一種提高頻譜利用率的d2d-p復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信方法，尤其是設(shè)及一種提高頻譜利用率的D2D-P復(fù) 用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信的快速發(fā)展，如何在有限的頻譜資源的情況下，最大化的利用頻譜 資源，一直是研究的熱點。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，將設(shè)備對設(shè)備用戶對(D2D-P)加入到蜂窩網(wǎng)絡(luò)中 復(fù)用其頻譜資源，能提高頻譜利用率，但會對蜂窩用戶帶來不可避免的干擾，影響蜂窩用戶 傳輸速率等性能指標。
[0003] 針對蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜資源利用率不高及D2D-P對蜂窩網(wǎng)絡(luò)造成干擾等問題，Daquan Feng等人（Daquan Feng,Lu Lu, Yi Yuan-Wu ,Geoffrey Ye Li ,Gang Feng, Shaoqian Li.Device-tO-Device Communications Underlaying Cellular Networks , IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,VOL.61 ,NO.8,卵.3541-3551 ,AUGUST 2013)提出如下 方法:通過事先設(shè)定闊值，選擇符合要求的D2D-P，然后采用將功率分配給潛在的蜂窩用戶 和符合要求的D2D-P，最后，在潛在的蜂窩用戶中挑選合適的用戶與符合要求的D2D-P配合， 通過選擇合適范圍的D2D-P、蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、活躍的蜂窩用戶和D2D-P的數(shù)目，最大化系 統(tǒng)的吞吐量增益及訪問速率。此種方法限于蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行鏈路中，只保證了部分蜂窩用戶 的通信需求，沒有具體的消除D2D-P加入蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來的干擾等。
[0004] Lu Yang等人化U Yang,Wei Zhang, Shi Jin, ('Interference Alignment in Device-to-Device LAN 加 derlaying Cellular Networks",I趾E TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUI CAT IONS，VOL. 14，NO. 7，PP. 3715-3723，JULY，2015.)采用干擾對齊算法， 解決D2D-P復(fù)用頻譜資源造成的干擾，方法如下：（I)當基站的上行鏈路沒有完全被蜂窩用 戶占據(jù)時，將D2D-P對蜂窩用戶的干擾對齊到運些空閑鏈路中，從而使蜂窩用戶免于干擾； (2)當基站上行鏈路被完全占據(jù)時，D2D-P能占據(jù)部分上行鏈路，此時設(shè)置干擾闊值，將占據(jù) 的鏈路干擾控制在闊值之下，W此來控制對蜂窩用戶的干擾。此方法雖然消除了D2D-P對蜂 窩用戶通信鏈路的干擾，但當蜂窩用戶較多時，D2D-P造成的干擾不能完全消除，且接入后 的D2D-P數(shù)量及其傳輸速率等性能指標沒有考慮，只考慮了D2D-P接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的中斷概 率。
[0005] Jiamo Jiang等人（Jiamo Jiang,Mugen Peng,Wenbo Wang,Kecheng Zhang," Energy efficiency optimiz曰tion b曰sed on interference 曰Iignment for device-to device MIMO downlink underlaying cellular network" , IEEE Globecom 2013Workshop-Intern曰tion曰I Workshop on Device-t〇-Device(D2D)Commnic曰tion With and Without In打as1:;ruc1:ure ,PP. 585-590,2013.)運用干擾對齊算法消除蜂窩網(wǎng)絡(luò)下行 鏈路干擾，方法如下：先采用了編碼技術(shù)消除D2D-P加入蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來的干擾。然后使用干 擾對齊算法將蜂窩用戶之間的干擾對齊到特定的信號維度，保證蜂窩用戶之間不受干擾； 最后，優(yōu)化后置編碼與線性預(yù)編碼，最大化D2D-P的能量效率?？紤]到了 D2D-P加入蜂窩網(wǎng)絡(luò) 所帶來的干擾及蜂窩用戶之間的干擾，但D2D-P通信指標如吞吐量，誤比特率等性能指標沒 有考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種干擾低、D2D-P 和速率高的提高頻譜利用率的D2D-P復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信方法。
[0007] 本發(fā)明的目的可W通過W下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0008] 一種提高頻譜利用率的D2D-P復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信方法，其特征在于，包括W下步 驟：
[0009 ] S1，建立蜂窩網(wǎng)絡(luò)，所述的蜂窩網(wǎng)絡(luò)包括蜂窩基站、K個蜂窩用戶OJk W及M對設(shè)備 用戶對D2D-Pm，k = 1，2,…，K，m=l，2,…，M，所述的D2D-Pm包括發(fā)射機和接收機，所述的蜂窩 用戶、發(fā)射機和接收機均分別設(shè)有N個發(fā)射天線數(shù)和N個接收天線數(shù)，發(fā)射機向接收機發(fā)送 的信號向量Zm為d行、1列，D2D-Pm到抓k的信道矩陣化,m為N行、N列；
[0010] S2,根據(jù)Hk,m，利用干擾對齊法，求得各D2D-Pm的N行、d列預(yù)編碼矩陣Fm的解集； [00川 S3,計算各D2D-Pm對CUk的干擾矩陣Hk,mFm，設(shè)計正交于Hk,mFm的N行、d列的蜂窩用戶 后置編碼矩陣Wk，k=l ,2,…,K;
[0012] S4,利用基于最小化均方誤差的干擾對齊法，求得所有D2D-P m的發(fā)射機預(yù)編碼矩 陣Fm和接收機后置編碼矩陣Gm,并進行蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信，W獲取各蜂窩用戶C化的信干噪比 (SINR)；
[001引 S5,設(shè)置D2D-Pm的SINR闊值Wth,莉)2D-Pm的SINR小于Wth,則將斑)2D-Pm接入蜂窩 網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置Pm值為1，否則設(shè)置Pm值為0 ;
[0014] S6,根據(jù)發(fā)射機預(yù)編碼矩陣Fm和Pm,利用改進的注水功率分配法對所有D2D-Pm分配 發(fā)送功率Pm;
[0015] S7,根據(jù)步驟S2~S6的矩陣計算結(jié)果及功率分配結(jié)果，進行蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信。
[0016] 所述的步驟S2具體為:將所有的D2D-Pm對OJk的干擾矩陣化,mFm對齊到該抓k接收端 的同一信號子空間上，具體如下式：
[0017] span(化,iFi) = . . . =Span化k'mFm) = . . . =Span化k'MpM)
[001引其中，k = l，2,…，K，span(A)表示矩陣A列向量張成的子空間。
[0019] 所述的步驟S4具體包括W下步驟：
[0020] S41，計算接收機接收到的經(jīng)發(fā)射機預(yù)編碼矩陣Fm處理的信號電平Sm, W及Sm經(jīng)接 收機后置編碼矩陣Gm處理后得到的信號電平是：；
[0021] S42,定義所有D2D-Pm的信號電平均方誤差和EMSE如下：
[0023] 利用拉格朗日乘數(shù)法求解如下所示優(yōu)化問題： mill 化徒'
[0024] Gm'K
[0025] 其中，E{ ?}表示數(shù)學(xué)期望，I IxM2表示矩陣X的范數(shù)平方，Il義I度表示矩陣X的F范 數(shù)，Pm為D2D-Pm發(fā)送功率，iX =P，P為所有的D2D-P總發(fā)送功率。 Hl=I
[0026] 所述的步驟S41中，經(jīng)發(fā)射機預(yù)編碼矩陣Fm處理過的信號電平Sm具體計算如下式：
[002引其中，Pm是D2D-Pm發(fā)射機的發(fā)送功率，Hm,m為D2D-Pm發(fā)射機到接收機的N行、N列信道 矩陣，Hm,功D2D-P潑射機到D2D-Pm接收機的N行、N列信道矩陣，nm為D2D-Pm接收機接收到的 環(huán)境噪聲。
[0029] 所述的步驟S42具體包括W下步驟：
[0030] S420,引入拉格朗日乘數(shù)Am,得到拉格朗日函數(shù)：
[0031] 五招，Gm,義J =《娜 + 4(11 Fm I信-Pm)
[0032] 其中，EMSE見S42的定義。
[0033] S421，分別對拉格朗日函數(shù)中Gm、Fm求偏導(dǎo)數(shù)，并令偏導(dǎo)數(shù)為零，得到等式（1)(2):
[0036] 其中，m= 1，2，…，M，O2為環(huán)境噪聲nm的方差，且EinmnmH} =O2I，I為N階單位矩陣；
[0037] S422，初始化預(yù)編碼矩陣Fm為隨機矩陣，得到N行、d列的隨機矩陣；
[0038] S423，通過式(2)計算得到后置編碼矩陣Gm;
[0039] S424，將式（1)代入功率限制條件Il巧,1臣=，求得U Am含0)，把Am代入式（1)，更 新Fm;
[0040] S425,計算均方誤差和EMSE;
[0041 ] S426，重復(fù)步驟S423~S425，直至EMSE收斂，得到Gm和Fm。
[0042] 所述的S5中，D2D-Pm通信SINR闊值COth為:參與通信的蜂窩用戶測量本地接收