CN105873222B - 一种基于虚拟分区的跨小区d2d资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟分区的跨小区D2D资源分配方法。首先，我们为D2D接收端划定干扰限制区域，限制了D2D复用干扰限制区域内蜂窝用户的资源；其次，我们提出了一种新颖的基于虚拟分区的D2D资源分配方法，给分配相同资源的用户之间建立较大的空间分离；最后，通过比较D2D接收端的中断概率，从可复用资源块集合中选择最佳的蜂窝用户来与D2D用户共享资源。实施本发明，能达到控制蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，保证跨小区D2D通信链路可靠性的目的，且能有效地控制算法的复杂度。

Description

一种基于虚拟分区的跨小区D2D资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于虚拟分区的跨小区 D2D(Device-to-Device)资源分配方法。

背景技术

就目前而言，随着数据量的***性出现，物联网，智能手机，云计算等新技术有了极大的发展，然而，由于无线频谱资源的紧缺，分配的带宽已满足不了无线通信发展的需求。D2D通信技术能有效缓解频谱资源的紧张现状，降低基站的负载，降低端到端的时延，提高频谱资源利用率。D2D通信多采用复用蜂窝用户资源的方式，达到节省频谱资源，提高频谱利用率的目的。然而，这也必然会引起D2D通信和蜂窝通信之间相互的干扰。因此，现有的研究多讨论在复用模式下如何进行资源分配，但仍具有如下缺点：

现有文献多是针对单小区内的干扰协调问题进行研究，极少考虑多小区场景下的D2D混合网络，特别是对多小区中的跨小区D2D通信链路进行干扰分析的研究甚少。

为优先保证蜂窝用户的通信质量，现如今已经有大量文献针对D2D用户对蜂窝用户的干扰作出了研究。然而，在保证蜂窝用户的传输的前提下，我们常常忽视了保证D2D通信的可靠性。

现有多采用基于信道和基于距离的D2D资源分配方法。基于信道的资源分配方案，基站需要知道***中所有相关连接的完整的信道状态信息CSI，这种方法虽然有一定成效，但无疑增加了基站的负载，且增加了***的复杂度；而基于用户距离的D2D资源分配方案不能充分评估无线链路质量的损害，如阴影效应等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于虚拟分区的跨小区D2D资源分配方法，该法能有效地控制算法的复杂度，且达到控制蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，保证跨小区D2D通信链路可靠性的目的。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

根据D2D链路的信噪比和干噪比，确定D2D接收端干扰限制区域的覆盖半径；

根据基于定角和基于用户密度的方法，对小区进行虚拟分区，确定D2D链路可复用的资源块集合；

对于可复用资源块集合对应的蜂窝用户，我们通过比较D2D接收端的中断概率，确定最佳的蜂窝用户与D2D用户共享资源。

作为一种可选的实施方式，所述D2D接收端干扰限制区域的覆盖半径R_D-Rx可以表示为：

其中，γ_dmin是D2D链路的信噪比门限值，P_dmax和P_cmax分别是D2D链路和蜂窝用户使用最大发射功率，PL₀是路径损耗常数，α₁是基站到D2D接收端链路的路径损耗指数，G_d为D2D发射端到接收端的路径损耗；。

作为另一种可选的实施方式，所述确定D2D链路可复用的资源块集合，具体包括：

假设对小区进行虚拟分区的子区域数目为定值n，每个小区随机分布的蜂窝用户数为N。所述基于定角的方法是将小区分割成同等角度大小的n个子区域，由n决定了每个子区域的固定角度值；所述基于用户密度的方法是使每个子区域拥有相同数目的蜂窝用户k,即k＝N/n，由k决定了每个子区域的角度值。

作为另一种可选的实施方式，所述方法还包括：

假设分区后得到的一对虚拟区域由其参考区域和其相对区域组成。参考区域即D2D用户所在区域，相对区域即位于参考区域对角方向的相对应区域，则 D2D选择复用其相对区域中的蜂窝用户的资源；

如果相对区域中不存在蜂窝用户或求得可复用的资源块集合的交集为空集，D2D链路则寻找与相对区域相邻的其他子区域的蜂窝用户，并复用其相应的资源；经过以上步骤，如果用于资源复用的蜂窝用户被找到，则停止寻找；否则，继续寻找小区中的其他子区域，但不包括D2D链路所在参考区域。

作为另一种可选的实施方式，所述确定最佳的蜂窝用户与D2D用户共享资源，具体包括：

假设D2D对复用蜂窝用户CUE_i，则所述D2D接收端的中断概率可以表示为：

其中，γ_d和分别是D2D接收端和被复用CUE_i的信噪比，θ_i是二者间的夹角，γ₀是D2D接收端最低的信噪比要求。和分别是D2D接收端的信噪比的概率分布函数和累积分布函数。则所述最佳蜂窝用户CUE_i可以由下式得到:

计算可以由如下公式获得：

其中，η是D2D接收端的接收功率，是被复用的蜂窝用户CUE_i的传输功率，是CUE_i到D2D接收端的距离，α是路损系数。

本发明的有益效果：本发明通过一种新颖的虚拟分区的方法对多小区中的跨小区D2D通信链路进行合理的资源分配，能够有效地控制算法的复杂度，且达到有效控制蜂窝用户与跨小区D2D用户对之间的干扰，保证跨小区 D2D通信链路的可靠性的目的。

附图说明

图1为本发明的***模型示意图；

图2为本发明的的流程示意图；

图3为本发明公开的一种基于定角的虚拟分区方法的场景示意图；

图4为本发明公开的一种基于用户密度的虚拟分区方法的场景示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示：假设有两个相邻小区，每个小区有一个基站，N个随机分布的蜂窝用户，另外还有一对跨小区D2D通信链路。我们设本小区为区域1，资源块集合为A，邻小区为区域2，资源块集合为B，且两个小区的资源是完全相同的。假设一个蜂窝用户占用一个正交的资源，且D2D链路只能复用一个蜂窝用户的资源。复用上行链路时，蜂窝网络与D2D网络组成的混合网络***中的干扰包括D2D发射端对基站的干扰和蜂窝用户对D2D接收端的干扰。由于跨小区D2D用户位于小区边缘，距离基站相对较远，且D2D用户的发射功率相比于蜂窝用户来说小得多，因此D2D发射端对基站的干扰相对较小。在不专门考虑 D2D发射端对基站的干扰时，可以通过合理控制D2D发射端的发射功率来控制对基站的干扰，因此本发明主要考虑的是通过一种基于虚拟分区的资源分配方法确定最佳的蜂窝用户与D2D用户共享资源，从而有效控制蜂窝用户对D2D接收端的干扰。

基于图1的***模型，本发明公开了一种基于虚拟分区的跨小区D2D 资源分配方法。如图2所示，基于虚拟分区的跨小区D2D资源分配方法可以包括以下步骤：

201、判定蜂窝用户是否处于干扰限制区域之外。如果在限制区域之外，则可复用其蜂窝用户的资源；反之，则不能被复用。

具体如下：

1)为保证D2D的正常通信，D2D链路的信噪比γ_d应该大于门限值γ_dmin：

由(1)可得D2D接收端的干噪比门限值η_d：

2)假设D2D的接收端正处于干扰最严重的情况，即所有使用相同上行资源的蜂窝用户都位于半径为R_D-Rx的圆周上。此时D2D接收端的干扰应满足：

其中，I_cmax是蜂窝用户对D2D接收端的最大干扰，蜂窝用户使用最大发射功率P_cmax，则I_cmax可以表示为：

其中α₁是基站到D2D接收端链路的路径损耗指数，PL₀是路径损耗常数，G_d为D2D 发射端到接收端的路径损耗；。

3)把(2)(4)代入(3)得：

根据R_D-Rx划定干扰限制区域，该干扰限制区域内的资源块集合为D，设在区域1中与D中相同的资源块集合为C。则在区域1中D2D用户可复用的资源块集合为A-C,在区域2中D2D用户可复用的资源块集合为B-D。

202、根据基于定角或基于用户密度的方法，对小区进行虚拟分区，确定所述D2D链路可复用的资源块集合。假设对小区进行虚拟分区的子区域数目为定值n＝6，且每个小区随机分布的蜂窝用户N＝30。

具体如下：

1)基于定角：如图3所示，小区被分割成同等大小的6个区域，被分割的小区的子区域数目n＝6决定了每个子区域占60°。该法优势在于操作简单，但可能会导致某些区域里不存在或者存在过多的资源，因而不利于D2D的资源分配。

2)基于用户密度：如图4所示，同样地，小区需被分割成6个子区域。所述基于用户密度的方法是使每个子区域拥有相同数目的蜂窝用户，即每个子区域拥有5个蜂窝用户，由该小区的子区域蜂窝用户数决定了每个小区的角度值。

3)假设分区后得到的一对虚拟区域由其参考区域和其相对区域组成。参考区域即D2D用户所在区域，相对区域即位于参考区域对角方向的相对应区域。对小区进行虚拟分区后，D2D对复用其相对区域中的蜂窝用户的资源。如图4所示，针对多小区，存在两个相对区域s₄和s₁₀，设该两个区域的资源块集合分别为E和F。则区域1中D2D用户可复用的资源块集合Ω₁＝(A-C)∩E。区域2中 D2D用户可复用的资源块集合为Ω₂＝(B-D)∩F，则该跨小区D2D用户可复用的资源块集合Ω＝Ω₁∩Ω₂。

4)如果相对区域中不存在蜂窝用户或求得可复用的资源块集合Ω为空集，D2D 对则寻找与相对区域相邻的其他子区域的蜂窝用户，并复用其资源。经过以上步骤，如果用于资源复用的蜂窝用户被找到，则停止寻找；否则，继续寻找小区中的其他子区域，但不包括D2D对所在参考区域。

203、对于可复用资源块集合中对应的蜂窝用户，我们通过比较D2D接收端的中断概率，确定最佳的蜂窝用户与D2D用户来共享资源。

具体如下：

假设D2D对复用蜂窝用户CUE_i，则D2D接收端的中断概率可以表示为：

其中，γ_d和分别是D2D接收端和被复用CUE_i的信噪比，θ_i是二者间的夹角，γ₀是D2D接收端最低的信噪比要求。和分别是D2D接收端的信噪比的概率分布函数(probability distribution function，PDF)和累积分布函数 (cumulativedistribution function,CDF)。

令P_d是D2D链路的传输功率，ρ是D2D发射端和接收端之间的距离，则D2D接收端的接收功率为η＝P_dρ^-α,α是路损系数。则γ_d可表示为：

其中，h_D和分别是D2D发送端和被复用蜂窝用户CUE_i到D2D接收端的衰落系数。CUE_i的传输功率为N₀是高斯白噪声。是CUE_i到D2D接收端的距离可以表示为：

考虑到目标信噪比功率控制机制(TSPC)，则CUE_i的上行传输功率采用特定的信噪比值ε：

其中,r_d和分别是D2D接收端和CUE_i到基站的距离，θ_i是二者间的夹角。

当|h_D|²和服从独立的指数分布时，则γ_d的累积分布函数可以表示为：

如果η＞＞N₀γ₀，根据一阶泰勒级数可得：

其中，

当D2D通信欲建立时，他们会把这一请求通知基站，基站将从上述过程中求得的可复用蜂窝用户集合中找到最佳的蜂窝用户所选最佳蜂窝用户满足：

也就是选择使D2D接收端的中断概率最低的蜂窝用户的资源进行复用，从而有效缓解蜂窝用户对D2D接收端造成的干扰，保证D2D通信链路的可靠性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于虚拟分区的D2D资源分配方法，其特征在于：假设有两个相邻小区，每个小区有一个基站，N个随机分布的蜂窝用户，另外还有一对跨小区D2D通信链路；

步骤一，根据D2D链路的信噪比和干噪比，确定D2D接收端干扰限制区域的覆盖半径；所述D2D接收端干扰限制区域的覆盖半径的计算方法为：

其中，γ_dmin是D2D链路的信噪比门限值，P_dmax和P_cmax分别是D2D链路和蜂窝用户使用的最大发射功率，PL₀是路径损耗常数，α₁是基站到D2D接收端链路的路径损耗指数,G_d为D2D发射端到接收端的路径损耗，N₀是高斯白噪声，根据R_D-Rx划定干扰限制 区域，判定蜂窝用户是否处于干扰限制区域之外，如果在限制区域之外，则可复用其蜂窝用户的资源，反之，则不能被复用；

步骤二，根据基于定角或基于用户密度的方法，对小区进行虚拟分区，确定D2D链路可复用的资源块集合；假设对小区进行虚拟分区的子区域数目为定值n，每个小区随机分布的蜂窝用户数为N,所述基于定角的方法是将小区分割成同等角度大小的n个子区域，由n决定了每个子区域的固定角度值；

所述基于用户密度的方法是使每个子区域拥有相同数目的蜂窝用户k,即k＝N/n，由k决定了每个子区域的角度值；

假设分区后得到的一对虚拟区域由参考区域和其相对区域组成，参考区域即D2D用户所在区域，相对区域即位于参考区域对角方向的相对应区域，D2D链路选择复用其相对区域中的蜂窝用户的资源；

如果相对区域中不存在蜂窝用户或求得可复用的资源块集合的交集为空集，D2D链路则寻找与相对区域相邻的其他子区域的蜂窝用户，并复用相应的资源，经过以上步骤，如果用于资源复用的蜂窝用户被找到，则停止寻找；否则，继续寻找小区中的其他子区域，但不包括D2D链路所在参考区域；

步骤三，对于可复用资源块集合对应的蜂窝用户，通过比较D2D接收端的中断概率，确定最佳的蜂窝用户与D2D用户共享资源；所述确定最佳的蜂窝用户与D2D用户共享资源的方法为假设D2D对复用蜂窝用户CUE_i，则所述D2D接收端的中断概率表示为：

其中，γ_d和分别是D2D接收端和被复用CUE_i的信噪比，θ_i是二者间的夹角，γ₀是D2D接收端最低的信噪比要求；和分别是D2D接收端的信噪比的概率分布函数(probability distribution function，PDF)和累积分布函数(cumulative distributionfunction,CDF)；

则最佳蜂窝用户CUE_i由下式确定:

其中，计算由如下公式获得：

其中，η是D2D接收端的接收功率，是被复用的蜂窝用户CUE_i的传输功率，是CUE_i到D2D接收端的距离，α是路损系数。