CN111935829A - 一种基于异构网络d2d通信的资源管理算法 - Google Patents

一种基于异构网络d2d通信的资源管理算法 Download PDF

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胡清纯
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Abstract

一种基于异构网络D2D通信的资源管理算法，先在基站端设置一个保护区域，限制D2D用户对基站接收蜂窝用户信号产生干扰；然后按照模糊聚类原则对保护区域外的D2D用户分组，减小D2D用户链路间的相互干扰，同时实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户通信的场景；最后，基于D2D用户通信作为辅助通信不能严重干扰到蜂窝用户通信的原则，通过中断概率为每个D2D用户分组选择可复用其频谱资源通信的蜂窝用户，以保证蜂窝用户的通信质量。该方案不仅有效降低了用户之间的同频干扰，还提高了频谱利用率、***吞吐量以及D2D用户的公平性。

Description

一种基于异构网络D2D通信的资源管理算法
技术领域
本发明涉及资源管理技术，尤其涉及基于异构网络D2D通信的资源管理算法，属于无线通信D2D通信领域。
背景技术
随着移动终端的***式增长，以及终端对多媒体业务需求的急剧增加，传统的蜂窝通信已无法满足5G通信需求，且高速率的数据传输对保证移动无线通信***的服务质量尤为重要。D2D通信是一种在蜂窝***控制下，允许两个近距离终端用户不经过基站转发，而通过复用蜂窝用户的频谱资源直接通信的技术。其特点是能够降低基站负载，提高频谱利用率、增加***吞吐量以及减少***功耗等。因此，本发明将D2D通信技术引入蜂窝网络。然而，当D2D用户通过非正交方式复用蜂窝用户频谱资源通信时，D2D用户和蜂窝用户之间会产生复杂的同频干扰，当用户之间的干扰严重时会影响用户的通信质量甚至导致通信中断。因此，如何管理用户通信资源以提高频谱效率，与此同时，减小用户之间的同频干扰，从而确保用户的通信质量和提高***性能近年来引起了学术界和产业界的广泛关注。
目前，从国内外研究现状来看，国内外专家和学者在资源管理和干扰协调等方面均进行了一些研究，但基本上研究重点都放在一个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源一对一通信场景的应用。传统基于异构网络进行资源分配的专利，其一对一通信场景的应用忽略了用户的公平性，且未能充分利用***的频谱资源实现吞吐量最大化。因此，本发明提出一种多个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源通信的资源管理方法。
发明内容
本发明的目的是：针对在蜂窝用户和D2D用户构成的异构网络中，频谱资源利用率低、同频干扰严重和一个蜂窝用户频谱资源只被一个D2D用户复用通信的问题，本发明提供一种资源管理方法，在保证蜂窝用户和D2D用户通信质量的前提下，降低蜂窝用户与D2D用户之间复杂的同频干扰，与此同时，实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源通信场景，以提高频谱资源利用率，增加***吞吐量，提高D2D用户公平性。
本发明是一种基于异构网络D2D通信的资源管理算法，采用如下技术方案：考虑单小区中多个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源的通信***。其中包括网络接入模块、网络信号处理模块、保护区域模块、D2D用户加权模糊聚类分组模块、公平性分析模块和中断概率分析模块，具体模块功能如下。
1)网络接入模块：用于用户通过互联网信号接入到本通信***。本发明***包含一个位于小区中心的基站(BS)，蜂窝用户集合C＝{1,2...,i}，D2D用户集合D＝{1,2...,j}。信道增益可表示为(1)，式中，ω是路径损耗系数，β是快衰落增益，δ是慢衰落增益，α是路径损耗指数，d是用户之间的传输距离。
G＝ωβδd-α (1)
2)网络信号处理模块：用于用户发送或接收通信请求。D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源通信时，基站端和D2D用户端的信干噪比(SINR)分别表示为(2)和(3)，式中，Pc和Pd分别表示蜂窝用户和D2D用户的发射功率，GcB、GdB和Gd分别是蜂窝用户到基站、D2D用户到基站和D2D用户对的信道增益，N0是加性高斯白噪声，a表示D2D用户是否复用蜂窝用户频谱资源，当D2D用户复用蜂窝用户频谱资源时，a＝1，否则，a＝0。
Figure BDA0002581490890000021
Figure BDA0002581490890000022
3)保护区域模块：用于保证蜂窝用户能够正常通信，即限制D2D用户发送端对基站的干扰。本发明在基站端设置的保护区域大小由保护半径R决定，表示为式(4)，式中，IdB是D2D用户对基站的干扰，由D2D用户的最大发射功率Pmax决定，即IdB＝PmaxGdB，ITL为监察当局设置的干扰温度限制。
R＝inf{r0∈ddB|IdB≤ITL} (4)
D2D用户加权模糊聚类分组模块：用于实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户的频谱资源。将分组问题表示为(5)，式中，μ为模糊分组矩阵，Ω为聚类中心，μjn为D2D用户属于分组的隶属度，m∈(1,∞)为模糊指数，m越大模糊程度越高，||xj-xn||为D2D用户之间的距离。
Figure BDA0002581490890000023
4)公平性分析模块：本发明通过jains公平性评估标准分析D2D用户的公平性，用(6)式表征，其中xj为D2D用户的传输速率，Q为D2D用户数量。
Figure BDA0002581490890000031
5)中断概率分析模块：用于给D2D用户组确定复用频谱资源的蜂窝用户。考虑到通信可靠性，本发明设定中断概率上限为ε(ε<1)，则被复用频谱资源的蜂窝用户的中断概率表示为(7)。
Probility(γc≤β)≤ε (7)。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
所述方法分别通过保护区域概念，用户分组模式以及中断概率分析，有效协调了用户之间复杂的同频干扰问题。
所述方法通过实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源通信的场景，充分利用***频谱资源，提高了频谱利用率。
所述方法相比一个D2D用户复用一个蜂窝用户的频谱资源，保证了用户获得无线资源的公平性，有效解决了***频谱资源分配不均匀问题。
附图说明
图1异构网络D2D通信资源管理算法流程示意图，图2单小区异构网络D2D通信***模型图，图3异构网络D2D通信资源分配结构示意图。
具体实施方式
本发明是一种基于异构网络D2D通信的资源管理算法，其步骤为：
(1)建立单小区中多个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源的通信***模型；
(2)根据步骤(1)建立的无线通信***模型，建立蜂窝网络和D2D用户的通信模型，并对D2D用户是否复用蜂窝用户频谱资源进行判决；
(3)为于保证蜂窝用户能够正常通信，限制D2D用户发送端对基站的干扰，通过限制保护半径来分析干扰；
(4)利用加权模糊聚类分组对D2D用户进行分组，实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户的频谱资源；
(5)利用jains公平性评估标准分析D2D用户的公平性；
(6)考虑到通信可靠性，D2D用户组确定复用频谱资源的蜂窝用户，并计算中断概率。
以上所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，所述步骤(1)建立的通信***模型，具体按以下过程实施：
该模型包含一个位于小区中心的基站(BS)，一个蜂窝用户集合C以及一个D2D用户集合D；用ω表示路径损耗系数，β是快衰落增益，δ是慢衰落增益，α是路径损耗指数，d是用户之间的传输距离；信道增益可表示为：
G＝ωβδd-α。
以上所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，所述步骤(2)建立蜂窝网络和D2D用户的通信模型，并对D2D用户是否复用蜂窝用户频谱资源进行判决；具体按以下过程实施：
用Pc和Pd分别表示蜂窝用户和D2D用户的发射功率，GcB、GdB和Gd分别是蜂窝用户到基站、D2D用户到基站和D2D用户对的信道增益，N0是加性高斯白噪声，a表示D2D用户是否复用蜂窝用户频谱资源，当D2D用户复用蜂窝用户频谱资源时，a＝1，否则，a＝0；
D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源通信时，基站端和D2D用户端的信干噪比(SINR)分别表示为：
Figure BDA0002581490890000041
以上所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，所述步骤(3)通过限制保护半径来管理干扰，具体按以下过程实施：
D2D用户复用蜂窝用户频谱资源通信时，基站会受到D2D用户发送端的干扰，因此为保证蜂窝用户能够正常通信，限制D2D用户发送端对基站的干扰，在基站端设置保护区域，在该区域内禁止D2D用户通信；
用IdB表示D2D用户对基站的干扰，由D2D用户的最大发射功率Pmax决定，即IdB＝PmaxGdB，ITL为监察当局设置的干扰温度限制；将保护半径表示为：
R＝inf{r0∈ddB|IdB≤ITL}。
以上所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，所述步骤(4)利用加权模糊聚类分组对D2D用户进行分组，实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户的频谱资源；具体按以下实施过程：
按照复用同一蜂窝用户频谱资源且距离较远的原则，将保护区域外的D2D用户分为N组，实现多个D2D用户复用同一蜂窝用户频谱资源通信场景。考虑D2D用户各属性值对分组的不同影响，根据实际观测统计确定：(1)D2D用户位置信息；(2)D2D用户SINR要求，引入特征加权系数Ω。
以上所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，所述步骤(5)利用jains公平性评估标准分析D2D用户的公平性；具体按以下实施过程：
为实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源通信，用xj表示D2D用户的传输速率，Q为D2D用户数量，将D2D用户的公平性表示为：
Figure BDA0002581490890000051
以上所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，所述步骤(5)考虑到通信可靠性，D2D用户组确定复用频谱资源的蜂窝用户，并计算中断概率；具体按以下实施过程：
基于中断概率，通过比较被复用频谱资源的蜂窝用户信干噪比与其门限值β，为每个D2D用户组选择一个蜂窝用户复用其频谱资源通信；设定中断概率上限为ε(ε<1)，则被复用频谱资源的蜂窝用户的中断概率表示为：
Probility(γc≤β)≤ε
在中断概率范围内，确保正常通信。
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，因此图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可随意改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明异构网络D2D资源管理算法***模型如图2所示。按照异构网络D2D通信资源分配结构示意图3，首先分析各通信链路信道的数学模型及各用户之间的干扰特性；然后依据已建立好的***模型，执行保护区域模块，在位于小区中心的基站周围设置一个半径为R的圆形保护区域，其半径根据已有条件推导为(8)；再执行D2D用户加权模糊聚类分组模块，将小区内保护区域外的所有D2D用户根据准则分为n组，并利用拉格朗日乘子法构造拉格朗日目标函数(9)，令(9)各一阶偏导数为0，得到用户分组即(5)的优化迭代公式(10)；接着执行公平性分析模块，分析D2D用户的公平性，根据(6)可知当D2D用户的数据传输速率越平均，相应的公平性就越高；最后执行中断概率分析模块，为上一步得到的每个分组选取复用频谱资源的蜂窝用户，根据***模型可知，异构网络中的加性高斯白噪声与同频干扰相比较可忽略不计，因此，可将中断概率表示为(11)，令Ij＝PdGdB，则Ij的矩母函数可表示为(12)，其中，λj为请求复用频谱资源通信的D2D用户数量，对(12)进行拉普拉斯逆变换求解得Ij的概率密度函数(13)，联合(11)和(13)得出中断概率(14)，可以看出被复用频谱资源的蜂窝用户的中断概率与D2D用户数量、D2D用户发送功率和被复用频谱资源的蜂窝用户门限值β成正比例关系。
Figure BDA0002581490890000061
Figure BDA0002581490890000062
Figure BDA0002581490890000063
Figure BDA0002581490890000064
其中，
Figure BDA0002581490890000065
Figure BDA0002581490890000066
Figure BDA0002581490890000067
Figure BDA0002581490890000068
其中，
Figure BDA0002581490890000069
上述实施例只是本发明较佳的可行实施例，只是为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，并非用于限制本发明的专利保护范围，因此，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化和改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于异构网络D2D通信的资源管理算法，其特征在于，其步骤为：
(1)建立单小区中多个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源的通信***模型；
(2)根据步骤(1)建立的无线通信***模型，建立蜂窝网络和D2D用户的通信模型，并对D2D用户是否复用蜂窝用户频谱资源进行判决；
(3)为于保证蜂窝用户能够正常通信，限制D2D用户发送端对基站的干扰，通过限制保护半径来分析干扰；
(4)利用加权模糊聚类分组对D2D用户进行分组，实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户的频谱资源；
(5)利用jains公平性评估标准分析D2D用户的公平性；
(6)考虑到通信可靠性，D2D用户组确定复用频谱资源的蜂窝用户，并计算中断概率。
2.根据权利要求1所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，其特征在于，所述步骤(1)建立的通信***模型，具体按以下过程实施：
该模型包含一个位于小区中心的基站(BS)，一个蜂窝用户集合C以及一个D2D用户集合D；用ω表示路径损耗系数，β是快衰落增益，δ是慢衰落增益，α是路径损耗指数，d是用户之间的传输距离；信道增益可表示为：
G＝ωβδd-α。
3.根据权利要求1所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，其特征在于，所述步骤(2)建立蜂窝网络和D2D用户的通信模型，并对D2D用户是否复用蜂窝用户频谱资源进行判决；具体按以下过程实施：
用Pc和Pd分别表示蜂窝用户和D2D用户的发射功率，GcB、GdB和Gd分别是蜂窝用户到基站、D2D用户到基站和D2D用户对的信道增益，N0是加性高斯白噪声，a表示D2D用户是否复用蜂窝用户频谱资源，当D2D用户复用蜂窝用户频谱资源时，a＝1，否则，a＝0；
D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源通信时，基站端和D2D用户端的信干噪比(SINR)分别表示为：
Figure FDA0002581490880000011
4.根据权利要求1所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，其特征在于，所述步骤(3)通过限制保护半径来管理干扰，具体按以下过程实施：
D2D用户复用蜂窝用户频谱资源通信时，基站会受到D2D用户发送端的干扰，因此为保证蜂窝用户能够正常通信，限制D2D用户发送端对基站的干扰，在基站端设置保护区域，在该区域内禁止D2D用户通信；
用IdB表示D2D用户对基站的干扰，由D2D用户的最大发射功率Pmax决定，即IdB＝PmaxGdB，ITL为监察当局设置的干扰温度限制；将保护半径表示为：
R＝inf{r0∈ddB|IdB≤ITL}。
5.根据权利要求1所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，其特征在于，所述步骤(4)利用加权模糊聚类分组对D2D用户进行分组，实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户的频谱资源；具体按以下实施过程：
按照复用同一蜂窝用户频谱资源且距离较远的原则，将保护区域外的D2D用户分为N组，实现多个D2D用户复用同一蜂窝用户频谱资源通信场景。考虑D2D用户各属性值对分组的不同影响，根据实际观测统计确定：(1)D2D用户位置信息；(2)D2D用户SINR要求，引入特征加权系数Ω。
6.根据权利要求1所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，其特征在于，所述步骤(5)利用jains公平性评估标准分析D2D用户的公平性；具体按以下实施过程：
为实现多个D2D用户复用一个蜂窝用户频谱资源通信，用xj表示D2D用户的传输速率，Q为D2D用户数量，将D2D用户的公平性表示为：
Figure FDA0002581490880000021
7.根据权利要求1所述的基于异构网络D2D通信的资源管理算法，其特征在于，所述步骤(5)考虑到通信可靠性，D2D用户组确定复用频谱资源的蜂窝用户，并计算中断概率；具体按以下实施过程：
基于中断概率，通过比较被复用频谱资源的蜂窝用户信干噪比与其门限值β，为每个D2D用户组选择一个蜂窝用户复用其频谱资源通信；设定中断概率上限为ε(ε<1)，则被复用频谱资源的蜂窝用户的中断概率表示为：
Probility(γc≤β)≤ε
在中断概率范围内，确保正常通信。
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