CN113965956B - 蜂窝网络下d2d通信的信道与功率联合动态分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了蜂窝网络下D2D通信的信道与功率联合动态分配方法，本发明默认蜂窝小区间干扰已经处于或利用其他小区间干扰控制方法使之处于可接受范围内，其模型建立在单个蜂窝小区之内，D2D设备复用蜂窝用户设备的上行链路资源。主要方法包括：D2D用户在选择复用的蜂窝信道时的信道干扰感知方法；D2D设备性能指标，以及综合功耗、数据传输速率的D2D通信性能指标的建立方法；满足蜂窝用户QoS前提下提高D2D通信性能的功率分配方法；根据信道条件的变动对整个资源分配方案进行动态调整的方法。本发明中各种方法的计算复杂度低，能够较快完成资源分配，节约资源分配过程中消耗的时间/频率资源。

Description

蜂窝网络下D2D通信的信道与功率联合动态分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体为蜂窝网络下D2D通信的信道资源分配方法。

背景技术

传统蜂窝系统中，蜂窝用户之间的相互通信必须利用基站间接进行，而无法在许可频段内彼此直接通信。基站控制的集中式的工作方式便于资源管理和干扰控制，但频谱资源利用率仍有提升空间。D2D通信技术由多种无缝集成的无线接入技术组成，目的在于对用户设备以各种方式进行设备间的直接通信提供支持。5G时代到来，随着智能终端数量的迅速增加以及网络通信容量需求的爆炸式增长，基站传输负载压力也随之剧增。这使得能够有效减小基站负载压力的D2D通信模式，在蜂窝网络下的优势变得更加突出，D2D通信也被考虑作为蜂窝网络下的一种重要补充形式。

D2D通信允许设备在授权频段或非授权频段进行设备间直接通信。其中，在蜂窝D2D网络下，一类是以蜂窝模式工作的蜂窝用户，另一类是数据传输不经过基站的D2D用户，两类用户均使用蜂窝授权频段。为了最大化频谱利用率，D2D用户通常需要复用蜂窝用户的信道资源进行数据传输。

使用授权频段的优点在于便于进行集中控制，干扰环境可控，数据传输可靠性高。缺点在于两类用户共用授权频段资源带来了严重的干扰问题。尤其在超密集组网(UDN)的基站部署下，由于基站与设备间的相对距离更加靠近，同时干扰链路更多地从NLoS转为LoS，使得干扰问题更加突出。

在信道资源有限的情况下，蜂窝网络覆盖下的授权频段D2D通信需要高效的资源分配方案以协调干扰问题，同时尽可能地提高QoS。移动通信中由于终端位置以及信道条件的时刻变化，为解决上述问题也带来了更多的挑战。

发明内容

针对上述干扰控制和服务质量问题，本发明的主要目的是提供一种高质量的蜂窝D2D混合通信方案。

本发明的另一目的是提供一种允许蜂窝基站支持蜂窝授权频段D2D通信的方法。

本发明的另一目的是给出支持本发明的设备指标需求。

本发明的再一目的是建立一个综合评估资源分配效果的性能指标。

技术方案：

本发明默认蜂窝小区间干扰已经处于或利用其他小区间干扰控制方法使之处于可接受范围内，其模型建立在单个蜂窝小区之内，D2D设备复用蜂窝用户设备的上行链路资源。通过提供一种蜂窝网络覆盖下D2D用户的信道与功率联合动态分配方法，来实现上述目的，其主要方法包括：D2D用户在选择复用的蜂窝信道时的信道干扰感知方法；D2D设备性能指标，以及综合功耗、数据传输速率的D2D通信性能指标的建立方法；满足蜂窝用户QoS前提下提高D2D通信性能的功率分配方法；根据信道条件的变动对整个资源分配方案进行动态调整的方法。具体地：

蜂窝网络下D2D通信的信道与功率联合动态分配方法，包括：

S1，D2D用户在选择复用的蜂窝信道时的信道干扰感知及信道预分配的方法；

S2，对已经预分配信道的DUE进行功率分配的方法。

进一步，所述S1中，信道干扰感知的方法具体包括如下：

在单个有限信道的蜂窝网络中，BS查看UE发送的数据包头部持续寻找潜在的D2D数据流，若数据源和数据目的设备在同一个BS覆盖范围内，则认为二者有潜在的D2D连接需求，此时BS计算所有蜂窝信道内的CUE在这对潜在DUE处带来的接收信号强度，将其视为D2D通信干扰因素，计算方式为：

I_k＝P_kmG_k (k＝1,2,3,…,N)

式中，P_km是第k子信道CUE的最大发射功率，G_k是该CUE到DUE的信道增益，矩阵I_k的值即表示DUE在各个蜂窝信道进行D2D通信受到的干扰强度，若k子信道空闲无CUE则I_k＝0，N是信道的个数。

进一步，所述S1中，信道预分配的方法具体包括如下：

BS根据I_k对蜂窝信道排优先级，I_k值越小的信道优先级越高，I_k值相同的信道优先级并列，选择优先级最高的任意信道预分配给DUE，请求两端DUE相互之间进行该信道的CSI测量。测量完毕后将测量值上报至BS，同时在上报过程中也应完成DUE至BS的CSI测量。

进一步，所述S2的具体过程包括：

S2.1首先确定预分配信道的CUE的信道速率需求，如下式所示：

式中R_reqk是该CUE的信道速率需求，应由CUE向BS上报，R_k是第k蜂窝信道CUE的信道速率，P_k是该CUE的发射功率，G_kb是该CUE到BS之间的信道增益，P_d是复用第k蜂窝信道的DUE的发射功率，G_dk是该DUE到预分配信道的CUE之间的信道增益，σ²为热噪声功率，若该信道空闲，未被CUE占用，则应有R_reqk＝0；

S2.2将CUE信道速率需求转为发射功率需求，转换公式为：

式中P_reqk是k蜂窝信道CUE满足信道速率需求的最低发射功率。

S2.3进行DUE的功率分配，在满足CUE与DUE信道速率需求的同时给出DUE最佳能效。

进一步，所述S2.3具体过程包括：

S2.3.1计算最佳DUE分配功率：

在计算上式时，应确保式中只有P_d一个自变量，BW为单个蜂窝子信道的带宽，对P_d在[P_reqd，P_dmax]区间求出使得η_ee最大的即为分配给这对DUE的最大发射功率。其中，P_dmax为DUE最大允许发射功率，P_reqd为DUE最低发射功率需求，后者由下式计算得出：

式中R_reqd是DUE的信道速率需求，由DUE向BS上报，P_reqd是满足该DUE信道速率需求的最低发射功率，G_dd是两端DUE之间的信道增益。

进一步，所述S2.3具体过程还包括：

S2.3.2在功率分配完成记录此时对应的值，并上报BS，由BS确认复用关系。进一步，在进行S2.3的功率分配之前确定DUE的发射性能，具体如下：

P_td＝α_tdR_td+β₀

P_td是DUE的发射功耗，R_td是DUE的传输数据速率，α_td是发射机传输线性比例因子，β₀是发射工作状态下的静态功耗，α_td与β₀为本发明中的发射机性能指标，在传输过程中视为固有属性，仅与UE的射频模块性能以及传输协议相关，应在UE加入网络中时就明确这两个参数，作为功率分配计算时的设备性能影响因素。

进一步，所述方法还包括:

S3，根据新的D2D对加入或CUE需求变化、信道环境变化等，对已完成的分配方案进行动态调整，具体如下：

a.当有新的D2D对加入时，在S1的蜂窝信道预分配方法中，搜索覆盖范围应包括已经被复用的蜂窝信道，并进入S2；

若预分配的是未复用或空闲蜂窝信道，则BS直接确定该信道的复用，否则BS比对双方的值，保留/>值较大的D2D对进行该信道的复用；被踢除的D2D对则在BS的引导下，利用S1得到的信道优先级选择同等优先级的其他信道，并进入S2，若同等优先级信道无法进行复用则依次选择次优先级信道，再进入S2；

若遍历所有信道都无法进行复用则只允许蜂窝模式；

b.当蜂窝用户信道切换、或者已经复用的空闲蜂窝信道被分配给了新的蜂窝用户、或者蜂窝用户需求变化、或者蜂窝信道状态变化等，均定义为蜂窝信道速率需求R_reqk或发射功率需求p_reqk的变化，该信道中已复用的DUE重新回到S2做功率分配即可。

进一步，所述信道与功率联合动态分配方法的信道复用系数为1，即每个蜂窝信道上最多允许复用的DUE对数为1。

本发明的有益效果：

1、本发明中各种方法的计算复杂度低，能够较快完成资源分配，节约资源分配过程中消耗的时间/频率资源。

2、本发明能够提高D2D用户设备的能效，针对不同设备的性能差异，提高传输速率的同时兼顾功耗问题，给出针对性的功率分配，延长用户设备电池的续航时间。同时资源分配方案能够动态地适应信道条件的变化。

附图说明

图1是蜂窝D2D混合网络模型图。

图2是蜂窝D2D混合网络中，共用同一蜂窝子信道的设备间的干扰链路图。

图3是蜂窝基站在本发明中需要执行的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。参考图1，一种本发明实施例的单蜂窝小区场景，该场景下的干扰链路如图2所示。

为了使接下来的描述更为清晰简洁，将使用以下英文缩写对下文的专业名词进行替代：蜂窝基站(BS)、用户设备(UE)、蜂窝用户设备(CUE)、D2D用户设备(DUE)、信道状态信息(CSI)。部分名词或缩写仅用于本发明实用例的描述，在不改变本发明思想的前提下可以替代为任意形式。

在本发明的思想中，CUE与DUE没有设备结构上的差异，属于同一类的典型移动通信UE，只作为UE在两种工作模式下的区分。同时，每个UE可以根据实际情况在CUE与DUE之间切换。

本发明中资源分配的完整操作过程包括三个步骤：

步骤1，BS对潜在DUE进行蜂窝信道预分配工作，具体实施如下。

在单个有限信道(假设共有N个)的蜂窝网络中，BS查看UE发送的数据包头部持续寻找潜在的D2D数据流，若数据源和数据目的设备在同一个BS覆盖范围内，则认为二者有潜在的D2D连接需求。此时BS计算所有蜂窝信道内的CUE在这对潜在DUE处带来的接收信号强度，将其视为D2D通信干扰因素。计算方式为：

I_k＝p_kmG_k (k＝1,2,3,…,N)

式中，P_km是第k子信道CUE的最大发射功率，G_k是该CUE到DUE的信道增益。矩阵I_k的值即表示DUE在各个蜂窝信道进行D2D通信受到的干扰强度。(若k子信道空闲无CUE则I_k＝0)。

BS根据I_k对蜂窝信道排优先级，I_k值越小的信道优先级越高，I_k值相同的信道优先级并列，选择优先级最高的任意信道预分配给DUE，请求两端DUE相互之间进行该信道的CSI测量。测量完毕后将测量值上报至BS，同时在上报过程中也应完成DUE至BS的CSI测量。

步骤2，BS根据CUE与DUE的上报信息，对已经预分配信道的DUE进行功率分配，具体实施如下。

功率分配首先保证预分配信道的CUE的信道速率需求，可以进行如下表示：

式中R_reqk是该CUE的信道速率需求，应由CUE向BS上报。R_k是第k蜂窝信道CUE的信道速率。P_k是该CUE的发射功率，G_kb是该CUE到BS之间的信道增益。p_d是复用第k蜂窝信道的DUE的发射功率，G_dk是该DUE到预分配信道的CUE之间的信道增益，σ²为热噪声功率。若该信道空闲，未被CUE占用，则应有R_reqk＝0。

需要说明的是，由于本发明方法的信道复用系数为1，P_d中d的元素仅包含正在执行这一步骤的单个DUE，而非被预分配进入该信道的所有DUE的集合。“信道复用系数”仅作为本说明书中用于描述复用关系的名词，其含义为每个蜂窝信道上最多允许复用的DUE对数。

进行功率分配之前需要将CUE信道速率需求按照如下转为发射功率需求处理：

式中P_reqk是k蜂窝信道CUE满足信道速率需求的最低发射功率。

还需要已知DUE的发射性能，具体如下：

P_td＝α_tdR_td+β₀

P_td是DUE的发射功耗，R_td是DUE的传输数据速率。α_td是发射机传输线性比例因子，β₀是发射工作状态下的静态功耗。α_td与β₀为本发明中的发射机性能指标，在传输过程中视为固有属性，仅与UE的射频模块性能以及传输协议相关，应在UE加入网络中时就明确这两个参数，作为功率分配计算时的设备性能影响因素。

接下来进行DUE的功率分配，分配的目的是保证CUE与DUE信道速率需求的同时给出DUE最佳能效。根据如下计算最佳DUE分配功率：

在计算上式时，应确保式中只有P_d一个自变量。BW为单个蜂窝子信道的带宽。对P_d在[P_reqd，P_dmax]区间求出使得η_ee最大的即为分配给这对DUE的最大发射功率。其中，P_dmax为DUE最大允许发射功率，P_reqd为DUE最低发射功率需求，后者由下式计算得出：

式中R_reqd是DUE的信道速率需求，由DUE向BS上报。P_reqd是满足该DUE信道速率需求的最低发射功率。G_dd是两端DUE之间的信道增益。

功率分配完成记录此时对应的值并上报BS，由BS确认复用关系。

这一步骤中的η_ee也作为本发明中提出的D2D通信性能指标。利用该指标的计算式，可对现有的分配方案，根据其功耗与传输速率进行方案效用的定量评估。

步骤3，考虑根据新的D2D对加入或CUE需求变化、信道环境变化等，对已完成的分配方案进行动态调整，具体实施如下。

这一步骤需要分为两个部分对实施例进行说明。

a.新的D2D对加入，从步骤1开始进行蜂窝信道预分配，搜索范围应包括已经被复用的蜂窝信道，并进入步骤2。若预分配的是未复用或空闲蜂窝信道，则BS直接确定该信道的复用。否则BS比对双方的值，保留/>值较大的D2D对进行该信道的复用。被踢除的D2D对则在BS的引导下，利用步骤1得到的信道优先级选择同等优先级的其他信道，并进入步骤2，若同等优先级信道无法进行复用则依次选择次优先级信道，再进入步骤2。若遍历所有信道都无法进行复用则只允许蜂窝模式。

bCUE信道切换、已经复用的空闲蜂窝信道被分配给了新的CUE、CUE需求变化、或者蜂窝信道状态变化等等，在本方法中均体现为蜂窝信道速率需求R_reqk或发射功率需求P_reqk的变化，该信道中复用的DUE重新回到步骤2做功率分配即可。

本发明实施例的三个步骤中，基站方需要的操作步骤概括如图3。其内容也作为本发明思想中，允许蜂窝基站支持蜂窝授权频段D2D通信的方法。

上文仅为本发明实用例完整操作过程的描述，本发明适用范围不限于某种固定的无线接入技术或传输协议。任何蜂窝D2D混合网络下进行的带内D2D通信，在不脱离本发明根本思想的前提下进行操作，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.蜂窝网络下D2D通信的信道与功率联合动态分配方法，其特征在于，包括：

S1，D2D用户在选择复用的蜂窝信道时的信道干扰感知及信道预分配的方法；

S2，对已经预分配信道的DUE进行功率分配的方法；

所述S1中，信道干扰感知的方法具体包括如下：

在单个有限信道的蜂窝网络中，BS查看UE发送的数据包头部持续寻找潜在的D2D数据流，若数据源和数据目的设备在同一个BS覆盖范围内，则认为二者有潜在的D2D连接需求，此时BS计算所有蜂窝信道内的CUE在这对潜在DUE处带来的接收信号强度，将其视为D2D通信干扰因素，计算方式为：

I_k＝P_kmG_k(k＝1,2,3,…,N)

式中，P_km是第k子信道CUE的最大发射功率，G_k是该CUE到DUE的信道增益，矩阵I_k的值即表示DUE在各个蜂窝信道进行D2D通信受到的干扰强度，若k子信道空闲无CUE则I_k＝0，N是信道的个数；

所述S1中，信道预分配的方法具体包括如下：

BS根据I_k对蜂窝信道排优先级，I_k值越小的信道优先级越高，I_k值相同的信道优先级并列，选择优先级最高的任意信道预分配给DUE，请求两端DUE相互之间进行该信道的CSI测量；测量完毕后将测量值上报至BS，同时在上报过程中也应完成DUE至BS的CSI测量；

所述S2的具体过程包括：

S2.1首先确定预分配信道的CUE的信道速率需求，如下式所示：

式中R_reqk是该CUE的信道速率需求，应由CUE向BS上报，R_k是第k蜂窝信道CUE的信道速率，P_k是该CUE的发射功率，G_kb是该CUE到BS之间的信道增益，P_d是复用第k蜂窝信道的DUE的发射功率，G_dk是该DUE到预分配信道的CUE之间的信道增益，σ²为热噪声功率，若该信道空闲，未被CUE占用，则应有R_reqk＝0；

S2.2将CUE信道速率需求转为发射功率需求，转换公式为：

式中P_reqk是k蜂窝信道CUE满足信道速率需求的最低发射功率；

S2.3进行DUE的功率分配，在满足CUE与DUE信道速率需求的同时给出DUE最佳能效；

所述S2.3具体过程包括：

S2.3.1计算最佳DUE分配功率：

在计算上式时，应确保式中只有P_d一个自变量，BW为单个蜂窝子信道的带宽，对P_d在[P_reqd，P_dmax]区间求出使得η_ee最大的即为分配给这对DUE的最大发射功率；其中，P_dmax为DUE最大允许发射功率，P_reqd为DUE最低发射功率需求，后者由下式计算得出：

式中R_reqd是DUE的信道速率需求，由DUE向BS上报，P_reqd是满足该DUE信道速率需求的最低发射功率，G_dd是两端DUE之间的信道增益；

所述S2.3具体过程还包括：

S2.3.2在功率分配完成记录此时对应的值，并上报BS，由BS确认复用关系；

在进行S2.3的功率分配之前确定DUE的发射性能，具体如下：

P_td＝α_tdR_td+β₀

P_td是DUE的发射功耗，R_td是DUE的传输数据速率，α_td是发射机传输线性比例因子，β₀是发射工作状态下的静态功耗，α_td与β₀为本发明中的发射机性能指标，在传输过程中视为固有属性，仅与UE的射频模块性能以及传输协议相关，应在UE加入网络中时就明确这两个参数，作为功率分配计算时的设备性能影响因素；

所述方法还包括:

S3，根据新的D2D对加入或CUE需求变化、信道环境变化等，对已完成的分配方案进行动态调整，具体如下：

a.当有新的D2D对加入时，在S1的蜂窝信道预分配方法中，搜索覆盖范围应包括已经被复用的蜂窝信道，并进入S2；

若预分配的是未复用或空闲蜂窝信道，则BS直接确定该信道的复用，否则BS比对双方的值，保留/>值较大的D2D对进行该信道的复用；被踢除的D2D对则在BS的引导下，利用S1得到的信道优先级选择同等优先级的其他信道，并进入S2，若同等优先级信道无法进行复用则依次选择次优先级信道，再进入S2；

若遍历所有信道都无法进行复用则只允许蜂窝模式；

b.当蜂窝用户信道切换、或者已经复用的空闲蜂窝信道被分配给了新的蜂窝用户、或者蜂窝用户需求变化、或者蜂窝信道状态变化等，均定义为蜂窝信道速率需求R_reqk或发射功率需求P_reqk的变化，该信道中已复用的DUE重新回到S2做功率分配即可；

所述信道与功率联合动态分配方法的信道复用系数为1，即每个蜂窝信道上最多允许复用的DUE对数为1。