CN111787623A - 一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的d2d通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，属于通信技术领域。本发明包括以下步骤：S1：建立以最大化蜂窝用户和D2D用户吞吐量为目标函数的系统模型；S2：将目标问题解耦为3个子问题：功率控制、上下行信道分配和模式选择；S3：利用几何规划的方法求解功率分配子问题；S4：利用匈牙利算法求解上下行信道分配子问题；S5：求解接入免授权频段的D2D用户数目和D2D用户在免授权频段占据的时间比例。本发明将D2D通信引入到免授权频谱中，有利于缓解授权频谱资源不足和流量激增问题。

Description

一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资 源分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法。

背景技术

D2D通信技术作为面向5G的关键候选技术之一而受到广泛关注，D2D通信是指用户设备之间不需要通过基站而直接进行数据传输。然而随着异构网络的大量部署，授权频谱变得十分拥塞，再将D2D通信部署在授权频段，无疑会增加网络压力。随着D2D业务及LTE-U技术的快速发展，将D2D通信部署到免授权频段也是未来通信发展的必然趋势。

目前部署在授权频段的D2D通信大多采用复用的通信模式，D2D用户可以复用蜂窝用户的频谱资源。但当D2D用户复用蜂窝资源时，D2D用户会受到来自共享相同信道的蜂窝用户以及其他D2D用户对的干扰，同时蜂窝用户也会受到同一信道上D2D用户的干扰。因此为了保证用户之间的正常通信，用户之间的干扰管理成为了一个重要研究的课题之一。而D2D用户的功率控制以及信道选择有助于来减轻用户之间的干扰。当D2D通信部署在免授权频段时，会给免授权频段现存的WiFi系统带来干扰，可以采用LBT机制或者占空比的机制来实现两种不同系统的和谐共存。

现有研究中D2D用户大多复用蜂窝系统的上行信道或者下行信道，没有考虑D2D用户同时复用蜂窝系统的上、下行信道以及将D2D通信部署在免授权频段。为了解决授权频谱不足以及流量激增的问题，设计一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法有助于提高信道的频谱利用率，扩展通信系统的系统容量，为用户提供较好的服务质量，以提升用户体验。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，在保障各个用户最小传输速率的前提下，最大化蜂窝和D2D用户的吞吐量，同时将对蜂窝用户产生较大干扰的D2D用户接入到免授权频段与WiFi系统共存，以解决授权频段资源不足以及流量激增的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，包括以下步骤：

S1：建立以最大化蜂窝用户和D2D用户吞吐量为目标函数的系统模型；

定义x＝{x^u，x^d，x^un}为授权和免授权频段模式选择矩阵，P＝{P_m，P_BS，P_k}为功率分配矩阵。

分别表示的是D2D用户k复用蜂窝用户m上行信道的信噪比、D2D用户k复用蜂窝用户m下行信道的信噪比和D2D用户k在免授权频段上的信噪比；

是蜂窝用户分别在上、下行信道的信噪比；ρ_k是D2D用户对k在免授权频段占据的时间比例；R^T、R_min分别表达的是免授权频段上WiFi用户以及D2D用户的吞吐量阈值。

S2：将目标问题解耦为3个子问题：功率控制、上下行信道分配、模式选择；

S3：利用几何规划的方法求解功率分配子问题；

S4：利用匈牙利算法求解上下行信道分配子问题；

S5：求解接入免授权频段的D2D用户数目和D2D用户在免授权频段占据的时间比例。

进一步，在步骤S3中，功率分配可以转化为在保证各个用户最小传输速率的限制下，最大化同一信道上一个蜂窝用户和一个D2D用户的吞吐量，以D2D用户复用蜂窝用户的上行信道为例(复用下行信道时同理)：

利用几何规划的方法求解上述问题，分别求解出D2D用户复用蜂窝用户的上、下行信道时的功率。

进一步，在步骤S4中，建立关于授权频段蜂窝用户和D2D用户总体吞吐量R_k，m＝R_k+R_m，容量为K×2M的矩阵，如下所示：

其中

指的是D2D用户k复用蜂窝用户m上行信道的总体吞吐量，

指的是D2D用户k复用蜂窝用户m下行信道的总体吞吐量。在获得吞吐量矩阵R后，利用经典的匈牙利算法求解上下行信道分配问题。

进一步，在步骤S5中，计算D2D用户k从授权频段接入免授权频段的吞吐量增益：

其中-ρ_kS_WiFi(n)是D2D用户k造成对WiFi系统的吞吐量损失，G_k，m是将D2D用户对m从授权频段接入免授权频段的吞吐量损失。每个D2D用户在免授权频段的占空比可以由其需要确保的最小信噪比的限制来获得：

在保证WiFi系统的最小吞吐量的前提下，D2D用户能接入到免授权频段的最大占空比为：

为了最大化蜂窝用户和D2D用户的吞吐量，需要将具有较大吞吐量增益H_k的D2D用户对接入免授权频段。当H_k为负时，表示D2D用户对k在免授权频段对WiFi系统有强烈的干扰，造成WiFi用户的性能下降。因此需要将H_k从大到小排序，依次按序将正H_k，且其占空比不超过最大可接入占空比ρ_max的D2D用户接入免授权频段，直到没有正的H_k所对应的用户或者移入的用户已达到最大可接入占空比时，模式选择过程结束。

本发明的有益效果在于：通过一种联合功率控制、上下行信道分配和频段选择的D2D通信资源分配方法，最大化蜂窝用户和D2D用户的吞吐量，通过干扰管理保证各自用户的通信质量，同时将D2D通信接入到免授权频谱中，缓解了授权频谱资源不足和数据流量激增的问题。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例的流程示意图；

图2为本发明的D2D通信系统的网络模型图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明针对授权频谱资源不足以及数据流量激增问题，提出一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法。与授权频谱的D2D通信相比，将D2D通信接入到免授权频段有助于提高频谱效率。

本发明联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法过程如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：建立以最大化蜂窝用户和D2D用户吞吐量的系统模型；

如图2所示，在D2D通信系统中，D2D用户可以在授权频段复用蜂窝系统的上行信道或者下行信道进行通信，也可以在免授权频段使用占空比的模式与WiFi系统共存。如图2所示，BS为基站，CU为蜂窝用户，D2DT为D2D发送机，D2DR为D2D接收机。

由于引入D2D通信，在授权频段D2D用户会给蜂窝系统造成干扰，在免授权频段D2D用户会影响WiFi用户的通信质量。因此需要对D2D用户进行功率控制、上下行信道分配和模式选择来进行干扰管理。其中，假设有K个D2D用户，M个蜂窝用户，N个WiFi用户，每个蜂窝用户分配一个正交的上行信道和一个正交的下行信道，所以蜂窝用户之间没有相互干扰。

在该系统中，系统模型是以最大化蜂窝用户和D2D用户的吞吐量为目标函数，同时满足各个用户的最小传输速率，考虑授权和免授权频段功率、信道分配和模式选择限制，其优化问题如下所示：

定义x＝{x^u，x^d，x^un}为授权和免授权频段模式选择矩阵，P＝{P_m，P_Bs，P_k}为功率分配矩阵。其中(2)式表示每个D2D用户对在授权频段复用蜂窝用户的一个上行信道或者一个下行信道；(3)式表示每个蜂窝用户被一个D2D用户对复用上行或者下行信道或者不复用；(4)式表示每个D2D用户对只能选择一种通信模式：授权频段或者免授权频段；(5)(6)式保证每个D2D用户对以及蜂窝用户的信噪比要求；(7)式保证每个用户以及基站不超过最大发射功率；(8)(9)式保证D2D用户以及WiFi用户在免授权频段的吞吐量阈值。

S2：将系统模型解耦为3个子问题：功率控制、上下行信道分配、模式选择；

上述优化问题是混合整数非线性规划问题，是一个NP-hard问题，将其解耦为三个子问题进行求解。

S3：利用几何规划的方法求解功率分配子问题；

功率分配可以转化为在保证各个用户最小传输速率的限制下，最大化同一信道上一个蜂窝用户和一个D2D用户的吞吐量，以D2D用户复用蜂窝用户上行信道为例(复用下行信道时同理)：

利用几何规划的方法求解上述问题，分别求解出D2D用户复用蜂窝用户上、下行信道时的功率。

S4：利用匈牙利算法求解上下行信道分配子问题；

建立关于授权频段蜂窝用户和D2D用户总体吞吐量R_k，m＝R_k+R_m，容量为K×2M的矩阵，如下所示：

其中

指的是D2D用户k复用蜂窝用户m上行信道的总体吞吐量，

指的是D2D用户k复用蜂窝用户m下行信道的总体吞吐量。在获得吞吐量矩阵R后，利用经典的匈牙利算法求解上下行信道分配问题。

S5：求解接入免授权频段的D2D用户数目和D2D用户在免授权频段占据的时间比例。

计算D2D用户k从授权频段移入免授权频段的吞吐量增益：

其中-ρ_kS_WiFi(n)是D2D用户k造成对WiFi系统的吞吐量损失，G_k，m是将D2D用户对m从授权频段接入到免授权频段的吞吐量损失。每个D2D用户在免授权频段的占空比可以由其需要确保的最小信噪比的限制来获得：

在保证WiFi系统的最小吞吐量的前提下，D2D用户能接入到免授权频段的最大占空比为：

为了最大化蜂窝用户和D2D用户的吞吐量，需要将具有较大吞吐量增益H_k的D2D用户对接入免授权频段。当H_k为负时，表示D2D用户对k在免授权频段对WiFi系统有强烈的干扰，造成WiFi用户的性能下降。因此需要将H_k从大到小排序，依次按序将正H_k，且其占空比不超过最大可接入占空比ρ_max的D2D用户接入免授权频段，直到没有正的H_k所对应的用户或者移入的用户已达到最大可接入占空比时，模式选择过程结束。

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作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，其特征在于：所述联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法的具体步骤如下：

S1：建立以最大化蜂窝用户和D2D用户吞吐量为目标函数的系统模型；

S2：将目标问题解耦为3个子问题：功率控制、上下行信道分配、模式选择；

S3：利用几何规划的方法求解功率分配子问题；

S4：利用匈牙利算法求解上下行信道分配子问题；

S5：求解接入免授权频段的D2D用户数目和D2D用户在免授权频段占据的时间比例。

2.根据权利要求1所述的一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，其特征在于：在步骤S1中，在该系统中，系统模型是以最大化蜂窝用户和D2D用户吞吐量为目标函数，同时满足各个用户的传输速率，考虑授权和免授权频段功率控制、上下行信道分配和模式选择限制。目标函数如下所示：

定义x＝{x^u,x^d,x^un}为授权和免授权频段模式选择矩阵，P＝{P_m,P_BS,P_k}为功率分配矩阵。

分别表示的是D2D用户k复用蜂窝用户m上行信道的信噪比、D2D用户k复用蜂窝用户m下行信道的信噪比以及D2D用户k在免授权频段的信噪比；

表示蜂窝用户分别在上行、下行信道的信噪比；ρ_k是D2D用户对k在免授权频段占据的时间比例；R^T、R_min分别表达的是免授权频段上WiFi用户和D2D用户的吞吐量阈值。

3.根据权利要求2所述的一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，其特征在于：在步骤S2中，所提出来的问题是一个混合整数非线性规划问题，是一个NP-hard问题，需要将其解耦为三个子问题进行求解。

4.根据权利要求3所述的一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，其特征在于：在步骤S3中，功率分配可以转化为在保障各个用户最小传输速率的限制下，最大化同一信道上一个蜂窝用户和一个D2D用户吞吐量的问题，以D2D用户复用蜂窝用户上行信道为例(复用下行信道时同理)：

利用几何规划的方法求解上述问题，分别求解出D2D用户复用蜂窝用户上、下行信道时的功率。

5.根据权利要求4所述的一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，其特征在于：在步骤S4中，建立关于授权频段蜂窝用户和D2D用户总体吞吐量

容量为K×2M的矩阵，如下所示：

其中

指的是D2D用户k复用蜂窝用户m上行信道的总体吞吐量，

指的是D2D用户k复用蜂窝用户m下行信道的总体吞吐量。在获得吞吐量矩阵R_k,m后，利用经典的匈牙利算法求解上下行信道分配问题。

6.根据权利要求5所述的一种联合功率控制、上下行信道分配和模式选择的D2D通信资源分配方法，其特征在于：在步骤S5中，计算将D2D用户k从授权频段移入免授权频段时的吞吐量增益：

其中-ρ_kS_WiFi(n)是D2D用户k对WiFi系统造成的吞吐量损失，G_k,m是将D2D用户对m从授权频段接入到免授权频段的吞吐量损失。每个D2D用户在免授权频段的占空比可以由其最小信噪比的限制来获得：

在保证WiFi系统的最小吞吐量的前提下，D2D用户能接入到免授权频段的最大占空比为：

为了最大化蜂窝用户和D2D用户的吞吐量，需要将具有较大吞吐量增益H_k的D2D用户对接入免授权频段。当H_k为负时，表示D2D用户对k在免授权频段对WiFi系统有强烈的干扰，造成WiFi用户的性能下降。因此需要将H_k从大到小排序，依次按序将正H_k，且其占空比不超过最大可接入占空比ρ_max的D2D用户接入免授权频段，直到没有正的H_k所对应的用户或者移入的用户已达到最大可接入占空比时，模式选择过程结束。

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