CN108112084A - 一种蜂窝d2d通信系统中联合模式选择和资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法，属于无线移动通信技术领域。该方法主要包括以下步骤S1:计算直通模式和中继(DF)模式下D2D通信速率；S2:中继模式下，通过Dinkelbach算法进行D2D用户和中继用户的最优功率分配；S3:直通模式下，对D2D用户对最优功率分配；S4:将D2D直通模式看成中继模式的一种，计算得最大速率矩阵R_K*M+1，通过匈牙利算法实现最优中继选择；本发明设计的蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配算法考虑同时考虑了D2D用户和中继用户的功率分配、模式选择、最优中继选择。通过联合模式选择和资源分配实现系统吞吐量的最大化。

Description

一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法

技术领域

本发明涉及多用户蜂窝D2D通信系统，具体为一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法。

背景技术

在蜂窝通信系统中，整个网络的构成部分为小区和基站，这种结构可同时提高较高速率的通信业务和较好的用户体验。对于目前的LTE-A无线通信系统，整个网络的特点是已小区基站为中心，无线业务的管理又大多以基站为中心，这样就固定了整个蜂窝网络整体架构。而随着无线多媒体业务的发展，基于本地的数据共享也在不断增加。本地业务的最大特点为：传输距离短、数据量大、通信速率高，以基站为中心的蜂窝结构在面对这些新型无线业务，尤其是瞬时高数据流量的部分本地业务时，就显得越来越力不从心，传统的经基站转发的通信模式也日益面临严峻的挑战。另一方面，由于蜂窝系统中处于任意位置的用户都需要通过基站进行数据交互，对于那些蜂窝无线业务量繁忙的地区，在原有的蜂窝网络基础上增加基站数目以缩小单个小区的覆盖范围是最常用的方法。但这无疑提高了整个网络的建设成本，同时过多的基站也会带来实际维护困难的问题。

为了解决以上问题，提出了蜂窝网络下终端直通(Device to Device，D2D)通信的概念，并得到了越来越多的关注。D2D通信最基本的方式就是在地理上相距较近的移动终端用户可以直接进行数据的传输，传输的数据不需要基站来进行转发。将D2D通信技术引入蜂窝通信网络，一方面能够充分利用系统中地理位置较近的蜂窝用户，从而实现区域短距离通信。另一方面D2D通信也能够重用蜂窝系统频谱，并且可以在网络监控下进行通信，因此具有广泛的应用价值和商业价值。

在引入中继技术的D2D通信中，D2D用户充分利用了中继节点的通信链路协助传输自己的数据，能够扩大通信距离，降低信号传输中断概率以及提高通信性能。这主要是因为D2D通信引入中继技术后，允许距离超出一定范围的D2D用户利用周围空闲的蜂窝用户协助转发自己的数据，D2D接收端接收中继节点处理并转发的信号，在一定程度上改善了信号质量，进而提高两个D2D用户之间的通信性能。对于蜂窝与D2D混合网络而言，引入节点作为中继辅助传输后，除了可以在中继技术中结合传统的干扰避免、功率控制等方式外，还可引入关于中继选择机制、资源分配等问题的研究。目前基于蜂窝系统的D2D通信的资源分配问题得到了深入广泛的研究，但是更多的是单方面的资源分配，例如频谱分配，中继选择，功率分配。如何进行集中联合的资源分配是当下研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供认知网络中一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法。

本发明的技术方案如下：

一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法，包括以下步骤：

S1：计算直通模式和中继(DF)模式下D2D通信速率；

S2：中继模式下，通过Dinkelbach算法进行D2D用户和中继用户的最优功率分配；

S3：直通模式下，对D2D用户对最优功率分配；

S4：将D2D直通模式看成中继模式的一种，计算得最大速率矩阵R_K*M，通过匈牙利算法实现最优中继选择。

进一步，在步骤S1中，计算直通模式和中继模式下的系统速率具体方法为：

首先，考虑考虑蜂窝系统D2D用户复用蜂窝用户会产生相互间干扰的特性建立蜂窝用户系统模型，该蜂窝系统模型规定D2D用户复用蜂窝用户的上行链路，而且D2D复用的蜂窝用户已经确定。直通模式下，D2D接收端和蜂窝用户在基站侧的信干噪比表示为:

其中，P_js，G_js,ja分别表示D2D对D_j的发送功率，D_j间的信道增益，P_Cj，G_Cj,ja分别表示D2D复用的蜂窝用户C_j的发送功率，C_j与接收端间的信道增益。表示D2D接收端的信噪比，表示蜂窝用户在基站侧的信噪比。根据香农公式可得直通模式下D_j链路速率的速率和蜂窝用户C_j链路的速率分别为：

然后，分析该蜂窝系统中D2D用户在中继模式下的速率，假设该中继模式工作在半双工信道，采用解码转发(DF)模式进行协助通信。G_js,Ir、G_Cj,Ir分别表示Dj发送端、蜂窝用户C_j和中继I_r间的信道中增益，定义二元变量x_Dj,Ir＝{0,1}，x_Dj,Ir＝1表示D2D用户对D_j通过中继节点I_r协作通信，否则x_Dj,Ir＝0。第一时隙，中继节点I_r和蜂窝用户C_j在基站侧的信干噪比为：

根据香农公式求得D_j和中继节点I_r，蜂窝用户C_j的速率分别为：

第二时隙D2D接收端和蜂窝用户在基站侧的SINR：

由香农公式得第二时隙中继节点和D2D接收端以及蜂窝用户的速率分别为：

由于该中继工作在半双工状态，在中继协作下的两个时隙的D2D链路通信速率受最小速率影响。所以D2D链路的平均速率为：

蜂窝用户的平均速率为：

基于以上各式，在该蜂窝系统中D2D速率，和每对D2D用户复用的蜂窝用户的速率可分别表示为：

进一步，在步骤S2中，在中继模式下，进行D2D用户和中继节点的最优功率分配具体方法为：

在中继模式下，将蜂窝系统中的每对D2D用户遍历所有的候选中继节点，并分别进行最优功率分配，则相当于

其中是D2D用户在中继模式下，进行最优功率分配后，复用的蜂窝用户和D2D用户下的最优速率和。下面首先证明引理1：如果则满足

证明：假设式成立，如果则可以降低D2D用户的发射功率，保持这样会对蜂窝用户的干扰减小，提升蜂窝用户的速率，达到总速率的提升，若可以降低中继节点的发送功率，保持中继节点的功率降低同样会减少对蜂窝用户的干扰，提高总速率，得证。

将代入各项数据后化简可得：

令求中继模式下的最优功率分配，则相当于求如何进行最优功率分配，实现α最大。通过引理1可得D2D用户发送功率P_Dj和中继用户发送功率P_Ir是线性关系：

代入α可得：α的分子是关于P_Ir的三次方多项式，分母是关于P_Ir的二次方多项式，该优化问题属于非线性分数优化问题，其凹凸性很难判断，可以通过Dinkelbach算法进行最有功率求解。该方法不仅可将分式问题转减式问题，而且还能通过迭代求出最大值α。使用Dinkelbach进行非线性分数规划，得最优解并求得D2D用户和中继节点在最优功率下的速率和

进一步，在步骤S3中，在直通模式下，进行D2D用户的最优功率分配具体方法为：

在直通模式下，因为不需要进行中继节点最有功率的分配，所以求解起来相对简单些。在直通模式下最优功率分配可表示为：

令因P_Cj已知且恒定，则原式等价于：

使用S2步骤中的Dinkelbach算法，求得最优功率对应的最大速率为：

进一步，在步骤S4中，进行最优中继选择分配具体方法为：

根据步骤S2，S3已经求得D2D用户在直通模式和中继模式下的最有功率分配。该S4步骤主要进行模式选择，以及最有中继选择。对每对D2D用户进行功率分配以后，则要进行D2D通信模式的选择和最优中继选择来最大化吞吐量。这属于三维问题的求解，复杂度比较高，为了便于算法的设计，简化问题的复杂度。可将D2D直通模式看成是特殊的中继，则中继用户的集合由原来的M个变为为I'＝{I_r:r＝1,2,3,…,M+1}，其中I_M+1为D2D直接通信模式。这样整个问题变成M+1个D2D中继进行最优选择，则问题可表示为：

其中这两个等式表示将D2D直通模式看成是特殊的中继， 该式表示一个中继用户至多被一个D2D用户使用，一个D2D用户至多选择一个中继用户，保证了一对一的关系。有步骤S2，S3得到的最大速率矩阵R_K*M+1，系统最大吞吐量可表示为：

通过匈牙利算法可以求得最优的中继选择。

由于采用以上技术方案，本发明具有以下优点：

1、本发明在D2D资源分配的过程中，充分考虑了功率分配，中继选择，模式选择三个方面进行联合分配。相对于单一的资源分配方法，更好的提高了系统的吞吐量，和系统的稳定性。

2、本发明中继模式下的功率分配属于非线性分数优化问题，提出了基于Dinkelbach算法的最优功率求解方法，在模式选择和最优中继选择时，通过将D2D直通模式看成特殊的中继，简化了算法的复杂度。

附图说明

图1为本发明所需的多用户蜂窝D2D通信系统模型框架。

图2为本发明一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配算法的流程图。

具体实施方案

为了使本技术领域人员能更好地理解本发明的目的、技术方案和有益效果，下面结合具体实施例和说明附图来进行完整的描述。

1、系统模型

由于D2D通信复用上行链路产生的干扰可以通过基站有效的资源分配抑制。因此我们考虑采用蜂窝小区的上行链路为研究对象。蜂窝小区模型如图1所示：该蜂窝小区的信道类型为锐利衰落。考虑如图所示的单小区蜂窝用户，基站位于小区的中心区域，小区以传统蜂窝通信的蜂窝用户CUE的集合为C＝{C_i:i＝1,2,3,…,N}，其中|C|＝N，这N个蜂窝用户分别占用相互正交的信道，所以彼此之间不存在信道干扰，我们假设每个C_i∈C已经被授予了一个RB对。D2D用户对的集合为D＝{D_j:j＝1,2,3,…,K}，其中|D|＝K，在该系统中假设D2D已经成功分配蜂窝用户的频谱即D2D用户对Dj复用的蜂窝用户为C_j。在该系统中还有一些空闲用户，作为潜在的中继用户。空闲用户的集合为I＝{I_r:r＝1,2,3,…,M}，其中|I|＝M。该蜂窝系统各类型用户数量满足：K≤N而且K≤M。定义二元变量x_Dj,Ir＝{0,1}，x_Dj,Ir＝1表示D2D用户对D_j通过中继节点I_r协作通信，否则x_Dj,Ir＝0。

2、资源分配过程

图2为本发明蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配算法的流程图，如图所示，本发明的蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配算法包括如下步骤：

步骤一：计算直通模式和中继(DF)模式下D2D用户通信速率：

考虑考虑蜂窝系统D2D用户复用蜂窝用户会产生相互间干扰的特性建立蜂窝用户系统模型，该蜂窝系统模型规定D2D用户复用蜂窝用户的上行链路，而且D2D复用的蜂窝用户已经确定。直通模式下，D2D接收端和蜂窝用户在基站侧的信干噪比表示为:

其中，P_js，G_js,ja分别表示D2D对D_j的发送功率，D_j间的信道增益，P_Cj，G_Cj,ja分别表示D2D复用的蜂窝用户C_j的发送功率，C_j与接收端间的信道增益。表示D2D接收端的信噪比，表示蜂窝用户在基站侧的信噪比。根据香农公式可得直通模式下D_j链路速率的速率和蜂窝用户C_j链路的速率分别为：

然后，分析该蜂窝系统中D2D用户在中继模式下的速率，假设该中继模式工作在半双工信道，采用解码转发(DF)模式进行协助通信。G_js,Ir、G_Cj,Ir分别表示Dj发送端、蜂窝用户C_j和中继I_r间的信道中增益，定义二元变量x_Dj,Ir＝{0,1}，x_Dj,Ir＝1表示D2D用户对D_j通过中继节点I_r协作通信，否则x_Dj,Ir＝0。第一时隙，中继节点I_r和蜂窝用户C_j在基站侧的信干噪比为：

根据香农公式求得D_j和中继节点I_r，蜂窝用户C_j的速率分别为：

第二时隙D2D接收端和蜂窝用户在基站侧的SINR：

由香农公式得第二时隙中继节点和D2D接收端以及蜂窝用户的速率分别为：

由于该中继工作在半双工状态，在中继协作下的两个时隙的D2D链路通信速率受最小速率影响。所以D2D链路的平均速率为：

蜂窝用户的平均速率为：

基于以上各式，在该蜂窝系统中D2D速率，和每对D2D用户复用的蜂窝用户的速率可分别表示为：

步骤二：中继模式下，通过Dinkelbach算法进行D2D用户和中继用户的最优功率分配：在中继模式下，将蜂窝系统中的每对D2D用户遍历所有的候选中继节点，并分别进行最优功率分配，则相当于

其中是D2D用户在中继模式下，进行最优功率分配后，复用的蜂窝用户和D2D用户下的最优速率和。下面首先证明引理1：如果则满足

证明：假设式成立，如果则可以降低D2D用户的发射功率，保持这样会对蜂窝用户的干扰减小，提升蜂窝用户的速率，达到总速率的提升，若可以降低中继节点的发送功率，保持中继节点的功率降低同样会减少对蜂窝用户的干扰，提高总速率，得证。

将代入各项数据后化简可得：

令求中继模式下的最优功率分配，则相当于求如何进行最优功率分配，实现α最大。通过引理1可得D2D用户发送功率P_Dj和中继用户发送功率P_Ir是线性关系：

代入α可得：α的分子是关于P_Ir的三次方多项式，分母是关于P_Ir的二次方多项式，该优化问题属于非线性分数优化问题，其凹凸性很难判断，可以通过Dinkelbach算法进行最有功率求解。该方法不仅可将分式问题转减式问题，而且还能通过迭代求出最大值α。使用Dinkelbach进行非线性分数规划，得最优解并求得D2D用户和中继节点在最优功率下的速率和

具体解法如下：首先设定一个固定参数ε

对式(44)求一阶导数并令其为零，得出两个极值点则最优解可在如下集合中取得：

记

引理2：当且仅当：

α取得最优解

由式(50)可以看出f(ε,P_Ir)随着ε的减小而增大，因此将代入式(50)，经过Dinkelbach算法t次迭代后，如果则为α的最优解。将代入(49)求出最优的将P_Cj代入式(48)求得最大速率为

Dinkelbach算法求如下：

1.设定最大迭代次数L_max，初始化：迭代次数L＝1，参数ε＝0，ε₁＝0，μ＝10-⁵。

2.for(L＝1；L≤L_max；L++)。

3.根据式(22)，(23)

4.ε₁＝ε，

5.if(|ε-ε₁|≤μ)，break。

6.L＝L+1。

7.end for循环。

8.Printεand

步骤三：直通模式下，对D2D用户对最优功率分配：

在直通模式下，因为不需要进行中继节点最有功率的分配，所以求解起来相对简单些。在直通模式下最优功率分配可表示为：

令因P_Cj已知且恒定，则原式等价于：

使用步骤二中的Dinkelbach算法，求得最优功率对应的最大速率为：

步骤四：将D2D直通模式看成中继模式的一种，计算得最大速率矩阵R_K*M，通过匈牙利算法实现最优中继选择：

对每对D2D用户进行功率分配以后，则要进行D2D通信模式的选择和最优中继选择来最大化吞吐量。这属于三维问题的求解，复杂度比较高，为了便于算法的设计，简化问题的复杂度。可将D2D直通模式看成是特殊的中继，则中继用户的集合由原来的M个变为为I'＝{I_r:r＝1,2,3,…,M+1}，其中I_M+1为D2D直接通信模式。这样整个问题变成M+1个D2D中继进行最优选择，则问题可表示为：

其中这两个等式表示将D2D直通模式看成是特殊的中继， 该式表示一个中继用户至多被一个D2D用户使用，一个D2D用户至多选择一个中继用户，保证了一对一的关系。有步骤S2，S3得到的最大速率矩阵R_K*M+1，系统最大吞吐量可表示为：

通过匈牙利算法可以求得最优的中继选择。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：计算直通模式和中继(DF)模式下D2D用户通信速率；

S2：中继模式下，通过Dinkelbach算法进行D2D用户和中继用户的最优功率分配；

S3：直通模式下，对D2D用户对最优功率分配；

S4：将D2D直通模式看成中继模式的一种，计算得最大速率矩阵R_K*M+1，通过匈牙利算法实现最优中继选择。

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法为：

首先，考虑考虑蜂窝系统D2D用户复用蜂窝用户会产生相互间干扰的特性建立蜂窝用户系统模型，该蜂窝系统模型规定D2D用户复用蜂窝用户的上行链路，而且D2D复用的蜂窝用户已经确定,假设带宽为1。直通模式下，D2D接收端和蜂窝用户在基站侧的信干噪比表示为:

其中，P_js，G_js,ja分别表示D2D对D_j的发送功率，D_j间的信道增益，P_Cj，G_Cj,ja分别表示D2D复用的蜂窝用户C_j的发送功率，C_j与接收端间的信道增益。表示D2D接收端的信噪比，表示蜂窝用户在基站侧的信噪比。根据香农公式可得直通模式下D_j链路速率的速率和蜂窝用户C_j链路的速率分别为：

然后，分析该蜂窝系统中D2D用户在中继模式下的速率，假设该中继模式工作在半双工信道，采用解码转发(DF)模式进行协助通信。G_js,Ir、G_Cj,Ir分别表示Dj发送端、蜂窝用户C_j和中继I_r间的信道中增益，定义二元变量x_Dj,Ir＝{0,1}，x_Dj,Ir＝1表示D2D用户对D_j通过中继节点I_r协作通信，否则x_Dj,Ir＝0。第一时隙，中继节点I_r和蜂窝用户C_j在基站侧的信干噪比为：

根据香农公式求得D_j和中继节点I_r，蜂窝用户C_j的速率分别为：

第二时隙D2D接收端和蜂窝用户在基站侧的SINR：

由香农公式得第二时隙中继节点和D2D接收端以及蜂窝用户的速率分别为：

由于该中继工作在半双工状态，在中继协作下的两个时隙的D2D链路通信速率受最小速率影响。所以D2D链路的平均速率为：

蜂窝用户的平均速率为：

基于以上各式，在该蜂窝系统中D2D速率，和每对D2D用户复用的蜂窝用户的速率可分别表示为：

。

3.根据权利要求1所述的一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法，其特征在于所述步骤S2的具体方法为：

在中继模式下，将蜂窝系统中的每对D2D用户遍历所有的候选中继节点，并分别进行最优功率分配，则相当于

其中是D2D用户在中继模式下，进行最优功率分配后，复用的蜂窝用户和D2D用户下的最优速率和。下面首先证明引理1：如果则满足

证明：假设式成立，如果则可以降低D2D用户的发射功率，保持这样会对蜂窝用户的干扰减小，提升蜂窝用户的速率，达到总速率的提升，若可以降低中继节点的发送功率，保持中继节点的功率降低同样会减少对蜂窝用户的干扰，提高总速率，得证。

将代入各项数据后化简可得：

令求中继模式下的最优功率分配，则相当于求如何进行最优功率分配，实现α最大。通过引理1可得D2D用户发送功率P_Dj和中继用户发送功率P_Ir是线性关系：

代入α可得：α的分子是关于P_Ir的三次方多项式，分母是关于P_Ir的二次方多项式，该优化问题属于非线性分数优化问题，其凹凸性很难判断，可以通过Dinkelbach算法进行最有功率求解。该方法不仅可将分式问题转减式问题，而且还能通过迭代求出最大值α。使用Dinkelbach进行非线性分数规划，得最优解并求得D2D用户和中继节点在最优功率下的速率和

4.根据权利要求1所述的一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

在直通模式下，因为不需要进行中继节点最有功率的分配，所以求解起来相对简单些。在直通模式下最优功率分配可表示为：

令因P_Cj已知且恒定，则原式等价于：

使用S2步骤中的Dinkelbach算法，求得最优功率对应的最大速率为：

5.根据权利要求1所述的一种蜂窝D2D通信系统中联合模式选择和资源分配方法，其特征在于，所述步骤S4的具体方法为：

根据步骤S2，S3已经求得D2D用户在直通模式和中继模式下的最有功率分配。该S4步骤主要进行模式选择，以及最有中继选择。对每对D2D用户进行功率分配以后，则要进行D2D通信模式的选择和最优中继选择来最大化吞吐量。这属于三维问题的求解，复杂度比较高，为了便于算法的设计，简化问题的复杂度。可将D2D直通模式看成是特殊的中继，则中继用户的集合由原来的M个变为为I'＝{I_r:r＝1,2,3,…,M+1}，其中I_M+1为D2D直接通信模式。这样整个问题变成M+1个D2D中继进行最优选择，则问题可表示为：

其中 这两个等式表示将D2D直通模式看成是特殊的中继， 该式表示一个中继用户至多被一个D2D用户使用，一个D2D用户至多选择一个中继用户，保证了一对一的关系。有步骤S2，S3得到的最大速率矩阵R_K*M+1，系统最大吞吐量可表示为：

通过匈牙利算法可以求得最优的中继选择。