CN109587827A

CN109587827A - 多模多对d2d通信方法及系统

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Publication number: CN109587827A
Application number: CN201910049715.9A
Authority: CN
Inventors: 陈晓华; 刘喜庆
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: CN109587827B

Abstract

本发明提供一种可以获得最优的D2D模式选择方案，并优化小区和容量的多模多对D2D通信方法及系统，属于无线通信技术领域。本发明的多模多对D2D通信方法，包括：在一个蜂窝小区中，基站实时地检测每个用户终端的信道容量，以和容量作为目标函数，根据小区内信道的状况，基站控制D2D通信对占用专用信道或复用蜂窝用户的上行链路，并控制D2D通信对选择直连模式、中继模式或者本地路由模式中的一种进行通信。本发明根据剩余信道情况和三种D2D通信的模式，为小区内D2D通信对提供最优的模式选择方案，使D2D通信对以最佳的方式复用蜂窝网络用户的上行链路，从而可以使系统的和容量最大。

Description

多模多对D2D通信方法及系统

技术领域

本发明涉及一种D2D通信方法，特别涉及一种多模多对D2D通信方法及系统，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着人们对无线通信应用需求的日益增长，未来几年内移动通信网络将会面对：1000倍的数据容量增长，10至100倍的无线设备连接，10到100倍的用户速率需求，10倍长的电池续航时间需求等等。显然，当前的通信网络无法满足这些需求，所以5G技术应运而生，并且针对B5G的探索也提上了日程。面对多样化场景的极端差异化性能需求，很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的普适性解决方案。

终端直通(Device-to-Device，D2D)技术是5G/B5G通信系统的一项重要技术。引入D2D通信特性和功能，通过支持新的使用案例和服务方案，可以为运营商管理的网络提供新的业务机会。在D2D通信特性和功能的设计之初就应充分考虑高效和高性能的通信机制，以确保未来可以很好的与其它5G/B5G技术整合、协调。

D2D通信技术可以提高蜂窝网络的频谱效率，同时也能够降低小区基站的负荷，它可以分为两个主要类别，即带内D2D通信和带外D2D通信。带外D2D通信表示D2D通信对(D2DCommunication Pair)在未许可频带中操作，不受基站控制的通信方法。如今带外D2D通信存在若干不同的协议和标准(例如蓝牙，ZigBee，NFC和Wi-Fi直连等)，因而难以进行干扰控制从而通信质量无法保障，并且在不同协议之间建立传输链路仍然存在一些问题。本实施方式涉及的技术是基于带内D2D通信的。当前，带内D2D通信是一个非常热门的研究领域，引起了学界及业界的广泛参与，其中模式选择问题是一个公认的技术瓶颈。

在一个5G/B5G小区中，当用户终端(User Equipment，UE)要进行通信时，首先是要确定选择普通的蜂窝模式还是D2D模式。在选择D2D通信模式的前提下，根据基站的负荷情况，D2D通信对可以申请占用小区内空闲的信道，也可以复用蜂窝用户(Celluar UserEquipment,CUE)的上行链路。另外，从D2D通信对中双方的协作模式来看，D2D通信的模式可以分为直连模式，中继模式和本地路由模式。因此，在未来的D2D通信系统中，多种模式共存会变成一个十分常见的现象，那么小区内的UE势必会遇到在多种通信模式之间做取舍的问题。采用合适的模式选择方案，使小区的和容量达到最大，是蜂窝通信系统追求的目标之一。

现有的关于D2D通信的模式选择的优化技术均没有同时考虑多模和多对的场景。这里，多模是指每一个D2D通信对都可以选择多种模式进行通信；多对是指小区内可以存在多个D2D通信对。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种可以获得最优的D2D模式选择方案，并优化小区和容量的多模多对D2D通信方法及系统。

本发明的一种多模多对D2D通信方法，所述方法包括：在一个蜂窝小区中，基站实时地检测每个用户终端的信道容量，以和容量作为目标函数，根据小区内信道的状况，基站控制D2D通信对占用专用信道或复用蜂窝用户的上行链路，并控制D2D通信对选择直连模式、中继模式或者本地路由模式中的一种进行通信。

优选的是，所述根据小区内信道的状况，基站控制D2D通信对占用专用信道或复用蜂窝用户的上行链路，并控制D2D通信对选择直连模式、中继模式或者本地路由模式中的一种进行通信，包括：

当检测到空闲信道，基站控制D2D通信对占用专用信道或复用蜂窝用户的上行链路，控制每个D2D通信对选择直连模式、中继模式或者本地路由模式中的一种进行通信；当检测到所有信道均被占用且D2D通信对存在相临近的中继节点，基站控制D2D通信对复用蜂窝用户的上行链路，并控制每个D2D通信对选择直连模式或者中继模式中的一种进行通信；当检测到所有信道均被占用且D2D通信对没有相临近的中继节点，基站控制D2D通信对复用蜂窝用户的上行链路，并控制每个D2D通信对选择直连模式进行通信。

优选的是，所述方法具体包括：基站收集每个用户终端的信道容量，根据收集到的信道容量，构建出系统的模式选择矢量和对应的容量矢量；所述模式选择矢量为所有D2D通信对关于直连模式、中继模式和本地路由模式的选择状态的矢量；

将小区的和容量建模为目标函数，并确定模式选择矢量的系数矩阵，根据小区内剩余信道的状况，蜂窝用户的数量以及D2D通信对的数量构建目标函数的约束条件；

利用线性规划的方法，调控模式选择矢量中元素的取值，在约束条件下，使目标函数最大，进而获得最优的模式选择矩阵，并根据该模式选择矩阵，基站控制D2D通信对配对并进行通信。

优选的是，当检测到空闲信道，模式选择矢量Y⁽¹⁾，表示为：

其中，k＝1,…,K，K表示D2D通信对的数量；当时，表示第k个D2D通信对选择了本地路由模式，并占用了专用信道，否则当时，表示第k个D2D通信对选择了直连模式，否则，当时，表示第k个D2D通信对选择了中继模式，否则，

m＝1,…,M，M表示手机用户终端的数量；当时，表示第k个D2D通信对采用直连模式，并且复用第m个CUE的上行链路，否则，当时，表示第k个D2D通信对采用中继模式，并且复用第m个CUE的上行链路，否则，当时，表示第k个D2D通信对复用第个D2D通信对上行链路的频率资源，该D2D通信对选择了本地路由模式，否则，当时，表示第k个D2D通信对复用第个D2D通信对的频率资源，否则，

模式选择矢量Y⁽¹⁾对应的容量矢量C⁽¹⁾，表示为：

其中，表示无复用情况下，第m个CUE的信道容量；

表示第k个D2D通信对选择直连模式并复用第m个CUE的上行链路时，第m个CUE的信道容量；表示第k个D2D通信对选择中继模式与第m个CUE复用相同的信道时，第m个CUE的信道容量；表示第个D2D通信对采用本地路由模式且无其他UE复用时，第个D2D通信对的信道容量；表示第个D2D通信对和第k个D2D通信对分别采用本地路由模式和直连模式且它们之间复用相同的信道时，第个D2D通信对的信道容量；表示第个D2D通信对和第k个D2D通信对分别采用本地路由模式和中继模式，且它们之间复用相同的信道，第个D2D通信对的信道容量；表示第k个D2D通信对选择直连模式且没有其他UE复用时，第k个D2D通信对的信道容量；表示第k个D2D通信对采用直连模式且与第m个CUE复用相同的信道时，第k个D2D通信对的信道容量；表示第k个D2D通信对采用直连模式及第个D2D通信对采用本地路由模式，且它们之间复用相同的信道时，第k个D2D通信对的信道容量；表示第k个D2D通信对选择中继模式且没有其他的UE复用时，第k个D2D通信对的信道容量；表示第k个D2D通信对选择中继模式与第m个CUE复用相同的信道，第k个D2D通信对的信道容量；表示第k个D2D通信对选择了中继模式、第个D2D通信对选择了本地路由模式，第k个D2D通信对的信道容量；

所述目标函数为：max[C⁽¹⁾]^TY⁽¹⁾,

subject to A⁽¹⁾Y⁽¹⁾≤B

其中，B＝[min(N_U,N_D),N_U,1,1,…,1]^T，N_U表示上行链路中空闲信道的数量，N_D表示下行链路中空闲信道的数量；

模式选择矢量Y⁽¹⁾的系数矩阵A⁽¹⁾的维度是(2+M+K)×(3K+2KM+2K²)，子矩阵表示为：

上式中，1_1×K表示维度为1×K的全1矢量；0_1×K表示维度为1×K的全0矢量；0_M×K表示维度为M×K的全0矩阵；I_K表示维度为K×K的单位矩阵；

子矩阵表示为：

上式中，E_m是一个维度为M×K的矩阵，它的第m行为全1矢量；

子矩阵的维度为2MK×K，表示为：

上式中，F_k是一个维度为K×K的矩阵，它的第k行为全1矢量。

优选的是，当检测到所有信道均被占用且D2D通信对存在相临近的中继节点，所述模式选择矢量Y⁽²⁾，表示为：

其中，k＝1,…,K，K表示D2D通信对的数量；m＝1,…,M，M表示手机用户终端的数量；当时，表示第k个D2D通信对采用直连模式，并且复用第m个CUE的上行链路，否则，当时，表示第k个D2D通信对采用中继模式，并且复用第m个CUE的上行链路，否则，

模式选择矢量Y⁽²⁾对应的容量矢量C⁽²⁾，表示为：

其中，表示无复用情况下，第m个CUE的信道容量；表示第k个D2D通信对选择直连模式并复用第m个CUE的上行链路时，第m个CUE的信道容量；表示第k个D2D通信对选择中继模式与第m个CUE复用相同的信道时，第m个CUE的信道容量；表示第k个D2D通信对采用直连模式且与第m个CUE复用相同的信道时，第k个D2D通信对的信道容量；表示第k个D2D通信对选择中继模式与第m个CUE复用相同的信道，第k个D2D通信对的信道容量；

所述目标函数：max[C⁽²⁾]^TY⁽²⁾,

subject to A⁽²⁾Y⁽²⁾≤1_(M+K)×1,

Y⁽²⁾∈(0,1)^2MK

模式选择矢量Y⁽²⁾的系数矩阵A⁽²⁾，表示为：

E_m表示维度为M×K的矩阵，I_K表示维度为K×K的单位矩阵。

优选的是，当检测到所有信道均被占用且D2D通信对没有相临近的中继节点，所述模式选择矢量Y⁽³⁾，表示为：

其中，k＝1,…,K，K表示D2D通信对的数量；m＝1,…,M，M表示手机用户终端的数量；当时，表示第k个D2D通信对采用直连模式，并且复用第m个CUE的上行链路，否则，

模式选择矢量Y⁽³⁾对应的容量矢量C⁽³⁾，表示为：

表示无复用情况下，第m个CUE的信道容量；表示第k个D2D通信对选择直连模式并复用第m个CUE的上行链路时，第m个CUE的信道容量；表示第k个D2D通信对采用直连模式且与第m个CUE复用相同的信道时，第k个D2D通信对的信道容量；

所述目标函数，表示为：max[C⁽³⁾]^TY⁽³⁾,

subject to A⁽³⁾Y⁽³⁾≤1_(M+K)×1,

Y⁽³⁾∈(0,1)^MK

其中，模式选择矢量Y⁽³⁾的系数矩阵A⁽³⁾，表示为：E_m表示维度为M×K的矩阵，I_K表示维度为K×K的单位矩阵。

本发明还包括一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述方法。

本发明还包括一种多模多对D2D通信系统，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序实现上述方法。

本发明的有益效果，本发明根据剩余信道情况和三种D2D通信的模式，为小区内D2D通信对提供最优的模式选择方案，使D2D通信对以最佳的方式复用蜂窝网络用户的上行链路，从而可以使系统的和容量最大。

附图说明

图1是D2D通信模式的分类原理示意图；

图2是场景一下多模多对D2D通信方法的流程图；

图3是场景二下多模多对D2D通信方法的流程图；

图4是场景三下多模多对D2D通信方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式是基于这样一种通信场景：一个小区内同时存在普通的手机用户终端(Cellular User E_quipment，CUE)和D2D用户终端(Device-to-Device User Equipment，DUE)，并且每一个D2D通信对周围存在一个潜在的中继用户终端(Relay User Equipment，RUE)为这对D2D通信对服务。在一个小区内，假设有M个CUE和K个D2D通信对，并且D2D通信对的个数要小于CUE的个数，即K＜M。当小区内没有空闲信道时，换而言之，小区内所有的信道均被CUE占据时，D2D通信对会复用蜂窝移动通信中上行链路的信道。

从D2D通信对中双方协作形式的角度来看，本实施方式考虑三种D2D通信的模式，如图1所示，分别为：

1.直连模式(Direct Mode)：D2D直连模式的D2D通信对中的发射DUE和接收DUE之间直接进行数据交换，因此可以对基站的业务量起到分流的作用。在图1中，该模式被描述为Direct D2D mode。

2.中继模式(Relay Mode)：为了帮助建立远程DUE之间的连接，本方案引入了中继通信的技术，并且与D2D通信对相临近的UE可以被用作D2D通信对的中继节点，记为RUE。本实施方式中，我们采用两跳解码转发(Decode and Forward，DF)中继机制，并且第一跳和第二跳占用相同的频率资源。在图1中，该模式被描述为Relay D2D mode。

3.本地路由模式(Local Route Mode)：本地路由模式也可以称为蜂窝D2D模式，原因是在该模式下的D2D通信对的双方需要借助基站作为中继节点来完成彼此之间的通信。然而，不同于普通CUE之间的通信模式，选择本地路由模式的D2D通信对双方交换的数据不会进入核心网，因此可以起到对基站分流的作用。在图1中，该模式被描述为Local routemode。当小区中的业务负荷相对较小时，存在空闲的频谱，那么D2D通信对可以选择本地路由模式进行通信。当小区处于满负荷状态时，即小区内不存在空闲频谱时，则D2D通信对无法选择本地路由模式，否则会对占用相同信道下的CUE产生非常大的干扰从而致使它无法正常通信。

本发明的一种多模多对D2D通信方法，所述方法包括：

在一个蜂窝小区中，基站实时地检测每个用户终端的信道容量，以和容量作为目标函数，根据小区内信道的状况，基站控制D2D通信对占用专用信道或复用蜂窝用户的上行链路，并控制D2D通信对选择直连模式、中继模式或者本地路由模式中的一种进行通信。

基站根据每个UE(包括CUE和DUE)的位置和信道状况，计算出最优的模式选择方案，并控制每个D2D通信对选择适当的模式。在本实施方式中，将小区中的和容量作为目标函数，将多模多对D2D通信的模式选择问题进行建模，获得最优的模式选择方案。本实施方式针对三种通信场景：

场景一：基站的负荷较轻时，除了CUE占用的信道之外，小区内还存在空闲信道。那么，D2D通信对会优先占用专用信道进行通信，直到所有的信道均被占用了，D2D通信对才会复用CUE的上行链路。另外，从模式选择的角度来看，D2D通信对可以选择直连模式、中继模式或者本地路由模式中的一种。因此，在这种场景下，会出现三种模式共存的现象。

场景二：基站的负荷较重时，有时也会称为满负荷状态，系统所有的信道均被CUE占用，小区不存在空闲信道。那么，D2D通信对只能复用CUE的上行链路。另外，从模式选择的角度来看，D2D通信对可以选择直连模式或者中继模式的一种，而无法选择本地路由模式。在本地路由模式中，D2D通信对中的发射DUE首先需要把数据发送到基站，然后由基站把数据转发到D2D通信对的接收DUE。在这种情况下，如果和CUE公用一个信道的话，会产生非常大的干扰。因此，在本场景中会出现直连模式和中继模式共存的现象。

场景三：基站的负荷较重的情况下，系统所有的信道均被CUE占用，小区不存在空闲信道，那么D2D通信对只能复用CUE的上行链路。为了避免产生过大的干扰，D2D通信对不会选择本地路由模式。此外，假设D2D通信对无法找到中继节点从而只能选择直连模式。因此，在本场景中只会出现直连模式。

以上三个场景中，多模多对D2D通信方法具体包括：

基站收集每个用户终端的信道容量，根据收集到的信道容量，构建出系统的模式选择矢量和对应的容量矢量；所述模式选择矢量为所有D2D通信对关于直连模式、中继模式和本地路由模式的选择状态的矢量；

首先，将模式选择矩阵表示为：

X＝[X^(L),X^(D),X^(R),X⁽¹⁾,X⁽²⁾,X⁽³⁾,X⁽⁴⁾]_K×(3+2M+2K) (1)

上述矩阵中所有元素取值是1或者0，分别表示不同的模式选择状态。具体地，X^(L)表示所有的D2D通信对关于本地路由模式的选择状态的矢量，表示为：

上式中，当时，表示第k个D2D通信对选择了本地路由模式，并占用了专用信道；当表示第k个D2D通信对没有选择本地路由模式。同理，所有的D2D通信对关于直连模式和中继模式的选择状态分别表示为：

上式中，或者分别表示第k(k＝1,…,K)个D2D通信对选择了直连模式或者中继模式；否则，和另外，在式(1)中，子矩阵X⁽¹⁾，可以表示为

其中，表示指示变量，表示第k(k＝1,…,K)个D2D通信对采用直连模式，并且复用第m(m＝1,…,M)个CUE的上行链路；否则，在式(1)中，子矩阵X⁽²⁾，可以表示为

其中，表示指示变量，表示第k(k＝1,…,K)个D2D通信对采用中继模式，并且复用第m(m＝1,…,M)个CUE的上行链路；否则，

假设第k(k＝1,…,K)个D2D通信对采用直连模式，且第个D2D通信对采用本地路由模式。在式(1)中，子矩阵X⁽³⁾可以表示为

其中，表示指示变量，表示第k(k＝1,…,K)个D2D通信对复用第个D2D通信对(该D2D通信对选择了本地路由模式)上行链路的频率资源；否则，

假设第k(k＝1,…,K)个D2D通信对采用中继模式，且第个D2D通信对采用本地路由模式。在式(1)中，子矩阵X⁽⁴⁾，可以表示为

其中，表示指示变量，表示第k(k＝1,…,K)个D2D通信对复用第个D2D通信对的频率资源；否则，

总之，在式(1)～7)中，如果其中的元素取“1”，则表示D2D通信对采用相应的通信模式，那么此时端到端的信道容量可以对系统和容量有贡献作用；如果其中的元素取“0”，则表示D2D通信对不采用相应的通信模式，那么此时端到端的信道容量为0。接下来，以第m个CUE与第k个D2D通信对为例，介绍不同通信模式下的信道容量，其中m＝1,…,M以及k,

·无复用情况下，第m个CUE的信道容量为，

上式中表示第m(m＝1,…,M)个CUE的发射功率；是高斯白噪声的功率；h_m,B是第m个CUE与基站之间的信道系数。

·第k个D2D通信对选择直连模式并复用第m个CUE的上行链路时，第m个CUE的信道容量：

上式中，为CUE m在复用情况下的发射功率；为第k个D2D通信对中发射DUE的发射功率；为第k个D2D通信对中发射DUE与基站之间的信道系数。

·当第k个D2D通信对选择中继模式与第m个CUE复用相同的信道，此时第m个

CUE的信道容量可以表示为，

上式中，RUE k与CUE m复用相同的信道时，表示CUE m的发射功率，表示RUE k的发射功率；表示RUE k与基站之间的信道系数。

·当第个D2D通信对采用本地路由模式时，且无其他UE复用时，第个D2D通信对的信道容量

上式中，表示采用本地路由模式的D2D通信对的发射功率；表示第个D2D通信对中发射DUE与基站之间的信道系数。

·第个D2D通信对和第k个D2D通信对分别采用本地路由模式和直连模式且它们之间复用相同的信道时，则采用本地路由模式的D2D通信对的的信道容量为定义为：

上式中，和分别表示复用模式下D2D通信对和D2D通信对k的发射功率。

·第个D2D通信对和第k个D2D通信对分别采用本地路由模式和中继模式，且它们之间复用相同的信道，则采用本地路由模式D2D通信对的信道容量为：

上式中，和分别表示D2D通信对和D2D通信对k在复用模式下的发射功率；表示RUE k和基站之间的信道系数。

·当第k个D2D通信对选择直连模式时且没有其他UE复用时，它的信道容量可以表示为，

其中表示第k个D2D通信对中发射DUE的发射功率；表示发射DUE和接收DUE之间的信道系数。

·当第k个D2D通信对采用直连模式且与第m个CUE复用相同的信道时，D2D通信对的信道容量为：

上式中，表示复用情况下D2D通信对中发射DUE的发射功率；表示复用情况下，CUE的发射功率。

·第k个D2D通信对采用直连模式，第个D2D通信对采用本地路由模式，且它们之间复用相同的信道，则采用直连模式的D2D通信对的信道容量可以表示为：

其中，和分别表示复用情况下D2D通信对k中和D2D通信对中发射DUE的发射功率；表示表示D2D通信对中发射DUE和D2D通信对k中接收DUE之间的信道系数。

·第k个D2D通信对选择中继模式，且没有其他的UE复用时，信道容量可以表示为：

上式中，表示无复用情况下RUE k的发射功率；和分别表示发射DUE与RUE之间以及RUE与接收DUE之前的信道系数。

·第k个D2D通信对选择中继模式与第m个CUE复用相同的信道，那么第k个D2D通信对的信道容量为：

上式中，是CUE m与RUE k之间的信道系数；表示CUE m与第k个D2D通信对中接收DUE之间的信道系数。

·第k个D2D通信对选择了中继模式，第选择了本地路由模式，那么选择中继模式D2D通信对的信道容量可以表示为：

在表1中，以第k(k＝1,…,K)个D2D通信对为例，若采用了本地路由模式，定义其端到端的信道容量为若采用了直连模式，定义其端到端的信道容量为若采用了中继模式，定义其端到端的信道容量为如表1所示；

表1 D2D通信对在不同通信模式下信道容量的数学定义

另外，定义为第m个CUE的信道容量。当小区处于高负荷情况下时，D2D通信对智能复用CUE的上行链路进行通信。以第k(k＝1,…,K)个D2D通信对和第m个CUE为例，若D2D通信对采用直连模式并复用CUE的上行链路，则定义D2D通信对和CUE的信道容量分别为和如表1所示；若D2D通信对采用中继模式并复用CUE的上行链路，定义D2D通信对和CUE的速率分别为和如表1所示。另外，假设第个D2D通信对处于本地路由模式，其频率资源可以被直连模式下的D2D通信对和中继模式下的D2D通信对复用，那么在这种情况下，定义直连模式D2D通信对的信道容量为其对应的本地路由模式下的D2D通信对的信道容量为如表1所示；定义中继模式下的D2D通信对的信道容量为其对应的本地路由模式下的D2D通信对的信道容量为

在信道容量已知的情况下，本实施方式可以为K个D2D通信提供最优的模式选择方案，从而可以使系统的和容量最大。假设一个小区中，上行链路空闲信道个数为N_U；下行链路的空闲信道个数为N_D。D2D通信对的模式选择的优化问题可以建模为，

上式的约束条件为，

上式中，约束条件②表明采用本地路由模式下的D2D通信对的数量要小于小区中上行链路或者下行链路中信道的数量。D2D通信对处于复用状态时，我们只考虑上行链路的复用情况。在约束条件③的表达式中，处于专用信道下的D2D通信对的数量，即与本地路由模式下的D2D通信对的数量，即之和要小于小区中上行链路的数量，即N_U。约束条件④成立的原因是CUE m的上行链路最多只能有一个D2D通信对复用，而这个D2D通信对只能是直连D2D通信对或者是中继D2D通信对。约束条件⑤成立的条件是指一个D2D通信对，例如第k个D2D通信对，只能选择一个通信模式。

本实施方式中场景一中D2D通信模式选择的最优方案

根据以上关于本场景的描述，D2D通信对有可能占用专用信道，也有可能复用CUE的上行链路，而且会出现直连模式、中继模式及本地路由模式共存的现象。在这种情况下，系统和容量的表达式可写成，

上式中，对模式选择矩阵X中的元素进行调控使系统和容量达到最大，此时得到的模式选择矩阵为最优模式选择矩阵，表示为：

上式中，不包含这一项，原因它在优化的过程中是个常数，不随X改变而改变。为了得到该场景下的最优的模式选择矩阵需要进行以下操作。首先需要把模式选择矩阵转化为一个维度为(3K+2KM+2K²)×1的列矢量，记为，

系统的速率矢量可以表示为，

接下来，构建约束条件矢量，

B＝[min(N_U,N_D),N_U,1,1,…,1]^T (26)

因此，式(23)中的优化问题可以转化为，

上式中，矩阵A⁽¹⁾定义为模式选择矢量的系数矩阵，它的的维度是(2+M+K)×(3K+2KM+2K²)，它是由三个子矩阵组成的，

其中，子矩阵可以表达为，

上式中，1_1×K表示维度为1×K的全“1”矢量；0_1×K表示维度为1×K的全“0”矢量；0_M×K表示维度为M×K的全“0”矩阵；I_K表示维度为K×K的单位矩阵。

在式(28)中，子矩阵可表示为，

上式中，E_m(m＝1,…,M)是一个维度为M×K的矩阵，它的第m行为全“1”矢量，即

在式(28)中，子矩阵的维度为2MK×K，可以表示为，

上式中，F_k(k＝1,…,K)是一个维度为K×K的矩阵，它的第k行为全“1”矢量，即

以上便是公式(27)中涉及到矩阵的数学表达形式。最后把公式(27)转化为线性规划问题，利用线性规划的方法，把小区的和容量作为目标函数，调控模式选择方案，即改变矩阵X⁽¹⁾中元素的取值，使小区的和容量达到最大，那么此时的模式选择方案就是最优的模式选择方案。

本实施方式场景一中多模多对D2D通信方法，具体实施步骤：

S11：在负荷较轻时，即小区内还存在空闲信道的情况下，基站会根据每个UE的位置，计算信道容量，包括其中，m＝1,…,M，k＝1,…,K。同时也需要根据小区内的通信环境估算出相干时间。

S12：基站根据收集到的速率计算出系统的速率矢量Y⁽¹⁾和模式选择矢量C⁽¹⁾，如式(24)和(25)所示。

S13：根据当前可用信道的数量，产生约束条件矢量，如式(26)所示。

S14：基站构建目标函数并确定系数矩阵A⁽¹⁾，如式(27)和(28)所示。

S15：利用线性规划的方法，调控模式选择矢量Y⁽¹⁾中元素的取值，使目标函数最大。

S16：在S15的基础上，基站计算出最优的模式选择矩阵并根据该模式选择矩阵，基站控制D2D通信对进行通信从而达到系统的和容量最大的目的。

S17：当通信时间超出相干时间或者UEs的数目有所改变时，基站需要重新回到S11，重复S11～S15。

上述步骤也可以用伪代码表示:

图2是场景一下多模多对D2D通信方法的流程图。在图2中参数输入具体包括，M，K， h_m,B，N_U，N_D和另外，在初始化的过程中，基站还应该根据该小区的通信环境估算出相干时间。然后，基站要依据输入的参数计算每个UE对应的信道容量，具体包括其中，m＝1,…,M，k＝1,…,K。进一步，基站需要构建容量向量C⁽¹⁾，如式(25)所示。与此同时，基站构建模式选择向量Y⁽¹⁾和模式向量的系数矩阵A⁽¹⁾。利用Y⁽¹⁾和A⁽¹⁾构建约束条件，即A⁽¹⁾Y⁽¹⁾≤B，如式(27)所示。基站利用模式选择向量Y⁽¹⁾和容量向量C⁽¹⁾构建为目标函数[C⁽¹⁾]^TY⁽¹⁾并将之建模为线性规划问题，求解最优解使得目标函数取得最大值。基站控制DUE进行配对并建立通信。特别地，如果通信时间超出了相干时间或者UEs的数目有所改变，那么就要重新计算信道容量及构建容量向量。

本实施方式场景二中D2D通信模式选择的最优方案

对于业务负荷较重的基站，不存在空闲信道为D2D通信服务。D2D通信对没有机会选择本地路由模式，因为如果选择本地路由模式，D2D通信对通常需要占用专用信道以避免产生过大的干扰。在该场景中，所有的信道都被CUE占用，D2D通信只能以直连模式或者中继模式复用CUE的上行链路。因此，在式(1)的模式选择矩阵中，易得X^(D)＝X^(R)＝0和X^(L)＝X⁽³⁾＝X⁽⁴⁾＝0。假设最优的模式选择矩阵为那么它可以表示为，

约束条件为

在上式中，约束条件①的含义是指，对于任意一个CUE，最多只能有1个D2D通信对与之复用相同的信道；约束条件②的含义是指，对于任意一个D2D通信对，无论它选择直连模式还是中继模式，最多只有一个CUE能与它复用相同的信道。

模式选择矢量可以表示为，

容量矢量可以表达为

那么，对系统的和容量进行优化，即

上式中，A⁽²⁾可以表达为，

上式中，E_m(m＝1,…,M)是一个维度为M×K的矩阵，如式(31)所示。I_K是一个维度为K×K的单位矩阵。

最后，可以利用线性优化的方法求解式(38)中的优化问题。改变模式选择矩阵X中元素的取值，使整个系统的和容量达到最大，那么此时的模式选择矩阵就是最优的模式选择矩阵，记为

本实施方式场景二中多模多对D2D通信方法，具体实施步骤：

S21：基站根据每个UE的位置和信道状态信息计算每个UE的信道容量，包括其中，m＝1,…,M和k＝1,…,K。同时也

需要根据小区内的通信环境估算出相干时间。

S22：基站根据收集到的速率计算出系统的速率矢量Y⁽²⁾和模式选择矢量C⁽²⁾，如式(36)和(37)所示。

S23：基站构建目标函数并确定系数矩阵A⁽²⁾，如式(38)和式(39)所示。

S24：利用线性规划的方法，调控模式选择矢量Y⁽²⁾中元素的取值，使目标函数最大。

S25：在S24的基础上，基站计算出最优的模式选择矩阵并根据该模式选择矩阵，基站控制D2D通信对进行通信从而达到系统的和容量最大的目的。

S26：当通信时间超出相干时间或者UEs的数目有所改变时，基站需要重新回到S21，重复S21～S25。

上述步骤也可以用伪代码表示:

图3是场景二下多模多对D2D通信方法的流程图。在图3中参数输入具体包括，M，K，h_m,B， N_U，N_D和另外，在初始化的过程中，基站还应该根据该小区的通信环境估算出相干时间。然后，基站要依据输入的参数计算每个UE对应的信道容量，具体包括进一步，基站需要构建容量向量C⁽²⁾，如式(37)所示。与此同时，基站构建模式选择向量Y⁽²⁾和模式向量的系数矩阵A⁽²⁾。利用Y⁽²⁾和A⁽²⁾构建约束条件，即A⁽²⁾Y⁽²⁾≤1_(M+K)×1，如式(38)所示。基站利用模式选择向量Y⁽²⁾和容量向量C⁽²⁾构建为目标函数[C⁽²⁾]^TY⁽²⁾并将之建模为线性规划问题，求解最优解使得目标函数取得最大值。基站控制DUE进行配对并建立通信。特别地，如果通信时间超出了相干时间或者UEs的数目有所改变，那么就要重新计算信道容量及构建容量向量。

本实施方式场景三中D2D通信模式选择的最优方案

对于业务负荷较重的基站，不存在空闲信道为D2D通信服务。在该场景中，所有的信道都被CUE占用，假设D2D通信选择以直连模式复用CUE的上行链路。因此，在式(1)的模式选择矩阵中，易得X^(L)＝X^(D)＝X^(R)＝0，X⁽²⁾＝0，X⁽³⁾＝X⁽⁴⁾＝0。假设在该场景中，最优的模式选择矩阵为那么它可以表示为，

约束条件为

在上式中，约束条件①的含义是指，对于任意一个CUE，最多只能有1个直连模式下的D2D通信对与之复用相同的信道；约束条件②的含义是指，对于任意一个选择直连模式的D2D通信对，最多只有一个CUE能与它复用相同的信道。模式选择矢量可以表示为，

速率矢量可以表达为

上式中，那么，对系统的和容量进行优化，即

上式中，A⁽³⁾可以表达为，

上式中，E_m(m＝1,…,M)是一个维度为M×K的矩阵，具体的表达式如(31)所示。I_K是一个维度为K×K的单位矩阵。

式(44)中的优化问题属于整数规划问题。然而，由于矩阵A⁽³⁾是一个全幺模(Totally Unimodular，TU)矩阵，因此该整数规划问题可转换为线性规划问题。

本实施方式场景三中多模多对D2D通信方法,具体实施步骤：

S31：在小区内不存在空闲信道的情况下，基站收集每个UE的信道容量，包括其中，m＝1,…,M和k＝1,…,K。

S32：基站根据收集到的信道容量计算出系统的容量矢量Y⁽³⁾和模式选择矢量C⁽³⁾，如式(42)和(43)所示。

S33：基站构建目标函数并确定系数矩阵A⁽³⁾，如式(44)和式(45)所示。

S34：利用线性规划的方法，调控模式选择矢量Y⁽³⁾中元素的取值，使目标函数最大。

S35：在S34的基础上，基站计算出最优的模式选择矩阵并根据该模式选择矩阵，基站控制D2D通信对进行通信从而达到系统的和容量最大的目的。

S36：当通信时间超出相干时间或者UEs的数目有所改变时，基站需要重新回到S31，重复S31～S35。

上述步骤也可以用伪代码表示：

图4是场景三下多模多对D2D通信方法的流程图。在图4中参数输入具体包括，M，K，h_m,B，N_U，N_D和另外，在初始化的过程中，基站还应该根据该小区的通信环境估算出相干时间。然后，基站要依据输入的参数计算每个UE对应的信道容量，具体包括其中，m＝1,…,M和k＝1,…,K。进一步，基站需要构建容量向量C⁽³⁾，如式(43)所示。与此同时，基站构建模式选择向量Y⁽³⁾和模式向量的系数矩阵A⁽³⁾。利用Y⁽³⁾和A⁽³⁾构建约束条件，即A⁽³⁾Y⁽³⁾≤1_(M+K)×1，如式(44)所示。基站利用模式选择向量Y⁽³⁾和容量向量C⁽³⁾构建为目标函数[C⁽³⁾]^TY⁽³⁾并将之建模为线性规划问题，求解最优解使得目标函数取得最大值。基站控制DUE进行配对并建立通信。特别地，如果通信时间超出了相干时间或者UEs的数目有所改变，那么就要重新计算信道容量及构建容量向量。

本实施方式还提供一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现本实施方式的多模多对D2D通信方法。

本实施方式还提供一种多模多对D2D通信系统，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序实现本实施方式的多模多对D2D通信方法。

Claims

1.一种多模多对D2D通信方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的多模多对D2D通信方法，其特征在于，所述根据小区内信道的状况，基站控制D2D通信对占用专用信道或复用蜂窝用户的上行链路，并控制D2D通信对选择直连模式、中继模式或者本地路由模式中的一种进行通信，包括：

当检测到空闲信道，基站控制D2D通信对占用专用信道或复用蜂窝用户的上行链路，控制每个D2D通信对选择直连模式、中继模式或者本地路由模式中的一种进行通信；

当检测到所有信道均被占用且D2D通信对存在相临近的中继节点，基站控制D2D通信对复用蜂窝用户的上行链路，并控制每个D2D通信对选择直连模式或者中继模式中的一种进行通信；

当检测到所有信道均被占用且D2D通信对没有相临近的中继节点，基站控制D2D通信对复用蜂窝用户的上行链路，并控制每个D2D通信对选择直连模式进行通信。

3.根据权利要求2所述的多模多对D2D通信方法，其特征在于，所述方法具体包括：

4.根据权利要求3所述的多模多对D2D通信方法，其特征在于，当检测到空闲信道，模式选择矢量Y⁽¹⁾，表示为：

m＝1,…,M，M表示手机用户终端的数量；当时，表示第k个D2D通信对采用直连模式，并且复用第m个复用蜂窝用户的上行链路，否则，当时，表示第k个D2D通信对采用中继模式，并且复用第m个复用蜂窝用户的上行链路，否则，当时，表示第k个D2D通信对复用第个D2D通信对上行链路的频率资源，该D2D通信对选择了本地路由模式，否则，当时，表示第k个D2D通信对复用第个D2D通信对的频率资源，否则，

模式选择矢量Y⁽¹⁾对应的容量矢量C⁽¹⁾，表示为：

其中，表示无复用情况下，第m个复用蜂窝用户的信道容量；

表示第k个D2D通信对选择直连模式并复用第m个复用蜂窝用户的上行链路时，第m个复用蜂窝用户的信道容量；

表示第k个D2D通信对选择中继模式与第m个复用蜂窝用户复用相同的信道时，第m个复用蜂窝用户的信道容量；

表示第个D2D通信对采用本地路由模式且无其他用户终端复用时，第个D2D通信对的信道容量；

表示第个D2D通信对和第k个D2D通信对分别采用本地路由模式和直连模式且它们之间复用相同的信道时，第个D2D通信对的信道容量；

表示第个D2D通信对和第k个D2D通信对分别采用本地路由模式和中继模式，且它们之间复用相同的信道，第个D2D通信对的信道容量；

表示第k个D2D通信对选择直连模式且没有其他用户终端复用时，第k个D2D通信对的信道容量；

表示第k个D2D通信对采用直连模式且与第m个复用蜂窝用户复用相同的信道时，第k个D2D通信对的信道容量；

表示第k个D2D通信对采用直连模式及第个D2D通信对采用本地路由模式，且它们之间复用相同的信道时，第k个D2D通信对的信道容量；

表示第k个D2D通信对选择中继模式且没有其他的用户终端复用时，第k个D2D通信对的信道容量；

表示第k个D2D通信对选择中继模式与第m个复用蜂窝用户复用相同的信道，第k个D2D通信对的信道容量；

表示第k个D2D通信对选择了中继模式、第个D2D通信对选择了本地路由模式，第k个D2D通信对的信道容量；

所述目标函数为：

max[C⁽¹⁾]^TY⁽¹⁾,

subjectto A⁽¹⁾Y⁽¹⁾≤B

子矩阵表示为：

上式中，E_m是一个维度为M×K的矩阵，它的第m行为全1矢量；

子矩阵的维度为2MK×K，表示为，

上式中，F_k是一个维度为K×K的矩阵，它的第k行为全1矢量。

5.根据权利要求3所述的多模多对D2D通信方法，其特征在于，当检测到所有信道均被占用及相临近的中继节点，所述模式选择矢量Y⁽²⁾，表示为：

其中，k＝1,…,K，K表示D2D通信对的数量；m＝1,…,M，M表示手机用户终端的数量；

当时，表示第k个D2D通信对采用直连模式，并且复用第m个复用蜂窝用户的上行链路，否则，当时，表示第k个D2D通信对采用中继模式，并且复用第m个复用蜂窝用户的上行链路，否则，

模式选择矢量Y⁽²⁾对应的容量矢量C⁽²⁾，表示为：

其中，表示无复用情况下，第m个复用蜂窝用户的信道容量；

所述目标函数：

max[C⁽²⁾]^TY⁽²⁾,

subjectto A⁽²⁾Y⁽²⁾≤1_(M+K)×1,

Y⁽²⁾∈(0,1)^2MK

模式选择矢量Y⁽²⁾的系数矩阵A⁽²⁾，表示为：

E_m表示维度为M×K的矩阵，I_K表示维度为K×K的单位矩阵。

6.根据权利要求3所述的多模多对D2D通信方法，其特征在于，当检测到所有信道均被占用及没有相临近的中继节点，所述模式选择矢量Y⁽³⁾，表示为：

其中，k＝1,…,K，K表示D2D通信对的数量；m＝1,…,M，M表示手机用户终端的数量；当时，表示第k个D2D通信对采用直连模式，并且复用第m个复用蜂窝用户的上行链路，否则，

模式选择矢量Y⁽³⁾对应的容量矢量C⁽³⁾，表示为：

表示无复用情况下，第m个复用蜂窝用户的信道容量；

所述目标函数，表示为：

max[C⁽³⁾]^TY⁽³⁾,

subject to A⁽³⁾Y⁽³⁾≤1_(M+K)×1,

Y⁽³⁾∈(0,1)^MK

其中，模式选择矢量Y⁽³⁾的系数矩阵A⁽³⁾，表示为：

E_m表示维度为M×K的矩阵，I_K表示维度为K×K的单位矩阵。

7.一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至6任一所述方法。

8.一种多模多对D2D通信系统，包括存储设备、处理器以及存储在所述存储设备中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求1至6任一所述方法。