CN108718446A - Lte-a网络中d2d模式选择与资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了LTE‑A网络中D2D模式选择与资源分配方法，先建立***模型，在考虑LTE‑A网络内原有CUE最小SINR需求的情况下，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解；随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；最后采用基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率。解决D2D通信的模式选择、信道分配及功率控制问题，实现了***吞吐量的最大化。

Description

LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是涉及一种LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法。

背景技术

D2D通信作为***和第五代移动网络架构演进的关键技术之一，可以提高***吞吐量和频谱利用率，扩大***的容量和覆盖范围，降低核心网络的流量负载，提升用户的服务体验并减少电信运营商由于扩容而增加的网络运行成本，对实现下一代通信***安全、可靠、大容量、高质量、个性化的通信服务开辟了一条新的途径。

D2D通信包含有三种通信模式：复用模式(reuse mode)、蜂窝模式(cellularmode)和专用模式(dedicated mode)。复用模式是指LTE-A网络内的DUE(D2D userequipment，DUE)通过复用CUE(cellular user equipment，CUE)的上行链路资源进行通信，这样可以大幅度提升***内频谱资源的利用率。蜂窝模式是指当DUE的两个通信设备间距离较远或***的信道状态不具备建立直通链路的条件时，DUE的两个通信设备像传统的CUE一样，通过eNB的中继传递信息。专用模式是指DUE在与CUE正交的信道资源上建立直通链路通信，这种情况下DUE与CUE之间不存在干扰，用户的服务质量更容易得到保证，但这样不能充分发挥D2D通信的优势，反而使得***的资源利用率变得低。

为此本发明只考虑D2D使用复用模式及蜂窝模式进行通信的情形。D2D通信技术的引入在提升***性能的同时，也给***内原有蜂窝用户的通信质量造成了干扰，降低了用户的服务质量，尤其在考虑到数据传输速率很难满足未来大规模终端接入需求的情况下，如何为D2D通信分配最优的通信资源，选择最合理的通信方式获得D2D通信潜在优势的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，在复用模式及蜂窝模式的情况下，解决D2D通信的模式选择、信道分配及功率控制问题，实现了***吞吐量的最大化。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，按照以下步骤进行：

步骤S1，先建立***模型，在考虑LTE-A网络内原有CUE最小SINR需求的情况下，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解；

步骤S2，随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；

步骤S3，最后采用基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率。

进一步的，所述步骤S1中，建立***模型的过程是：

小区半径为R，网络内M个CUE与N个DUE共存，分别使用集合C＝[1,…,M]与D＝[1,…,N]表示，eNB能够获取覆盖范围内所有通信链路的瞬时信道状态信息，确定网络内所有通信链路的信道系数；信道系数中的DUE通信链路的信道系数在DUE接收端完成评估，随后经由控制信道反馈给eNB；其中，DUE包含蜂窝模式与复用模式；在所述蜂窝模式下假定eNB能够控制它本身的发射功率，使得 为DUE_j上行链路与下行链路的信噪比，DUE_j表示第j个DUE。

进一步的，所述步骤S1中，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解的具体方法是：

步骤S101：定义x＝{x^CD,x^RD}表示DUE模式选择与信道资源分配矩阵，x^CD表示蜂窝模式N维指示向量，当指示向量中的元素时，表示DUE_j使用所述蜂窝模式进行通信，其他情况下x^RD表示复用模式N×M维信道资源分配矩阵，当信道资源分配矩阵中的元素时表示DUE_j复用CUE_i信道资源通信，其他情况下定义p＝{p^CD,p^RD}，表示功率控制矩阵，其中p^CD和p^RD的维数分别与所述x^CD和x^RD的维数相同，代表D2D传输模式下的发射功率；

步骤S102：将所述D2D模式选择与资源分配问题转化为如下混合整数非线性规划问题：

其中，

其中，W表示信道带宽，表示DUE_j与CUE_i的SINR，CUE_i指第i个CUE；的含义是CUE_i的SNR，表示所述复用模式下DUE_j复用CUE_i信道资源时的发射功率；P_max定义为DUE最大发射功率，定义为CUE最小SINR需求，约束条件(10b)保证DUE的发射功率不能超过设定的阈值；约束条件(10c)保证CUE的SINR通信需求；约束条件(10d)保证了每个DUE最多只能复用一个CUE的信道资源；

步骤S103：所述优化问题(10)进一步转化为：

其中，

λ表示蜂窝模式下DUE_j发射功率的最优解；μ表示复用模式下，DUE_j复用CUE_i信道资源时发射功率的最优解；γ表示当没有DUE与CUE_i复用信道资源时，CUE_i的吞吐量；表示CUE_i的吞吐量。

进一步的，所述步骤S2按照以下步骤进行：

步骤S201：通过所述公式(11a)能够得到，蜂窝模式下DUE_j最优发射功率为：

步骤S202：考虑DUE_j单独复用CUE_i信道资源，吞吐量最大的最优发射功率为：

其中，表示DUE_j与CUE_i吞吐量的和，表示DUE_j复用CUE_i的信道资源时DUE_j的SINR，表示DUE_j复用CUE_i的信道资源时CUE_i的SINR，同时需要满足以下约束条件：

步骤S203：对所述约束条件(12b)进一步整理有：

结合所述条件(12a)能够得到：

其中，表示DUE的最大发射功率限制条件；

步骤S204：优化公式(12)转化为函数在区间上的极值问题，对函数求一阶偏导数可得：

其中

步骤S205：公式(13)进一步化简可得：

其中，由于所述公式(14)分母大于等于0恒成立；因此，当4(U₄)²-4V₄＜0时，公式(14)分子在区间上单调递增，DUE_j发射功率的最优解为当4(U₄)²-4V₄≥0时，DUEj发射功率的最优解表示为：

其中表示在区间上的投影。

进一步的，所述步骤S3，基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法的步骤为：

步骤S301：***初始化，M_i＝D, 根据优化问题(12)得到DUE最优发射功率及函数的值，其中M_i无具体含义，为符号变量，指示步骤S3何时结束；

步骤S302：计算的最优解，找到与之相对应的和i*和j*表示公式的最优解，和分别表示第i*个CUE和第j*个DUE；

步骤S303：计算此时的SINR是否高于设置的SINR门限，即计算是否成立，若成立执行步骤S304，否则执行步骤S305；

步骤S304：允许复用的信道资源，选择所述复用模式通信，并设置M_i＝M_i\{j^*},将元素j^*从集合M_i中删除；将元素j^*添加到集合中；

步骤S305：拒绝复用的信道资源，选用所述蜂窝模式通信，并设置将元素j^*从集合M_i中删除；

步骤S306：重复执行步骤S302、S303、S304及S305，直到集合

步骤S307：返回的值，得到DUE模式选择及信道资源分配的结果。

本发明的有益效果：将LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配过程分为两个阶段，第一阶段为DUE功率控制阶段，分别获取所述蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；第二阶段为DUE通信模式选择与信道资源分配阶段，在分别获取所述不同通信模式下DUE最优发射功率后，提出一种基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法，以***频谱效率优先为准则，为DUE选择合适的通信模式与信道资源，提升***的吞吐量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明的LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配的***模型图；

图2是本发明中DUE模式选择及信道资源分配方法执行的流程图；

图3是本发明中网络平均吞吐量随网络内DUE数目变化的曲线示意图；

图4是本发明中网络平均吞吐量随网络内DUE最大发射功率变化的曲线示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的思路是：步骤S1，在考虑LTE-A网络内原有CUE最小SINR(signal tointerference plus noise ratio)需求的情况下，首先将DUE通信模式选择、信道资源分配及功率控制问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制、DUE模式选择和信道资源分配两个子问题逐步进行求解；步骤S2，随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；步骤S3，最后提出一种基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率的目的。

***模型如图1所示，小区半径为R，网络内M个CUE与N个DUE共存，分别使用集合C＝[1,…,M]与D＝[1,…,N]表示。考虑单个CUE可以与多个DUE复用资源，单个DUE最多只能与一个CUE复用资源的情况。本发明中eNB能够获取覆盖范围内所有通信链路的瞬时信道状态信息(channel state information，CSI)，确定网络内所有通信链路的信道系数；信道系数中的DUE通信链路的信道系数在DUE接收端完成评估，随后经由控制信道反馈给eNB。

DUE包含有两种通信模式：蜂窝模式与复用模式。

(1)蜂窝模式(cellular mode，CD)：DUE的两个通信设备像传统的CUE一样通过eNB进行通信。当DUE的两个通信设备距离较远或通信设备间的信道状态不适合建立直通链路时，优先选用这种通信模式。

在蜂窝模式下，DUE与CUE之间不存在同信道干扰，DUE_j上行链路与下行链路的信噪比(signal to noise ratio,SNR)分别表示为：

其中，DUE_j表示第j个D2D用户设备(DUE)，表示所述蜂窝模式下DUEj的发射功率；表示eNB的发射功率，表示DUEj与eNB间的信道系数；表示噪声功率。因此，在蜂窝模式下DUEj的吞吐量可以表示为：

其中，W表示信道带宽。

本发明主要探讨DUE功率控制方法，因此本发明假定eNB能够控制它本身的发射功率，使得

(2)复用模式(reuse mode,RD)：DUE的两个通信设备通过复用CUE的上行信道资源建立直通链路通信。这样能够进一步提升***的频谱效率，降低传输时延。但在这种情形下，DUE不仅与同信道的CUE之间存在干扰，复用相同信道资源的DUE之间同样存在干扰。

在所述复用模式下，定义集合α_i表示复用CUE_i(CUE_i为第i个蜂窝用户设备CUE)上行信道资源的所有DUE所组成的集合。在这种情况下，DUE_j与CUE_i的SINR分别表示为：

其中，表示所述复用模式下DUE_j复用CUE_i信道资源时的发射功率；表示DUE_j发射端到DUE_j接收端的信道系数；p^c表示CUE发射功率，是一个常数；表示CUE_i到DUE_j接收端的信道系数；表示DUE_l发射端(DUE_l指第l个D2D用户设备DUE)到DUE_j接收端的信道系数；表示CUE_i到eNB的信道系数；表示DUE_j到eNB的信道系数。

复用模式下DUE_j与CUE_i的吞吐量可以表示为：

当没有DUE(此处泛指，即不代表某个特定的D2D用户设备(DUE))与CUE_i复用相同的信道资源时，CUE与DUE之间不存在同信道干扰，此时CUE_i的SNR与吞吐量可以分别表示为：

进一步地，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题的步骤如下：

步骤S101：定义x＝{x^CD,x^RD}表示DUE模式选择与信道资源分配矩阵。x^CD表示蜂窝模式N维指示向量，当指示向量中的元素时，表示DUE_j使用所述蜂窝模式进行通信，其他情况下x^RD表示复用模式N×M维信道资源分配矩阵，当信道资源分配矩阵中的元素时表示DUE_j复用CUE_i信道资源通信，其他情况下定义p＝{p^CD,p^RD}，表示功率控制矩阵。其中p^CD和p^RD的维数分别与所述x^CD和x^RD的维数相同，代表D2D传输模式下的发射功率。

步骤S102：将所述D2D模式选择与资源分配问题转化为如下混合整数非线性规划问题：

其中，

其中，P_max定义为DUE最大发射功率，定义为CUE最小SINR需求。约束条件(10b)保证DUE的发射功率不能超过设定的阈值；约束条件(10c)保证CUE的SINR通信需求；约束条件(10d)保证了每个DUE最多只能复用一个CUE的信道资源。

步骤S103：所述优化问题(10)可以进一步转化为：

其中，

这里，λ表示蜂窝模式下DUE_j发射功率的最优解；μ表示复用模式下，DUE_j复用CUE_i信道资源时发射功率的最优解；γ表示当没有DUE与CUE_i复用信道资源时，CUE_i的吞吐量。

所述优化问题(11)是一个两阶段优化问题，第一阶段为DUE功率控制问题，第二阶段为DUE模式选择和信道资源分配问题。所述蜂窝模式下，DUE与CUE之间不存在干扰，函数γ是一个与DUE发射功率无关的变量，因此这里只需考虑函数所述λ和所述μ的功率控制问题即可。

进一步地，分别考虑不同通信模式下的DUE功率控制问题，并求解出两种模式下DUE的最优发射功率的步骤如下：

步骤S201：通过所述公式(11a)能够得到，蜂窝模式下DUE_j最优发射功率为：

步骤S202：考虑DUE_j单独复用CUE_i信道资源，吞吐量最大的最优发射功率为：

其中，表示DUE_j与CUE_i吞吐量的和，表示DUE_j复用CUE_i的信道资源时DUE_j的SINR，表示DUE_j复用CUE_i的信道资源时CUE_i的SINR。同时需要满足以下约束条件：

步骤S203：对所述约束条件(12b)进一步整理有：

结合所述条件(12a)能够得到：

其中，表示DUE的最大发射功率限制条件。

步骤S204：优化公式(12)转化为函数在区间上的极值问题。对函数求一阶偏导数可得：

其中 U₁、V₁等无具体含义，仅为方便书写的替代。

步骤S205：公式(13)进一步化简可得：

其中，U₄、V₄无特定含义，仅为方便书写。由于所述公式(14)分母大于等于0恒成立。因此，当4(U₄)²-4V₄＜0时，所述公式(14)分子在区间上单调递增，DUE_j发射功率的最优解为当4(U₄)²-4V₄≥0时，DUEj发射功率的最优解可以表示为：

其中表示在区间上的投影。

进一步地，基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法的步骤如下，其流程图如图2所示：

步骤S301：***初始化，M_i＝D, 根据优化问题(12)得到DUE最优发射功率及函数的值。M_i无具体含义，只是一个符号变量，指示步骤S3何时结束。

步骤S302：计算的最优解，找到与之相对应的和i*和j*表示步骤S302中公式的最优解。和分别表示第i*个CUE和第j*个DUE。

步骤S303：计算此时的SINR是否高于设置的SINR门限，即计算是否成立，若成立执行步骤S304，否则执行步骤S305。

步骤S304：允许复用的信道资源，选择所述复用模式通信，并设置M_i＝M_i\{j^*},将元素j^*从集合M_i中删除；将元素j^*添加到集合中。

步骤S305：拒绝复用的信道资源，选用所述蜂窝模式通信，并设置将元素j^*从集合M_i中删除。

步骤S306：重复执行步骤S302、S303、S304及S305，直到集合

步骤S307：返回的值，得到DUE模式选择及信道资源分配的结果。

图3所示是网络平均吞吐量随网络内DUE数量变化的曲线示意图，从图中可以看出，网络的平均吞吐量随着网络内DUE数量的增加而呈现出递增的态势，并且随着网络内CUE最小SINR需求的不断增加，网络吞吐量也在不断变大。仿真结果表明本发明方法的吞吐量不论在何种情况下都要优于不考虑模式选择的D2D资源分配方法。

图4所示是网络平均吞吐量随网络内DUE最大发射功率变化的曲线示意图，从图中可以看出本发明方法的性能要优于不考虑模式选择时的D2D资源分配方法。而且当不考虑模式选择的D2D资源分配算法的吞吐量增长趋势变得缓慢甚至不再增加时，本发明方法的吞吐量仍然保持着不断增长的态势。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤S1，先建立***模型，在考虑LTE-A网络内原有CUE最小SINR需求的情况下，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解；

步骤S2，随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；

步骤S3，最后采用基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率。

2.根据权利要求1所述的LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立***模型的过程是：

小区半径为R，网络内M个CUE与N个DUE共存，分别使用集合C＝[1,…,M]与D＝[1,…,N]表示，eNB能够获取覆盖范围内所有通信链路的瞬时信道状态信息，确定网络内所有通信链路的信道系数；信道系数中的DUE通信链路的信道系数在DUE接收端完成评估，随后经由控制信道反馈给eNB；其中，DUE包含蜂窝模式与复用模式；在所述蜂窝模式下假定eNB能够控制它本身的发射功率，使得 为DUE_j上行链路与下行链路的信噪比，DUE_j表示第j个DUE。

3.根据权利要求2所述的LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1中，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解的具体方法是：

步骤S101：定义x＝{x^CD,x^RD}表示DUE模式选择与信道资源分配矩阵，x^CD表示蜂窝模式N维指示向量，当指示向量中的元素时，表示DUE_j使用所述蜂窝模式进行通信，其他情况下x^RD表示复用模式N×M维信道资源分配矩阵，当信道资源分配矩阵中的元素时表示DUE_j复用CUE_i信道资源通信，其他情况下定义p＝{p^CD,p^RD}，表示功率控制矩阵，其中p^CD和p^RD的维数分别与所述x^CD和x^RD的维数相同，代表D2D传输模式下的发射功率；

步骤S102：将所述D2D模式选择与资源分配问题转化为如下混合整数非线性规划问题：

其中，

其中，W表示信道带宽，表示DUE_j与CUE_i的SINR，CUE_i指第i个CUE；的含义是CUE_i的SNR，表示所述复用模式下DUE_j复用CUE_i信道资源时的发射功率；P_max定义为DUE最大发射功率，定义为CUE最小SINR需求，约束条件(10b)保证DUE的发射功率不能超过设定的阈值；约束条件(10c)保证CUE的SINR通信需求；约束条件(10d)保证了每个DUE最多只能复用一个CUE的信道资源；

步骤S103：所述优化问题(10)进一步转化为：

其中，

λ表示蜂窝模式下DUE_j发射功率的最优解；μ表示复用模式下，DUE_j复用CUE_i信道资源时发射功率的最优解；γ表示当没有DUE与CUE_i复用信道资源时，CUE_i的吞吐量；表示CUE_i的吞吐量。

4.根据权利要求3所述的LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，其特征在于，所述步骤S2按照以下步骤进行：

步骤S201：通过所述公式(11a)能够得到，蜂窝模式下DUE_j最优发射功率为：

步骤S202：考虑DUE_j单独复用CUE_i信道资源，吞吐量最大的最优发射功率为：

其中，表示DUE_j与CUE_i吞吐量的和，表示DUE_j复用CUE_i的信道资源时DUE_j的SINR，表示DUE_j复用CUE_i的信道资源时CUE_i的SINR，同时需要满足以下约束条件：

步骤S203：对所述约束条件(12b)进一步整理有：

结合所述条件(12a)能够得到：

其中，表示DUE的最大发射功率限制条件；

步骤S204：优化公式(12)转化为函数在区间上的极值问题，对函数求一阶偏导数可得：

其中

步骤S205：公式(13)进一步化简可得：

其中，由于所述公式(14)分母大于等于0恒成立；因此，当4(U₄)²-4V₄＜0时，公式(14)分子在区间上单调递增，DUE_j发射功率的最优解为当4(U₄)²-4V₄≥0时，DUE_j发射功率的最优解表示为：

其中表示在区间上的投影。

5.根据权利要求4所述的LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3，基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法的步骤为：

步骤S301：***初始化，M_i＝D, j∈D；根据优化问题(12)得到DUE最优发射功率及函数的值，其中M_i无具体含义，为符号变量，指示步骤S3何时结束；

步骤S302：计算的最优解，找到与之相对应的和i*和j*表示公式的最优解，和分别表示第i*个CUE和第j*个DUE；

步骤S303：计算此时CUE i^*的SINR是否高于设置的SINR门限，即计算是否成立，若成立执行步骤S304，否则执行步骤S305；

步骤S304：允许复用的信道资源，选择所述复用模式通信，并设置M_i＝M_i\{j^*},将元素j^*从集合M_i中删除；将元素j^*添加到集合中；

步骤S305：拒绝复用的信道资源，选用所述蜂窝模式通信，并设置将元素j^*从集合M_i中删除；

步骤S306：重复执行步骤S302、S303、S304及S305，直到集合

步骤S307：返回j∈D的值，得到DUE模式选择及信道资源分配的结果。