CN108093411A

CN108093411A - D2d通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法

Info

Publication number: CN108093411A
Application number: CN201810024130.7A
Authority: CN
Inventors: 李方伟; 张琳琳; 朱江
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2038-01-10
Also published as: CN108093411B

Abstract

本发明涉及D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，方法包括：利用时间反演技术分别对蜂窝用户和D2D用户执行信道签名设计；采用斯塔克尔伯格博弈模型为蜂窝用户设置最优价格，为D2D用户对分配最优发送功率；根据D2D用户容量增益的规划目标，采用容量增益区域限制机制为D2D用户对分配候选蜂窝用户链路资源；根据D2D用户资源复用公平性的需求，采用资源复用阈值限制D2D用户复用资源的数目；为充分利用蜂窝用户链路资源，为空闲蜂窝用户分配D2D用户对，最大化系统吞吐量；本发明既保证了蜂窝用户服务质量，又抑制了用户间的干扰，提高了频谱利用率，降低了蜂窝系统容量损失，并改善了系统用户资源复用的公平性。

Description

D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及端到端(Device-to-Device，D2D)通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法。

背景技术

与第三代(the 3^rd Generation，3G)移动通信系统相比，高级长期演进系统(LongTerm Evolution-Advanced，LTE-Advanced)和全球微波互联接入(WorldwideInteroperability for Microwave Access，WiMAX)等技术实现的频谱利用率有所提高，但现如今人们对带宽的需求呈现爆炸式增大，导致无线频谱资源日益紧缺。但高频同样带来许多问题，如空间损耗及路径损耗变大，绕射能力降低，覆盖范围相对较小等。目前可分配的带宽资源已经满足不了日益膨胀的通信系统的发展需求，如何充分利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，已经成为研究的热点问题。

端到端通信(Device-to-Device，D2D)技术应运而生，已成为第三代通信合作项目(The Third Generation Partnership Project，3GPP)长期演进系统LTE-A的关键技术之一。为满足高速率传输需求，D2D技术允许距离较近的用户直接通信而非通过基站中转，且这些D2D通信用户在蜂窝网络的控制下，复用蜂窝用户的链路资源。D2D通信技术作为新一代蜂窝网络技术，具有提高频谱资源利用率，提升系统吞吐量等优势，最近已成为业内广泛关注的技术之一。

然而，由于复用蜂窝网络资源，D2D通信导致现有蜂窝系统严重的干扰。因此，蜂窝通信和D2D通信需要合理的协作通信，以此达到干扰抑制的目的。而资源调度发生在每一传输时间间隔内(Transmission Time Interval，TTI)，由于D2D通信用户复用蜂窝用户的链路资源，例如在上行传输系统中，会给系统带来两种类型的干扰即蜂窝用户的发送信号对D2D用户对接收端的干扰和D2D用户对发送端的发送信号对小区基站接收蜂窝用户的信号产生干扰。如何有效抑制乃至消除这些干扰已然引起人们越来越多的关注，而如何利用现有的通信技术使系统获得更高的抗干扰能力是业内一直关注的重点之一。

然而，目前的研究主要集中在功率控制、资源分配及模式选择，旨在降低D2D用户对现有蜂窝网络的干扰，同时保证D2D的服务质量(Quality of Service，QoS)需求。其中包括研究了一种基于距离的D2D通信的功率控制机制。D2D用户的发射功率仅基于其与相关基站(Base Station，BS)之间的距离信息来决定，因此可避免过多的信令开销。特别地，有人介绍了Stackelberg博弈算法解决蜂窝用户和D2D通信用户之间的干扰，在该博弈模型中，蜂窝用户视为领导者，而D2D用户视为租用蜂窝用户链路资源的追随者，同时考虑系统吞吐量兼顾用户公平性，提出一种联合调度和资源分配算法以获得系统的均衡解；但该方案虽然在一定程度上降低了蜂窝用户和D2D用户之间的相互干扰，却未保证蜂窝用户的QoS。还有研究提出一种系统容量最大化的资源分配算法，使用面向容量受限CORE区域来限制D2D用户对的不恰当的频谱接入，以此来保证蜂窝用户和D2D用户对之间频谱复用而带给系统的优势。仍有人提出一种统一的D2D通信模型，设计了三种D2D通信模型，由基站调度实现无线资源分配。

在现有技术中，在蜂窝用户和D2D用户对共存的系统中，各种无线通信系统中干扰消除的技术消除了用户间的相互干扰等，但是忽略了对蜂窝系统中蜂窝用户的保护机制，使得大多研究方法唯有以牺牲对蜂窝用户的QoS需求为代价换取整个系统容量的提升，从而衍生的问题如系统用户资源复用的不均衡性等，从而难以保证整个异构网络用户的服务质量(Quality of Service，QoS)。

发明内容

针对以上现有技术的问题，本发明讨论了D2D异构无线通信网络的资源分配问题，提出一种D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，既可以有效抑制用户之间相互干扰，也能保证蜂窝用户的QoS需求，同时还提升了系统资源复用的公平性。

一种D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，包括以下步骤：

步骤101：利用时间反演技术分别对蜂窝用户和D2D用户执行信道签名设计，分别获得蜂窝用户信干噪比和D2D用户信干噪比；

步骤102：根据所述蜂窝用户信干噪比和所述D2D用户信干噪比，得到蜂窝用户和复用蜂窝用户链路资源的D2D用户对的吞吐量；从而得到系统总的吞吐量；

步骤103：以步骤102所述的系统总的吞吐量为目标，根据蜂窝用户频谱资源复用关系、蜂窝用户信干噪比门限以及D2D用户对信干噪比门限实现系统容量最大化。

优选地，所述步骤101利用时间反演镜对蜂窝用户和D2D用户执行信道签名包括：基站接收端利用导频信号进行信道探测，获取信道冲击响应，然后得到信道冲击响应的时间反演共轭形式，最后利用信道冲击响应的时间反演的共轭形式作为时间反演处理器的传输函数。在丰富多径的环境下，有用信号通过时间反演处理器后进行多径传输，相当于信号通过时间反演镜进行传输，可以有效提取有用信号，剔除干扰。

设定蜂窝用户发送信号到基站接收端的时间反演镜为即蜂窝用户的信道签名：

其中*表示共轭，表示第i个蜂窝用户到基站归一化时间反演波形即信道签名；表示第i个蜂窝用户到基站具有长度l的信道延迟分布响应；表示第i个蜂窝用户发送的符号序列{X(k)}到基站的信道延迟分布响应(共轭表示此值为复数的情况)；L表示信道长度。

同时，D2D用户发送信号到基站接收端的时间反演镜为设定D2D用户的信道签名设计；第j个D2D发送端到基站所获得的时间反演信道签名为

其中，表示第j个D2D发送用户到接收用户的归一化时间反演波形即信道签名，表示第j个D2D发送用户到接收用户具有长度l的信道延迟分布响应，表示第j个D2D发送用户的符号序列{X(k)}到接收端的信道延迟分布响应。

所述步骤101中蜂窝用户和D2D用户对通过TR签名设计获得蜂窝用户信干噪比、D2D用户信干噪比，分别表示为：

当x_i,j＝1时：第i个蜂窝用户在基站接收端SINR和第j对D2D用户在接收端的SINR分别为：

当x_i,j＝0时：第i个蜂窝用户在基站接收端SINR为：

其中定义了资源复用矩阵：H＝[x_i,j]_K×D，其中，表示D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态，若x_i,j＝1表示D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源，否则x_i,j＝0，表示D2D用户对未复用蜂窝用户频谱资源。其中，表示第i个蜂窝用户发送功率，如果蜂窝用户k≠i，表示第k个蜂窝用户发送功率，表示第j对D2D用户的发送功率，如果D2D用户对k≠j，表示第k对D2D用户发送功率；表示第i个蜂窝用户到基站时间反演信道签名；表示第k个蜂窝用户到基站时间反演信道签名；表示第j对D2D用户时间反演信道签名矩阵；表示第k对D2D用户时间反演信道签名；其中上标H表示上述对应信道签名矩阵共轭转置；表示第i个蜂窝用户到基站所形成信道拓普利兹矩阵，表示第i个蜂窝用户到基站所形成信道拓普利兹矩阵的第L行向量；且基站接收到的加性高斯白噪声均值为0，方差为σ²，为了简化表达式，第i个蜂窝用户到基站信道协方差矩阵表示为第i个蜂窝用户到基站信道自相关矩阵为表示第i个蜂窝用户到基站产生码间干扰信道协方差矩阵，表示D2D干扰用户到基站信道协方差矩阵，表示除发送用户之外其他干扰用户到基站信道协方差矩阵；其中上标H表示共轭转置，同理分别表示第j对D2D用户之间信道自相关矩阵，第j对D2D用户之间码间干扰信道协方差矩阵，除发送D2D用户之外其他干扰用户到第k对接收用户信道协方差矩阵，蜂窝用户到第j对D2D接收用户干扰信道协方差矩阵。

基于上述规范定义，当可将用户信干噪比简化：

当x_i,j＝0时，第i个蜂窝用户在基站接收端SINR简化如下为：

其中，上标T表示转置，Φ为串扰矩阵，如果蜂窝用户k≠i，表示小区其他蜂窝用户对发送用户i的干扰，如果k＝i，则P_ct表示蜂窝用户发送功率矩阵，P_dt表示D2D用户发送功率矩阵；A表示D2D用户对蜂窝用户产生的干扰，其取值为此外，定义蜂窝用户i对角矩阵为定义D2D用户j的对角矩阵表示蜂窝用户对D2D接收用户的同层干扰矩阵；相应地，如果D2D用户对k≠j，则串扰矩阵表示小区内其他D2D用户对发送用户的干扰；如果D2D用户对k＝j，表示D2D发送用户之间的码间干扰。

基于上述蜂窝用户和D2D用户对的信干噪比，系统内蜂窝用户和复用蜂窝用户链路资源的D2D用户对总的吞吐量分别表示为：

则系统总的吞吐量表示为：

R_S＝R_C+R_D

其中，蜂窝用户数为K，D2D用户对数为D，且K>D，其中表示蜂窝用户集合，表示D2D用户对数集合，系统总的吞吐量表示系统容量。

因此以最大化系统容量为优化目标，满足频谱资源复用及蜂窝用户和D2D用户信干噪比门限为约束条件，使得系统容量最大：

s.t.

其中，表示蜂窝用户信干噪比门限，表示D2D用户对信干噪比门限。约束条件C1表示保证D2D通信用户至少可以复用一个蜂窝用户频谱资源；约束条件C2表示蜂窝用户频谱资源至多只能被一个D2D用户对复用；约束条件C3表示为保证蜂窝用户的通信质量，必须满足的最低信干噪比的要求；约束条件C4表示为了保证D2D用户对的通信质量，必须满足的最低信干噪比的要求；根据上述四个约束条件，实现的通信才有意义。利用基于博弈的功率控制方案和用户匹配调度方法解决此优化问题。

优选地，所述步骤102采用斯塔克尔伯格Stackelberg博弈模型为蜂窝用户设置最优价格和为D2D用户对分配最优发送功率包括：考虑Stackelberg博弈机制。蜂窝用户(视为领导者)首先决定频谱复用的价格，然后D2D用户对(视为追随者)再决定可实现发送功率的大小，通过自适应调整Stackelberg博弈中频谱复用的成本来完成调度任务，确定蜂窝用户的最优价格及D2D用户对决定最优发送功率

优选地，所述步骤103根据D2D用户容量增益的规划目标，采用容量增益限制区域限制机制为D2D用户对分配蜂窝用户链路资源；首先，匹配所有可能配对的蜂窝用户C_i和D2D用户对D_j，形成序列(C_i,D_j)。

其中，容量增益ξ_ij定义为上行链路频谱复用带来的整体容量增益，其中包括第i个蜂窝用户及复用链路资源的第j对D2D用户对，根据本文时间反演上行传输系统，容量增益ξ_ij表示为：

其中，表示第i个蜂窝用户的链路资源未被D2D复用时的信干噪比。若第i个蜂窝用户处于第j对D2D用户对的容量增益限制区域内，则ξ_ij<0，所以在D2D通信限制区域内的蜂窝用户的链路资源是不满足容量增益的要求，为了使得整个系统获得正的系统容量增益，则必满足ξ_ij≥0即：

因此，为了获得较好的通信质量，定义容量增益区域为一个以r_j为半径，以第j对D2D发送端为圆心的圆形区域，表示为：

其中，C_i表示第i个蜂窝用户，D_j表示第j对D2D用户对；表示基站与D2D用户对发送端之间瑞利分布衰落增益，表示蜂窝用户的损耗指数，同理D2D用户对损耗指数为表示第j对D2D用户的发送功率，表示第i个蜂窝用户发送功率，定义蜂窝用户i对角矩阵为定义D2D用户j的对角矩阵P_ct表示蜂窝用户发送功率矩阵，P_dt表示D2D用户发送功率矩阵；A表示D2D用户对蜂窝用户产生的干扰，其取值为表示蜂窝用户对D2D接收用户的同层干扰矩阵；Φ为串扰矩阵，如果蜂窝用户k≠i，表示小区其他蜂窝用户对发送用户i的干扰，如果蜂窝用户k＝i，则表示小区内其他D2D用户对发送用户的干扰；如果D2D用户对k＝j，表示D2D发送用户之间的码间干扰，基站接收到的加性高斯白噪声均值为0，方差为σ²。。

因此，选择半径之外的蜂窝用户链路资源进行复用，形成候选蜂窝用户集合，以此降低系统码间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)、用户间干扰(Inter-UserInterference，IUI)和同层间干扰(Inter-Tier Interference，ITI)等干扰。

D2D用户对根据优先级在容量增益区域限制机制下选择频谱进行复用，D2D用户对复用蜂窝用户的链路资源按照优先级调度。假定，在当前的传输时间间隔TTI内，第j对D2D用户对复用第i个蜂窝用户的频谱，那么，在下一个TTI，第j对D2D用户对使用第i个蜂窝用户的频谱的优先级可以表示为：

其中，成本c_j(t)为：其中ω表示调度系数，其值越大，对调度的优先级影响越大，表示D2D用户对的频谱效用函数，表示蜂窝用户的在τ时刻的最优价格，表示D2D用户对的在τ时刻的最优发送功率。

进一步的，定义每对D2D用户对选择的候选蜂窝用户集合为表示为：其中，集合表示在第j对D2D用户对容量增益限制区域内的所有蜂窝用户。因此D2D用户对根据优先级的顺序调度容量增益限制区域外的蜂窝用户，形成候选蜂窝用户集合，然后对匹配的蜂窝用户和D2D用户对序列进行降序排序，以备后续调度。

优选地，所述步骤103根据D2D用户复用蜂窝链路资源复用的公平性需求，利用资源复用参数门限限制D2D用户对复用蜂窝链路资源的数目包括：资源复用最大值的限制避免具有高优先级的D2D用户对占用过多蜂窝用户链路资源，使得优先级较低的D2D通信用户无法获得链路资源，造成用户之间资源复用不公平的现象。定义每对D2D用户对资源复用的参数为的数值大小表示D2D用户复用蜂窝链路资源的数目，所述的数值必须满足一定地门限值以保证系统内D2D通信用户对资源复用的公平性，所述资源复用的参数门限THr表示为：

其中，K为小区内蜂窝用户的数目，D为小区内D2D用户对的数目，κ为校正因子，且κ越大则表示D2D用户对分配到频谱资源数目越多，反之则越少。

优选地，所述步骤104为空闲蜂窝用户分配D2D用户对，实现了最大化系统容量，并限制D2D用户对复用蜂窝链路资源的数目，提升系统公平性。其具体实现过程包括：

首先为空闲蜂窝用户制定优先级策略；根据蜂窝用户到基站的距离大小分配优先级，距离基站越近，蜂窝优先级越高；

为空闲蜂窝用户制定选择规则；主要为空闲的蜂窝用户选择对其干扰最小的D2D用户对；因为蜂窝的用户数远大于D2D用户对数，即K>D，必存在未被复用的K'代表未被复用的蜂窝用户即空闲用户，对于未被复用的蜂窝用户选择理想的D2D用户对。则空闲蜂窝用户根据优先级选择D2D用户对，选取规则表示为其中，表示基站与D2D用户对之间的信道增益为：表示基站与D2D用户对发送端路径增益常数，表示基站到D2D用户对发送端距离，表示蜂窝用户候选D2D通信对集合；D_j表示D2D用户；

继而，D2D用户对复用蜂窝用户链路资源的复用参数则增加为：当值增加到等于D2D用户对资源复用门限THr时，将此时的D2D用户对从集合中移除，表示为：

本发明的有益效果在于：本发明针对D2D通信网络中干扰问题，采用信道签名和资源调度的联合优化方法，利用TR签名设计提取有用信号和干扰，基于博弈的基础，完成D2D用户的功率控制，结合容量限制区域的自适应调整，优先保证蜂窝用户的QoS需求，同时为D2D用户设置可复用蜂窝链路资源数目门限，以此提升系统公平性，本发明不仅能有效地抑制蜂窝用户和D2D用户之间的相互干扰，提高频谱利用率，而且提升系统公平性。

附图说明

图1本发明D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法优选实施例流程图；

图2本发明D2D通信网络中用户匹配调度的实施例流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达的更加清楚明白，下面结合附图及具体实施案例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法优选实施例流程图，该方法包括以下步骤：

进一步的，本发明的利用时间反演技术分别对蜂窝用户和D2D用户执行信道签名设计包括：

基站接收端利用导频信号进行信道探测；发送信号通过时间反演镜执行信道签名；其中，时间反演镜表示第i个蜂窝用户通过信道发送信号，接收端将接收到到的信号时间反转并重新通过信道发射，相当于将信道冲击响应进行反转，重新发射的信号就可以实现时间和空间同步聚焦。即归一化时间反演波形表示信道签名：

进一步的，利用时间反演技术分别对蜂窝用户和D2D用户执行信道签名设计的具体功能实现为：

发送端发送的有用信号通过时间反演镜后进行多径传输，相当于每条路径对信号均进行了时间反演信道签名，可以提取有用信号，剔除干扰。

设定第j个D2D发送端到基站所获得的时间反演信道签名为：

同理，对于D2D接收端而言，用户到D2D接收端所获得的时间反演信道签名与上述类似。

进一步的，分别获得蜂窝用户信干噪比和D2D用户信干噪比包括：

引入资源复用矩阵H＝[x_i,j]_K×D，根据所述资源复用矩阵来区分D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态；

根据所述D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态对应不同的蜂窝用户信干噪比和D2D用户信干噪比；

定义了资源复用矩阵：

H＝[x_i,j]_K×D (3)

其中x_i,j表示D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态，若x_i,j＝1表示D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源，否则x_i,j＝0，表示D2D用户对未复用蜂窝用户频谱资源，其中，

基于上述信道签名(1)和(2)，建模蜂窝用户信干噪比和D2D用户信干噪比公式为：

当x_i,j＝0时，第i个蜂窝用户在基站接收端SINR为：

其中，表示第i个蜂窝用户的发送功率，如果蜂窝用户k≠i，表示第k个蜂窝用户发送功率，表示第j对D2D用户的发送功率，如果D2D用户对k≠j，表示第k对D2D用户发送功率；表示第i个蜂窝用户到基站时间反演信道签名；表示第k个蜂窝用户到基站时间反演信道签名；表示第j对D2D用户时间反演信道签名矩阵；表示第k对D2D用户时间反演信道签名；其中上标H表示上述对应信道签名矩阵共轭转置；表示第i个蜂窝用户到基站所形成信道拓普利兹矩阵，表示第i个蜂窝用户到基站所形成信道拓普利兹矩阵的第L行向量；且基站接收到的加性高斯白噪声均值为0，方差为σ²，为了简化表达式，第i个蜂窝用户到基站信道协方差矩阵表示为第i个蜂窝用户到基站信道自相关矩阵为表示第i个蜂窝用户到基站产生码间干扰信道协方差矩阵，表示D2D干扰用户到基站信道协方差矩阵，表示除发送用户之外其他干扰用户到基站信道协方差矩阵；其中上标H表示共轭转置，同理分别表示第j对D2D用户之间信道自相关矩阵，第j对D2D用户之间码间干扰信道协方差矩阵，除发送D2D用户之外其他干扰用户到第k对接收用户信道协方差矩阵，蜂窝用户到第j对D2D接收用户干扰信道协方差矩阵。

根据蜂窝用户信干噪比公式(4)、(6)和D2D用户信干噪比公式(5)，可将蜂窝用户信干噪比和D2D用户信干噪比分别简化为：

当x_i,j＝0时，第i个蜂窝用户在基站接收端SINR简化如下为：

其中，上标T表示转置，Φ为串扰矩阵，如果蜂窝用户k≠i，表示小区其他蜂窝用户对发送用户i的干扰，如果k＝i，则P_ct表示蜂窝用户发送功率矩阵，P_dt表示D2D用户发送功率矩阵；A表示D2D用户对蜂窝用户产生的干扰，其取值为此外，定义蜂窝用户i的对角矩阵为定义D2D用户对j的对角矩阵表示蜂窝用户对D2D接收用户的同层干扰矩阵；相应地，如果D2D用户对k≠j，则串扰矩阵表示小区内其他D2D用户对发送用户的干扰；如果D2D用户对k＝j，表示D2D发送用户之间的码间干扰。

基于上述蜂窝用户和D2D用户对的信干噪比，系统内蜂窝用户和复用蜂窝用户链路资源的D2D用户对总的吞吐量分别如式(10)、式(11)所示：

则系统总的吞吐量表示为：

R_S＝R_C+R_D (12)

其中蜂窝用户数和D2D用户对数分别为K，D，且K>D，其中，K＝{C_i}表示蜂窝用户集合，D＝{D_j}表示D2D用户对数集合，

进一步的，因此以最大化系统容量为优化目标，满足频谱资源复用及蜂窝用户和D2D用户信干噪比门限为约束条件，使得系统容量最大：

s.t.

其中，表示蜂窝用户信干噪比门限，表示D2D用户对信干噪比门限，约束条件C1表示保证D2D通信用户至少可以复用一个蜂窝用户频谱资源，约束条件C2表示蜂窝用户频谱资源至多只能被一个D2D用户对复用；约束条件C3表示为保证蜂窝用户的通信质量，必须满足的最低信干噪比的要求；约束条件C4表示为了保证D2D用户对的通信质量，必须满足的最低信干噪比的要求；根据上述四个约束条件，实现的通信才有意义。

进一步的，通过采用斯塔克尔伯格Stackelberg博弈模型，得到频谱资源复用的成本，所述成本包括：复用蜂窝用户的最优价格以及D2D用户对所分配的最优发送功率；优选的，所述通过采用斯塔克尔伯格Stackelberg博弈模型，得到频谱资源复用的成本包括以下步骤：

采用斯塔克尔伯格Stackelberg算法确定蜂窝用户的最优价格；具体包括：蜂窝用户(视为领导者)首先决定频谱复用的价格，然后D2D用户对(视为追随者)再决定可实现发送功率的大小，通过自适应调整Stackelberg博弈中频谱复用的成本来完成调度任务，首先确定蜂窝用户的最优价格

利用斯塔克尔伯格Stackelberg算法确定D2D用户的最优发送功率；具体包括：D2D用户对根据蜂窝用户对复用蜂窝链路资源的定价来决定最优发送功率

进一步的，根据D2D用户容量增益的规划目标，采用容量增益区域限制机制为所述D2D用户对分配候选蜂窝用户链路资源包括：如图2所示：

步骤103A：匹配所有可能配对的蜂窝用户C_i和D2D用户对D_j，形成序列(C_i,D_j)；

步骤103B：以D2D用户对D_j为圆心，根据容量增益生成一个以r_j为半径的圆形容量增益区域；

步骤103C：根据优先级，将D2D用户对频谱资源调用；按照D2D调度优先级，对匹配的蜂窝用户和D2D用户对序列降序排列调度，移除匹配用户对；

优选的，所述步骤103C后还包括步骤103D：空闲蜂窝用户按照所述优先级选择D2D用户；

具体包括：匹配所有可能配对的蜂窝用户和D2D用户对(C_i,D_j)形成序列。根据容量增益限制区域限制机制计算限制区域半径为D2D用户对分配候选蜂窝用户链路资源；ξ_ij定义为上行链路频谱复用带来的整体容量增益，其中包括第i个蜂窝用户及复用链路资源的第j对D2D用户对，根据本文时间反演上行传输系统，容量增益表示为：

其中，C_i表示第i个蜂窝用户，D_j表示第j对D2D用户对；表示基站与D2D用户对发送端之间瑞利分布衰落增益，表示蜂窝用户的损耗指数，表示第j对D2D用户的发送功率，表示第i个蜂窝用户发送功率，定义蜂窝用户i对角矩阵为定义D2D用户j的对角矩阵P_ct表示蜂窝用户发送功率矩阵，P_dt表示D2D用户发送功率矩阵；A表示D2D用户对蜂窝用户产生的干扰，其取值为表示蜂窝用户对D2D接收用户的同层干扰矩阵；Φ为串扰矩阵，如果蜂窝用户k≠i，表示小区其他蜂窝用户对发送用户i的干扰，如果蜂窝用户k＝i，则表示小区内其他D2D用户对发送用户的干扰；如果D2D用户对k＝j，表示D2D发送用户之间的码间干扰，基站接收到的加性高斯白噪声均值为0，方差为σ²。因此，选择半径之外的蜂窝用户链路资源进行复用，形成候选蜂窝用户集合，定义每对D2D用户对选择的候选蜂窝用户集合为表示为：

其中，集合表示在第j对D2D用户对容量增益限制区域内的所有蜂窝用户。以此降低系统ISI、IUI和ITI等干扰。

进一步的，D2D用户对根据优先级在容量增益限制机制下选择频谱资源进行复用。假定，在当前的传输时间间隔TTI内，第j对D2D用户对复用第i个蜂窝用户的频谱，那么，在下一个TTI，第j对D2D用户对使用第i个蜂窝用户的频谱的优先级可以表示为：

其中，成本c_j(t)为：

其中ω表示调度系数，其值越大，对调度的优先级影响越大，表示D2D用户对的频谱能量，表示蜂窝用户的在τ时刻的最优价格，表示D2D用户对的在τ时刻的最优发送功率。因此D2D用户对根据优先级的顺序调度候选蜂窝用户集合。

根据容量增益区域限制，D2D用户对复用蜂窝用户的链路资源按照优先级调度，然后对匹配的蜂窝用户和D2D用户对序列进行降序排序，以备后续调度。

进一步的，为上一阶段未被复用的空闲蜂窝用户分配D2D用户对，根据蜂窝用户到基站的距离大小分配其优先级，距离基站越近，蜂窝优先级越高，优先选择复用的D2D用户对，其选择根据一定的规则，主要为空闲的蜂窝用户选择对其干扰最小的D2D用户对。

因为蜂窝的用户数远大于D2D用户对数，即K>D，必存在未被复用的蜂窝用户，K'代表未被复用的蜂窝用户即空闲用户，对于未被复用的蜂窝用户选择理想的D2D用户对。则空闲蜂窝用户根据优先级选择D2D用户对，选取规则表示为

其中，表示基站与D2D用户对之间的信道增益为：表示基站与D2D用户对发送端路径增益常数，表示基站到D2D用户对发送端距离，argmin[·]表示·取得最小值时自变量的取值，表示蜂窝用户候选D2D通信对集合；D_j表示D2D用户。

根据所有空闲蜂窝用户选定的候选D2D用户对集合，限制D2D用户对复用蜂窝链路资源的数目，此时：

当D2D资源复用数目的最大值增加到：

将此时的D2D用户对从蜂窝候选D2D集合中移除，表示为：直至完成所有空闲蜂窝用户的配对。

其中，表示每对D2D用户对资源复用的参数，资源复用的参数门限THr表示为：

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤102：根据所述蜂窝用户信干噪比和所述D2D用户信干噪比，得到蜂窝用户的吞吐量和复用蜂窝用户链路资源的D2D用户对的吞吐量；从而得到系统总的吞吐量；

2.根据权利要求1所述的D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述步骤101利用时间反演技术分别对蜂窝用户和D2D用户执行信道签名设计包括：

基站端利用导频信号进行信道探测；发送信号通过时间反演镜执行信道签名；具体包括：基站端利用导频信号即直接序列扩频信号进行信道探测，获取信道冲击响应，得到信道冲击响应的时间反演共轭形式；利用信道冲击响应的时间反演的共轭形式作为时间反演处理器的传输函数；设定蜂窝用户发送信号到基站接收端的时间反演镜为设定D2D用户发送信号到基站接收端的时间反演镜为根据所述蜂窝用户发送信号到基站接收端的时间反演镜定义蜂窝用户的信道签名设计，根据所述D2D用户发送信号到基站接收端的时间反演镜为定义D2D用户的信道签名设计；

所述蜂窝用户的信道签名设计包括：

<mrow> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>k</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>h</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> <mo>&lsqb;</mo> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>k</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>/</mo> <msqrt> <mrow> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mo>|</mo> <msubsup> <mi>h</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>

其中*表示共轭，表示第i个蜂窝用户到基站归一化时间反演波形即信道签名，表示第i个蜂窝用户到基站具有长度l的信道延迟分布响应，表示第i个蜂窝用户发送的符号序列{X(k)}到基站的信道延迟分布响应，L表示信道长度；

所述D2D用户的信道签名设计包括：

<mrow> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mi>k</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>h</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> <mo>*</mo> </mrow> </msubsup> <mo>&lsqb;</mo> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>k</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>/</mo> <msqrt> <mrow> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mo>|</mo> <msubsup> <mi>h</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> <mo>_</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>

3.根据权利要求1所述的D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述步骤101中分别获得蜂窝用户信干噪比和D2D用户信干噪比包括以下步骤：

引入资源复用矩阵H＝[x_i,j]_K×D，根据所述资源复用矩阵来区分D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态，根据所述D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态对应不同的蜂窝用户信干噪比和D2D用户信干噪比；其中，

<mrow> <msub> <mi>SINR</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>R</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&NotEqual;</mo> <mi>i</mi> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>ct</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>&Element;</mo> <mi>N</mi> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msup> <mi>&sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>SINR</mi> <mrow> <msub> <mi>du</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>R</mi> <mrow> <msub> <mi>dr</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>_</mo> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <msub> <mi>dr</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>_</mo> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&NotEqual;</mo> <mi>j</mi> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <msub> <mi>dr</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>_</mo> <msub> <mi>dt</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>dt</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <msub> <mi>dr</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>_</mo> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msup> <mi>&sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

当x_i,j＝0时，第i个蜂窝用户在基站接收端SINR为：

<mrow> <msub> <mi>SINR</mi> <mrow> <msubsup> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> <mo>&prime;</mo> </msubsup> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>R</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&NotEqual;</mo> <mi>i</mi> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msubsup> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>ct</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msup> <mi>&sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，x_i,j表示D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态，若x_i,j＝1，表示D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源；若x_i,j＝0，表示D2D用户对未复用蜂窝用户频谱资源；表示在D2D用户复用蜂窝用户频谱资源情况下蜂窝用户信干噪比，表示D2D用户复用蜂窝用户频谱资源时信干噪比；表示未被D2D用户复用情况下蜂窝用户SINR；其中，表示第i个蜂窝用户的发送功率，如果蜂窝用户k≠i，表示第k个蜂窝用户发送功率，表示第j对D2D用户的发送功率，如果D2D用户对k≠j，表示第k对D2D用户发送功率；表示第i个蜂窝用户到基站的时间反演信道签名；表示第k个蜂窝用户到基站时间反演信道签名；表示第j对D2D用户时间反演信道签名矩阵；表示第k对D2D用户时间反演信道签名；其中上标H表示上述对应信道签名矩阵共轭转置；表示第i个蜂窝用户到基站所形成信道拓普利兹矩阵，表示第i个蜂窝用户到基站所形成信道拓普利兹矩阵的第L行向量；且基站接收到的加性高斯白噪声均值为0，方差为σ²，第i个蜂窝用户到基站信道协方差矩阵表示为第i个蜂窝用户到基站信道自相关矩阵为表示第i个蜂窝用户到基站产生码间干扰信道协方差矩阵，表示D2D干扰用户到基站信道协方差矩阵，表示除发送用户之外其他干扰用户到基站信道协方差矩阵；其中上标H表示共轭转置，同理分别表示第j对D2D用户之间信道自相关矩阵，第j对D2D用户之间码间干扰信道协方差矩阵，除发送D2D用户之外其他干扰用户到第k对接收用户信道协方差矩阵，蜂窝用户到第j对D2D接收用户干扰信道协方差矩阵。

4.根据权利要求3所述D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述蜂窝用户信干噪比和所述D2D用户信干噪比的规范定义简化式分别如下：

<mrow> <msubsup> <mi>&gamma;</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>SINR</mi> <mrow> <msub> <mi>ct</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&Phi;</mi> <mi>i</mi> <mi>T</mi> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>j</mi> <mi>T</mi> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msup> <mi>&sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <msubsup> <mi>&gamma;</mi> <mi>j</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>SINR</mi> <mrow> <msub> <mi>dr</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <msub> <mover> <mi>D</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msubsup> <mover> <mi>&Phi;</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>j</mi> <mi>T</mi> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msubsup> <mover> <mi>A</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>i</mi> <mi>T</mi> </msubsup> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msup> <mi>&sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

当x_i,j＝0时：第i个蜂窝用户在基站接收端SINR简化如下为：

其中，上标T表示转置，Φ为串扰矩阵，如果蜂窝用户k≠i，表示小区其他蜂窝用户对发送用户i的干扰，如果蜂窝用户k＝i，则P_ct表示蜂窝用户发送功率矩阵，P_dt表示D2D用户发送功率矩阵；A表示D2D用户对蜂窝用户产生的干扰，其取值为定义蜂窝用户i的对角矩阵为定义D2D用户j的对角矩阵为表示蜂窝用户对D2D接收用户的同层干扰矩阵；如果D2D用户对k≠j，则串扰矩阵表示小区内其他D2D用户对发送用户的干扰；如果D2D用户对k＝j，表示D2D发送用户之间的码间干扰。

5.根据权利要求1所述的一种D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述步骤102根据所述蜂窝用户信干噪比和所述D2D用户信干噪比，得到蜂窝用户的吞吐量和复用蜂窝用户链路资源的D2D用户对的吞吐量；从而得到系统总的吞吐量包括：系统内蜂窝用户和复用蜂窝用户链路资源的D2D用户对总的吞吐量分别如下：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&Element;</mo> <mi>K</mi> </mrow> </munder> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>&Element;</mo> <mi>D</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&gamma;</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

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则系统总的吞吐量表示为：

R_S＝R_C+R_D

其中，R_C表示蜂窝用户的吞吐量，R_D表示复用蜂窝用户链路资源的D2D用户对的吞吐量，R_S表示系统总的吞吐量，也即是系统容量；x_i,j表示D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态，蜂窝用户数和D2D用户对数分别为K，D，且K>D，K＝{C_i}表示蜂窝用户集合，D＝{D_j}表示D2D用户对数集合，表示第i个蜂窝用户在基站接收端SINR，表示第j对D2D用户在接收端的SINR；

6.根据权利要求1所述的一种D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述步骤103的以步骤102所述的系统总的吞吐量为目标，根据蜂窝用户频谱资源复用关系、蜂窝用户信干噪比门限以及D2D用户对信干噪比门限实现系统容量最大化包括：通过采用斯塔克尔伯格Stackelberg博弈模型，得到频谱资源复用的成本，根据D2D用户容量增益的规划目标，采用容量增益区域限制机制为D2D用户对分配蜂窝用户链路资源；为空闲蜂窝用户分配D2D用户对，实现最大化系统容量，具体包括：

根据蜂窝用户和D2D用户的信干噪比，依据香农定理，实现最大化系统容量具体包括：以最大化系统容量为优化目标，满足频谱资源复用及蜂窝用户和D2D用户信干噪比门限为约束条件，使得系统容量最大；也即

所述约束条件为：

<mrow> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>&Element;</mo> <mi>K</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>&GreaterEqual;</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>&ForAll;</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>&Element;</mo> <mi>D</mi> <mo>,</mo> </mrow>

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<mrow> <msubsup> <mi>&gamma;</mi> <mi>j</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msubsup> <mo>&GreaterEqual;</mo> <msubsup> <mi>&gamma;</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msubsup> <mo>,</mo> <mo>&ForAll;</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>&Element;</mo> <mi>D</mi> <mo>,</mo> <mo>;</mo> </mrow>

其中，x_i,j表示D2D用户对复用蜂窝用户频谱资源的状态，蜂窝用户数和D2D用户对数分别为K，D，且K>D，K＝{C_i}表示蜂窝用户集合，D＝{D_j}表示D2D用户对数集合，表示第i个蜂窝用户在基站接收端SINR，表示第j对D2D用户在接收端的SINR；表示蜂窝用户信干噪比门限，表示D2D用户对信干噪比门限。

7.根据权利要求6所述的D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述通过采用斯塔克尔伯格Stackelberg博弈模型，得到频谱资源复用的成本包括：

在时间反演上行传输系统中，考虑Stackelberg博弈机制；蜂窝用户决定频谱复用的价格，D2D用户对决定可实现发送功率的大小，通过自适应调整Stackelberg博弈中频谱复用的成本来完成调度任务；利用Stackelberg博弈方法，通过考虑系统吞吐量及干扰问题，确定蜂窝用户的最优价格及D2D用户对决定最优发送功率其中，蜂窝用户视为领导者，D2D用户对视为追随者。

8.根据权利要求6所述的D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述根据D2D用户容量增益的规划目标，采用容量增益区域限制机制为所述D2D用户对分配蜂窝用户链路资源包括以下步骤：

步骤103C：根据第j对D2D用户对使用第i个蜂窝用户的频谱优先级，将D2D用户对的频谱资源调用；按照D2D调度优先级，对匹配的蜂窝用户和D2D用户对序列降序排列并调度，移除匹配通信对；

所述容量增益表示为：

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其中，表示第i个蜂窝用户的链路资源未被D2D复用时的信干噪比；

所述容量增益区域为一个以r_j为半径，以第j对D2D用户对发送端为圆心的圆形容量增益区域，表示为：

其中，C_i表示第i个蜂窝用户，D_j表示第j对D2D用户对；表示基站与D2D用户对发送端之间瑞利分布衰落增益，表示蜂窝用户的损耗指数，表示第j对D2D用户的发送功率，表示第i个蜂窝用户发送功率，定义蜂窝用户i对角矩阵为定义D2D用户j的对角矩阵P_ct表示蜂窝用户发送功率矩阵，P_dt表示D2D用户发送功率矩阵；A表示D2D用户对蜂窝用户产生的干扰，其取值为表示蜂窝用户对D2D接收用户的同层干扰矩阵；Φ为串扰矩阵，如果蜂窝用户k≠i，表示小区其他蜂窝用户对发送用户i的干扰，如果蜂窝用户k＝i，则表示小区内其他D2D用户对发送用户的干扰；如果D2D用户对k＝j，表示D2D发送用户之间的码间干扰，基站接收到的加性高斯白噪声均值为0，方差为σ²。

所述根据第j对D2D用户对使用第i个蜂窝用户的频谱优先级，将D2D用户对的频谱资源调用包括：所述D2D用户对根据优先级的顺序调度容量增益限制区域外的蜂窝用户包括：在当前的传输时间间隔TTI内，第j对D2D用户对复用第i个蜂窝用户的频谱，在下一个TTI，第j对D2D用户对使用第i个蜂窝用户的频谱的频谱优先级表示为：

其中，成本c_j(t)为：ω表示调度系数，表示D2D用户对的频谱效用函数，表示蜂窝用户的在τ时刻的最优价格，表示D2D用户对的在τ时刻的最优发送功率。

9.根据权利要求6所述的D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述根据D2D用户容量增益的规划目标，采用容量增益区域限制机制为D2D用户对分配蜂窝用户链路资源包括：根据不同D2D用户复用蜂窝链路资源复用的公平性需求，利用资源复用的参数门限限制所述D2D用户对复用蜂窝链路资源的数目，按照D2D用户容量增益，为D2D用户分配蜂窝用户链路资源；

其中，定义每对D2D用户对资源复用的参数为的数值大小表示D2D用户复用蜂窝链路资源的数目，所述的数值必须满足一定地门限值以保证系统内D2D通信用户对资源复用的公平性，所述资源复用的参数门限THr表示为：其中，K为小区内蜂窝用户的数目，D为小区内D2D用户对的数目，κ为校正因子。

10.根据权利要求6所述的D2D通信网络中基于信道签名的资源调度优化方法，其特征在于，所述采用容量增益区域限制机制包括：

根据蜂窝用户到基站的距离大小设定距离优先级；距离基站越近，蜂窝的距离优先级越高；

为空闲蜂窝用户制定选择规则；为空闲的蜂窝用户选择对所述空闲的蜂窝用户干扰最小的D2D用户对包括：对于未被复用的蜂窝用户选择理想的D2D用户对；则空闲蜂窝用户根据所述距离优先级选择D2D用户对，所述选择D2D用户对的规则表示为其中，argmin[·]表示·取得最小值时自变量的取值，表示基站与D2D用户对之间的信道增益，表示基站与D2D用户对发送端路径增益常数，表示基站到D2D用户对发送端距离，表示蜂窝用户候选D2D通信对集合，D_j表示D2D用户；

D2D用户对复用蜂窝用户链路资源的复用参数则增加为：当值增加到等于D2D用户对资源复用门限THr时，将此时的D2D用户对从集合中移除，表示为：