CN107592672A - 一种适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法：首先基站利用上行信道估计获得CUE（cellular user）到基站的传输信道系数，以及发送DUE(D2D user)到基站的干扰信道系数，另一方面，基站通过控制信道获取反馈回来的CUE到接收DUE的干扰信道系数及发送DUE到接收DUE的传输信道系数；接着，基站根据获得的信道信息计算出指定给DUE对的上行子载波分配结果，同时还需计算出相应CUE与发送DUE在该上行子载波上的最优发送功率，从而达到最大化整个基站覆盖范围内发起设备间通信所有DUE对频谱利用率之和，并保证所有CUE与基站之间的上行链路通信速率不低于一个预设值。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法，属于移动通信无线资源调度策略设计领域。
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。在现存的传统无线通信系统基站控制下，通过复用小区正处于通信状态的CUE的资源，可以极大地增加小区内整体的频谱效率，同时降低直接通信的DUE终端发射功率，这在一定程度上解决了移动通信系统无线频谱资源匮乏的难题。与传统的WiFi和蓝牙等技术相比较，设备间通信设备工作在许可频段，这就保证通信的可靠性，提升用户的服务质量，同时还可以采用灵活的资源分配策略达到有效抑制同频干扰的目的。尽管设备间通信具备上述优点，但是由于在同频段上传输的DUE对信号会对CUE的信号产生干扰，甚至有可能由于不恰当的复用CUE资源，导致了小区内整体的容量的下降，严重干扰了原有CUE通信质量。
为了充分利用设备间通信直连高效，信道质量高，延迟低等优势，同时克服由于资源共享带来的同频干扰，为DUE对分配合适的子载波供其复用并控制CUE和DUE对的发送功率，从而达到维持CUE上行通信速率不低于预设值，并最大化所有DUE对频率利用率之和是该领域的关键问题之一。目前，针对设备间通信的子载波分配和功率控制方法研究已获得一定的结果，例如，文献【1】针对单个CUE和DUE对的资源共享模型提出了最大化和速率和最小化总功率的子载波分配和功率优化算法；文献【2】提出了一种基础大尺度衰落的DUE对于CUE资源共享算法，该算法核心依赖的大尺度衰落模型是经验公式，不能很好适应无线通信复杂多变的信道环境。
本发明设计了一种适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法，该方法适用于多载波通信系统，也可向下兼容单载波系统；同时该方法是针对多个CUE与多个DUE对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，同时该算法也给出了基于实时信道信息的计算方法，因此较为精确，同时将计算所需的信道信息替换为大尺度衰落也是适用的，因此更加具有普适性。本发明提出的方法同时兼顾了传统CUE的通信质量不会因为DUE对的复用导致过多下降，同时本发明还最大化了DUE对的频谱利用率之和，最大化地提高了系统总体性能；
【1】M.S.Corson, R.Laroia, Junyi Li, V. Park, and T. Richardson, Towardproximity-aware internetnetworking, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 17,no. 6, pp. 26–33, Dec. 2010.
【2】H.N.Xing and S.Hakola, The investigation of power control schemes fora device-to-device communication integrated into OFDMA cellular system, inProc. IEEE PIMRC 2011, Toronto, Canada, Sep. 2011, pp. 1775–1780。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法，联合子载波分配与功率控制的具体实现可以最大化整个基站覆盖范围内发起设备间通信所有DUE对频谱利用率之和，并保证所有CUE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：一种适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法，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CUE和L个DUE对，分别用下与标识；将第n个CUE拥有的子载波集合记为且基站与该CUE在上维持通信速率不低于的上行通信链路；小区内总的频段资源共可划分为M个子载波，且CUE之间采用正交方式复用子载波，即；所有DUE对向基站提出建立本地连接请求，并请求基站分配相应的子载波用于本地通信，且DUE对之间也采用正交方式复用已被CUE占用的子载波。
2) 第n个CUE与第个DUE对的发送DUE在共享的子载波上的最大发送功率分别记为与；采用离散二元变量表示第个DUE对复用第m个子载波指示量，若第个DUE对复用第m个子载波，则，否则，；将第n个CUE在第m个子载波上的传输信道归一化信道系数记为；当第个DUE对共享第m个子载波时()，将发送DUE到接收DUE的传输信道归一化信道系数记为，将发送DUE在该子载波上到基站的干扰信道归一化信道系数记为，将CUE到DUE对的接收DUE的干扰信道归一化信道系数记为。
3）当基站收到来自DUE对建立直接通信请求时，基站根据获得上述四类信道信息，计算出子载波在CUE和DUE对之间的共享结果及它们在相应子载波上的发送功率，并通过控制信道将上述结果发送给CUE和DUE对；DUE对在已分配的子载波上按照上述计算获得的特定功率发送本地数据，而CUE则根据基站的通知的计算结果调整自身发送功率以适应DUE对复用它的频率资源状态，保持一个预先设定的最低上行速率不变；采用本专利发明的适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法不仅保证了CUE上行通信速率，还可以最大化所有DUE对的频率利用率之和。
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CUE与DUE对之间的子载波共享方案以及相应的功率控制结果，该算法的计算方法如下。
步骤1：初始化，为第n个CUE在第m个子载波上的传输速率；引入为循环计数变量并初始化；引入CUE在相应子载波上的速率向量为循环执行过程中的中间变量，且；初始化，为依据获得的初始速率向量；将记为循环执行过程中的中间变量，且令，一个极小的正数，用于判定循环是否结束。
步骤2：当时，继续执行步骤3-7，否则循环结束并输出最优解。
步骤3：依据调用下述联合子载波分配与功率控制算法，计算获得最优解（），并根据该结果计算目标函数，其中；
联合子载波分配与功率控制算法执行步骤如下：
按照子载波序列m从1递增至M依次执行下列步骤301-302，即对于任意第m个子载波，执行下列步骤：
步骤301：根据下述方法获得最优功率：
若，则；
若，则；
步骤302：依据获得的选择频率利用率最大的DUE对复用该子载波m，即
，
至此，可以获得CUE和DUE对在子载波m上的最优发送功率及子载波分配结果。
步骤4：计算偏导数向量，该向量中每个元素按照如下公式计算获得：
，
其中。
步骤5：更新，其中为随着增长单调递减的步长。
步骤6：，其中表示将向量投影至空间，的表达式如下所示：
。
步骤7：，跳至步骤2继续执行循环。
有益效果：1）本发明方法适用于多载波通信系统，也可向下兼容单载波系统。
2）本发明方法是针对多个CUE与多个DUE对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）本发明方法也给出了基于实时信道信息的计算方法，因此较为精确，同时将计算所需的信道信息替换为大尺度衰落也是适用的，因此更加具有普适性。
4）本发明方法同时兼顾了传统CUE的通信质量不会因为DUE对的复用导致过多下降，同时本发明还最大化了DUE对的频谱利用率之和，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适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法的系统框图。
图2是本发明方法、启发式子载波分配同时固定CUE和DUE对的发送功率方法、随机子载波分配方法的性能随CUE数（从3增长至10）变化曲线。图中，每个CUE占用4个子载波，其上行最低传输速率为30bits/s/Hz；共有6个DUE对，且CUE和DUE在每个子载波上的最大发送功率分别为14dBm和-10dBm。
图3 是本发明方法、启发式子载波分配同时固定CUE和DUE对的发送功率方法、随机子载波分配方法的性能随CUE上行最低传输速率（从15bits/s/Hz增长至50bits/s/Hz）变化曲线。图中，每个CUE占用4个子载波；共有6个CUE和8个DUE对，且CUE和DUE在每个子载波上的最大发送功率分别为15dBm和-10dBm。
图4 是本发明方法、启发式子载波分配同时固定CUE和DUE对的发送功率方法、随机子载波分配方法的性能随DUE对的数量（从4增长至10）变化曲线。图中，每个CUE占用4个子载波，其上行最低传输速率为35bits/s/Hz；共有6个CUE，且CUE和DUE在每个子载波上的最大发送功率分别为15dBm和-10dBm。
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CUE和L个DUE对，分别用下与标识；将第n个CUE拥有的子载波集合记为且基站与该CUE在上维持通信速率不低于的上行通信链路；小区内总的频段资源共可划分为M个子载波，且CUE之间采用正交方式复用子载波，即；所有DUE对向基站提出建立本地连接请求，并请求基站分配相应的子载波用于本地通信，且DUE对之间也采用正交方式复用已被CUE占用的子载波。
2) 第n个CUE与第个DUE对的发送DUE在共享的子载波上的最大发送功率分别记为与；采用离散二元变量表示第个DUE对复用第m个子载波指示量，若第个DUE对复用第m个子载波，则，否则，；将第n个CUE在第m个子载波上的传输信道归一化信道系数记为；当第个DUE对共享第m个子载波时()，将发送DUE到接收DUE的传输信道归一化信道系数记为，将发送DUE在该子载波上到基站的干扰信道归一化信道系数记为，将CUE到DUE对的接收DUE的干扰信道归一化信道系数记为。
3) 当基站收到来自DUE对建立直接通信请求时，基站根据获得上述四类信道信息，计算出子载波在CUE和DUE对之间的共享结果及它们在相应子载波上的发送功率，并通过控制信道将上述结果发送给CUE和DUE对；DUE对在已分配的子载波上按照上述计算获得的特定功率发送本地数据，而CUE则根据基站的通知的计算结果调整自身发送功率以适应DUE对复用它的频率资源状态，保持一个预先设定的最低上行速率不变；采用本专利发明的适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法不仅保证了CUE上行通信速率，还可以最大化所有DUE对的频率利用率之和。
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CUE与DUE对之间的子载波共享方案以及相应的功率控制结果，该算法的计算方法如下。
步骤1：初始化，为第n个CUE在第m个子载波上的传输速率；引入为循环计数变量并初始化；引入CUE在相应子载波上的速率向量为循环执行过程中的中间变量，且；初始化，为依据获得的初始速率向量；将记为循环执行过程中的中间变量，且令，一个极小的正数，用于判定循环是否结束。
步骤2：当时，继续执行步骤3-7，否则循环结束并输出最优解。
步骤3：依据调用下述联合子载波分配与功率控制算法，计算获得最优解（），并根据该结果计算目标函数，其中；
联合子载波分配与功率控制算法执行步骤如下：
按照子载波序列m从1递增至M依次执行下列步骤301-302，即对于任意第m个子载波，执行下列步骤：
步骤301：根据下述方法获得最优功率：
若，则；
若，则；
步骤302：依据获得的选择频率利用率最大的DUE对复用该子载波m，即
，
至此，可以获得CUE和DUE对在子载波m上的最优发送功率及子载波分配结果。
步骤4：计算偏导数向量，该向量中每个元素按照如下公式计算获得：
，
其中。
步骤5：更新，其中为随着增长单调递减的步长。
步骤6：，其中表示将向量投影至空间，的表达式如下所示：
。
步骤7：，跳至步骤2继续执行循环。
Claims (2)
1.一种适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法，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CUE和L个DUE对，分别用下与标识；将第n个CUE拥有的子载波集合记为且基站与该CUE在上维持通信速率不低于的上行通信链路；小区内总的频段资源共可划分为M个子载波，且CUE之间采用正交方式复用子载波，即；所有DUE对向基站提出建立本地连接请求，并请求基站分配相应的子载波用于本地通信，且DUE对之间也采用正交方式复用已被CUE占用的子载波；
2) 第n个CUE与第个DUE对的发送DUE在共享的子载波上的最大发送功率分别记为与；采用离散二元变量表示第个DUE对复用第m个子载波指示量，若第个DUE对复用第m个子载波，则，否则，；将第n个CUE在第m个子载波上的传输信道归一化信道系数记为；当第个DUE对共享第m个子载波时()，将发送DUE到接收DUE的传输信道归一化信道系数记为，将发送DUE在该子载波上到基站的干扰信道归一化信道系数记为，将CUE到DUE对的接收DUE的干扰信道归一化信道系数记为；
3) 当基站收到来自DUE对建立直接通信请求时，基站根据获得上述四类信道信息，计算出子载波在CUE和DUE对之间的共享结果及它们在相应子载波上的发送功率，并通过控制信道将上述结果发送给CUE和DUE对；DUE对在已分配的子载波上按照上述计算获得的特定功率发送本地数据，而CUE则根据基站的通知的计算结果调整自身发送功率以适应DUE对复用它的频率资源状态，保持一个预先设定的最低上行速率不变；采用本专利发明的适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法不仅保证了CUE上行通信速率，还可以最大化所有DUE对的频率利用率之和。
2.根据权利要求1所述的适用于多载波通信系统下设备间通信的资源共享方法，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CUE与DUE对之间的子载波共享方案以及相应的功率控制结果，该算法的计算方法如下：
步骤1：初始化，为第n个CUE在第m个子载波上的传输速率；引入为循环计数变量并初始化；引入CUE在相应子载波上的速率向量为循环执行过程中的中间变量，且；初始化，为依据获得的初始速率向量；将记为循环执行过程中的中间变量，且令，一个极小的正数，用于判定循环是否结束；
步骤2：当时，继续执行步骤3-7，否则循环结束并输出最优解；
步骤3：依据调用下述联合子载波分配与功率控制算法，计算获得最优解（），并根据该结果计算目标函数，其中；
联合子载波分配与功率控制算法执行步骤如下：
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步骤301：根据下述方法获得最优功率：
若，则；
若，则；
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至此，可以获得CUE和DUE对在子载波m上的最优发送功率及子载波分配结果；
步骤4：计算偏导数向量，该向量中每个元素按照如下公式计算获得：
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步骤7：，跳至步骤2继续执行循环。
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