CN107465479A - 一种基于中继协助的多小区d2d通信干扰管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，属于通信技术领域。为了解决由于距离或障碍物等因素引起的通信信道质量不佳的问题，引入中继技术，借助空闲的蜂窝用户做中继，建立D2D中继两跳通信链路。对D2D中继两跳链路的干扰情况进行分析，提出一种干扰管理的方法，通过选择合适的资源达到减小蜂窝通信对D2D通信干扰的目的。然后建立以最大链路速率为目标的联合优化模型，并引入对偶分解理论进行分析。通过发射功率与拉格朗日因子的相互迭代更新，得到功率控制和资源分配的联合优化。该技术方案能有效提升D2D链路的吞吐量和频谱效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于中继协助的多小区D2D(Device-to-Device)通信干扰管理方法。
背景技术
就目前而言，在现有蜂窝网络体系架构下，如何有效提升网络容量、提高频谱效率一直是无线移动通信研究的热点。终端直连通信(Device-to-Device，D2D)技术是提高网络容量和频谱效率的重要技术之一，当D2D通信工作在复用模式时，干扰管理是研究的关键。D2D通信引入中继技术能有效提高***容量和性能。但现有文献多是从单小区D2D中继的干扰情况进行研究的，多小区的场景相比与单小区场景，在现实中更为常见。在该场景下小区内的干扰及小区间的干扰都需要考虑，由于小区个数的增多，因此多小区场景中的干扰问题也更加地复杂。而目前对多小区场景下的研究仍较少，针对这一点，本文提出了多小区场景下管理D2D中继干扰的一种联合优化方法。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种能有效提升D2D链路的吞吐量和频谱效率的基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法。本发明的技术方案如下：一种基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，其包括以下步骤：
101、建立多小区分区模型，对每个小区进行均等分区，且将每个小区划分出中心区域与边缘区域，小区内的用户划分为中心用户还是边缘用户，确定中继协助的D2D通信链路可复用区域，并选择复用与D2D通信链路所处区域不同的其他中心区域的蜂窝用户的资源；
102、对D2D中继两跳链路的干扰情况进行分析，求得D2D中继链路获得的两跳速率，提出一种联合资源优化的算法，指通过建立实现最大化链路速率的目标函数，并根据拉格朗日对偶分解理论，得到资源分配和功率控制的联合优化，在发射端功率受限的条件下以最大链路速率为目标建立目标函数：
103、对步骤102的目标函数以最大链路速率为目标建立联合优化模型，并引入对偶分解理论进行分析，通过发射功率与拉格朗日因子的相互迭代更新，得到功率控制和资源分配的联合优化。
进一步的，所述步骤101中小区内的用户划分为中心用户还是边缘用户是根据用户到所在小区的基站的距离来判断的，设用户到基站的距离为d，小区半径为ReNB，若d＜ζReNB，0＜ζ＜1，ζ表示边缘区域的大小，自己设置的一个0到1的一个参数，则判断用户a为小区中心用户，反之，判断用户为小区边缘用户。
进一步的，所述步骤101选择小区边缘区域信道质量条件较好的空闲蜂窝用户作为D2D通信链路的中继包括：对于可直接建立直连链路且信道条件较好的两个用户建立直连D2D通信链路，而对于发送请求的两个D2D用户建立的D2D通信链路信道质量不佳时，则考虑借助中继，通过D2D中继两跳链路来改善信道质量，选择小区边缘区域信道质量条件较好的空闲蜂窝用户作为D2D通信链路的中继，且与D2DRx即D2D接收端所建立的新的D2D中继通信链路的第二跳通信链路信道质量要优于原D2DTx-D2DRx的直连通信链路，与D2DTx即D2D发送端建立的D2D中继通信链路的第一跳通信链路信道质量要较好。
进一步的，所述步骤102对D2D中继两跳链路的干扰情况进行分析，求得D2D中继链路获得的两跳速率包括：D2D中继链路获得的两跳速率分别为：
式中，是第i个D2D中继链路源端S在资源块n上的发射功率，分别表示在资源块n上第一跳链路和第二跳链路的SINR，是第i个D2D中继链路中继端l在资源块n上的发射功率，由于进行节点选择时需要考虑到两跳链路信道差异之间的平衡，选择由速率较小的一跳决定通信链路的容量，则建立的D2D中继两跳通信链路目的节点在资源块n上的通信速率为：
当第一跳的速率和第二跳的速率相等时，即时，D2D中继链路的目的节点可以在资源块n上获得最大的速率。
进一步的，所述步骤102在发射端功率受限的条件下以最大化目的节点速率为目标建立目标函数为：
s.t.
式中，表示无线资源分配参数是一个二进制判决变量，当时，即说明资源块n被分配给D2D中继链路所复用；当时，说明资源块n不被该D2D中继链路所复用，表示在第n个资源块上进行数据传输时，D2D中继两跳链路的发射功率其允许的最大发射功率，表示第i个D2D中继链路从发射端节点S到中继节点l的信道增益，表示在第n个资源块上对D2D中继链路上第一跳和第二跳接收端的干扰设定的干扰阈值，Rth表示D2D用户在资源块n上的最低QoS要求，C1、C2表示在第n个资源块上进行数据传输时，D2D中继两跳链路的发射功率都不能超过其允许的最大发射功率；C3即限定一个蜂窝用户的资源块只能被一条D2D中继链路复用；C4、C5指在第n个资源块上引进的对D2D中继链路上第一跳和第二跳接收端的干扰要小于其设定的干扰门限值；C6是为确保D2D用户在资源块n上满足最小的QoS；C7指D2D中继通信链路发射功率非负。
进一步的，所述步骤103引入对偶分解理论进行分析，通过发射功率与拉格朗日因子的相互迭代更新，具体包括：将目标函数主问题分解成Ω个并列的单独子问题，并将原主问题的对偶目标函数转化为对偶子问题，得到拉格朗日函数表达式，该问题可分为内外两部分：1.内层问题是固定拉格朗日因子求资源块上n的最优功率；2.外层问题是固定功率更新拉格朗日因子，对内外问题进行迭代求解。
进一步的，确定功率控制和资源分配的联合优化，还包括：
步骤1.联合***优化目标的拉格朗日函数和对偶目标函数可得资源分配表达式函数；
步骤2.通过KKT条件求解发射功率；
步骤3.利用最速下降法更新对偶因子。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明可以有效地提高D2D链路的总吞吐量和提升频谱效率。
本发明针对跨小区D2D用户由于距离或障碍物阻碍等因素导致通信质量不佳的问题，建立跨小区D2D中继链路，并提出了一种基于中继协助的多小区D2D通信的干扰管理的方法。通过该方法可以使得D2D链路的总吞吐量和频谱效率均得以有效地提升。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例公开的一种多小区D2D中继通信***模型图；
图2是本发明实施例公开的一种基于中继协助的多小区D2D通信管理的流程示意图；
图3是本发明实施例公开的一种多小区分区模型图；
图4是本发明实施例公开的一种多小区D2D中继通信干扰示意图；
图5是本发明实施例公开的一种D2D中继选择模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1所示：考虑D2D通信链路复用蜂窝用户上行链路资源的情况，***采用全频率复用方式进行通信，每个蜂窝用户分配的资源是正交的，且每个小区一个蜂窝用户的资源只能被一条D2D链路复用。设***内有M条D2D通信链路，K个小区，每个小区内有C个蜂窝用户，N个资源块。***总带宽为W，热噪声为N0。中继的传输模式为半双工解码转发。本发明以确保蜂窝链路的QoS为前提进行分析，即在管理蜂窝链路对D2D通信链路干扰的同时也要研究如何控制D2D发射端对基站的干扰。
基于图1的***模型，本发明公开了一种基于基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法。如图2所示，该法可以包括以下步骤：
201、基于均等分区，确定中继协助的D2D通信链路可复用区域，并选择合适的空闲蜂窝用户作为D2D通信链路的中继。
具体如下：
1)根据用户a到所在小区的基站的距离来判断a是中心用户还是边缘用户。假设a到基站的距离为d，小区半径为ReNB，若d＜ζReNB(0＜ζ＜1)，则判断用户a为小区中心用户，反之，判断a为小区边缘用户。
2)对于可直接建立直连链路且信道条件较好的两个用户建立直连D2D通信链路，而对于发送请求的两个D2D用户建立的D2D通信链路信道质量不佳时，则考虑借助中继，通过D2D中继两跳链路来改善信道质量。选择小区边缘区域信道质量条件较好的空闲蜂窝用户作为D2D通信链路的中继，且与D2DRx即D2D接收端所建立的新的D2D中继通信链路的第二跳通信链路信道质量要优于原D2DTx-D2DRx的直连通信链路，与D2DTx即D2D发送端建立的D2D中继通信链路的第一跳通信链路信道质量要较好。通过上述条件限制，可得到每条D2D中继链路的一个中继节点集合L，且L∈C。
3)如图3所示，建立一个多小区分区模型图，对每个小区进行均等分区，由于小区是个正六边形，且中心区域与边缘区域被划分开，则每个小区可分为12部分，且分别对其进行编号。以DTx1-R1-DRx1通信链路为例，Cell1中可复用的区域是Ω1＝A1∪A4∪A5∪A6；Cell2中可复用的区域是Ω2＝B1∪B2∪B3∪B4∪B6，由于DTx1-R1-DRx1通信链路上的任何用户都不在Cell3内，所有Cell3的中心区域都是可复用区域，设为Ω3。则DTx1-R1-DRx1通信链路的总可复用区域是Ω＝Ω1∪Ω2∪Ω3。其他D2D中继通信链路的可复用区域推导类似。
202、对D2D中继两跳链路的干扰情况进行分析，提出一种干扰管理的方法，通过选择合适的资源达到减小蜂窝通信对D2D通信干扰的目的。
具体如下：
1)由图4可得，当在多小区场景下，复用上行链路资源时，在D2D中继通信链路上，D2DTx和中继都会对本小区eNB和邻小区eNB产生干扰，同时，本小区和邻小区内与D2D中继链路使用同样资源块的蜂窝用户也都会对D2DRx产生干扰。图5是D2D中继选择链路模型，si和di分别是第i条D2D通信链路的源端和目的端，l是第i条D2D通信链路上的中继节点，且l∈L。当第k个小区的第i条D2D通信链路选择中继l时，此时在资源块n上第一跳链路和第二跳链路的SINR分别为：
式中，n∈Ω，是第i个D2D中继链路源端S与中继端l链路的信道增益，是第i个D2D中继链路中继端l与目的端D的链路信道增益，是除了第i个D2D中继链路源端S与中继l这条D2D链路外其他使用资源块n的D2D链路的发射功率，是除了第i个D2D中继链路源端S与中继l这条D2D链路外其他使用资源块n的D2D链路(设为x-y链路)的信道增益，是使用资源块n的蜂窝用户的发射功率，是使用资源块n的蜂窝链路(设为cf-eNB链路)的信道增益。
2)D2D中继链路获得的两跳速率分别为：
式中，是第i个D2D中继链路源端S在资源块n上的发射功率，是第i个D2D中继链路中继端l在资源块n上的发射功率。由于进行节点选择时需要考虑到两跳链路信道差异之间的平衡，通常选择由速率较小的一跳决定通信链路的容量，则建立的D2D中继两跳通信链路目的节点在资源块n上的通信速率为：
当第一跳的速率和第二跳的速率相等时，即时，D2D中继链路的目的节点可以在资源块n上获得最大的速率。
3)在发射端功率受限的条件下以最大化目的节点速率为目标建立目标函数：
式中，设为第i个D2D中继链路选择复用资源块n的二进制变量，当时，表示选择资源块n的资源进行复用；当时，表示不复用。C1、C2在第n个资源块上进行数据传输时，D2D中继两跳链路的发射功率都不能超过其允许的最大发射功率；C3即限定一个蜂窝用户的资源块只能被一条D2D中继链路复用；C4、C5指在第n个资源块上引进的对D2D中继链路上第一跳和第二跳接收端的干扰要小于其设定的干扰门限值；C6是为确保D2D用户在资源块n上满足最小的QoS；C7指D2D中继通信链路发射功率非负。
203、建立以最大链路速率为目标的联合优化模型，并引入对偶分解理论进行分析，通过发射功率与拉格朗日因子的相互迭代更新，得到功率控制和资源分配的联合优化。
具体如下：
1)对式(6)放松整数约束条件，同时引进一个新的变量因子用来表示在资源块n上D2D源端真实的发射功率，设则问题P1可转化为：
针对上述复杂问题，由于在子载波足够大的情况下对偶间隙几乎接近于零，因此可用对偶分解理论解决上述问题。
2)根据式(7)可得***优化目标的拉格朗日函数为：
式中，αsi，l，βl分别是约束D1和D2的拉格朗日因子，μn是约束D3的拉格朗日因子，ρn，λn分别是约束D4和D5的拉格朗日因子，θl是约束D6的拉格朗日因子。
3)对该问题进行分析，由于最多可进行复用的资源块只有Ω个，因此可将主问题(7)分解成Ω个并列的单独子问题，则原问题(7)的对偶目标函数表示为：
将上式转化为对偶子问题，其拉格朗日函数表示为：
4)根据拉格朗日对偶分解理论，该问题可分为内外两部分：1.内层问题是固定拉格朗日因子求资源块上n的最优功率；2.外层问题是固定功率更新拉格朗日因子。对内外问题进行迭代求解：
步骤1：联合式(9)和式(10)可得资源分配如下：
式中，
步骤2.可通过KKT(Karush-Kuhn-Tucker)条件求解功率，令可得在资源块n上D2D链路的发射功率为：
其中[τ]+表示取τ与0之间的最大值。
步骤3.可以利用最速下降法更新对偶因子。更新值如下：
式中，t--迭代次数，δ(t)＝[δ1(t)，δ2(t)，δ3(t)，δ4(t)，δ5(t)，δ6(t)]，δ(t)是第t次迭代次数，取足够小的正数。为得到问题(7)的最优解，需要内外层进行多次迭代求解，直至各对偶因子收敛。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
101、建立多小区分区模型，对每个小区进行均等分区，且将每个小区划分出中心区域与边缘区域，小区内的用户划分为中心用户还是边缘用户，确定中继协助的D2D通信链路可复用区域，并选择复用与D2D通信链路所处区域不同的其他中心区域的蜂窝用户的资源；
102、对D2D中继两跳链路的干扰情况进行分析，求得D2D中继链路获得的两跳速率，提出一种联合资源优化的算法，指通过建立实现最大化链路速率的目标函数，并根据拉格朗日对偶分解理论，得到资源分配和功率控制的联合优化，在发射端功率受限的条件下以最大链路速率为目标建立目标函数：
103、对步骤102的目标函数以最大链路速率为目标建立联合优化模型，并引入对偶分解理论进行分析，通过发射功率与拉格朗日因子的相互迭代更新，得到功率控制和资源分配的联合优化。
2.根据权利要求1所述的基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，其特征在于，所述步骤101中小区内的用户划分为中心用户还是边缘用户是根据用户到所在小区的基站的距离来判断的，设用户到基站的距离为d，小区半径为ReNB，若d＜ζReNB，0＜ζ＜1，ζ表示边缘区域的大小，自己设置的一个0到1的一个参数，则判断用户a为小区中心用户，反之，判断用户为小区边缘用户。
3.根据权利要求1或2所述的基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，其特征在于，所述步骤101选择小区边缘区域信道质量条件较好的空闲蜂窝用户作为D2D通信链路的中继包括：对于可直接建立直连链路且信道条件较好的两个用户建立直连D2D通信链路，而对于发送请求的两个D2D用户建立的D2D通信链路信道质量不佳时，则考虑借助中继，通过D2D中继两跳链路来改善信道质量，选择小区边缘区域信道质量条件较好的空闲蜂窝用户作为D2D通信链路的中继，且与D2DRx即D2D接收端所建立的新的D2D中继通信链路的第二跳通信链路信道质量要优于原D2DTx-D2DRx的直连通信链路，与D2DTx即D2D发送端建立的D2D中继通信链路的第一跳通信链路信道质量要较好。
4.根据权利要求3所述的基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，其特征在于，所述步骤102对D2D中继两跳链路的干扰情况进行分析，求得D2D中继链路获得的两跳速率包括：D2D中继链路获得的两跳速率分别为：
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当第一跳的速率和第二跳的速率相等时，即时，D2D中继链路的目的节点可以在资源块n上获得最大的速率。
5.根据权利要求4所述的基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，其特征在于，所述步骤102在发射端功率受限的条件下以最大化目的节点速率为目标建立目标函数为：
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6.根据权利要求5所述的基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，其特征在于，所述步骤103引入对偶分解理论进行分析，通过发射功率与拉格朗日因子的相互迭代更新，具体包括：将目标函数主问题分解成Ω个并列的单独子问题，并将原主问题的对偶目标函数转化为对偶子问题，得到拉格朗日函数表达式，该问题可分为内外两部分：1.内层问题是固定拉格朗日因子求资源块上n的最优功率；2.外层问题是固定功率更新拉格朗日因子，对内外问题进行迭代求解。
7.根据权利要求6所述的基于中继协助的多小区D2D通信干扰管理方法，其特征在于，确定功率控制和资源分配的联合优化，还包括：
步骤1.联合***优化目标的拉格朗日函数和对偶目标函数可得资源分配表达式函数；
步骤2.通过KKT条件求解发射功率；
步骤3.利用最速下降法更新对偶因子。
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