CN108718446B - Lte-a网络中d2d模式选择与资源分配方法 - Google Patents

Lte-a网络中d2d模式选择与资源分配方法 Download PDF

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CN108718446B CN201810494046.1A CN201810494046A CN108718446B CN 108718446 B CN108718446 B CN 108718446B CN 201810494046 A CN201810494046 A CN 201810494046A CN 108718446 B CN108718446 B CN 108718446B
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Abstract

本发明公开了LTE‑A网络中D2D模式选择与资源分配方法，先建立系统模型，在考虑LTE‑A网络内原有CUE最小SINR需求的情况下，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解；随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；最后采用基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率。解决D2D通信的模式选择、信道分配及功率控制问题，实现了系统吞吐量的最大化。

Description

LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别是涉及一种LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法。
背景技术
D2D通信作为第四代和第五代移动网络架构演进的关键技术之一，可以提高系统吞吐量和频谱利用率，扩大系统的容量和覆盖范围，降低核心网络的流量负载，提升用户的服务体验并减少电信运营商由于扩容而增加的网络运行成本，对实现下一代通信系统安全、可靠、大容量、高质量、个性化的通信服务开辟了一条新的途径。
D2D通信包含有三种通信模式：复用模式(reuse mode)、蜂窝模式(cellularmode)和专用模式(dedicated mode)。复用模式是指LTE-A网络内的DUE(D2D userequipment，DUE)通过复用CUE(cellular user equipment，CUE)的上行链路资源进行通信，这样可以大幅度提升系统内频谱资源的利用率。蜂窝模式是指当DUE的两个通信设备间距离较远或系统的信道状态不具备建立直通链路的条件时，DUE的两个通信设备像传统的CUE一样，通过eNB的中继传递信息。专用模式是指DUE在与CUE正交的信道资源上建立直通链路通信，这种情况下DUE与CUE之间不存在干扰，用户的服务质量更容易得到保证，但这样不能充分发挥D2D通信的优势，反而使得系统的资源利用率变得低。
为此本发明只考虑D2D使用复用模式及蜂窝模式进行通信的情形。D2D通信技术的引入在提升系统性能的同时，也给系统内原有蜂窝用户的通信质量造成了干扰，降低了用户的服务质量，尤其在考虑到数据传输速率很难满足未来大规模终端接入需求的情况下，如何为D2D通信分配最优的通信资源，选择最合理的通信方式获得D2D通信潜在优势的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，在复用模式及蜂窝模式的情况下，解决D2D通信的模式选择、信道分配及功率控制问题，实现了系统吞吐量的最大化。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，按照以下步骤进行：
步骤S1，先建立系统模型，在考虑LTE-A网络内原有CUE最小SINR需求的情况下，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解；
步骤S2，随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；
步骤S3，最后采用基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率。
进一步的，所述步骤S1中，建立系统模型的过程是：
小区半径为R，网络内M个CUE与N个DUE共存，分别使用集合C＝[1,…,M]与D＝[1,…,N]表示，eNB能够获取覆盖范围内所有通信链路的瞬时信道状态信息，确定网络内所有通信链路的信道系数；信道系数中的DUE通信链路的信道系数在DUE接收端完成评估，随后经由控制信道反馈给eNB；其中，DUE包含蜂窝模式与复用模式；在所述蜂窝模式下假定eNB能够控制它本身的发射功率，使得
Figure BDA0001668676050000021
Figure BDA0001668676050000022
为DUEj上行链路与下行链路的信噪比，DUEj表示第j个DUE。
进一步的，所述步骤S1中，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解的具体方法是：
步骤S101：定义x＝{xCD,xRD}表示DUE模式选择与信道资源分配矩阵，xCD表示蜂窝模式N维指示向量，当指示向量中的元素
Figure BDA0001668676050000023
时，表示DUEj使用所述蜂窝模式进行通信，其他情况下
Figure BDA0001668676050000024
xRD表示复用模式N×M维信道资源分配矩阵，当信道资源分配矩阵中的元素
Figure BDA0001668676050000025
时表示DUEj复用CUEi信道资源通信，其他情况下
Figure BDA0001668676050000026
定义p＝{pCD,pRD}，表示功率控制矩阵，其中pCD和pRD的维数分别与所述xCD和xRD的维数相同，代表D2D传输模式下的发射功率；
步骤S102：将所述D2D模式选择与资源分配问题转化为如下混合整数非线性规划问题：
Figure BDA0001668676050000027
其中，
Figure BDA0001668676050000031
Figure BDA0001668676050000032
Figure BDA0001668676050000033
Figure BDA0001668676050000034
其中，W表示信道带宽，
Figure BDA0001668676050000035
表示DUEj与CUEi的SINR，CUEi指第i个CUE；
Figure BDA0001668676050000036
的含义是CUEi的SNR，
Figure BDA0001668676050000037
表示所述复用模式下DUEj复用CUEi信道资源时的发射功率；Pmax定义为DUE最大发射功率，
Figure BDA0001668676050000038
定义为CUE最小SINR需求，约束条件(10b)保证DUE的发射功率不能超过设定的阈值；约束条件(10c)保证CUE的SINR通信需求；约束条件(10d)保证了每个DUE最多只能复用一个CUE的信道资源；
步骤S103：所述优化问题(10)进一步转化为：
Figure BDA0001668676050000039
其中，
Figure BDA00016686760500000310
Figure BDA00016686760500000311
Figure BDA00016686760500000312
λ表示蜂窝模式下DUEj发射功率的最优解；μ表示复用模式下，DUEj复用CUEi信道资源时发射功率的最优解；γ表示当没有DUE与CUEi复用信道资源时，CUEi的吞吐量；
Figure BDA00016686760500000313
表示CUEi的吞吐量。
进一步的，所述步骤S2按照以下步骤进行：
步骤S201：通过所述公式(11a)能够得到，蜂窝模式下DUEj最优发射功率为：
Figure BDA0001668676050000041
步骤S202：考虑DUEj单独复用CUEi信道资源，吞吐量最大的最优发射功率为：
Figure BDA0001668676050000042
其中，
Figure BDA0001668676050000043
表示DUEj与CUEi吞吐量的和，
Figure BDA0001668676050000044
表示DUEj复用CUEi的信道资源时DUEj的SINR，
Figure BDA0001668676050000045
表示DUEj复用CUEi的信道资源时CUEi的SINR，同时需要满足以下约束条件：
Figure BDA0001668676050000046
Figure BDA0001668676050000047
步骤S203：对所述约束条件(12b)进一步整理有：
Figure BDA0001668676050000048
结合所述条件(12a)能够得到：
Figure BDA0001668676050000049
其中，
Figure BDA00016686760500000410
表示DUE的最大发射功率限制条件；
步骤S204：优化公式(12)转化为函数
Figure BDA00016686760500000411
在区间
Figure BDA00016686760500000412
上的极值问题，对函数
Figure BDA00016686760500000413
求一阶偏导数可得：
Figure BDA0001668676050000051
其中
Figure BDA0001668676050000052
Figure BDA0001668676050000053
步骤S205：公式(13)进一步化简可得：
Figure BDA0001668676050000054
其中，
Figure BDA0001668676050000055
由于
Figure BDA0001668676050000056
所述公式(14)分母大于等于0恒成立；因此，当4(U4)2-4V4＜0时，公式(14)分子在区间
Figure BDA0001668676050000057
上单调递增，DUEj发射功率的最优解为
Figure BDA0001668676050000058
当4(U4)2-4V4≥0时，DUEj发射功率的最优解表示为：
Figure BDA0001668676050000059
其中
Figure BDA00016686760500000510
表示在区间
Figure BDA00016686760500000511
上的投影。
进一步的，所述步骤S3，基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法的步骤为：
步骤S301：系统初始化，
Figure BDA00016686760500000512
Mi＝D,
Figure BDA00016686760500000513
Figure BDA00016686760500000514
根据优化问题(12)得到DUE最优发射功率
Figure BDA00016686760500000515
及函数
Figure BDA00016686760500000516
的值，其中Mi无具体含义，为符号变量，指示步骤S3何时结束；
步骤S302：计算
Figure BDA00016686760500000517
的最优解，找到与之相对应的
Figure BDA0001668676050000061
和
Figure BDA0001668676050000062
i*和j*表示公式的最优解，
Figure BDA0001668676050000063
和
Figure BDA0001668676050000064
分别表示第i*个CUE和第j*个DUE；
步骤S303：计算此时
Figure BDA0001668676050000065
的SINR是否高于设置的SINR门限，即计算
Figure BDA0001668676050000066
是否成立，若成立执行步骤S304，否则执行步骤S305；
步骤S304：允许
Figure BDA0001668676050000067
复用
Figure BDA0001668676050000068
的信道资源，
Figure BDA0001668676050000069
选择所述复用模式通信，并设置
Figure BDA00016686760500000610
Mi＝Mi\{j*},
Figure BDA00016686760500000611
将元素j*从集合Mi中删除；
Figure BDA00016686760500000612
将元素j*添加到集合
Figure BDA00016686760500000613
中；
步骤S305：拒绝
Figure BDA00016686760500000614
复用
Figure BDA00016686760500000615
的信道资源，
Figure BDA00016686760500000616
选用所述蜂窝模式通信，并设置
Figure BDA00016686760500000617
将元素j*从集合Mi中删除；
步骤S306：重复执行步骤S302、S303、S304及S305，直到集合
Figure BDA00016686760500000618
步骤S307：返回
Figure BDA00016686760500000619
的值，得到DUE模式选择及信道资源分配的结果。
本发明的有益效果：将LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配过程分为两个阶段，第一阶段为DUE功率控制阶段，分别获取所述蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；第二阶段为DUE通信模式选择与信道资源分配阶段，在分别获取所述不同通信模式下DUE最优发射功率后，提出一种基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法，以系统频谱效率优先为准则，为DUE选择合适的通信模式与信道资源，提升系统的吞吐量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配的系统模型图；
图2是本发明中DUE模式选择及信道资源分配方法执行的流程图；
图3是本发明中网络平均吞吐量随网络内DUE数目变化的曲线示意图；
图4是本发明中网络平均吞吐量随网络内DUE最大发射功率变化的曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的思路是：步骤S1，在考虑LTE-A网络内原有CUE最小SINR(signal tointerference plus noise ratio)需求的情况下，首先将DUE通信模式选择、信道资源分配及功率控制问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制、DUE模式选择和信道资源分配两个子问题逐步进行求解；步骤S2，随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；步骤S3，最后提出一种基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率的目的。
系统模型如图1所示，小区半径为R，网络内M个CUE与N个DUE共存，分别使用集合C＝[1,…,M]与D＝[1,…,N]表示。考虑单个CUE可以与多个DUE复用资源，单个DUE最多只能与一个CUE复用资源的情况。本发明中eNB能够获取覆盖范围内所有通信链路的瞬时信道状态信息(channel state information，CSI)，确定网络内所有通信链路的信道系数；信道系数中的DUE通信链路的信道系数在DUE接收端完成评估，随后经由控制信道反馈给eNB。
DUE包含有两种通信模式：蜂窝模式与复用模式。
(1)蜂窝模式(cellular mode，CD)：DUE的两个通信设备像传统的CUE一样通过eNB进行通信。当DUE的两个通信设备距离较远或通信设备间的信道状态不适合建立直通链路时，优先选用这种通信模式。
在蜂窝模式下，DUE与CUE之间不存在同信道干扰，DUEj上行链路与下行链路的信噪比(signal to noise ratio,SNR)分别表示为：
Figure BDA0001668676050000081
Figure BDA0001668676050000082
其中，DUEj表示第j个D2D用户设备(DUE)，
Figure BDA0001668676050000083
表示所述蜂窝模式下DUEj的发射功率；
Figure BDA0001668676050000084
表示eNB的发射功率，
Figure BDA0001668676050000085
表示DUEj与eNB间的信道系数；
Figure BDA0001668676050000086
表示噪声功率。因此，在蜂窝模式下DUEj的吞吐量可以表示为：
Figure BDA0001668676050000087
其中，W表示信道带宽。
本发明主要探讨DUE功率控制方法，因此本发明假定eNB能够控制它本身的发射功率，使得
Figure BDA0001668676050000088
(2)复用模式(reuse mode,RD)：DUE的两个通信设备通过复用CUE的上行信道资源建立直通链路通信。这样能够进一步提升系统的频谱效率，降低传输时延。但在这种情形下，DUE不仅与同信道的CUE之间存在干扰，复用相同信道资源的DUE之间同样存在干扰。
在所述复用模式下，定义集合αi表示复用CUEi(CUEi为第i个蜂窝用户设备CUE)上行信道资源的所有DUE所组成的集合。在这种情况下，DUEj与CUEi的SINR分别表示为：
Figure BDA0001668676050000089
Figure BDA0001668676050000091
其中，
Figure BDA0001668676050000092
表示所述复用模式下DUEj复用CUEi信道资源时的发射功率；
Figure BDA0001668676050000093
表示DUEj发射端到DUEj接收端的信道系数；pc表示CUE发射功率，是一个常数；
Figure BDA0001668676050000094
表示CUEi到DUEj接收端的信道系数；
Figure BDA0001668676050000095
表示DUEl发射端(DUEl指第l个D2D用户设备DUE)到DUEj接收端的信道系数；
Figure BDA0001668676050000096
表示CUEi到eNB的信道系数；
Figure BDA0001668676050000097
表示DUEj到eNB的信道系数。
复用模式下DUEj与CUEi的吞吐量可以表示为：
Figure BDA0001668676050000098
Figure BDA0001668676050000099
当没有DUE(此处泛指，即不代表某个特定的D2D用户设备(DUE))与CUEi复用相同的信道资源时，CUE与DUE之间不存在同信道干扰，此时CUEi的SNR与吞吐量可以分别表示为：
Figure BDA00016686760500000910
Figure BDA00016686760500000911
进一步地，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题的步骤如下：
步骤S101：定义x＝{xCD,xRD}表示DUE模式选择与信道资源分配矩阵。xCD表示蜂窝模式N维指示向量，当指示向量中的元素
Figure BDA00016686760500000912
时，表示DUEj使用所述蜂窝模式进行通信，其他情况下
Figure BDA00016686760500000913
xRD表示复用模式N×M维信道资源分配矩阵，当信道资源分配矩阵中的元素
Figure BDA00016686760500000914
时表示DUEj复用CUEi信道资源通信，其他情况下
Figure BDA00016686760500000915
定义p＝{pCD,pRD}，表示功率控制矩阵。其中pCD和pRD的维数分别与所述xCD和xRD的维数相同，代表D2D传输模式下的发射功率。
步骤S102：将所述D2D模式选择与资源分配问题转化为如下混合整数非线性规划问题：
Figure BDA0001668676050000101
其中，
Figure BDA0001668676050000102
Figure BDA0001668676050000103
Figure BDA0001668676050000104
Figure BDA0001668676050000105
其中，Pmax定义为DUE最大发射功率，
Figure BDA0001668676050000106
定义为CUE最小SINR需求。约束条件(10b)保证DUE的发射功率不能超过设定的阈值；约束条件(10c)保证CUE的SINR通信需求；约束条件(10d)保证了每个DUE最多只能复用一个CUE的信道资源。
步骤S103：所述优化问题(10)可以进一步转化为：
Figure BDA0001668676050000107
其中，
Figure BDA0001668676050000108
Figure BDA0001668676050000109
Figure BDA00016686760500001010
这里，λ表示蜂窝模式下DUEj发射功率的最优解；μ表示复用模式下，DUEj复用CUEi信道资源时发射功率的最优解；γ表示当没有DUE与CUEi复用信道资源时，CUEi的吞吐量。
所述优化问题(11)是一个两阶段优化问题，第一阶段为DUE功率控制问题，第二阶段为DUE模式选择和信道资源分配问题。所述蜂窝模式下，DUE与CUE之间不存在干扰，函数γ是一个与DUE发射功率无关的变量，因此这里只需考虑函数所述λ和所述μ的功率控制问题即可。
进一步地，分别考虑不同通信模式下的DUE功率控制问题，并求解出两种模式下DUE的最优发射功率的步骤如下：
步骤S201：通过所述公式(11a)能够得到，蜂窝模式下DUEj最优发射功率为：
Figure BDA0001668676050000111
步骤S202：考虑DUEj单独复用CUEi信道资源，吞吐量最大的最优发射功率为：
Figure BDA0001668676050000112
其中，
Figure BDA0001668676050000113
表示DUEj与CUEi吞吐量的和，
Figure BDA0001668676050000114
表示DUEj复用CUEi的信道资源时DUEj的SINR，
Figure BDA0001668676050000115
表示DUEj复用CUEi的信道资源时CUEi的SINR。同时需要满足以下约束条件：
Figure BDA0001668676050000116
Figure BDA0001668676050000117
步骤S203：对所述约束条件(12b)进一步整理有：
Figure BDA0001668676050000118
结合所述条件(12a)能够得到：
Figure BDA0001668676050000119
其中，
Figure BDA0001668676050000121
表示DUE的最大发射功率限制条件。
步骤S204：优化公式(12)转化为函数
Figure BDA0001668676050000122
在区间
Figure BDA0001668676050000123
上的极值问题。对函数
Figure BDA0001668676050000124
求一阶偏导数可得：
Figure BDA0001668676050000125
其中
Figure BDA0001668676050000126
Figure BDA0001668676050000127
U1、V1等无具体含义，仅为方便书写的替代。
步骤S205：公式(13)进一步化简可得：
Figure BDA0001668676050000128
其中，
Figure BDA0001668676050000129
U4、V4无特定含义，仅为方便书写。由于
Figure BDA00016686760500001210
所述公式(14)分母大于等于0恒成立。因此，当4(U4)2-4V4＜0时，所述公式(14)分子在区间
Figure BDA00016686760500001211
上单调递增，DUEj发射功率的最优解为
Figure BDA00016686760500001212
当4(U4)2-4V4≥0时，DUEj发射功率的最优解可以表示为：
Figure BDA00016686760500001213
其中
Figure BDA00016686760500001214
表示在区间
Figure BDA00016686760500001215
上的投影。
进一步地，基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法的步骤如下，其流程图如图2所示：
步骤S301：系统初始化，
Figure BDA00016686760500001216
Mi＝D,
Figure BDA00016686760500001217
Figure BDA0001668676050000131
根据优化问题(12)得到DUE最优发射功率
Figure BDA0001668676050000132
及函数
Figure BDA0001668676050000133
的值。Mi无具体含义，只是一个符号变量，指示步骤S3何时结束。
步骤S302：计算
Figure BDA0001668676050000134
的最优解，找到与之相对应的
Figure BDA0001668676050000135
和
Figure BDA0001668676050000136
i*和j*表示步骤S302中公式的最优解。
Figure BDA0001668676050000137
和
Figure BDA0001668676050000138
分别表示第i*个CUE和第j*个DUE。
步骤S303：计算此时
Figure BDA0001668676050000139
的SINR是否高于设置的SINR门限，即计算
Figure BDA00016686760500001310
是否成立，若成立执行步骤S304，否则执行步骤S305。
步骤S304：允许
Figure BDA00016686760500001311
复用
Figure BDA00016686760500001312
的信道资源，
Figure BDA00016686760500001313
选择所述复用模式通信，并设置
Figure BDA00016686760500001314
Mi＝Mi\{j*},
Figure BDA00016686760500001315
将元素j*从集合Mi中删除；
Figure BDA00016686760500001316
将元素j*添加到集合
Figure BDA00016686760500001317
中。
步骤S305：拒绝
Figure BDA00016686760500001318
复用
Figure BDA00016686760500001319
的信道资源，
Figure BDA00016686760500001320
选用所述蜂窝模式通信，并设置
Figure BDA00016686760500001321
将元素j*从集合Mi中删除。
步骤S306：重复执行步骤S302、S303、S304及S305，直到集合
Figure BDA00016686760500001322
步骤S307：返回
Figure BDA00016686760500001323
的值，得到DUE模式选择及信道资源分配的结果。
图3所示是网络平均吞吐量随网络内DUE数量变化的曲线示意图，从图中可以看出，网络的平均吞吐量随着网络内DUE数量的增加而呈现出递增的态势，并且随着网络内CUE最小SINR需求的不断增加，网络吞吐量也在不断变大。仿真结果表明本发明方法的吞吐量不论在何种情况下都要优于不考虑模式选择的D2D资源分配方法。
图4所示是网络平均吞吐量随网络内DUE最大发射功率变化的曲线示意图，从图中可以看出本发明方法的性能要优于不考虑模式选择时的D2D资源分配方法。而且当不考虑模式选择的D2D资源分配算法的吞吐量增长趋势变得缓慢甚至不再增加时，本发明方法的吞吐量仍然保持着不断增长的态势。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤S1，先建立系统模型，在考虑LTE-A网络内原有CUE最小SINR需求的情况下，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解；
步骤S2，随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；
步骤S3，最后采用基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率；
所述步骤S1中，建立系统模型的过程是：
小区半径为R，网络内M个CUE与N个DUE共存，分别使用集合C＝[1,L,M]与D＝[1,L,N]表示，eNB能够获取覆盖范围内所有通信链路的瞬时信道状态信息，确定网络内所有通信链路的信道系数；信道系数中的DUE通信链路的信道系数在DUE接收端完成评估，随后经由控制信道反馈给eNB；其中，DUE包含蜂窝模式与复用模式；在所述蜂窝模式下假定eNB能够控制它本身的发射功率，使得
Figure FDA0002462799070000011
Figure FDA0002462799070000012
Figure FDA0002462799070000013
为DUEj上行链路与下行链路的信噪比，DUEj表示第j个DUE；
所述步骤S1中，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解的具体方法是：
步骤S101：定义x＝{xCD,xRD}表示DUE模式选择与信道资源分配矩阵，xCD表示蜂窝模式N维指示向量，当指示向量中的元素
Figure FDA0002462799070000014
时，表示DUEj使用所述蜂窝模式进行通信，其他情况下
Figure FDA0002462799070000015
xRD表示复用模式N×M维信道资源分配矩阵，当信道资源分配矩阵中的元素
Figure FDA0002462799070000016
时表示DUEj复用CUEi信道资源通信，其他情况下
Figure FDA0002462799070000017
定义p＝{pCD,pRD}，表示功率控制矩阵，其中pCD和pRD的维数分别与所述xCD和xRD的维数相同，代表D2D传输模式下的发射功率；
步骤S102：将所述D2D模式选择与资源分配问题转化为如下混合整数非线性规划问题：
Figure FDA0002462799070000021
其中，
Figure FDA0002462799070000022
Figure FDA0002462799070000023
Figure FDA0002462799070000024
Figure FDA0002462799070000025
其中，W表示信道带宽，
Figure FDA0002462799070000026
表示DUEj与CUEi的SINR，CUEi指第i个CUE；
Figure FDA0002462799070000027
的含义是CUEi的SNR，
Figure FDA0002462799070000028
表示所述复用模式下DUEj复用CUEi信道资源时的发射功率；Pmax定义为DUE最大发射功率，
Figure FDA0002462799070000029
定义为CUE最小SINR需求，约束条件(10b)保证DUE的发射功率不能超过设定的阈值；约束条件(10c)保证CUE的SINR通信需求；约束条件(10d)保证了每个DUE最多只能复用一个CUE的信道资源；
步骤S103：所述优化问题(10)进一步转化为：
Figure FDA00024627990700000210
其中，
Figure FDA00024627990700000211
Figure FDA00024627990700000212
Figure FDA00024627990700000213
λ表示蜂窝模式下DUEj发射功率的最优解；μ表示复用模式下，DUEj复用CUEi信道资源时发射功率的最优解；γ表示当没有DUE与CUEi复用信道资源时，CUEi的吞吐量；
Figure FDA0002462799070000031
表示CUEi的吞吐量；
所述步骤S2按照以下步骤进行：
步骤S201：通过所述公式(11a)能够得到，蜂窝模式下DUEj最优发射功率为：
Figure FDA0002462799070000032
步骤S202：考虑DUEj单独复用CUEi信道资源，吞吐量最大的最优发射功率为：
Figure FDA0002462799070000033
其中，
Figure FDA0002462799070000034
表示DUEj与CUEi吞吐量的和，
Figure FDA0002462799070000035
表示DUEj复用CUEi的信道资源时DUEj的SINR，
Figure FDA0002462799070000036
表示DUEj复用CUEi的信道资源时CUEi的SINR，
Figure FDA0002462799070000037
表示所述复用模式下DUEj复用CUEi信道资源时的发射功率；
Figure FDA0002462799070000038
表示DUEj发射端到DUEj接收端的信道系数；
Figure FDA0002462799070000039
表示噪声功率；
pc表示CUE发射功率，是一个常数；
Figure FDA00024627990700000310
表示CUEi到DUEj接收端的信道系数；
Figure FDA00024627990700000311
表示CUEi到eNB的信道系数；
Figure FDA00024627990700000312
表示DUEj与eNB间的信道系数；
同时需要满足以下约束条件：
Figure FDA00024627990700000313
Figure FDA00024627990700000314
步骤S203：对所述约束条件(12b)进一步整理有：
Figure FDA0002462799070000041
结合所述条件(12a)能够得到：
Figure FDA0002462799070000042
其中，
Figure FDA0002462799070000043
表示DUE的最大发射功率限制条件；
步骤S204：优化公式(12)转化为函数
Figure FDA0002462799070000044
在区间
Figure FDA0002462799070000045
上的极值问题，对函数
Figure FDA0002462799070000046
求一阶偏导数可得：
Figure FDA0002462799070000047
其中
Figure FDA0002462799070000048
Figure FDA0002462799070000049
步骤S205：公式(13)进一步化简可得：
Figure FDA00024627990700000410
其中，
Figure FDA00024627990700000411
由于
Figure FDA00024627990700000412
所述公式(14)分母大于等于0恒成立；因此，当4(U4)2-4V4<0时，公式(14)分子在区间
Figure FDA00024627990700000413
上单调递增，DUEj发射功率的最优解为
Figure FDA00024627990700000414
当4(U4)2-4V4≥0时，DUEj发射功率的最优解表示为：
Figure FDA0002462799070000051
其中
Figure FDA0002462799070000052
表示在区间
Figure FDA0002462799070000053
上的投影；
所述步骤S3，基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法的步骤为：
步骤S301：系统初始化，
Figure FDA0002462799070000054
Mi＝D,
Figure FDA0002462799070000055
Figure FDA0002462799070000056
j∈D；
αi表示复用CUEi上行信道资源的所有DUE所组成的集合，CUEi为第i个蜂窝用户设备CUE；
根据优化问题(12)得到DUE最优发射功率
Figure FDA0002462799070000057
及函数
Figure FDA0002462799070000058
的值，其中Mi无具体含义，为符号变量，指示步骤S3何时结束；
步骤S302：计算
Figure FDA0002462799070000059
的最优解，找到与之相对应的
Figure FDA00024627990700000510
和
Figure FDA00024627990700000511
i*和j*表示公式的最优解，
Figure FDA00024627990700000512
和
Figure FDA00024627990700000513
分别表示第i*个CUE和第j*个DUE；
步骤S303：计算此时CUE i*的SINR是否高于设置的SINR门限，即计算
Figure FDA00024627990700000514
是否成立，若成立执行步骤S304，否则执行步骤S305；
步骤S304：允许
Figure FDA00024627990700000515
复用
Figure FDA00024627990700000516
的信道资源，
Figure FDA00024627990700000517
选择所述复用模式通信，并设置
Figure FDA00024627990700000518
Mi＝Mi\{j*},
Figure FDA00024627990700000519
将元素j*从集合Mi中删除；
Figure FDA0002462799070000061
将元素j*添加到集合
Figure FDA0002462799070000062
中；
步骤S305：拒绝
Figure FDA0002462799070000063
复用
Figure FDA0002462799070000064
的信道资源，
Figure FDA0002462799070000065
选用所述蜂窝模式通信，并设置
Figure FDA0002462799070000066
将元素j*从集合Mi中删除；
步骤S306：重复执行步骤S302、S303、S304及S305，直到集合
Figure FDA0002462799070000067
步骤S307：返回
Figure FDA0002462799070000068
j∈D的值，得到DUE模式选择及信道资源分配的结果。
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