CN111988866A

CN111988866A - 一种基于直连链路信道信息的d2d双工模式选择方法及系统

Info

Publication number: CN111988866A
Application number: CN202010797278.1A
Authority: CN
Inventors: 张中山; 李腊
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-08-10
Filing date: 2020-08-10
Publication date: 2020-11-24

Abstract

本发明公开了一种基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法及系统，该方法包括：获取D2D对的直连链路的信道状态信息；在最大化网络吞吐量的条件约束下，确定第一最佳信道增益阈值和第二最佳信道增益阈值；将D2D对中的前向链路和后向链路的信道增益与第一最佳信道增益阈值及第二最佳信道增益阈值进行比较，以确定D2D对的双工模式。本发明只使用D2D对的直连链路的信道状态信息，既包括路径损耗又包括快衰落，但无需干扰链路的信道信息，可在少量信令开销的情况下使更多的D2D链路成功传输数据，大幅提升网络的吞吐量；能够为实际异构蜂窝网络选择双工模式分配资源提供重要参考。

Description

一种基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法及系统。

背景技术

D2D(Device to Device，端到端)技术允许距离很近的移动设备之间直接进行通信而不需要基站或核心网的参与，通信资源不足时，DUEs(D2D User Equipments，D2D用户设备)可以复用蜂窝资源来传输数据，极大提升频谱效率，但会对CUEs(Cellular UserEquipments，蜂窝用户)造成同频干扰。全双工技术允许移动用户设备在同一频谱资源上同时发送和接收数据，理论上可以节省一半的传输资源。但是移动用户设备在接收信号的同时，也会收到自己发送的信号，会带来自干扰问题。因此，无论是D2D技术还是全双工技术的引入，都需要合理的优化方案来处理干扰问题。

考虑到D2D技术与全双工技术在提升频谱效率方面的优势与劣势，可以将D2D技术与全双工技术均引入到蜂窝网络中，因为DUEs通信距离短，所需发射功率小，所以工作在全双工模式下的DUEs自干扰功率水平较低，更有利于提升系统容量与频谱效率。然而，两种技术的结合使得网络中的干扰情况变得更加复杂。每个工作在全双工模式下的D2D对涉及的两个DUEs都是发送端，而工作在半双工模式下的D2D对仅有一个发送端，显然全双工D2D对给其他DUEs造成的干扰更大。若所有移动设备都工作在全双工模式，网络性能可能会恶化。因此，为了减少通信中断与提升网络吞吐量，需要为DUEs选择合适的双工模式。

基于完全信道信息的D2D双工模式方案，需要大量的信令开销基站才能获得每条链路的信道信息，加上复杂多变的信道条件，在实际中的通信系统中难以真正实施，一些学者提出了不同的解决方案，其中包括根据DUEs与CUEs之间的干扰距离选择、根据DUEs的通信距离选择等。但是这些基于距离的方案只考虑了基于距离的路径损耗，都忽略了快衰落的影响，不符合实际情况。

发明内容

本发明提供了一种基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法及系统，以在蜂窝异构网络下，在减少信令开销的同时最大化网络吞吐量。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法，应用于蜂窝异构网络，该D2D双工模式选择方法包括：

获取D2D对的直连链路的信道状态信息；其中，所述信道状态信息包括基于传输距离的路径损耗和基于多径传输的快衰落；

在最大化网络吞吐量的条件约束下，确定第一最佳信道增益阈值和第二最佳信道增益阈值；其中，第一最佳信道增益阈值不小于第二最佳信道增益阈值；

将D2D对中的前向链路和后向链路的信道增益与所述第一最佳信道增益阈值及第二最佳信道增益阈值进行比较，根据比较结果确定D2D对的双工模式。

进一步地，所述根据比较结果确定D2D对的双工模式，包括：

当D2D对中的前向链路与后向链路的信道增益均不小于所述第一最佳信道增益阈值时，选择当前D2D对的双工模式为全双工模式；

当D2D对中的前向链路与后向链路中至少有一条链路的信道增益小于所述第一最佳信道增益阈值且至少有一条链路的信道增益不小于所述第二最佳信道增益阈值时，选择当前D2D对的双工模式为半双工模式；

当D2D对中的前向链路与后向链路的信道增益均小于所述第二最佳信道增益阈值时，不为当前D2D对分配频谱资源。

进一步地，所述方法还包括：

将网络中的自干扰信道建模为莱斯信道，其余信道建模为瑞利信道。

进一步地，所述第一最佳信道增益阈值G_f,k的表达式如下：

其中，

K表示D2D用户设备自干扰信道的强直径与散射路径的能量之比，λ表示服从泊松点过程的D2D对的密度，d_k表示通信距离，α表示路径损耗指数，β_d表示D2D通信的信干噪比SINR阈值，η表示自干扰消除系数。

进一步地，所述第二最佳信道增益阈值G_ac,k的表达式如下：

其中，

λ表示服从泊松点过程的D2D对的密度，d_k表示通信距离，α表示路径损耗指数，β_d表示D2D通信的SINR阈值。

另一方面，本发明还提供了一种基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择系统，应用于蜂窝异构网络，该D2D双工模式选择系统包括：

通道信息获取模块，用于获取D2D对的直连链路的信道状态信息；其中，所述信道状态信息包括基于传输距离的路径损耗和基于多径传输的快衰落；

最佳信道增益阈值确定模块，用于在最大化网络吞吐量的条件约束下，确定第一最佳信道增益阈值和第二最佳信道增益阈值；其中，所述第一最佳信道增益阈值不小于所述第二最佳信道增益阈值；

双工模式选择模块，用于将D2D对中的前向链路和后向链路的信道增益与所述第一最佳信道增益阈值及第二最佳信道增益阈值进行比较，根据比较结果确定D2D对的双工模式。

进一步地，所述双工模式选择模块具体用于：

进一步地，所述系统还包括信道建模模块，所述信道建模模块用于将网络中的自干扰信道建模为莱斯信道，其余信道建模为瑞利信道。

进一步地，所述第一最佳信道增益阈值G_f,k的表达式如下：

其中，

进一步地，所述第二最佳信道增益阈值G_ac,k的表达式如下：

其中，

再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明将自干扰信道建模为莱斯信道，仅利用D2D直连链路的信道状态信息，信令开销小；并推导出了DUEs两个最小信道增益阈值的闭式解，基于闭式解提出了DUEs的双工模式选择方案，从而可以在减少信令开销的同时最大化网络吞吐量，能够给实际异构蜂窝网络选择双工模式分配资源提供重要参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的系统模型示意图；

图3为本发明实施例提供的在不同的K值下，网络吞吐量随着DUEs的SINR阈值变化的仿真曲线示意图；

图4为本发明实施例提供的在不同的DUEs密度下，网络吞吐量随着自干扰消除系数变化的仿真曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

本实施例提供了一种基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法，应用于蜂窝异构网络，该方法可以由电子设备实现，该电子设备可以是D2D终端或者基站。该方法的执行流程如图1所示，包括以下步骤：

S101，获取D2D对的直连链路的信道状态信息；

S102，在最大化网络吞吐量的条件约束下，确定第一最佳信道增益阈值和第二最佳信道增益阈值；

S103，将D2D对中的前向链路和后向链路的信道增益与第一最佳信道增益阈值及第二最佳信道增益阈值进行比较，根据比较结果确定D2D对的双工模式。

其中，本实施例只使用D2D对的直连链路的信道状态信息，既包括路径损耗又包括快衰落，但无需干扰链路的信道信息，可在少量信令开销的情况下使更多的D2D链路成功传输数据，大幅提升网络的吞吐量。

本实施例假设所有上行正交资源都被分配给CUEs，CUEs之间不存在干扰，DUEs只能通过复用CUEs已经占用的蜂窝资源进行通信。在只知道D2D对的直连信道的状态信息的情况下，为复用同一资源的D2D对选择合适的双工模式，使更多的D2D链路成功传输数据以提升网络的吞吐量，系统如图2所示。

由于CUEs使用的频谱资源相互正交，为了简化分析，可以只研究单个子信道的利用情况。本实施例不考虑小区间干扰，一个CUE与多个DUEs共用同一个子信道，每个移动用户设备配置一根发送天线和一根接收天线。为了区分，将一个D2D对涉及的两个DUEs分别称为f-DUE(forward-DUE，前向DUE)与r-DUE(reverse-DUE)，f-DUE作为发射端的链路称为前向链路，否则为后向链路。不失一般性，一个CUE在以基站为原点、半径为R的圆形小区内均匀分布，该CUE与基站均工作在半双工模式。D2D对在整个

平面内服从密度为λ的泊松点过程，D2D对可以工作在半双工模式或者全双工模式。

本实施例除了基于传输距离的路径损耗之外还考虑了基于多径传输的快衰落。现有研究一般将快衰落信道假设为瑞利信道，但是由于DUEs的发送天线与接收天线相隔很近，存在强直径，所以本实施例假设DUEs的自干扰信道是莱斯信道，强直径与散射路径能量之比为K，其余信道则是瑞利信道。用f-DUE_k和r-DUE_k表示第k个D2D对的f-DUE与r-DUE，用

分别表示l-DUE_i到m-DUE_j、CUE到l-DUE_k、l-DUE_k到基站的快衰落信道增益，上标l,m∈{f,r}，

分别表示f-DUE_k与r-DUE_k的自干扰信道增益，用

分别表示l-DUE_i到m-DUE_j、CUE到l-DUE_k的距离。为了简化，令通信距离

用α表示路径损耗指数，则l-DUE_i到m-DUE_j的信道增益

CUE和DUEs的传输功率分别用常数P_c和P_d表示，用σ²表示噪声功率，用β_d表示D2D通信的SINR阈值。

基于上述，当D2D对工作在半双工模式时，不妨假设发送端为f-DUE_k，则r-DUE_k的接收SINR(Signal to Interference and Noise Ratio，信干噪比)为：

公式(1)中，来自于半双工D2D对的干扰

来自于全双工D2D对的干扰

当D2D对工作在全双工模式时，若用η表示主动消除技术的自干扰消除系数，以r-DUE_k为例，SINR为：

推导出全双工阈值G_f,k与激活阈值G_ac,k分别为：

其中，

基于直连信道信息

第k个D2D对的双工模式选择方案可以表示为：

其中，G_f,k即为上述的第一最佳信道增益阈值，G_ac,k即为上述的第二最佳信道增益阈值，G_f,k≥G_ac,k。当D2D对中的前向链路与后向链路的信道增益均不小于G_f,k时，选择当前D2D对的双工模式为全双工模式；当D2D对中的前向链路与后向链路中至少有一条链路的信道增益小于G_f,k且至少有一条链路的信道增益不小于G_ac,k时，选择当前D2D对的双工模式为半双工模式；当D2D对中的前向链路与后向链路的信道增益均小于G_ac,k时，不为当前D2D对分配频谱资源。

下面，对本实施例中的G_f,k和G_ac,k的推导过程进行详细说明：

除自干扰信道外，所有信道增益服从瑞利分布，所以f-DUE_k满足全双工模式条件的概率为：

同理，r-DUE_k满足全双工模式条件的概率为：

则第k个D2D对选择全双工模式的概率为：

选择半双工模式的概率为：

其中，

是第k个D2D对的激活概率，由P_h,k的非负性知P_f,kP_ac,k。其次，基于现有技术可以得到半双工DUEs的成功传输概率为：

在式(8)的基础上考虑自干扰，进一步推导出全双工模式下DUEs的成功传输概率为：

其中，λ_HD＝λE(P_h,k)为半双工D2D对的密度，λ_FD＝λE(P_f,k)为全双工D2D对的密度，E(P_h,k)与E(P_f,k)分别为D2D对选择半双工模式与全双工模式的平均概率。成功传输的D2D链路数目为：

其中，N_k是第k个D2D对的成功传输链路数目，D2D通信的吞吐量定义为

可见最大化网络吞吐量实际上是最大化E(N_k)。为了简化分析，将该问题转化为在给定通信距离d_k的情况下，最大化

并用典型用户设备的发送概率(P_h,k、P_f,k)替代平均发送概率(E(P_h,k)、E(P_f,k))。结合式(6)(7)(8)(9)(10)可以得到转化后的优化目标为：

其中，

然后固定P_ac,k，研究P_f,k的最佳值

与P_ac,k的关系。给定P_ac,k∈[0,1]，已知P_f,k∈[0,P_ac,k]，推导出

关于P_f,k的一阶偏导数为：

由η∈[0，+∞]可以得到A∈[-1,1]。当A＝0时，考虑到B＞0，C＞0，所以一阶导数恒小于0，

当A≠0时，一阶导数的唯一零点为

关于P_f,k有唯一零点

且

A∈[-1，0)时，

是

的极小值点，

所以

A∈(0,1]时，

是

的极大值点。若

即

所以

若

所以

综上所述，当给定P_ac,k∈[0,1]时，

与P_ac,k的关系可以归纳如下：

接下来讨论

的取值。

当A∈[-1,0]时，

所以

一阶导数

故

当A∈(0,1]时，

由于P_ac,k∈[0,1]，所以需分多种情况讨论。

1)

由式(13)知

令

关于P_ac,k的一阶导数为0可得极大值点

由A∈(0,1]可知

即

故

2)

将区间[0,1]划分为

与

在区间

上，由情况1可知

在区间

上，由式(13)知

关于P_ac,k递减，所以第二区间上

由于第一区间的右端点也属于第二区间，所以情况2中

3)

将区间[0,1]划分为

与

由上文可知，第一区间的

在右端点处取得，即

在第二区间

上，

令一阶导数

为0可得到

由于第一区间右端点也属于第二区间，所以情况3中

综上所述，最佳阈值的取值情况可以归纳为下面两个式子。

将式(15)代入式(6)可得选择全双工模式的最佳信道增益阈值为：

将上式与式(14)代入公式(7)可得激活的最佳信道增益阈值为：

从图3可以看出，当K＝-∞时，自干扰信道是瑞利信道，与莱斯信道的仿真结果有略微不同。从图3与图4均可以看出，本实施例的基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法可以优化网络吞吐量。

综上，本实施例的基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法在将自干扰信道建模为莱斯信道的基础上，仅利用D2D直连链路的信道状态信息，信令开销小；并推导出了DUEs两个最小信道增益阈值的闭式解，然后基于闭式解提出了DUEs的双工模式选择方案，从而可以在减少信令开销的同时最大化网络吞吐量，能够给实际异构蜂窝网络选择双工模式分配资源提供重要参考。

第二实施例

本实施例提供了一种基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择系统，应用于蜂窝异构网络，该D2D双工模式选择系统包括以下模块：

本实施例的基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择系统与上述第一实施例的基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法相对应；其中，本实施例的基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择系统中的各功能模块所实现的功能与上述第一实施例的基于直连链路信道信息的D2D双工模式选择方法中的各流程步骤一一对应；故，在此不再赘述。

第三实施例

本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。

该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和一个或一个以上的存储器，其中，所述存储器中存储有至少一条指令，所述指令由所述处理器加载并执行。

第四实施例

本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。