本发明涉及通信领域，具体来说，涉及一种动态频谱分配方法和装置。
背景技术：
d2d(device-to-device，设备间)通信也称为邻近发现技术，其是指当需要进行通信的终端距离比较近时，两者可以在基站的控制下建立直连链路进行数据传输的一种通信方式，这种通信方式不仅可以通过频谱共享的方式来复用蜂窝用户的频段，也在一定程度上通过设备直连来减轻了基站转发所带来的系统开销负担，从而实现了绿色通信。
d2d通信在现阶段由于运营商管理收费规则未达成一致等因素难以达到单独铺设，因此在现有蜂窝网络中加以利用d2d通信来提高系统的频谱利用率，可以有效地利用频谱资源，可以达到缓解频谱资源稀缺现象的目的，例如，传统的方案是d2d用户以极小的功率来复用蜂窝用户频谱，以类似于衬底噪声的形式在系统中低功率短距离的通信(substrated2dtransmission，简称sdt，d2d底层传输)，但是，现有技术的方案中的频谱利用率较低。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现要素：
针对相关技术中的问题，本发明提出一种动态频谱分配方法和装置，其可以在保证蜂窝用户正常通信的前提下，通过d2d用户协作蜂窝用户进行传输，并以此获得的系统增益来动态增加分配给的d2d用户的频谱资源，从而使频谱得以更有效的利用。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种动态频谱分配方法。
该动态频谱分配方法包括：将每个传输帧划分为第一子帧和第二子帧，以及在第一子帧中，将信号分别发送给所有的d2d用户和蜂窝用户；在至少一个d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从所有的解码成功的d2d用户中选择一d2d用户，以及在第二子帧中，通过选择后的d2d用户将信号发送给蜂窝用户；蜂窝用户将第一子帧中发送的信号和第二子帧中发送的信号进行合并。
根据本发明的一个实施例，动态频谱分配方法还包括：在所有的d2d用户均未对信号解码成功的情况下，在第二子帧中，将信号重新发送给蜂窝用户。
根据本发明的一个实施例，动态频谱分配方法还包括：将所有的d2d用户分成多组，以及在至少一组d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从解码成功的多组d2d用户中选择一d2d用户。
根据本发明的一个实施例，根据预设的选择规则从所有的解码成功的d2d用户中选择一d2d用户包括：在所有解码成功的d2d用户中，选择与蜂窝用户通信中拥有最高信噪比的d2d用户。
根据本发明的一个实施例，第一子帧和第二子帧相等。
根据本发明的另一方面，提供了一种动态频谱分配装置。
该动态频谱分配装置包括：发送模块，用于将每个传输帧划分为第一子帧和第二子帧，以及在第一子帧中，将信号分别发送给所有的d2d用户和蜂窝用户；选择发送模块，用于在至少一个d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从所有的解码成功的d2d用户中选择一d2d用户，以及在第二子帧中，通过选择后的d2d用户将信号发送给蜂窝用户；合并模块，用于将第一子帧中发送的信号和第二子帧中发送的信号进行合并。
根据本发明的一个实施例，动态频谱分配装置还包括：重新发送模块，用于在所有的d2d用户均未对信号解码成功的情况下，在第二子帧中，将信号重新发送给蜂窝用户。
根据本发明的一个实施例，选择发送模块，还用于将所有的d2d用户分成多组，以及在至少一组d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从解码成功的多组d2d用户中选择一d2d用户。
根据本发明的一个实施例，选择发送模块包括：选择子模块，用于在所有解码成功的d2d用户中，选择与蜂窝用户通信中拥有最高信噪比的d2d用户。
根据本发明的一个实施例，第一子帧和第二子帧相等。
本发明的有益技术效果在于：
本发明通过将每个传输帧划分为第一子帧和第二子帧，以及在第一子帧中，将信号分别发送给所有的d2d用户和蜂窝用户，随后在至少一个d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从所有的解码成功的d2d用户中选择一d2d用户，以及在第二子帧中，通过选择后的d2d用户将信号发送给蜂窝用户，最后蜂窝用户将第一子帧中发送的信号和第二子帧中发送的信号进行合并，从而在保证蜂窝用户正常通信的前提下，通过d2d用户协作蜂窝用户进行传输，并以此获得的系统增益来动态增加分配给的d2d用户的频谱资源，从而使频谱得以更有效的利用。
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是根据本发明实施例的动态频谱分配方法的流程图；
图2是通过传统方案接入d2d用户的数量的变化示意图；
图3是通过本发明的技术方案接入d2d用户的数量的变化示意图；
图4是通过传统方案和本发明的技术方案实现的最大化的可接入d2d用户的数量的变化示意图；
图5是通过传统方案和本发明的技术方案实现的频谱利用率的变化示意图；
图6是根据本发明实施例的动态频谱分配装置的框图。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种动态频谱分配方法。
如图1所示，根据本发明实施例的动态频谱分配方法包括：步骤s101，将每个传输帧划分为第一子帧和第二子帧，以及在第一子帧中，将信号分别发送给所有的d2d用户和蜂窝用户；步骤s103，在至少一个d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从所有的解码成功的d2d用户中选择一d2d用户，以及在第二子帧中，通过选择后的d2d用户将信号发送给蜂窝用户；步骤s105，蜂窝用户将第一子帧中发送的信号和第二子帧中发送的信号进行合并。
在该实施例中，根据本发明实施例的动态频谱分配方法包括：步骤s1，将每个传输帧tk划分为两个相等的子帧，定义为tk，1和tk，2，在第一个子帧tk，1中，蜂窝基站e下行传输信号xe给系统中的所有d2d用户dti(0＜i＜m，并且i为正整数)和蜂窝用户p；步骤s2，若d2d用户dti成功对信号xe解码，选择出它与蜂窝用户p中出现最高的信噪比的那个用户；步骤s3，在tk，2中，选择步骤s2中信噪比最高的d2d用户将信号xe传给蜂窝用户p；步骤s4，若d2d用户dti均未对信号xe解码成功，在tk，2中，蜂窝基站e要重新将信号xe传给蜂窝用户p；步骤s5，在蜂窝用户(或接收端)p，采用最大比合并方法，和合并tk，1和tk，2的信号。从而，由于d2d用户帮助蜂窝用户p传输，同样的信号xe通过不同的路径传输给目的用户p，这必将给系统带来一定的分集增益，系统整体性能提升。同时，还由于d2d用户的加入，对系统中的蜂窝用户带来了一定的干扰，分集增益可抵消部分的干扰，在增益与干扰相互抵消的同时，d2d用户获得了系统分配的更多频谱，可以进行d2d通信。因此，通过上述这种方式的协作传输，更合理地分配了频谱资源，从而也有效地提高了系统的频谱利用率。
借助于本发明的上述技术方案，通过将每个传输帧划分为第一子帧和第二子帧，以及在第一子帧中，将信号分别发送给所有的d2d用户和蜂窝用户，随后在至少一个d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从所有的解码成功的d2d用户中选择一d2d用户，以及在第二子帧中，通过选择后的d2d用户将信号发送给蜂窝用户，最后蜂窝用户将第一子帧中发送的信号和第二子帧中发送的信号进行合并，从而在保证蜂窝用户正常通信的前提下，通过d2d用户协作蜂窝用户进行传输，并以此获得的系统增益来动态增加分配给的d2d用户的频谱资源，从而使频谱得以更有效的利用。
根据本发明的一个实施例，动态频谱分配方法还包括：在所有的d2d用户均未对信号解码成功的情况下，在第二子帧中，将信号重新发送给蜂窝用户。
根据本发明的一个实施例，动态频谱分配方法还包括：将所有的d2d用户分成多组，以及在至少一组d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从解码成功的多组d2d用户中选择一d2d用户。
根据本发明的一个实施例，根据预设的选择规则从所有的解码成功的d2d用户中选择一d2d用户包括：在所有解码成功的d2d用户中，选择与蜂窝用户通信中拥有最高信噪比的d2d用户。
根据本发明的一个实施例，第一子帧和第二子帧相等。
为了更好的描述本发明的技术方案，下面通过具体的实施例进行详细的描述。
在本发明的技术方案中，用e表示蜂窝基站，用p表示蜂窝移动电话用户(或蜂窝用户)，dti–dri表示第i个d2d发射机–接收机对，其中，i为1，…，n，即i为正整数。同时，假设蜂窝基站e传输信号xe到蜂窝用户p，功率是pe，数据传输率是re。d2d发射机dti传输信号xdt到接收机dri，功率是pdt，数据传输率是r。为便于分析，进一步假设d2d发射机的传输功率彼此相等，也就是pdt1＝……＝pdti＝pd。此外，用yi表示在i点接收到的信号，用pout表示中断概率，px表示x发生概率。
此外，通常情况下，假设d2d用户与蜂窝移动电话用户p共享网络资源。因此，d2d传输会对蜂窝传输产生干扰。为了解决上述问题，d2d系统中需要进行功率控制，只要满足d2d用户与蜂窝移动电话用户的qos(qualityofservice，服务质量)的需求，多个d2d对可以同时占用信道。但是，面临的问题是在传统的方案中，如果访问d2d对的数量增加了，对蜂窝传输的干扰也会明显增加。为了解决这个问题，提出了本发明的方案，通过协助蜂窝传输，使d2d用户获得了访问的机会，同时，本发明用性能中断概率量化qos，即数据链的中断概率应保持或低于给定的门限值，具体如下：
在传统方案中，在保证前k个d2d用户的qos的要求的前提下，可以允许前k(0≤k≤n)个d2d用户共享被蜂窝用户p占用的频谱，因为如果一旦再增加d2d用户的个数，就不能保证蜂窝用户的qos。在这种情况下，k个d2d用户和蜂窝移动电话用户，在一个时间段tk内，可以同时传输信号。由于蜂窝用户qos的限制，这种方案在不干扰蜂窝用户的前提下，接入的d2d用户数非常有限，并不能从根本上提升系统的频谱利用率。
在本发明的方案中，允许前m(0≤m≤n)个d2d发射机协助蜂窝用户p的蜂窝传输，从而换取一部分频谱来应用于d2d传输。在d2d用户给系统带来干扰的同时，d2d用户的协作传输也为系统带来了相当可观的分集增益，以此来抵消掉给系统带来的干扰，其具体地过程如下：
首先，分别将每个时间段tk划分为两个相等的子帧，定义为tk，1和tk，2，以及在第一个子帧tk，1中，蜂窝基站e传播信号xe给d2d发射机dti和蜂窝用户p之后，d2d发射机成功对信号xe解码，选择出它与蜂窝用户p中出现最高的信噪比的那个用户，在tk，2中，选择它将信号xe传给蜂窝用户p。如果发现在tk，1中所有m个d2d发射机都不能对信号xe进行解码，在tk，2中蜂窝基站e将重新发送tk，2到蜂窝用户p。这里，d2d发射机采用解码和转发协议，蜂窝用户p采用了最大比合并的方法，合并了tk，1和tk，2的信号。d2d用户协助蜂窝传输，只要能保证p中的qos，蜂窝基站e将释放部分1-β的蜂窝频谱的频带给d2d用户，假设p端的频带宽度为w，其中，0≤β≤1。同时，下一步将这里释放的频谱进一步划分为k个子信道，都带有相同的频带宽度，包括前k个d2d用户和之后的每一个d2d对，都是在不同的tk子信道中进行操作的，这表明d2d的发射机可以既能协作蜂窝信号进行传输，同时在新提出的方案中也可以发送自己的信号，因为它使用了不同的频段。特别说明地是，在d2d的发射机中可以很容易地实现，因为此类发射机中一般配备了多个无线接入访问技术。
为了更好的描述本发明的技术方案相对于现有技术sdt的有益效果，下面通过仿真结果进行相关的分析。
首先，假设异构无线网络在500m×500m的正方形区域，这里蜂窝基站e位于这个区域的中心。所有可使用的d2d用户对的数量是n＝60，与蜂窝基站e的距离200m的是其接收的蜂窝用户p，设定成蜂窝用户p和蜂窝基站之间的间隔距离de，c＝200m。同时，对于d2d对是随机放置的正方形区域中的，每个d2d发射机之间的最大距离和接收器的设定是20m，另外，协作d2d发射机的数量是m＝2，路径损耗设为常量为c＝0.8，路径损耗指数是α＝4，蜂窝链接e-p的带宽是w＝1mhz(兆赫)，awgn(additivewhitegaussiannoise，加性高斯白噪声)的功率谱密度是4.0×10-21w/hz和每个d2d发射机的功率预算是po＝pdc+pdd＝10dbm，其中，pdc为d2d发射机的协作功率，pdd为d2d发射机的d2d功率。
此外，如图2所示，在传统方案中，仿真出可接入d2d用户的数量随着发射机的功率pd的变化关系图，数据传输率是re＝rdti＝0.1bits/s/hz(频谱效率)，中断概率门限值是ρp＝ρd＝0.08。
首先，在传统的方案中，可接入的d2d用户数量对应于d2d发射机的功率pd之间的关系，如图2所示，其中，横坐标pd为d2d发射机的传输功率，且sdtwithpe＝400dbm表示在现有技术方案中，蜂窝基站e传输信号xe到蜂窝用户p的功率为400dbm，sdtwithpe＝200dbm表示现有技术方案中，蜂窝基站e传输信号xe到蜂窝用户p的功率为200dbm，可以看到的是对应于不同的蜂窝基站发射功率所仿真出得两条折线，两条折线的变化趋势是相同的，当d2d发射机的功率较小时，由于d2d用户间最低发射功率要求的限制，系统中接入的d2d用户数量较少，随着d2d发射机功率的增加，当d2d之间的要求的功率得以满足，系统中将允许越来越多的d2d用户加入到系统中，此时折线呈现上升的趋势。但是随着d2d用户的增多，必将给系统带来越来越多的干扰，在蜂窝用户的qos的限制下，可允许接入的d2d用户数量达到最大值后，随着d2d发射机的功率增加，呈现减少的趋势。其仿真效果与上一小节的理论研究一致。
另外，如图3所示，其中，横坐标pdc为d2d发射机的协作功率，且cdtwithpe＝300dbm表示在本发明的技术方案中，蜂窝基站e传输信号xe到蜂窝用户p的功率为300dbm，cdtwithpe＝200dbm表示在本发明的技术方案中，蜂窝基站e传输信号xe到蜂窝用户p的功率为200dbm，在本发明的技术方案中，仿真中可接入d2d用户数量随着协作功率pdc的变化关系图，数据速率是re＝rdti＝0.2bits/s/hz，中断概率门限值是ρp＝10-6和ρd＝10-3。
从图3中可以得知，随着d2d用户用于协作蜂窝移动用户进行传输的功率增大，以此为代价所换回的用于d2d用户进行数据传输的频谱越来越多，可接入蜂窝网络的d2d用户个数也越来越大，但当由于d2d用户的加入所带来的干扰效应大于给蜂窝移动用户带来的分集增益效应的时候，系统中可接入的d2d用户数就会呈现下降的趋势。因此，可以调整d2d发射机的协作功率，从而将可接入蜂窝网络的d2d用户对最大化。
此外值得注意的是，在传统的方案中，在基站发射功率较大的情况下，不能通过增加基站发射功率的方法来进一步使可接入蜂窝的d2d用户数量最大化。图2中，在基站发射功率不同的情况下，系统允许d2d用户接入的数量的最大值是相同的。只是对应不同的基站发射功率pe，d2d用户数量接入值达到最大值时，所需要的d2d用户的发射功率不同。但基站的发射功率或d2d发射机的发射功率的增大均需要相应对方功率的同时增大来保证系统信号干扰比的均衡，因此，传统方案在基站发射功率较大的情况下不能通过增加基站发射功率来提升可接入系统的d2d用户的数量。但本发明的技术方案明显可以通过提升基站的发射功率，来提高蜂窝网络的传输性能，由此，可以在某种程度上可以视为对d2d协作传输的加强，因此，传统方案可以通过提升基站发射功率，让可接入蜂窝网的d2d用户增加。本发明的技术方案表现比传统方案更优越。
此外，如图4所示，其中，横坐标pe为蜂窝基站e传输信号xe到蜂窝用户p的功率，且sdtwithρp＝ρd＝0.001表示在现有技术方案中，中断概率门限值为0.001，cdtwithρp＝ρd＝0.001表示在本发明的技术方案中，中断概率门限值为0.001，sdtwithρp＝ρd＝0.08表示在现有技术方案中，中断概率门限值为0.08，cdtwithρp＝ρd＝0.08表示在本发明的技术方案中，中断概率门限值为0.08，在传统方法和本发明的技术方案中，仿真出了可接入的d2d用户最大数量随着基站发射功率pe变化的关系图，其中，数据速率是pd＝pdc＝0dbm和re＝rdti＝0.2bits/s/hz。
另外，仿真图4所描述的是传统方案和本发明的技术方案中最大化的可接入蜂窝网的d2d用户数量。从图4中可以明显的看出，传统方案相比本发明的技术方案可以有效地提高可接入蜂窝网络的d2d用户数量。在传统方案中，在较低的pe区域，没有d2d用户可以访问蜂窝频谱，而本发明的技术方案则可接入部分的d2d用户，同时可以协作蜂窝进行传输。同时，在传统方案中，高pe区域，最大数量的可接入d2d用户数量将保持一个恒定的数值，如图2所示。然而，在本发明的技术方案中，当基站发射功率pe较高时，由于协作蜂窝传输，可释放的频谱数量在增多，因此d2d用户的最大可接入蜂窝数量也会随着pe的提高而增加。最后，跟预期的一样，在传统方案和本发明的技术方案中，最大可接入的d2d用户数量可以随着基站发射功率pe的增大而提高。
如图5所示，其中，横坐标pe为蜂窝基站e传输信号xe到蜂窝用户p的功率，且sdtwithρp＝ρd＝0.001表示在现有技术方案中，中断概率门限值为0.001，cdtwithρp＝ρd＝0.001表示在本发明的技术方案中，中断概率门限值为0.001，在传统方案和本发明的技术方案中，仿真出了频谱利用率随着基站发射功率pe变化的关系图，数据传输率为pd＝pdc＝0dbm和re＝rdti＝0.2bits/s/hz。图5研究了本发明的技术方案蜂窝的发射功率与系统频谱利用率之间的关系，并与传统方案做了比较。在单蜂窝传输中，如需要满足给定的服务质量qos，就需要更多的可接入蜂窝的d2d用户，才能保证较高的频谱利用率。因此，这里定义的频谱利用率对应可接入的d2d用户数量，即分配给d2d用户的频谱资源，其适用性针对所有的d2d用户。在图5中观察到，本发明的技术方案与传统方案相比明显提高了频谱利用率。此外，与传统方案对比，本发明的技术方案可以在较低的基站发射功率下即可达到较高的系统的频谱利用率，并且新接入的d2d用户，不仅可以协作蜂窝进行数据传输，也在一定程度上覆盖了蜂窝的盲区。以上两点，均可以减少基站的能量消耗，符合绿色通信的要求。
根据本发明的实施例，还提供了一种动态频谱分配装置。
如图6所示，根据本发明实施例的动态频谱分配装置包括：发送模块61，用于将每个传输帧划分为第一子帧和第二子帧，以及在第一子帧中，将信号分别发送给所有的d2d用户和蜂窝用户；选择发送模块62，用于在至少一个d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从所有的解码成功的d2d用户中选择一d2d用户，以及在第二子帧中，通过选择后的d2d用户将信号发送给蜂窝用户；合并模块63，用于将第一子帧中发送的信号和第二子帧中发送的信号进行合并。
根据本发明的一个实施例，动态频谱分配装置还包括：重新发送模块(未示出)，用于在所有的d2d用户均未对信号解码成功的情况下，在第二子帧中，将信号重新发送给蜂窝用户。
根据本发明的一个实施例，选择发送模块62，还用于将所有的d2d用户分成多组，以及在至少一组d2d用户对信号解码成功的情况下，根据预设的选择规则从解码成功的多组d2d用户中选择一d2d用户。
根据本发明的一个实施例，选择发送模块包括：选择子模块(未示出)，用于在所有解码成功的d2d用户中，选择与蜂窝用户通信中拥有最高信噪比的d2d用户。
根据本发明的一个实施例，第一子帧和第二子帧相等。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过划分两个子帧，若d2d用户成功解码，d2d用户协作蜂窝用户进行传输，换取更多的频谱资源，若d2d用户未成功解码，蜂窝第二次传输信号至蜂窝用户，也会产生分集增益，从而扩大了d2d用户的接入数量，即d2d用户被分配了更多的频谱资源，若d2d用户成功解码时，选择信噪比最大的一对d2d用户进行协作传输，既提高了系统的可靠性，又避免了过多d2d用户对系统带来的干扰。此外，还通过d2d用户协作蜂窝用户进行传输，一定程度上节省了基站的发射功率，符合绿色通信的要求，还通过调整基站的发送功率，扩大分配给d2d用户的频谱资源，还通过调整d2d发射机的功率，从而灵活地控制接入蜂窝网的d2d用户的数量(分配给d2d用户的频谱资源)，从而适应不同应用情况的需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。