異構網(wǎng)絡中基于頻譜資源分配的多d2d通信資源分配方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及的是一種無線通信技術領域的方法，具體是一種異構網(wǎng)絡中基于頻譜 資源分配的多D2D(Device-t〇-Device)通信資源分配方法。
【背景技術】
[0002] 為了滿足急劇增加的多媒體設備和服務對頻譜資源和數(shù)據(jù)速率的需求，無線網(wǎng)絡 朝著異構網(wǎng)絡開始演進。隨著頻譜資源和設備能量受限，如何完善頻譜利用率并降低能耗 是十分重要的。傳統(tǒng)的蜂窩通信模式已經(jīng)很難有效地解決上述問題，所WD2D通信技術的 概念于2009年被引入到LTE網(wǎng)絡中。D2D通信通過建立不經(jīng)過基站的直接傳輸鏈路，利用 D2D短距離通信優(yōu)勢，能夠有效地提升系統(tǒng)吞吐量、系統(tǒng)能耗等性能。并且，通過讓D2D通信 用戶復用蜂窩用戶的頻譜資源，能夠極大地提升頻譜利用率。然而，其引入的干擾問題是無 線系統(tǒng)首要解決的問題。功率控制是實現(xiàn)異構蜂窩網(wǎng)絡中頻譜資源共享的一種關鍵技術， 通過合理地控制蜂窩用戶和D2D用戶的功率，使得當D2D通信接入蜂窩用戶授權頻段時， D2D通信和蜂窩通信對彼此產(chǎn)生的干擾可W不影響對方的正常通信。
[0003] 傳統(tǒng)的異構網(wǎng)絡中對D2D通信采取的資源分配方法，大部分是建立在單D2D通信 系統(tǒng)模型上，來最大化系統(tǒng)吞吐量、頻譜利用率等目標，此時D2D通信需要始終保持最大發(fā) 送功率傳輸數(shù)據(jù)，顯然不滿足綠色通信的要求。與此同時，單D2D通信系統(tǒng)也不滿足實際場 景中多D2D通信共存環(huán)境。
[0004] 一些傳統(tǒng)的異構網(wǎng)絡只考慮了一對D2D通信和一個蜂窩用戶共享頻譜資源的情 況。然而，在實際環(huán)境中，蜂窩用戶的個數(shù)遠遠高于D2D用戶，如果一對D2D通信只能復用 一個蜂窩用戶的頻譜資源，顯然會造成頻譜資源的浪費。
[0005] 有些傳統(tǒng)的異構網(wǎng)絡中對D2D通信采取的資源分配方法，大部分是建立在只保證 單一蜂窩用戶服務質量（QualityofService,Qo巧或者D2D通信QoS的前提上進行的。 顯然，該樣子無法同時保證蜂窩用戶和D2D用戶的QoS。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對一個基站、多蜂窩用戶和多D2D通信用戶共存的上行異構網(wǎng)絡模型， 提出了一種基于頻譜資源分配和最優(yōu)功率控制的資源分配方法。本發(fā)明允許單個D2D通信 復用多個蜂窩用戶的頻譜資源來提高頻譜利用率，每個蜂窩用戶的頻譜資源最多只能被一 個D2D通信共享。當蜂窩用戶和D2D用戶共享頻譜資源時，需要保證蜂窩通信和D2D通信 單頻段上最小可達速率闊值需求W及考慮蜂窩用戶最大發(fā)送功率受限；同時，為充分利用 D2D短距離通信的優(yōu)勢，D2D通信在所有復用的頻譜資源上需要保證一個總可達速率闊值 需求。通過為多D2D通信分配頻譜資源，并且在已分配的頻譜資源基礎上最優(yōu)分配每個D2D 通信在每個選取頻段上的可達速率目標來最優(yōu)化整個D2D通信系統(tǒng)的總功耗。本發(fā)明能夠 同時為多D2D通信分配頻譜資源，并且在已分配到的頻譜資源上最優(yōu)化整個D2D通信系統(tǒng) 的總功耗。相比于傳統(tǒng)的資源分配方法，本方法能夠適用于多D2D通信系統(tǒng)，保證蜂窩通信 和D2D通信的可達速率需求，并且能夠在符合蜂窩用戶最大發(fā)送功率受限的同時節(jié)約整個D2D通信系統(tǒng)的總功耗，更能符合綠色通信的要求。
[0007] 本發(fā)明是通過W下技術方法實現(xiàn)的。
[000引根據(jù)本發(fā)明提供的一種異構網(wǎng)絡中基于頻譜資源分配的多D2D通信資源分配方 法，包括如下具體步驟：
[0009]步驟1;求rfr，其中，rf胃表示D2D通信S在頻段m上所能達到的最大SINR;D2D 通信S即為第S個D2D通信，頻段m即為第m個頻段；S= 1，2,…，S;m= 1，2,…，M;
[0010] 步驟2 ;判斷頻譜資源能否滿足單頻段服務質量需求；
[0011] 步驟3 ;將滿足單頻段服務質量需求的頻譜資源進行排序；
[0012] 步驟4 ;為多D2D通信系統(tǒng)分配頻譜資源；
[0013] 步驟5 ;判斷所分配的頻譜資源能否滿足D2D通信總可達速率闊值需求；
[0014] 步驟6 ;在已分配頻譜資源上，采用拉格朗日乘子法分配每個D2D通信在每個選取 頻段上的SINR目標；
[00巧]步驟7 ;求D2D通信S的功耗;
[0016] 步驟8 ;求整個D2D通信系統(tǒng)的總功耗巧L。
[0017] 優(yōu)選地，的表達式如下：
[001 引
[0019] 其中，下標S= 1, 2,…，S;下標m= 1, 2,…，M;下標S表示D2D通信S，每個D2D 通信主要由D2D通信發(fā)送端和D2D通信接收端組成；S表示D2D通信總個數(shù)；下標m表示蜂 窩用戶m，蜂窩用戶m即為第m個蜂窩用戶，并且蜂窩用戶m使用頻段m;M表示系統(tǒng)蜂窩用 戶總數(shù)；中括號]表示包含對應的區(qū)間端值，小括號（表示不包含對應的區(qū)間端值；其中，
[0020]
[0021] ；^:；^1表示在滿足巧產(chǎn)^和《^胃條件下，020通信8在頻段111上所能達到的最大SINR闊值；其中，胃為單頻段上蜂窩用戶m的最小可達速率闊值需求；為單頻段 上〇2〇通信S的最小可達速率闊值需求；7,嚴為成?對應的SINR，其中，記。。二滬加。_1; 為滿足蜂窩用戶m最大發(fā)送功率約束條件下，D2D通信S在頻段m上所能達到 的最大SINR闊值；j皆胃表示蜂窩用戶m的最大發(fā)送功率；茲，公，各：!，各f；；分別表示蜂窩用 戶m到基站的鏈路信道增益、D2D通信S的鏈路信道增益、蜂窩用戶m到D2D通信S接收端 的鏈路信道增益、D2D通信S發(fā)送端到蜂窩用戶m接收端的鏈路信道增益；N。為系統(tǒng)噪聲。
[0022] 優(yōu)選地，在步驟2中，判斷頻譜資源能否滿足單頻段服務質量需求的判定準則為：
[0023]
[0024] 若滿足上式，則表明D2D通信S在頻段m上存在SINR值e 滿足單 頻段上蜂窩用戶m和D2D通信s最小可達速率闊值Rfmm需求，且蜂窩用戶m的最 大發(fā)送功率闊值巧^胃得W保障；其中，沾表示D2D通信S在頻段m上分配的SINR目標； 尸jDmto為巧嚴n對應的SINR，其中，匪=2皆。'。_1。
[0025] 優(yōu)選地，在步驟3中，將滿足單頻段服務質量需求的頻譜資源進行排序準則為：
[0026] 為D2D通信S在符合步驟2的單頻段服務質量需求判定準則下的頻譜資源中，根 據(jù)胃1的值對頻譜資源進行正序排序；其中，S= 1，2,…，S。
[0027] 優(yōu)選地，在步驟4中，多D2D通信系統(tǒng)頻譜資源分配策略為：
[002引根據(jù)每個D2D通信的頻譜資源排序情況，每一輪依次為每個D2D通信從未被該D2D通信選取的頻段中選取最優(yōu)的頻段，所述最優(yōu)的頻段即頻譜資源排序中最靠前的頻段；
[0029] 在每次選擇頻段的過程中，如果D2D通信所選取的頻段已經(jīng)達到相應用戶所需的 頻段個數(shù)，那么將該頻段依次放入到各自的備選頻段集合中；如果D2D通信在選取該頻段 時發(fā)現(xiàn)該頻段已經(jīng)被其它D2D通信選取，那么采用功耗比較方式；比較該兩個D2D通信用戶 在該頻段上滿足最小可達速率闊值需求時D2D通信的功耗，基站將該頻譜資源分配給功耗 較低的D2D通信；
[0030] 在功耗比較中功耗較高的D2D通信用戶，會選取自身備選頻段集合中排序最靠前 的頻段作為補償，如果該排序最靠前的頻段仍被其他D2D通信所選擇，按照所述功耗比較 方式與該其他D2D通信做功耗比較；直到所有D2D通信選擇的頻段數(shù)目達到各自所需頻段 總數(shù)要求或者所有可用的頻段都已被選擇完畢，系統(tǒng)停止分配頻譜資源。
[0031] 優(yōu)選地，在步驟5中，判斷所分配的頻譜資源能否滿足D2D通信總可達速率闊值需 求的判定準則為：
[0032]
[003引其中，xj%表示頻段m是否被D2D通信S選取的頻段分配因子，x,m= {0,U;x,m=1表示頻段m被D2D通信s選??；x,m= 0表示頻段m沒有被D2D通信s選?。粸镈2D 通信S的總可達速率闊值需求化為D2D通信S總共需要選取的頻段總數(shù)諾上式滿足，則 表示分配給D2D通信S的頻譜資源滿足D2D通信總可達速率闊值需求。
[0034] 優(yōu)選地，在步驟6中，采用拉格朗日乘子法W最優(yōu)方式分配D2D通信在每個選取頻 段上的SINR目標，具體的方法為： N;
[00對采用二分法找到A*，該入*帶入下式中的A滿足芝>鉛(1+;二（又))=兮'；其中， ?=1 下標S。表示選取頻段S。，選取頻段S。即D2D通信S選取的第n個頻段；？(1；)表示在 拉格朗日乘子A下D2D通信S分配到選取頻段S。上的SINR目標，且需滿足：7二（^)為 max(咕（又)，六細），即冶心）不小于單頻段上020通信S最小SINR闊值;rfmin;max(A，B) 表示取A、B中的較大者；其中，
[00測挺。，換蘇，各；分別表示蜂窩用戶Sn到基站的鏈路信道增益、020通信S的鏈路信 道增益、蜂窩用戶S。到D2D通信S接收端的鏈路信道增益、D2D通信S發(fā)送端到蜂窩用戶S。 接收端的鏈路信道增益；乂"'胃表示蜂窩用戶S。單頻段上最小SINR闊值；A表示拉格朗日 乘子，并且A> 0 ;N。為系統(tǒng)噪聲；蜂窩用戶S。表示系統(tǒng)中第S。個蜂窩用戶；蜂窩用戶S。 使用選取頻段S。。
[0039] 優(yōu)選地，f?"表示D2D通信S的功