CN111884739B - 一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法 - Google Patents

一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法，考虑在单小区场景中，D2D用户复用蜂窝用户的下行链路。首先根据预设的阈值，推导出下行链路干扰抑制区（DILA）的范围，然后基于下行链路干扰抑制区和D2D通信范围制定模式选择的标准，最后依据标准来进行模式选择，解决了目前D2D用户性能不足的问题。在通信模型中定义了下行干扰抑制区。这在保证蜂窝通信性能的前提下，有效抑制了因用户复用蜂窝通信而产生的基站对D2D接收机的干扰。基于下行干扰抑制区和D2D通信范围，制定了一种新的通信模式选择策略。该过程实现了用户的无缝通信模式切换，保证通信的质量要求。

Description

一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法
技术领域
本发明涉及D2D通信中的干扰管理领域，尤其涉及一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法。
背景技术
D2D(device to device)技术是指通信网络中近邻设备之间直接交换信息的技术。D2D通信通过overlay或者underlay的方式复用蜂窝用户上行或下行资源，可以降低通信系统核心网络的数据压力，大大提升频谱利用率和吞吐量，扩大网络容量，保证通信网络能更为灵活、智能、高效地运行，为大规模网络的零延迟通信、移动终端的海量接入及大数据传输开辟了新的途径。随之而来的是通信模式选择问题和干扰问题。所以如何高效地选择通信模式、协调干扰，成为提升网络性能的关键。所涉及的D2D发现技术，其使设备能够发现邻近的潜在候选者并与它们建立直接连接。为了完成该任务，设备在它们之间共享信标信号以收集诸如设备位置/距离，信道状态和设备ID等的信息。设备使用该信息来评估彼此分组成对的可行性。
对于底衬于蜂窝网底层的D2D通信而言，首要问题是寻求一种有效的干扰协调，在防止D2D通信对蜂窝通信产生有害的干扰的前提下，提升D2D系统的吞吐量，或者保证D2D通信的可靠性。H.Takshi,G.H.Arslan等人提出一种基于遗传算法的功率分配和资源分配联合优化的方法以最大化网络的频谱效率。G.Yu,L.Xu,D.Feng,R.Yin,G.Y.Li，Y.Jiang等人提出D2D通信三种交互模式：蜂窝模式、专用模式、重用模式。从而提出一种模式选择，信道分配，功率控制的联合优化，以最大化频谱效率。M.Zulhasnine,C.Huang，A.Srinivasan等人提出一种贪婪启发式算法，减少D2D通信对主蜂窝网的干扰。F.Wang,C.Xu,L.Song,Q.Zhao,X.Wang，Z.Han等人利用博弈论，提出一种资源拍卖算法，以迭代的方式优化功率，分配信道资源，以此最大化电池使用寿命。X.Xu,Y.Zhang,Z.Sun,Y.Hong，X.Tao等人考虑D2D复用蜂窝网下行链路资源，D2D移动场景下的D2D模式切换，并推导出D2D通信范围可以由不同半径的偏置圆表示。H.Min,J.Lee,S.Park，D.Hong等人提出干扰抑制区(ILA)来缓解蜂窝网对D2D通信的干扰，以此来增强系统容量。在ILA内的，D2D接收机的噪信比(ISR)大于预设的阈值，若蜂窝用户CU位置ILA内，则D2D用户无法复用蜂窝用户的资源。C.Wang,F.Fu，M.Tsai等人提出位置推荐和功率调整算法(LP&PA)去调整位置和干扰抑制区(ILA)的范围，以此提高频谱效率。目前大多数的研究存在以下不足：只考虑了蜂窝链路的性能，忽略了D2D用户的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法，考虑在单小区场景中，D2D用户复用蜂窝用户的下行链路。首先根据预设的阈值，推导出下行链路干扰抑制区(DILA)的范围，然后基于下行链路干扰抑制区和D2D通信范围制定模式选择的标准，最后依据标准来进行模式选择，解决了目前D2D用户性能不足的问题。
本发明提供一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法，所述实现方法包括以下步骤：
步骤一：定义下行链路干扰抑制区，在单蜂窝小区场景下，蜂窝半径为R，R＞＞r，r表示D2D通信范围的半径，将路径损耗模型定义为Pa＝c·(da)-α·P0，其中P0表示初始发射功率，Pa表示接收端接收信号功率，c和α分别表示路径衰落常数和衰落指数，da表示发射端与接收端之间的距离；
步骤二：采用下行链路干扰抑制区DILA的管理策略去管理蜂窝通信对D2D通信造成的有害干扰；
步骤三：将模式选择的标准定义为：(1)D2D通信范围与干扰抑制区的交集内用户进行D2D专用模式，即用户使用独立的频段进行D2D通信；(2)干扰抑制区外D2D通信范围内用户进行D2D复用模式，即用户通过复用蜂窝用户的时频资源进行D2D通信；(3)D2D通信范围外蜂窝区域范围内，用户进行传统的蜂窝通信；
步骤四：用户依据模式选择的标准进行模式选择以及移动场景下的模式切换以实现连续高效通信。
进一步改进在于：所述步骤一中蜂窝用户接收来自基站的下行信号功率为
Figure GDA0003658739660000021
D2D接收机DR接收的来自基站的干扰功率为
Figure GDA0003658739660000022
Figure GDA0003658739660000023
其中
Figure GDA0003658739660000024
表示BS-CU链路的接收信号功率，
Figure GDA0003658739660000025
表示BS-DR链路的干扰功率，dBS，CU表示基站BS与蜂窝用户CU之间的距离，dBS，DR表示基站BS与接收机DR之间的距离，PBS表示基站BS的发射功率；蜂窝用户接收到来自D2D发射机DT的干扰功率为
Figure GDA0003658739660000026
其中，
Figure GDA0003658739660000027
表示DT-CU链路的干扰功率，dDT，CH表示D2D发射机DT与蜂窝用户CU之间的距离，PDT表示D2D发射机DT的发射功率。
进一步改进在于：所述步骤一中严格控制D2D发射机DT的发射功率，避免对蜂窝用户产生有害的干扰，将蜂窝用户CU应满足的最小信噪比记为δc，即
Figure GDA0003658739660000028
Figure GDA0003658739660000029
将DT的干扰功率公式
Figure GDA00036587396600000210
带入CU的最小信噪比公式中，得出
Figure GDA0003658739660000031
D2D接收机DR接收来自D2D发射机DT的接收信号功率为
Figure GDA0003658739660000032
其中
Figure GDA0003658739660000033
表示DT-DR链路的接收信号功率，dDT，DR表示D2D发射机DT与D2D接收机DR之间的距离；推出D2D接收机DR的接收信噪比SIR表示为
Figure GDA0003658739660000034
D2D接收机DR的接收信噪比应该小于预设的阈值δD，即
Figure GDA0003658739660000035
Figure GDA0003658739660000036
取SIRDR的最大值小于δD，其中，以基站BS为原点建立坐标系，a、b分别为蜂窝用户CU的横纵坐标，x、y分别代表D2D接收机DR的横纵坐标，d、0分别代表D2D发射机DT的横纵坐标；
Figure GDA0003658739660000037
Figure GDA0003658739660000038
上式变形为
Figure GDA0003658739660000039
令M＝a2+b2，
Figure GDA00036587396600000310
这里M≠0且N≠0，上式变形为M[(x-d)2+y2]＞N(x2+y2)，当M＞N时，上式变形为
Figure GDA00036587396600000311
比时下行链路干扰抑制区DILA的范围是以
Figure GDA00036587396600000312
为圆心，
Figure GDA00036587396600000313
为半径的圆外的蜂窝区域；为当M＜N时，M[(x-d)2+y2]＞N(x2+y2)变形为
Figure GDA00036587396600000314
此时下行链路干扰抑制区DILA的范围是以
Figure GDA00036587396600000315
为圆心，
Figure GDA00036587396600000316
为半径的圆内；当M＝N时，M[(x-d)2+y2]＞N(x2+y2)变形为d2-2dx＞0，此时下行链路干扰抑制区DILA的范围是
Figure GDA00036587396600000317
即横坐标小于
Figure GDA00036587396600000318
的蜂窝区域内；
进一步改进在于：所述步骤二中D2D接收机DR的位置，在保证蜂窝通信性能的前提下，推导出下行链路干扰抑制区的范围，即D2D接收机DR限制活动的范围。
考虑D2D链路复用蜂窝链路的下行信道资源，在保证蜂窝链路性能的前提下，推导出下行链路干扰抑制区(DILA)的范围。在下行干扰抑制区内，用户无法复用蜂窝用户的时频资源来进行D2D通信。假定蜂窝用户和D2D用户仅知道接收CSI，而基站BS知道所有与基站连接的链路的全部CSI。这里我们假定D2D通信范围是以D2D发射机为圆心，半径为r的圆形区域。由于D2D发射机DT的最大功率已被严格控制，以避免对蜂窝用户造成任何有害的干扰，则DT对蜂窝用户的干扰可以不予考虑。但是在下行链路传输中，基站会对D2D接收机DR造成干扰。
当M＞N时，干扰抑制区为图中阴影部分，因为D2D接收机的活动范围应该是以D2D发射机DT为中心的一个区域，所以与其他两种情况相比，更符合常理。同时因为δc和δD远小于1，且dBS，CU远大于dDT，CH，所以M＞N成立。当D2D接收机DR位于干扰抑制区内时，将受到由于蜂窝通信产生的有害干扰，D2D接收机DR的信噪比(SIR)小于预设的阈值δD，D2D通信的性能不理想。目前主要讨论M＞N是用户通信模式选择的问题。
本发明的有益效果：在通信模型中定义了下行干扰抑制区。这在保证蜂窝通信性能的前提下，有效抑制了因用户复用蜂窝通信而产生的基站对D2D接收机的干扰。基于下行干扰抑制区和D2D通信范围，制定了一种新的通信模式选择策略。该过程实现了用户的无缝通信模式切换，保证通信的质量要求。
附图说明
图1是本发明所适用的系统模型。
图2是本发明中M＞N时下行干扰抑制区示意图。
图3是本发明中M＜N时下行干扰抑制区示意图。
图4是本发明中M＝N时下行干扰抑制区示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图1-4所示，本实施例提供一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法，所述实现方法包括以下步骤：
步骤一：定义下行链路干扰抑制区，在单蜂窝小区场景下，蜂窝半径为R，R＞＞r，r表示D2D通信范围的半径，将路径损耗模型定义为Pa＝c·(da)-α·P0，其中P0表示初始发射功率，Pa表示接收端接收信号功率，c和α分别表示路径衰落常数和衰落指数，da表示发射端与接收端之间的距离；
步骤二：采用下行链路干扰抑制区DILA的管理策略去管理蜂窝通信对D2D通信造成的有害干扰；
步骤三：将模式选择的标准定义为：(1)D2D通信范围与干扰抑制区的交集内用户进行D2D专用模式，即用户使用独立的频段进行D2D通信；(2)干扰抑制区外D2D通信范围内用户进行D2D复用模式，即用户通过复用蜂窝用户的时频资源进行D2D通信；(3)D2D通信范围外蜂窝区域范围内，用户进行传统的蜂窝通信；
步骤四：用户依据模式选择的标准进行模式选择以及移动场景下的模式切换以实现连续高效通信。
所述步骤一中蜂窝用户接收来自基站的下行信号功率为
Figure GDA0003658739660000051
D2D接收机DR接收的来自基站的干扰功率为
Figure GDA0003658739660000052
其中
Figure GDA0003658739660000053
表示BS-CU链路的接收信号功率，
Figure GDA0003658739660000054
表示BS-DR链路的干扰功率，dBS，CU表示基站BS与蜂窝用户CU之间的距离，dBS，DR表示基站BS与接收机DR之间的距离，PBS表示基站BS的发射功率；蜂窝用户接收到来自D2D发射机DT的干扰功率为
Figure GDA0003658739660000055
其中，
Figure GDA0003658739660000056
表示DT-CU链路的干扰功率，dDT，CU表示D2D发射机DT与蜂窝用户CU之间的距离，PDT表示D2D发射机DT的发射功率。所述步骤一中严格控制D2D发射机DT的发射功率，避免对蜂窝用户产生有害的干扰，将蜂窝用户CU应满足的最小信噪比记为δc，即
Figure GDA0003658739660000057
将DT的干扰功率公式
Figure GDA0003658739660000058
带入CU的最小信噪比公式中，得出
Figure GDA0003658739660000059
Figure GDA00036587396600000510
D2D接收机DR接收来自D2D发射机DT的接收信号功率为
Figure GDA00036587396600000511
Figure GDA00036587396600000512
其中
Figure GDA00036587396600000513
表示DT-DR链路的接收信号功率，dDT，DR表示D2D发射机DT与D2D接收机DR之间的距离；推出D2D接收机DR的接收信噪比SIR表示为
Figure GDA00036587396600000514
D2D接收机DR的接收信噪比应该小于预设的阈值δD，即
Figure GDA00036587396600000515
取SIRDR的最大值小于δD，其中，以基站BS为原点建立坐标系，a、b分别为蜂窝用户CU的横纵坐标，x、y分别代表D2D接收机DR的横纵坐标，d、0分别代表D2D发射机DT的横纵坐标；
Figure GDA00036587396600000516
Figure GDA00036587396600000517
上式变形为
Figure GDA00036587396600000518
令M＝a2+b2，
Figure GDA00036587396600000519
这里M≠0且N≠0，上式变形为M[(x-d)2+y2]＞N(x2+y2)，当M＞N时，上式变形为
Figure GDA00036587396600000520
比时下行链路干扰抑制区DILA的范围是以
Figure GDA00036587396600000521
为圆心，
Figure GDA00036587396600000522
为半径的圆外的蜂窝区域；为当M＜N时，M[(x-d)2+y2]＞N(x2+y2)变形为
Figure GDA00036587396600000523
此时下行链路干扰抑制区DILA的范围是以
Figure GDA00036587396600000524
为圆心，
Figure GDA0003658739660000061
为半径的圆内；当M＝N时，M[(x-d)2+y2]＞N(x2+y2)变形为d2-2dx＞0，此时下行链路干扰抑制区DILA的范围是
Figure GDA0003658739660000062
即横坐标小于
Figure GDA0003658739660000063
的蜂窝区域内；
所述步骤二中D2D接收机DR的位置，在保证蜂窝通信性能的前提下，推导出下行链路干扰抑制区的范围，即D2D接收机DR限制活动的范围。
考虑D2D链路复用蜂窝链路的下行信道资源，在保证蜂窝链路性能的前提下，推导出下行链路干扰抑制区(DILA)的范围。在下行干扰抑制区内，用户无法复用蜂窝用户的时频资源来进行D2D通信。假定蜂窝用户和D2D用户仅知道接收CSI，而基站BS知道所有与基站连接的链路的全部CSI。这里我们假定D2D通信范围是以D2D发射机为圆心，半径为r的圆形区域。由于D2D发射机DT的最大功率已被严格控制，以避免对蜂窝用户造成任何有害的干扰，则DT对蜂窝用户的干扰可以不予考虑。但是在下行链路传输中，基站会对D2D接收机DR造成干扰。
当M＞N时，干扰抑制区为图中阴影部分，因为D2D接收机的活动范围应该是以D2D发射机DT为中心的一个区域，所以与其他两种情况相比，更符合常理。同时因为δc和δD远小于1，且dBS，CU远大于dDT，CH，所以M＞N成立。当D2D接收机DR位于干扰抑制区内时，将受到由于蜂窝通信产生的有害干扰，D2D接收机DR的信噪比(SIR)小于预设的阈值δD，D2D通信的性能不理想。在通信模型中定义了下行干扰抑制区。这在保证蜂窝通信性能的前提下，有效抑制了因用户复用蜂窝通信而产生的基站对D2D接收机的干扰。基于下行干扰抑制区和D2D通信范围，制定了一种新的通信模式选择策略。该过程实现了用户的无缝通信模式切换，保证通信的质量要求。

Claims (1)

1.一种基于下行链路干扰抑制区的通信模式选择实现方法,其特征在于:所述实现方法包括以下步骤:
步骤一:定义下行链路干扰抑制区,在单蜂窝小区场景下,蜂窝半径为R,R>>r,r表示D2D通信范围的半径，将路径损耗模型定义为Pa＝c·(da)-α·P0,其中P0表示初始发射功率,Pa表示接收端接收信号功率,c和α分别表示路径衰落常数和衰落指数，da表示发射端与接收端之间的距离；
步骤二:采用下行链路干扰抑制区DILA的管理策略去管理蜂窝通信对D2D通信造成的有害干扰；
步骤三:将模式选择的标准定义为:(1)D2D通信范围与干扰抑制区的交集内用户进行D2D专用模式，即用户使用独立的频段进行D2D通信；(2)干扰抑制区外D2D通信范围内用户进行D2D复用模式,即用户通过复用蜂窝用户的时频资源进行D2D通信；(3)D2D通信范围外，蜂窝区域范围内,用户进行传统的蜂窝通信；
步骤四:用户依据模式选择的标准进行模式选择以及移动场景下的模式切换以实现连续高效通信；
所述步骤一中蜂窝用户接收来自基站的下行信号功率为
Figure FDA0003658739650000011
D2D接收机DR接收的来自基站的干扰功率为
Figure FDA0003658739650000012
其中
Figure FDA0003658739650000013
表示BS-CU链路的接收信号功率,
Figure FDA0003658739650000014
表示BS-DR链路的干扰功率,dBS,CU表示基站BS与蜂窝用户CU之间的距离，dBS,DR表示基站BS与接收机DR之间的距离，PBS表示基站BS的发射功率；蜂窝用户接收到来自D2D发射机DT的干扰功率为
Figure FDA0003658739650000015
其中，
Figure FDA0003658739650000016
表示DT-CU链路的干扰功率，dDT,CU表示D2D发射机DT与蜂窝用户CU之间的距离,PDT表示D2D发射机DT的发射功率；
所述步骤一中严格控制D2D发射机DT的发射功率,避免对蜂窝用户产生有害的干扰,将蜂窝用户CU应满足的最小信噪比记为δc,即
Figure FDA0003658739650000017
将DT的干扰功率公式
Figure FDA0003658739650000018
带入CU的最小信噪比公式中，得出
Figure FDA0003658739650000019
D2D接收机DR接收来自D2D发射机DT的接收信号功率为
Figure FDA00036587396500000110
其中
Figure FDA00036587396500000111
表示DT-DR链路的接收信号功率,dDT,DR表示D2D发射机DT与D2D接收机DR之间的距离；推出D2D接收机DR的接收信噪比SIR表示为
Figure FDA00036587396500000112
D2D接收机DR的接收信噪比应该小于预设的阈值δD,即
Figure FDA00036587396500000113
取SIRDR的最大值小于δD，其中，以基站BS为原点建立坐标系，a、b分别为蜂窝用户CU的横纵坐标，x、y分别代表D2D接收机DR的横纵坐标,d、0分别代表D2D发射机DT的横纵坐标；
Figure FDA00036587396500000114
Figure FDA00036587396500000115
上式变形为
Figure FDA00036587396500000116
令M＝a2+b2，
Figure FDA00036587396500000117
这里M≠0且N≠0，上式变形为M[(x-d)2+y2]>N(x2+y2)，当M>N时，上式变形为
Figure FDA0003658739650000021
此时下行链路干扰抑制区DILA的范围是以
Figure FDA0003658739650000022
为圆心，
Figure FDA0003658739650000023
为半径的圆外蜂窝区域；当M<N时M[(x-d)2+y2]>N(x2+y2)变形为
Figure FDA0003658739650000024
此时下行链路干扰抑制区DILA的范围是以
Figure FDA0003658739650000025
为圆心，
Figure FDA0003658739650000026
为半径的圆内；当M＝N时，M[(x-d)2+y2]>N(x2+y2)变形为d2-2dx>0,此时下行链路干扰抑制区DILA的范围是
Figure FDA0003658739650000027
即横坐标小于
Figure FDA0003658739650000028
的蜂窝区域内；
所述步骤二中D2D接收机DR的位置,在保证蜂窝通信性能的前提下,推导出下行链路干扰抑制区的范围,即D2D接收机DR限制活动的范围。
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