CN109041016B - 一种密集场景下5g通信系统终端接入数量的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法，系统中的终端包括蜂窝网络终端(CUE)和D2D移动终端(DUE)，方法包括：(1)初始化基本参数，包括小区的通信半径、路径损耗因子等；(2)根据网络中CUE以及D2D用户对的数目，初始化代表资源分配方案的着色矩阵；(3)将新的DUE接入网络，更新计算新接入用户后DUE的信号干扰噪声比，确定所选择的颜色顺序；(4)判断新的DUE是否满足接入网络的要求，若不满足则选取下一个D2D对，转入步骤(3)；(5)对新接入的DUE着色分组；(6)待所有DUE分组完成后，结束方法。本发明能实现5G通信系统的资源优化分配，计算出系统最大可接入D2D终端数量，有效提升系统内D2D用户接入数量。

Description

一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法

技术领域

本发明涉及5G通信领域，具体涉及一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法。

背景技术

随着移动通信技术的迅猛发展，现如今的社会发展更加信息化与智能化，其中在无线通信领域，5G通信技术也更加完善成熟。由于用户对于语音和数据服务的需求日益增加，无线通信网络需要不断采取新技术提高频率利用率，提升网络的吞吐量。传统的无线蜂窝网络在通信时需要基站转接，资源利用效率较低，而作为5G关键技术的端到端通信(D2D)可以有效提升蜂窝网络的资源利用率，其允许相邻终端设备无需通过中心基站转发，可直接复用小区内蜂窝通信的信道资源进行直连通信。在D2D通信中，D2D移动终端(DUE)可以与蜂窝网移动终端(CUE)共享链路资源，有效提高了系统容量。随着D2D终端接入数目的递增，系统容量不断提升，但不可避免会引发干扰问题，CUE与DUE之间会产生相互干扰，所以现有的资源分配方案大多适用于D2D用户规模较小的场景。

基于上述挑战，我们需要在用户密集场景下，合理分配信道资源，优化可接入的D2D终端数量。本发明旨在满足蜂窝用户和D2D用户基本通信质量要求的情况下，合理分配网络资源，有效增加系统接入的D2D终端数量。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对系统资源分配问题，提供一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法及设备，当D2D用户分布密集时，合理分配信道资源，有效增加系统可接入的D2D终端数量。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法，系统中的终端包括蜂窝网络终端(CUE)和D2D移动终端(DUE)，一对DUE包括D2D发射移动终端(DTUE)和D2D接收移动终端(DRUE)，其中有M个CUE和N对DUE共享下行链路资源，M和N为大于0的整数，所述方法包括以下步骤：

(1)初始化系统参数，所述参数包括小区的通信半径、路径损耗因子、D2D通信所允许的最大距离、移动终端数目及各终端间的距离；

(2)根据网络中蜂窝用户的数目以及D2D用户对的数目，将所有D2D用户对作为需要着色的顶点集，将所有CUE作为可选颜色集，初始化着色矩阵H，所述着色矩阵为代表资源分配方案的M×N阶矩阵；

(3)将新的DUE接入网络，计算新接入的DUE在不同分组下的信号干扰噪比，选出信干噪比最大的一个分组，将DUE接入该分组；

(4)判断新的DUE是否满足接入网络的要求，具体包括：将新的DUE接入网络后CUE是否满足信干噪比的要求，以及接入网络后DUE是否满足信干噪比的要求，若其中有一个判断结果为否则选取下一个D2D对，转入步骤(3)；

(5)为新接入网络的满足条件的DUE进行着色分组；

(6)待所有欲接入网络的DUE分组完成后，结束。

所述步骤(3)中新接入网络的D2D用户对接收终端DRUE_j信号干扰噪声比的计算公式为：

其中，P_D为D2D用户发射设备的发射功率，

为第j个D2D用户对发射端到接收端间的链路增益，N₀为系统中的噪声功率，P_B为基站的发射功率，

为基站与DRUE_j之间的链路增益，

为DTUE_j'与DRUE_j之间的链路增益，C为系统中蜂窝用户集合，D为系统中D2D用户对集合，π_ij、π_ij'为着色矩阵中的元素。

所述步骤(4)中将新的DUE接入网络后，此时CUE的信干噪比计算公式为：

其中，P_B为基站的发射功率，P_D为D2D用户发射设备的发射功率，

为D2D通信系统中基站与蜂窝用户C_i之间的路径增益，

为D2D通信系统中DTUE_j与蜂窝用户C_i之间的路径增益，N₀为系统中的噪声功率，D为系统中D2D用户对集合，π_ij为着色矩阵Η中的元素。

所述着色矩阵H是由元素π_ij所组成的M×N阶矩阵，代表每个蜂窝用户频谱资源的可用性；若颜色i(即蜂窝用户C_i)在顶点处v_j可用，则π_ij＝1，反之π_ij＝0；当π_ij＝1时，D2D用户复用蜂窝用户的下行链路信道资源，当π_ij＝0时，信道资源未被复用。

有益效果：与现有技术相比，本发明一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法能够实现资源的合理分配，增加系统可接入的D2D终端数量，其性能优越，且易于实现。

附图说明

图1是本发明方法实现的具体流程图；

图2是D2D密集场景下单基站小区通信模型图；

图3是小区半径与最大可接入D2D终端数量关系的CDF曲线图；

图4是信干噪比阈值与最大接入D2D终端数量关系的CDF曲线图；

图5是不同参数下系统最大可接入的D2D终端数对比图；

图6是不同参数下的方案对比图；

图7是D2D终端接入数量与系统容量的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

场景的选择直接影响了通信系统可接入的D2D终端的数量，下面详细分析一下场景的设定与参数的设置。

1.移动终端的分类与数量

在D2D通信系统中，终端分为两类：传统蜂窝网移动终端CUE和D2D移动终端DUE。DUE是以成对形式存在的，一对DUE包括D2D发射移动终端DTUE和D2D接收移动终端DRUE。在FDD-LTE网络中，一个子信道分配给一个CUE，而多个DUE对可以同时共享CUE所使用的信道资源。在本专利中，有M个CUE和N对DUE共享信道资源。

2.系统模型的建立

图2是D2D密集场景下单基站小区通信模型图，在此通信模型中存在两种用户，分别是蜂窝用户和D2D用户。我们假设蜂窝用户的数目为M，蜂窝用户之间使用的资源均是正交的，小区内有N对D2D用户，其复用蜂窝网络的下行信道资源。M个CUE和N个DTUE均匀分布在一个半径为R的小区内，DRUE分布在以其对应的DTUE为圆心，L为半径的圆内，小区中CUE的数量要满足远小于DUE的数量。且假设该通信模型中所有通信链路均采用单斜率路径损耗模型，即

其中

为DRUE或蜂窝用户设备从距离为d的DTUE处接收的功率，α为路径损耗指数。

3.干扰分析

D2D用户复用蜂窝网络下行信道资源时，对于蜂窝通信接收端CUE而言，会受到来自复用其蜂窝信道资源的DTUE的信号干扰。对于D2D通信接收端DRUE而言，会受到来自基站的下行信号干扰以及与该D2D对复用相同蜂窝信道资源的其他D2D对之间的信号干扰。在此模式下蜂窝通信接收端CUE_i受到的干扰

为：

其中，

为DTUE_j到CUE_i之间的距离。δ_ij代表第i个蜂窝用户CUE_i与第j个D2D用户对DUE_j之间资源复用的情况。若第j个D2D用户对复用第i个蜂窝用户的资源则δ_ij＝1，反之δ_ij＝0。

D2D通信接收端DRUE_j受到的干扰

为：

其中，

为基站到DRUE_j之间的距离。式中

是基站对D2D用户接收设备DRUE_j的干扰，

是其他D2D用户发射设备DTUE_j′对该D2D用户接收设备DRUE_j的干扰。

由以上干扰分析可以得出，第j个D2D用户对复用蜂窝网络下行信道资源时，CUE_i处的信号干扰噪声比

为：

其中，

为基站到蜂窝用户CUE_i之间的距离。

第j个D2D用户对复用蜂窝通信下行信道资源时，DRUE_j处的信号干扰噪声比

为：

由以上干扰分析可知，小区中多对D2D用户复用蜂窝网络信道资源时，复用同频信道资源的D2D用户之间会受到彼此发射端的信号干扰。

4.构建干扰图

一般情况下，对于DRUE而言，其所受干扰来源主要是基站对它的信号干扰，所以当DTUE_j'与DRUE_j之间的距离d大于某个值时，可以忽略这两个D2D对之间的干扰，将此固定值记为d_th。当d＜d_th时，说明DTUE_j'与DRUE_j之间的干扰严重，则将两顶点j和j'用边连接，依据上述思想构建干扰图。干扰图中的各顶点代表一个个D2D用户对，所有D2D用户对构成一个顶点集V，其中，V＝{v_i|＝i＝(1,2,…M)}。边集E根据D2D用户对之间的干扰确定，E是由元素e_ij组成的M×N阶矩阵，若e_ij＝1，则边存在，代表两者干扰严重，无法共享频谱资源。若e_ij＝0，则两者可着相同的颜色，可以共享同一蜂窝用户的频谱资源。

5.着色分组

图着色算法是根据可选颜色集C＝{1,2,3,…,M}对逐个对顶点进行着色，从而逐一分配给每个D2D用户对系统中蜂窝用户的频谱资源，最大化网络中接入的D2D终端数量。对于不可接入的D2D用户对着0色号，所有的顶点都着色完毕后得到着色矩阵H。着色矩阵是由元素π_ij所组成的M×N阶矩阵，若颜色i(即蜂窝用户C_i)在顶点处v_j可用，则π_ij＝1，反之π_ij＝0，即该着色矩阵H代表D2D资源分配方案。

基于上述理论基础，对本发明的一种密集场景下5G通信系统D2D终端接入数量的优化方法进行设计。

首先对本发明使用的符号或参数说明如下：

CUE：传统蜂窝网移动终端；

DUE：D2D移动终端；

DTUE：D2D移动终端对中的发射移动终端；

DRUE：D2D移动终端对中的接收移动终端；

M：小区内CUE移动终端的数量；

N：小区内D2D移动终端对的数量；

R：小区半径；

L：一对DUE中DRUE和DTUE之间的最大距离；

α：路径损耗指数；

N₀：噪声功率；

P_B：基站的发射功率；

P_D：D2D用户发射设备的发射功率；

蜂窝通信系统基站与蜂窝用户之间的链路增益；

第j个D2D用户对发射端到接收端间的链路增益；

D2D通信系统中DTUE_j与蜂窝用户C_i之间的链路增益；

基站与DRUE_j之间的链路增益；

DTUE_j'与DRUE_j之间的链路增益；

π_ij：着色矩阵H中的元素；

DRUE或蜂窝用户设备从距离为d的DTUE处接收的功率；

DTUE_j到CUE_i之间的距离；

基站到DRUE_j之间的距离；

基站到蜂窝用户CUE_i之间的距离。

如图1所示，本发明实施例提供的一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法，包括以下步骤：

(1)初始化：

1)初始化系统参数，所述参数包括R，L，α等；

2)获取网络中CUE移动终端的数量M，D2D通信移动终端的数量N以及各种距离变量

以及

的值；各距离信息可以基于检测信号进行估计得到或者基于各终端向基站报告的位置信息计算得到，仿真环境中可以直接初始化各设备所在位置信息；

3)确定需要着色的顶点集V＝{v₁,v₂,…,v_N}以及可选颜色集C＝{1,2,3,…,M}；

(2)将新的DUE接入网络，计算新的DUE与不同的CUE共享蜂窝用户资源时的信号干扰噪声比的大小，通过比较数据的大小确定所选颜色的顺序；

(3)判断新的DUE是否满足接入网络的要求：

1)将新的DUE接入网络后，计算CUE的信号干扰噪声比，判断其是否达到阈值要求，其中，CUE信干噪比计算公式为：

若未达到要求，则遍历寻找下一个DUE，转入步骤(2)；

2)新的DUE接入网络，若CUE满足信干噪比阈值要求，此时需判断新接入的DUE是否满足SINR阈值要求，计算公式为：

若计算结果未能达到所设定的阈值要求，则该DUE禁止接入，选择下一个D2D对分组，重新转入步骤(2)；

(4)新的DUE满足接入网络的要求后，为新接入的DUE进行着色分组，着色矩阵H是由元素π_ij所组成的M×N阶矩阵，该矩阵代表每个蜂窝用户频谱资源的可用性。若颜色i(即蜂窝用户C_i)在顶点处v_j可用，则π_ij＝1，反之π_ij＝0。当π_ij＝1时，D2D用户复用蜂窝用户的下行链路信道资源，当π_ij＝0时，蜂窝用户的信道资源未被复用。

(5)待所有的DUE着色分组完成后，结束方法。

图3描述了小区半径与最大可接入D2D终端数量关系的CDF曲线，本发明设定如下仿真参数：小区半径R为600m，D2D用户对的数量是100，蜂窝用户的数量为3，噪声功率N₀为-109dBm，信道中路径损耗系数为4，迭代次数为1000，SINR的门限值为6dB，信道带宽为0.1MHZ。由图中的不同曲线可以看出，当R递增时，系统最大可接入D2D终端数量随之增加，这是由于不同的小区半径对应不同的终端用户分布密度，分布密度不同干扰情况也随之变化，进而影响终端可接入数量。随着小区半径的增大，终端分布更加稀疏，用户间的干扰减小，系统可接入的D2D终端数量会增加。从图中我们还可看出，当小区半径一定时，小区中可接入终端数量呈现一定区间的波动，这是由于小区中终端位置的随机性，无法获得精确值。

图4描述了信干噪比阈值与最大接入D2D终端数量关系的CDF曲线，从图中我们可以得出，当信干噪比阈值SINR_th递增时，系统中可接入的D2D终端数量呈现出递减趋势。这是因为随着SINR_th增加，用户对于通信质量的要求也提升，为了保证蜂窝用户终端与D2D用户终端可以正常通信，干扰抑制区域会随之增大，导致通信系统最大可接入的D2D终端数量减少。

图5给出了不同参数下系统最大可接入的D2D终端数，描述了当小区半径不同时，系统最大可接入的D2D终端数量与SINR_th之间的关系。如图5所述，当小区半径一定时，系统最大可接入的D2D终端数量会随着SINR_th递增而呈现下降趋势，而当SINR_th确定时，系统最大可接入D2D终端数量与小区半径R是正相关的。

图6是不同参数下的方案对比图，图中对比了本文所提资源分配方案与随机资源分配方案的终端数量差异，从图中我们可以直观地得到，本文所提方案的性能远优于随机方案的性能，与随机方案相比，本文方案下的最大终端接入数目提升了约30％，取得了明显的增益。

图7是D2D终端接入数量与系统容量的关系图，描述了当R＝600m，SINR_th＝6dB时，系统接入D2D终端数量与系统容量之间的关系。从图中我们得到，系统容量与其接入的D2D终端数量呈现出正相关趋势，本文所提方案的性能优于随机方案，该资源分配策略能够有效增加D2D终端接入数量，同时也可在一定程度上提升系统容量。

如上所述，本发明的一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法，能够合理分配信道资源，有效增加系统可接入的D2D终端的数量，其性能优越，易于实现。

Claims (2)

1.一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法，系统中的终端包括蜂窝网络终端CUE和D2D移动终端DUE，一对DUE包括D2D发射移动终端DTUE和D2D接收移动终端DRUE，其中有M个CUE和N对DUE共享下行链路资源，M和N为大于0的整数，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)初始化系统参数，所述参数包括小区的通信半径、路径损耗因子、D2D通信所允许的最大距离、移动终端数目及各终端间的距离；

(2)根据网络中蜂窝用户的数目以及D2D用户对的数目，将所有D2D用户对作为需要着色的顶点集，将所有CUE作为可选颜色集，初始化着色矩阵H，所述着色矩阵为代表资源分配方案的M×N阶矩阵；

(3)将新的DUE接入网络，计算新接入的DUE在不同分组下的信号干扰噪比，选出信干噪比最大的一个分组，将DUE接入该分组；

(4)判断新的DUE是否满足接入网络的要求，具体包括：将新的DUE接入网络后CUE是否满足信干噪比的要求，以及接入网络后DUE是否满足信干噪比的要求，若其中有一个判断结果为否则选取下一个D2D对，转入步骤(3)；

(5)为新接入网络的满足条件的DUE进行着色分组；

(6)待所有欲接入网络的DUE分组完成后，结束；

所述步骤(3)中新接入网络的D2D用户对接收终端DRUE_j信号干扰噪声比的计算公式为：

其中，P_D为D2D用户发射设备的发射功率，

为第j个D2D用户对发射端到接收端间的链路增益，N₀为系统中的噪声功率，P_B为基站的发射功率，

为基站与DRUE_j之间的链路增益，

为DTUE_j'与DRUE_j之间的链路增益，C为系统中蜂窝用户集合，D为系统中D2D用户对集合，π_ij、π_ij'为着色矩阵中的元素；

所述步骤(4)中将新的DUE接入网络后，此时CUE的信干噪比计算公式为：

其中，P_B为基站的发射功率，P_D为D2D用户发射设备的发射功率，

为D2D通信系统中基站与蜂窝用户C_i之间的路径增益，

为D2D通信系统中DTUE_j与蜂窝用户C_i之间的路径增益，N₀为系统中的噪声功率，D为系统中D2D用户对集合，π_ij为着色矩阵H中的元素。

2.根据权利要求1所述的一种密集场景下5G通信系统终端接入数量的优化方法，其特征在于，所述着色矩阵H是由元素π_ij所组成的M×N阶矩阵，代表每个蜂窝用户频谱资源的可用性；若颜色i在顶点处v_j可用，则π_ij＝1，反之π_ij＝0；当π_ij＝1时，D2D用户复用蜂窝用户的下行链路信道资源，当π_ij＝0时，信道资源未被复用。

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