CN102769917B - 一种基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法，包含以下步骤：1）在分配过程初始，基站收集所有D2D用户对的位置信息，计算信道增益；）2）检测信道增益；3)若存在信道c、存在D2D组合包D_k满足条件，则更新权值，迭代回合数，返回步骤2）；若所有的D2D链接对均获得频谱资源或者所有的蜂窝信道均被分配，则算法结束，否则迭代回合数，返回步骤2）。本发明的有益效果是：通过多次迭代判断过程，找出逼近最优解的分配结果，同时将D2D通信对进行组合，以最大化***容量为目标，简化了蜂窝资源分配给D2D通信的过程，并实现多个D2D链接对和蜂窝用户共享频谱资源，从而，使计算复杂度大幅降低。

Description

一种基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法。

背景技术

下一代无线通信***将提高本地数据服务作为热点问题，通过频谱资源复用技术，本地数据速率可以大幅度提升。然而非注册频段复用不便于本地服务提供商确保一个稳定可控的环境。因此，注册频段的接入受到广泛关注。目前，终端直通通信（Device-to-Device,D2D）作为下一代通信***的技术组成部分，可以在蜂窝网络的下层运作，从而提高频谱效率。在D2D通信中，用户利用蜂窝资源向彼此发送数据信号是通过一个直接的链路来完成，而不是通过基站，用户的直接通信只是受到基站的控制。近几年，D2D提高频谱利用率的潜在作用促使了大量的研究工作，而D2D也被看作是下一代蜂窝网络支持的关键技术特征。

虽然D2D带来频谱效率以及***容量的提升，但由于频谱共享而引起了蜂窝网络的干扰。因此，需要制定有效的干扰协调机制以确保蜂窝通信的性能水平。现有的一些研究针对D2D功率控制，以限制同频干扰；有研究者提出，利用多输入多输出（MIMO）传输机制防止来自蜂窝下行对D2D接收端的干扰；进一步的，为了提高小区内频谱复用增益，有研究者致力于合适地匹配蜂窝和D2D用户共享相同资源。

在相关文献中，提出过一种贪婪启发式算法，利用信道状态信息减少对主蜂窝网络的干扰。另一方面，有研究将重点转向资源分配机制，通过跟踪远近干扰防止有害干扰信号，并且识别干扰蜂窝用户以有效使用上行频带。最近的研究提供了对蜂窝和D2D链接之间优化资源分配和功率控制的相关分析，评估了单小区场景下和曼哈顿网格环境下的D2D***性能。

基于现有研究工作，通过合适的资源管理限制对蜂窝网络的干扰，D2D通信能够有效提高***吞吐量。然而，将蜂窝资源分配给D2D通信的过程具有极高的复杂度，并且很少有研究考虑多个D2D链接对和蜂窝用户共享频谱资源的情况。

发明内容

本发明的目的在于本发明提出一种基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法，能简化蜂窝资源分配给D2D通信的过程，并实现多个D2D链接对和蜂窝用户共享频谱资源，能进一步提高***效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法，它包含以下步骤：

1）在分配过程初始，基站收集所有D2D用户对的位置信息，计算信道增益v_c(k)， 并设置迭代回合数t＝0，初始D2D用户对的权值均相等，设置固定的权值缩减量Δ>0；

2）检测信道增益{v_c(k)}：

a.若对信道c（蜂窝用户c所占频谱资源，），不存在D2D组合包D_k满足则更新权值迭代回合数t=t+1，进入下一回合，返回步骤2）；

b.若存在信道c（蜂窝用户c所占频谱资源）、存在D2D组合包D_k满足并且满足上式的不同D_k无交集，则分配蜂窝用户c的信道给D_k中所有的D2D用户对，进入步骤4）；

c.否则，进入步骤3）；

3）若存在信道c（蜂窝用户c所占频谱资源）、存在D2D组合包D_k满足并且满足上式的不同D_k存在交集，则更新权值这里δ=Δ/i作为权值微调（i为大于1的整数因子），迭代回合数t=t+1，返回步骤2）；

若所有的D2D链接对均获得频谱资源或者所有的蜂窝信道均被分配，则算法结束，否则迭代回合数t=t+1，返回步骤2）。

所述的D2D用户对的距离d不超过其最大通讯距离L。

本发明方法的有益效果在于：通过多次迭代判断过程，找出逼近最优解的分配结果，同时将D2D通信对进行组合，以最大化***容量为目标，分配蜂窝资源给组合后的D2D包简化了蜂窝资源分配给D2D通信的过程，并实现多个D2D链接对和蜂窝用户共享频谱资源，从而，使计算复杂度大幅降低。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明与其他分配算法的***和速率对比图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

一种基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法，它包含以下步骤：

1）在分配过程初始，基站收集所有D2D用户对的位置信息，计算信道增益v_c(k)， 并设置迭代回合数t＝0，初始D2D用户对的权值均相等，设置固定的权值缩减量Δ>0；

2）检测信道增益{v_c(k)}：

a.若对信道c（蜂窝用户c所占频谱资源，），不存在D2D组合包D_k满足则更新权值迭代回合数t=t+1，进入下一回合，返回步骤2）；

b.若存在信道c（蜂窝用户c所占频谱资源）、存在D2D组合包D_k满足并且满足上式的不同D_k无交集，则分配蜂窝用户c的信道给D_k中所有的D2D用户对，进入步骤4）；

c.否则，进入步骤3）；

3）若存在信道c（蜂窝用户c所占频谱资源）、存在D2D组合包D_k满足并且满足上式的不同D_k存在交集，则更新权值这里δ=Δ/i作为权值微调（i为大于1的整数因子），迭代回合数t=t+1，返回步骤2）；

若所有的D2D链接对均获得频谱资源或者所有的蜂窝信道均被分配，则算法结束，否则迭代回合数t=t+1，返回步骤2）。

如图1，考虑单小区模型，用户配置单个全向天线。UE_c表示传统蜂窝用户，其位置在小区中呈均匀随机分布。UE_d,1和UE_d,2是满足D2D最大通信距离约束并具有通信需求的用户对，假设D2D通信需满足的最大通信距离为L。图1展示了共享下行蜂窝网络资源时的信号收发关系。假设UE_d,1是与基站共享子信道以发射数据信号的D2D对发射端，那么UE_d,2作为D2D接收端接收到来自基站的干扰信号。同时，蜂窝用户UE_c受到D2D发射端UE_d,1的干扰。另一方面，D2D用户反馈信道状态信息（CSI）到基站，而基站发射控制信令给D2D用户对，通过这一过程***可实现D2D功率控制和资源分配。

所述的D2D用户对的距离d不超过其最大通讯距离L。

由于D2D通信和蜂窝通信在同一个时隙共享相同的频谱资源，本发明最大限的抑制同频干扰已达到优化***性能的目的。在传输过程中，无线信号经历不同程度的衰落，因此干扰主要取决于发射功率和空间距离。本发明设计有效的分配算法，将蜂窝用户占用的频谱资源块分配给D2D通信对，以最小化干扰获得更高的***和速率。

定义D为一组变量集合，其表示共享相同资源的D2D用户对的组合包，并假设所有用户对可以形成N种组合。如果第k（k=1,2,…,N）个D2D组合内的用户对和蜂窝用户c共享频谱资源，利用香农公式可得用户c和D2D用户对d∈D_k的信道速率

$R_c^k={\log }_2(1+\frac{P_B{h}_{\mathrm{Bc}}^2}{\underset{d\∈D_k}{\mathrm{\Σ}}{P}_d{h}_{\mathrm{dc}}^2+N_0}),---\left(1\right)$

$R_d^k={\log }_d(1+\frac{P_d{h}_{\mathrm{dd}}^2}{P_B{h}_{\mathrm{Bd}}^2+\underset{d^{\′}\∈D_k-\left\{d\right\}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{d^{\′}}{h}_{d^{\′}d}^2+N_0}).---\left(2\right)$

其中，P_B、P_d、P_d′分别是基站、D2D发射端d、d′（d≠d′）的发射功率。h_ij是i-j链路的信道响应，即发射设备i到接收设备j。N₀表示接收端噪声功率。于是，当前信道和速率可以表示为

$V_c\left(k\right)={\log }_2(1+\frac{P_B{h}_{\mathrm{Bc}}^2}{\underset{d\∈D_k}{\mathrm{\Σ}}{P}_d{h}_{\mathrm{dc}}^2+N_0})+\underset{d\∈D_k}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2(1+\frac{P_d{h}_{\mathrm{dd}}^2}{P_B{h}_{\mathrm{Bd}}^2+\underset{d^{\′}\∈E_k-\left\{d\right\}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{d^{\′}}{h}_{d^{\′}d}^2+N_0}).---\left(3\right)$

显然，D2D通信极有可能带来信道速率的增加，定义信道速率增益为

v_c(k)=max(V_c(k)-V_c,0)，                                    （4）

其中V_c表示不存在同频干扰时的蜂窝用户c的信道速率

$V_c={\log }_2(1+\frac{P_B{h}_{\mathrm{Bc}}^2}{N_0}).---\left(5\right)$

本发明考虑一组二进制变量{x_c(k)}，x_c(k)=1表示D2D组合包D_k所包含的用户对共享蜂窝用户c的信道资源，否则x_c(k)=0。基于最大化***容量的目标，本发明建模如下优化问题：

$\max \underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_c\left(k\right)v_c\left(k\right)---\left(6\right)$

$s.t.\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_c\left(k\right)\≤1,\∀c\∈\{\mathrm{1,2},...,C\}$

$\underset{D_k:d\∈D_k}{\mathrm{\Σ}}\underset{c=1}{\overset{C}{\mathrm{\Σ}}}{x}_c\left(k\right)\≤1,\∀d\∈\{\mathrm{1,2},...,M\}$

其中，C和M分别是蜂窝用户和D2D用户对的数量。约束一保证了每个信道资源只能被一个D2D组合包共享，因多个包共享相同资源直接导致信道速率增益的变化；约束二限制了每个D2D用户对只能占用一个蜂窝用户的频带资源，本发明不考虑占用任意子信道的情况。

对于（6）所示的优化问题，通过多次迭代过程，将频率资源逐个分配给D2D用户。初始状态下，将每个D2D用户对赋予权值在每一回合t中，比较信道增益v_c(k)和相应的D2D组合包D_k的权值如果 有则减小D_k中所有D2D用户对的权值，进入下一回合；如果 满足则将蜂窝用户c的信道资源分配给D_k中的所有D2D用户对，减小其他未分配到资源的用户对权值，进入下一回合。直到所有资源均被分配或所有D2D用户对均占有频谱资源。

如图2，不同资源分配算法下的***和速率。其中，简化的组合迭代方法限制D2D组合包中的用户对数量为1。可以看出，提出的分配方法远远优于随机分配，本算法D2D对数M为4；利用枚举得到的最优分配结果相对于提出的算法优势不大，特别是蜂窝信道数量提升时。另一方面，简化的算法性能在资源量较大时，靠近组合迭代算法；而当资源量较小时，则有显著的差异。这是因为，当资源量小于D2D用户量时，简化算法限制了部分D2D用户对接入网络，造成了容量损失。

可见，本发明提出了一种基于组合迭代优化的资源分配算法，以提高终端直通作底层的蜂窝网络性能。算法支持多对D2D共享相同的信道资源，并且仿真结果展示了所提出算法的优越性。

Claims (2)

1.一种基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法，其主要特征在于：它包含以下步骤：

1)在分配过程初始，基站收集所有D2D用户对的位置信息，计算信道增益v_c(k)，并设置迭代回合数t＝0，初始D2D用户对的权值均相等，设置固定的权值缩减量Δ＞0；

2)检测信道增益{v_c(k)}：

a.若对信道，蜂窝用户c所占频谱资源，不存在D2D组合包D_k满足 $v_c\left(k\right)\≥W_k^t={\mathrm{\Σ}}_{d\∈D_k}{w}_d^t,$ 则更新权值 $w_d^{t+1}=w_d^t-\mathrm{\Δ},$ 迭代回合数t＝t+1，进入下一回合，返回步骤2)；

b.若存在信道，蜂窝用户c所占频谱资源、存在D2D组合包D_k满足并且满足上式的不同D_k无交集，则分配蜂窝用户c的信道给D_k中所有的D2D用户对，进入步骤4)；

c.否则，进入步骤3)；

3)若存在信道，蜂窝用户c所占频谱资源、存在D2D组合包D_k满足并且满足上式的不同D_k存在交集，则更新权值这里δ＝Δ/i作为权值微调，i为大于1的整数因子，迭代回合数t＝t+1，返回步骤2)；

4)所有的D2D链接对均获得频谱资源或者所有的蜂窝信道均被分配，则算法结束，否则迭代回合数t＝t+1，返回步骤2)。

2.根据权利要求1所述的基于组合迭代优化的终端直通***资源分配方法，其主要特征在于：所述的D2D用户对的距离不超过其最大通讯距离L。