CN111031547B - 基于频谱分配与功率控制的多用户d2d通信资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域,具体是一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法。
背景技术
随着多媒体数据的***性增长以及移动设备的不断普及,用户对于数据传输的准确性与实时性提出了更加苛刻的要求。面对急速增长的数据业务量,传统蜂窝网络中无线资源不足的问题日益突出。作为未来通信架构中的关键技术之一,设备到设备(device-to-Device,简称D2D)通信为解决上述问题提供一个新方向,利用Underlay模式的D2D通信技术代替基站(base station,简称BS)实现部分近场通信,提高网络的接入和负载能力。
D2D资源管理模式有Overlay和Underlay两种。在Overlay的管理模式中,D2D用户将会从蜂窝用户处得到一部分独立的频谱资源用于D2D通信,而在Underlay的管理模式下,蜂窝用户将自身拥有的频谱资源与D2D用户一起使用,因此,采用Underlay模式能够更大限度的提高频谱的利用率,然而,当D2D用户对蜂窝用户的频谱资源复用时,D2D用户与蜂窝用户之间会存在着同频干扰,从而影响***的吞吐量。因此,如何降低D2D用户与蜂窝用户之间的同频干扰是在蜂窝网络中引入D2D通信技术时所需解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,而提供一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法。这种方法能提高***的频谱利用率、抑制D2D用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰、在保证蜂窝用户与D2D用户最低SINR的同时增大***的吞吐量。
实现本发明目的的技术方案是:
一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法,包括如下步骤:
1)计算共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比与蜂窝用户i的信干噪比假设蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络中有N个蜂窝用户和M对D2D用户,且N≥M,蜂窝用户集用N={1,2,…,n}表示,D2D用户的用户集用M={1,2,…,m}表示,则共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比与蜂窝用户i的信干噪比分别为:
其中,表示蜂窝用户i的发射功率,hi,B表示蜂窝用户i到基站的信道增益,表示D2D用户j发射端的发射功率,hj,B表示D2D用户j发射端到基站的信道增益,hj表示D2D用户j发射端到接收端的信道增益,hi,j表示蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益,N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度;
2)判断D2D用户j能否复用与蜂窝用户i的频谱资源:判断D2D用户j能否复用蜂窝用户i的频谱资源的判定准则为:
其中,γth为D2D用户与蜂窝用户各自能成功建立通信链路所必须满足的最低SINR,为D2D用户发射端的最大发射功率,若满足上式,则D2D用户j可以复用蜂窝用户i的频谱资源,依据判定准则可以得到D2D用户j可复用的蜂窝用户集合;
3)计算D2D用户与可复用蜂窝用户之间的干扰系数:依据步骤2)得到的D2D用户j可复用的蜂窝用户集合,计算***中所有D2D用户与蜂窝用户之间的干扰系数,干扰系数的定义为:
其中,hj,B与hi,j原本分别表示D2D用户j发射端到基站的信道增益和蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益,但是当D2D用户j与蜂窝用户i共同使用同一上行链路后,其信道增益就会变成干扰噪声增益,如果干扰噪声增益过大就会降低D2D用户与蜂窝用户的SINR;因此,在D2D用户选择复用的蜂窝用户时,应选择干扰噪声增益较低的蜂窝用户;然而,仅依据干扰噪声增益并不足以全面衡量所选择信道的优劣;为此,添加蜂窝用户i到基站的信道增益hi,B与D2D用户j发射端到任意D2D用户接收端的信道增益hj生成干扰系数来综合考虑所选信道的优劣;干扰系数越小,所选信道便越优;
4)D2D用户选择蜂窝用户的频谱资源进行复用,使***的干扰系数最小:D2D用户选择所复用的蜂窝用户的策略为:
1-4)判断是否存在未分配频谱资源的D2D用户,如果存在,进入步骤2-4),如果不存在,进入步骤8-4);
2-4)找出可复用蜂窝用户数目最少的D2D用户组Y;
3-4)判断D2D用户组Y中的个数是否为1,若为1,进入步骤4-4),否则,进入步骤5-4);
4-4)将可复用蜂窝用户集中干扰系数最小的蜂窝用户与该D2D用户匹配;
5-4)将Y中D2D用户与其可复用蜂窝用户之间的干扰系数组合成干扰系数矩阵;
6-4)运用图论中匈牙利算法完成蜂窝用户与D2D用户的匹配,使矩阵中干扰系数和最小;
7-4)将已配对的蜂窝用户从未完成匹配D2D用户的可复用蜂窝集中剔除,并更新xi,j,返回步骤1-4);
8-4)完成蜂窝用户与D2D用户的配对;
5)在满足D2D用户与蜂窝用户最低SINR的前提下求出D2D用户的最优发射功率:在D2D用户与蜂窝用户完成匹配之后,求出D2D用户的最优发射功率以最大化***的吞吐量,最优功率的判定准则为:
其中,表示蜂窝用户i的吞吐量,表示D2D用户j的吞吐量,***的总吞吐量为蜂窝用户吞吐量与D2D用户吞吐量的和,为了满足蜂窝用户与D2D用户能够正常通信并保证双方各自的通信质量,因此蜂窝用户与D2D用户必须同时大于最低SINR,由此可以得到D2D用户发射端的发射功率范围为:
而可以等价于***的总吞吐量为关于D2D发射功率的凸函数,存在一个驻点且满足因此,最优发射功率存在于D2D发射功率范围的边界,将D2D发射功率的边界值代入***吞吐量进行计算,得到***吞吐量最大的功率值即为最优功率
在步骤4)中,采用以干扰系数为判断准则进行蜂窝用户与D2D用户的匹配,并根据D2D用户可复用蜂窝用户数目的多少来选定分配的优先顺序,确保了分配公平性的同时降低了蜂窝用户与D2D用户之间的同频干扰。
这种方法能提高***的频谱利用率、抑制D2D用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰、在保证蜂窝用户与D2D用户最低SINR的同时增大***的吞吐量。
附图说明
图1为实施例中蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型示意图;
图2为实施例中方法流程示意图;
图3为实施例中D2D用户选择蜂窝用户频谱资源复用的流程图;
图4为实施例方法与其他方法在D2D用户递增的条件下对基站造成干扰的曲线图对比示意图;
图5为实施例方法与其他方法在D2D用户递增的条件下***吞吐量增加的曲线图对比示意图;
图6为实施例方法与其他方法在D2D用户距离递增的条件下***吞吐量增加的曲线图对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述,但不是对本发明的限定。
实施例:
参照图2,一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法,包括如下步骤:
1)计算共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比与蜂窝用户i的信干噪比假设蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络中有N个蜂窝用户和M对D2D用户,且N≥M,蜂窝用户集可用N={1,2,…,n}表示,D2D用户的用户集可用M={1,2,…,m}表示,则共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比与蜂窝用户i的信干噪比分别为:
其中,表示蜂窝用户i的发射功率,hi,B表示蜂窝用户i到基站的信道增益,表示D2D用户j发射端的发射功率,hj,B表示D2D用户j发射端到基站的信道增益,hj表示D2D用户j发射端到接收端的信道增益,hi,j表示蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益,N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度;
2)判断D2D用户j能否复用与蜂窝用户i的频谱资源:判断D2D用户j能否复用蜂窝用户i的频谱资源的判定准则为:
其中,γth为D2D用户与蜂窝用户各自能成功建立通信链路所必须满足的最低SINR,为D2D用户发射端的最大发射功率,若满足上式,则D2D用户j可以复用蜂窝用户i的频谱资源,依据判定准则可以得到D2D用户j可复用的蜂窝用户集合;
3)计算D2D用户与可复用蜂窝用户之间的干扰系数:依据步骤2)得到的D2D用户j可复用的蜂窝用户集合,计算***中所有D2D用户与蜂窝用户之间的干扰系数,干扰系数的定义为:
其中,hj,B与hi,j原本分别表示D2D用户j发射端到基站的信道增益和蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益,但是当D2D用户j与蜂窝用户i共同使用同一上行链路后,其信道增益就会变成干扰噪声增益,如果干扰噪声增益过大就会降低D2D用户与蜂窝用户的SINR;因此,在D2D用户选择复用的蜂窝用户时,应选择干扰噪声增益较低的蜂窝用户;然而,仅依据干扰噪声增益并不足以全面衡量所选择信道的优劣;为此,添加蜂窝用户i到基站的信道增益hi,B与D2D用户j发射端到任意D2D用户接收端的信道增益hj生成干扰系数来综合考虑所选信道的优劣;干扰系数越小,所选信道便越优;
4)D2D用户选择蜂窝用户的频谱资源进行复用,使***的干扰系数最小:D2D用户选择所复用的蜂窝用户的策略为:
1-4)判断是否存在未分配频谱资源的D2D用户,如果存在,进入步骤2-4),如果不存在,进入步骤8-4);
2-4)找出可复用蜂窝用户数目最少的D2D用户组Y;
3-4)判断D2D用户组Y中的个数是否为1,若为1,进入步骤4-4),否则,进入步骤5-4);
4-4)将可复用蜂窝用户集中干扰系数最小的蜂窝用户与该D2D用户匹配;
5-4)将Y中D2D用户与其可复用蜂窝用户之间的干扰系数组合成干扰系数矩阵;
6-4)运用图论中匈牙利算法完成蜂窝用户与D2D用户的匹配,使矩阵中干扰系数和最小;
7-4)将已配对的蜂窝用户从未完成匹配D2D用户的可复用蜂窝集中剔除,并更新xi,j,返回步骤1-4);
8-4)完成蜂窝用户与D2D用户的配对;
5)在满足D2D用户与蜂窝用户最低SINR的前提下求出D2D用户的最优发射功率:在D2D用户与蜂窝用户完成匹配之后,求出D2D用户的最优发射功率以最大化***的吞吐量,最优功率的判定准则为:
其中,表示蜂窝用户i的吞吐量,表示D2D用户j的吞吐量,***的总吞吐量为蜂窝用户吞吐量与D2D用户吞吐量的和,为了满足蜂窝用户与D2D用户能够正常通信并保证双方各自的通信质量,因此蜂窝用户与D2D用户必须同时大于最低SINR,由此可以得到D2D用户发射端的发射功率范围为:
而可以等价于***的总吞吐量为关于D2D发射功率的凸函数,存在一个驻点且满足因此,最优发射功率存在于D2D发射功率范围的边界,将D2D发射功率的边界值代入***吞吐量进行计算,得到***吞吐量最大的功率值即为最优功率
在步骤4)中,采用以干扰系数为判断准则进行蜂窝用户与D2D用户的匹配,并根据D2D用户可复用蜂窝用户数目的多少来选定分配的优先顺序,确保了分配公平性的同时降低了蜂窝用户与D2D用户之间的同频干扰。
仿真结果证明本例方法相比基于图的分配方案和随机资源分配算法,提升了***整体的吞吐量和频谱利用率,减轻了用户密集场景下的基站负载,本例方法仿真参数见表1
表1:
如图4所示,随着***中D2D对数的增加,基站处所受到的干扰在增加,这是因为随着D2D用户数的增加,对基站造成干扰的D2D数目也会随之增多,所以基站所受干扰也会增大,而相对于其他的方法,本例方法能够更加有效地降低基站所受的干扰。
如图5所示,随着D2D用户数目的增加,***的吞吐量也会随之增大,与其他方法相对比,运用本例方法的方法,能够在相同信道条件下通过对资源的合理分配使***的吞吐量达到最大值。
如图6所示,D2D用户之间的距离越大,***的吞吐量就会越低,这是由于增大了D2D用户之间距离之后,D2D用户对之间的路径损耗就会增大,这会使D2D用户之间的信道增益降低,从而导致***整体的吞吐量下降,但是从图中也可以看出,即使在***信道增益较低的情况下,本例方法相对于其他两个方案依然能够提供较大的***吞吐量。
仿真结果证明本例方法能够有效增加***整体的吞吐量,减轻用户密集场景下的基站负载。
Claims (1)
1.一种基于频谱分配与功率控制的多用户D2D通信资源分配方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)计算共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比与蜂窝用户i的信干噪比假设蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络中有N个蜂窝用户和M对D2D用户,且N≥M,蜂窝用户集用N={1,2,…,n}表示,D2D用户的用户集用M={1,2,…,m}表示,则共享同一频谱资源后D2D用户j的信干噪比与蜂窝用户i的信干噪比分别为:
其中,表示蜂窝用户i的发射功率,hi,B表示蜂窝用户i到基站的信道增益,表示D2D用户j发射端的发射功率,hj,B表示D2D用户j发射端到基站的信道增益,hj表示D2D用户j发射端到接收端的信道增益,hi,j表示蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益,N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度;
2)判断D2D用户j能否复用与蜂窝用户i的频谱资源:判断D2D用户j能否复用蜂窝用户i的频谱资源的判定准则为:
其中,γth为D2D用户与蜂窝用户各自能成功建立通信链路所必须满足的最低SINR,为D2D用户发射端的最大发射功率,若满足上式,则D2D用户j可以复用蜂窝用户i的频谱资源,依据判定准则可以得到D2D用户j可复用的蜂窝用户集合;
3)计算D2D用户与可复用蜂窝用户之间的干扰系数:依据步骤2)得到的D2D用户j可复用的蜂窝用户集合,计算***中所有D2D用户与蜂窝用户之间的干扰系数,干扰系数的定义为:
其中,hj,B与hi,j原本分别表示D2D用户j发射端到基站的信道增益和蜂窝用户i到D2D用户j接收端的信道增益,但是当D2D用户j与蜂窝用户i共同使用同一上行链路后,其信道增益就会变成干扰噪声增益,如果干扰噪声增益过大就会降低D2D用户与蜂窝用户的SINR;因此,在D2D用户选择复用的蜂窝用户时,应选择干扰噪声增益较低的蜂窝用户;然而,仅依据干扰噪声增益并不足以全面衡量所选择信道的优劣;为此,添加蜂窝用户i到基站的信道增益hi,B与D2D用户j发射端到任意D2D用户接收端的信道增益hj生成干扰系数来综合考虑所选信道的优劣;干扰系数越小,所选信道便越优;
4)D2D用户选择蜂窝用户的频谱资源进行复用,使***的干扰系数最小:D2D用户选择所复用的蜂窝用户的策略为:
1-4)判断是否存在未分配频谱资源的D2D用户,如果存在,进入步骤2-4),如果不存在,进入步骤8-4);
2-4)找出可复用蜂窝用户数目最少的D2D用户组Y;
3-4)判断D2D用户组Y中的个数是否为1,若为1,进入步骤4-4),否则,进入步骤5-4);
4-4)将可复用蜂窝用户集中干扰系数最小的蜂窝用户与该D2D用户匹配;
5-4)将Y中D2D用户与其可复用蜂窝用户之间的干扰系数组合成干扰系数矩阵;
6-4)运用图论中匈牙利算法完成蜂窝用户与D2D用户的匹配,使矩阵中干扰系数和最小;
7-4)将已配对的蜂窝用户从未完成匹配D2D用户的可复用蜂窝集中剔除,并更新xi,j,返回步骤1-4);
8-4)完成蜂窝用户与D2D用户的配对;
5)在满足D2D用户与蜂窝用户最低SINR的前提下求出D2D用户的最优发射功率:在D2D用户与蜂窝用户完成匹配之后,求出D2D用户的最优发射功率以最大化***的吞吐量,最优功率的判定准则为:
其中,表示蜂窝用户i的吞吐量,表示D2D用户j的吞吐量,***的总吞吐量为蜂窝用户吞吐量与D2D用户吞吐量的和,为了满足蜂窝用户与D2D用户能够正常通信并保证双方各自的通信质量,因此蜂窝用户与D2D用户必须同时大于最低SINR,由此可以得到D2D用户发射端的发射功率范围为:
而可以等价于***的总吞吐量为关于D2D发射功率的凸函数,存在一个驻点且满足因此,最优发射功率存在于D2D发射功率范围的边界,将D2D发射功率的边界值代入***吞吐量进行计算,得到***吞吐量最大的功率值即为最优功率
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CN111031547A (zh) | 2020-04-17 |
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