CN111031547B - 基于频谱分配与功率控制的多用户d2d通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法，包括如下步骤：1)计算共享同一频谱资源后D2D用户j的

与蜂窝用户i的

2)判断D2D用户j能否复用与蜂窝用户i的频谱资源；3)计算D2D用户与可复用蜂窝用户之间的干扰系数；4)D2D用户选择蜂窝用户的频谱资源进行复用，使系统的干扰系数最小；5)在满足D2D用户与蜂窝用户最低SINR的前提下求出D2D用户的最优发射功率；6)计算系统的总吞吐量。这种方法能提高系统的频谱利用率、抑制D2D用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰、在保证蜂窝用户与D2D用户最低SINR的同时增大系统的吞吐量。

Description

基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体是一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法。

背景技术

随着多媒体数据的爆炸性增长以及移动设备的不断普及，用户对于数据传输的准确性与实时性提出了更加苛刻的要求。面对急速增长的数据业务量，传统蜂窝网络中无线资源不足的问题日益突出。作为未来通信架构中的关键技术之一，设备到设备(device-to-Device，简称D2D)通信为解决上述问题提供一个新方向，利用Underlay模式的D2D通信技术代替基站(base station，简称BS)实现部分近场通信，提高网络的接入和负载能力。

D2D资源管理模式有Overlay和Underlay两种。在Overlay的管理模式中，D2D用户将会从蜂窝用户处得到一部分独立的频谱资源用于D2D通信，而在Underlay的管理模式下，蜂窝用户将自身拥有的频谱资源与D2D用户一起使用，因此，采用Underlay模式能够更大限度的提高频谱的利用率，然而，当D2D用户对蜂窝用户的频谱资源复用时，D2D用户与蜂窝用户之间会存在着同频干扰，从而影响系统的吞吐量。因此，如何降低D2D用户与蜂窝用户之间的同频干扰是在蜂窝网络中引入D2D通信技术时所需解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法。这种方法能提高系统的频谱利用率、抑制D2D用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰、在保证蜂窝用户与D2D用户最低SINR的同时增大系统的吞吐量。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法，包括如下步骤：

1)计算共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比

与蜂窝用户i的信干噪比

假设蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络中有N个蜂窝用户和M对D2D用户，且N≥M，蜂窝用户集用N＝{1,2,…,n}表示，D2D用户的用户集用M＝{1,2,…,m}表示，则共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比

与蜂窝用户i的信干噪比

分别为：

其中，

表示蜂窝用户i的发射功率，h_i,B表示蜂窝用户i到基站的信道增益，

表示D2D用户j发射端的发射功率，h_j,B表示D2D用户j发射端到基站的信道增益，h_j表示D2D用户j发射端到接收端的信道增益，h_i,j表示蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度；

2)判断D2D用户j能否复用与蜂窝用户i的频谱资源：判断D2D用户j能否复用蜂窝用户i的频谱资源的判定准则为：

其中，γ_th为D2D用户与蜂窝用户各自能成功建立通信链路所必须满足的最低SINR，

为D2D用户发射端的最大发射功率，若满足上式，则D2D用户j可以复用蜂窝用户i的频谱资源，依据判定准则可以得到D2D用户j可复用的蜂窝用户集合；

3)计算D2D用户与可复用蜂窝用户之间的干扰系数：依据步骤2)得到的D2D用户j可复用的蜂窝用户集合，计算系统中所有D2D用户与蜂窝用户之间的干扰系数，干扰系数的定义为：

其中，h_j,B与h_i,j原本分别表示D2D用户j发射端到基站的信道增益和蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益，但是当D2D用户j与蜂窝用户i共同使用同一上行链路后，其信道增益就会变成干扰噪声增益，如果干扰噪声增益过大就会降低D2D用户与蜂窝用户的SINR；因此，在D2D用户选择复用的蜂窝用户时，应选择干扰噪声增益较低的蜂窝用户；然而，仅依据干扰噪声增益并不足以全面衡量所选择信道的优劣；为此，添加蜂窝用户i到基站的信道增益h_i,B与D2D用户j发射端到任意D2D用户接收端的信道增益h_j生成干扰系数来综合考虑所选信道的优劣；干扰系数越小，所选信道便越优；

4)D2D用户选择蜂窝用户的频谱资源进行复用，使系统的干扰系数最小：D2D用户选择所复用的蜂窝用户的策略为：

1-4)判断是否存在未分配频谱资源的D2D用户，如果存在，进入步骤2-4)，如果不存在，进入步骤8-4)；

2-4)找出可复用蜂窝用户数目最少的D2D用户组Y；

3-4)判断D2D用户组Y中的个数是否为1，若为1，进入步骤4-4)，否则，进入步骤5-4)；

4-4)将可复用蜂窝用户集中干扰系数最小的蜂窝用户与该D2D用户匹配；

5-4)将Y中D2D用户与其可复用蜂窝用户之间的干扰系数组合成干扰系数矩阵；

6-4)运用图论中匈牙利算法完成蜂窝用户与D2D用户的匹配，使矩阵中干扰系数和最小；

7-4)将已配对的蜂窝用户从未完成匹配D2D用户的可复用蜂窝集中剔除，并更新x_i,j，返回步骤1-4)；

8-4)完成蜂窝用户与D2D用户的配对；

5)在满足D2D用户与蜂窝用户最低SINR的前提下求出D2D用户的最优发射功率：在D2D用户与蜂窝用户完成匹配之后，求出D2D用户的最优发射功率以最大化系统的吞吐量，最优功率的判定准则为：

其中，

表示蜂窝用户i的吞吐量，

表示D2D用户j的吞吐量，系统的总吞吐量为蜂窝用户吞吐量与D2D用户吞吐量的和，为了满足蜂窝用户与D2D用户能够正常通信并保证双方各自的通信质量，因此蜂窝用户与D2D用户必须同时大于最低SINR，由此可以得到D2D用户发射端的发射功率范围为：

而

可以等价于

系统的总吞吐量为关于D2D发射功率

的凸函数，存在一个驻点且满足

因此，最优发射功率存在于D2D发射功率范围的边界，将D2D发射功率的边界值代入系统吞吐量进行计算，得到系统吞吐量最大的功率值即为最优功率

6)将得到的最优功率

代入公式

计算系统的总吞吐量。

在步骤4)中，采用以干扰系数为判断准则进行蜂窝用户与D2D用户的匹配，并根据D2D用户可复用蜂窝用户数目的多少来选定分配的优先顺序，确保了分配公平性的同时降低了蜂窝用户与D2D用户之间的同频干扰。

这种方法能提高系统的频谱利用率、抑制D2D用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰、在保证蜂窝用户与D2D用户最低SINR的同时增大系统的吞吐量。

附图说明

图1为实施例中蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型示意图；

图2为实施例中方法流程示意图；

图3为实施例中D2D用户选择蜂窝用户频谱资源复用的流程图；

图4为实施例方法与其他方法在D2D用户递增的条件下对基站造成干扰的曲线图对比示意图；

图5为实施例方法与其他方法在D2D用户递增的条件下系统吞吐量增加的曲线图对比示意图；

图6为实施例方法与其他方法在D2D用户距离递增的条件下系统吞吐量增加的曲线图对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图2，一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法，包括如下步骤：

1)计算共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比

与蜂窝用户i的信干噪比

假设蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络中有N个蜂窝用户和M对D2D用户，且N≥M，蜂窝用户集可用N＝{1,2,…,n}表示，D2D用户的用户集可用M＝{1,2,…,m}表示，则共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比

与蜂窝用户i的信干噪比

分别为：

其中，

表示蜂窝用户i的发射功率，h_i,B表示蜂窝用户i到基站的信道增益，

表示D2D用户j发射端的发射功率，h_j,B表示D2D用户j发射端到基站的信道增益，h_j表示D2D用户j发射端到接收端的信道增益，h_i,j表示蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度；

2)判断D2D用户j能否复用与蜂窝用户i的频谱资源：判断D2D用户j能否复用蜂窝用户i的频谱资源的判定准则为：

其中，γ_th为D2D用户与蜂窝用户各自能成功建立通信链路所必须满足的最低SINR，

为D2D用户发射端的最大发射功率，若满足上式，则D2D用户j可以复用蜂窝用户i的频谱资源，依据判定准则可以得到D2D用户j可复用的蜂窝用户集合；

3)计算D2D用户与可复用蜂窝用户之间的干扰系数：依据步骤2)得到的D2D用户j可复用的蜂窝用户集合，计算系统中所有D2D用户与蜂窝用户之间的干扰系数，干扰系数的定义为：

其中，h_j,B与h_i,j原本分别表示D2D用户j发射端到基站的信道增益和蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益，但是当D2D用户j与蜂窝用户i共同使用同一上行链路后，其信道增益就会变成干扰噪声增益，如果干扰噪声增益过大就会降低D2D用户与蜂窝用户的SINR；因此，在D2D用户选择复用的蜂窝用户时，应选择干扰噪声增益较低的蜂窝用户；然而，仅依据干扰噪声增益并不足以全面衡量所选择信道的优劣；为此，添加蜂窝用户i到基站的信道增益h_i,B与D2D用户j发射端到任意D2D用户接收端的信道增益h_j生成干扰系数来综合考虑所选信道的优劣；干扰系数越小，所选信道便越优；

4)D2D用户选择蜂窝用户的频谱资源进行复用，使系统的干扰系数最小：D2D用户选择所复用的蜂窝用户的策略为：

1-4)判断是否存在未分配频谱资源的D2D用户，如果存在，进入步骤2-4)，如果不存在，进入步骤8-4)；

2-4)找出可复用蜂窝用户数目最少的D2D用户组Y；

3-4)判断D2D用户组Y中的个数是否为1，若为1，进入步骤4-4)，否则，进入步骤5-4)；

4-4)将可复用蜂窝用户集中干扰系数最小的蜂窝用户与该D2D用户匹配；

5-4)将Y中D2D用户与其可复用蜂窝用户之间的干扰系数组合成干扰系数矩阵；

6-4)运用图论中匈牙利算法完成蜂窝用户与D2D用户的匹配，使矩阵中干扰系数和最小；

7-4)将已配对的蜂窝用户从未完成匹配D2D用户的可复用蜂窝集中剔除，并更新x_i,j，返回步骤1-4)；

8-4)完成蜂窝用户与D2D用户的配对；

5)在满足D2D用户与蜂窝用户最低SINR的前提下求出D2D用户的最优发射功率：在D2D用户与蜂窝用户完成匹配之后，求出D2D用户的最优发射功率以最大化系统的吞吐量，最优功率的判定准则为：

其中，

表示蜂窝用户i的吞吐量，

表示D2D用户j的吞吐量，系统的总吞吐量为蜂窝用户吞吐量与D2D用户吞吐量的和，为了满足蜂窝用户与D2D用户能够正常通信并保证双方各自的通信质量，因此蜂窝用户与D2D用户必须同时大于最低SINR，由此可以得到D2D用户发射端的发射功率范围为：

而

可以等价于

系统的总吞吐量为关于D2D发射功率

的凸函数，存在一个驻点且满足

因此，最优发射功率存在于D2D发射功率范围的边界，将D2D发射功率的边界值代入系统吞吐量进行计算，得到系统吞吐量最大的功率值即为最优功率

6)将得到的最优功率

代入公式

计算系统的总吞吐量。

在步骤4)中，采用以干扰系数为判断准则进行蜂窝用户与D2D用户的匹配，并根据D2D用户可复用蜂窝用户数目的多少来选定分配的优先顺序，确保了分配公平性的同时降低了蜂窝用户与D2D用户之间的同频干扰。

仿真结果证明本例方法相比基于图的分配方案和随机资源分配算法，提升了系统整体的吞吐量和频谱利用率，减轻了用户密集场景下的基站负载，本例方法仿真参数见表1

表1：

如图4所示，随着系统中D2D对数的增加，基站处所受到的干扰在增加，这是因为随着D2D用户数的增加，对基站造成干扰的D2D数目也会随之增多，所以基站所受干扰也会增大，而相对于其他的方法，本例方法能够更加有效地降低基站所受的干扰。

如图5所示，随着D2D用户数目的增加，系统的吞吐量也会随之增大，与其他方法相对比，运用本例方法的方法，能够在相同信道条件下通过对资源的合理分配使系统的吞吐量达到最大值。

如图6所示，D2D用户之间的距离越大，系统的吞吐量就会越低，这是由于增大了D2D用户之间距离之后，D2D用户对之间的路径损耗就会增大，这会使D2D用户之间的信道增益降低，从而导致系统整体的吞吐量下降，但是从图中也可以看出，即使在系统信道增益较低的情况下，本例方法相对于其他两个方案依然能够提供较大的系统吞吐量。

仿真结果证明本例方法能够有效增加系统整体的吞吐量，减轻用户密集场景下的基站负载。

Claims (1)

1.一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)计算共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比

与蜂窝用户i的信干噪比

假设蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络中有N个蜂窝用户和M对D2D用户，且N≥M，蜂窝用户集用N＝{1,2,…,n}表示，D2D用户的用户集用M＝{1,2,…,m}表示，则共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比

与蜂窝用户i的信干噪比

分别为：

其中，

表示蜂窝用户i的发射功率，h_i,B表示蜂窝用户i到基站的信道增益，

表示D2D用户j发射端的发射功率，h_j,B表示D2D用户j发射端到基站的信道增益，h_j表示D2D用户j发射端到接收端的信道增益，h_i,j表示蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度；

2)判断D2D用户j能否复用与蜂窝用户i的频谱资源：判断D2D用户j能否复用蜂窝用户i的频谱资源的判定准则为：

其中，γ_th为D2D用户与蜂窝用户各自能成功建立通信链路所必须满足的最低SINR，

为D2D用户发射端的最大发射功率，若满足上式，则D2D用户j可以复用蜂窝用户i的频谱资源，依据判定准则可以得到D2D用户j可复用的蜂窝用户集合；

3)计算D2D用户与可复用蜂窝用户之间的干扰系数：依据步骤2)得到的D2D用户j可复用的蜂窝用户集合，计算系统中所有D2D用户与蜂窝用户之间的干扰系数，干扰系数的定义为：

其中，h_j,B与h_i,j原本分别表示D2D用户j发射端到基站的信道增益和蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益，但是当D2D用户j与蜂窝用户i共同使用同一上行链路后，其信道增益就会变成干扰噪声增益，如果干扰噪声增益过大就会降低D2D用户与蜂窝用户的SINR；因此，在D2D用户选择复用的蜂窝用户时，应选择干扰噪声增益较低的蜂窝用户；然而，仅依据干扰噪声增益并不足以全面衡量所选择信道的优劣；为此，添加蜂窝用户i到基站的信道增益h_i,B与D2D用户j发射端到任意D2D用户接收端的信道增益h_j生成干扰系数来综合考虑所选信道的优劣；干扰系数越小，所选信道便越优；

4)D2D用户选择蜂窝用户的频谱资源进行复用，使系统的干扰系数最小：D2D用户选择所复用的蜂窝用户的策略为：

1-4)判断是否存在未分配频谱资源的D2D用户，如果存在，进入步骤2-4)，如果不存在，进入步骤8-4)；

2-4)找出可复用蜂窝用户数目最少的D2D用户组Y；

3-4)判断D2D用户组Y中的个数是否为1，若为1，进入步骤4-4)，否则，进入步骤5-4)；

4-4)将可复用蜂窝用户集中干扰系数最小的蜂窝用户与该D2D用户匹配；

5-4)将Y中D2D用户与其可复用蜂窝用户之间的干扰系数组合成干扰系数矩阵；

6-4)运用图论中匈牙利算法完成蜂窝用户与D2D用户的匹配，使矩阵中干扰系数和最小；

7-4)将已配对的蜂窝用户从未完成匹配D2D用户的可复用蜂窝集中剔除，并更新x_i,j，返回步骤1-4)；

8-4)完成蜂窝用户与D2D用户的配对；

5)在满足D2D用户与蜂窝用户最低SINR的前提下求出D2D用户的最优发射功率：在D2D用户与蜂窝用户完成匹配之后，求出D2D用户的最优发射功率以最大化系统的吞吐量，最优功率的判定准则为：

其中，

表示蜂窝用户i的吞吐量，

表示D2D用户j的吞吐量，系统的总吞吐量为蜂窝用户吞吐量与D2D用户吞吐量的和，为了满足蜂窝用户与D2D用户能够正常通信并保证双方各自的通信质量，因此蜂窝用户与D2D用户必须同时大于最低SINR，由此可以得到D2D用户发射端的发射功率范围为：

而

可以等价于

系统的总吞吐量为关于D2D发射功率

的凸函数，存在一个驻点且满足

因此，最优发射功率存在于D2D发射功率范围的边界，将D2D发射功率的边界值代入系统吞吐量进行计算，得到系统吞吐量最大的功率值即为最优功率

6)将得到的最优功率

代入公式

计算系统的总吞吐量。

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