤1：初始化，为第n个CU在第k个子载波上的传输速率；执行下列循环直到所有DU的频率利用率之和收敛，并输出最优解；

步骤2：依据初始值或更新的执行下列步骤201-206，计算获得；

步骤201：初始化中间变量；引入为循环计数变量并初始化；一个极小的正数，用于判定循环是否结束；

步骤202：通过计算下式获得：

其中，

，，，，，，；

步骤203：令，其中，，

；

步骤204：；

其中，，，

；

步骤205：q=q+1；

步骤206：判断是否满足，若满足则输出，否则跳至步骤201继续执行，其中为取绝对值操作；

步骤3：依据获得的，按照下列步骤301-303计算更新获得的更新值；

步骤301：令循环计数变量m=1，且令，采用凸优化标准优化算法如内点法求解下列个凸优化问题，并获得最优解，第n个凸优化问题如下所示：

,

其中，；

步骤302：m=m+1；

步骤303：判断所有DU的频率利用率之和是否收敛，若DU的频率利用率之和收敛，则输出最优解，否则回到步骤2继续更新执行。