一种提高含d2d通信的蜂窝网络公平性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及LTE通信技术领域，更具体地涉及一种提高含D2D通信的蜂窝网络公平 性的方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济的增长，社会各行各业对无线通信的需求越来越高，无线电技术迅猛发 展，各种各样的无线通讯设备大量涌现，无线频谱资源越来越紧张。目前，有两种主流方案 应对上述的频谱危机。一种方法是通过部署多个小型基站增加网络密度，以提升系统容量， 如可为室内用户提供可靠覆盖和较高数据速率的"家庭基站"。但是这种方法成本比较高， 而且干扰管理比较复杂。另外一种方法就是实现有限频谱资源上的资源复用，有效提高频 谱资源的利用效率。
[0003] 研究表明，整体频谱资源的利用率比较低，特别是上行链路资源。尽管相比3G网 络，4G网络的频谱资源利用率有了很大的提高，但是与日倶增的无线通信业务需求与有限 的无线频率资源之间的矛盾依然持续加大，无线资源利用率有待进一步提高。
[0004]认知无线电技术能够感知空闲的频谱资源并加以利用，有效提高频谱资源的利用 率，受到了业界的广泛关注，是近来研究的热点。但是，传统认知无线电只能感知空闲频段， 用来进行数据传输，而最佳的频谱资源配置是动态资源分配，即从无线资源管理的角度，实 时地感知用户、业务、信道和网络等信息，并汇集到一起，以进行全局统筹优化。可受蜂窝通 信系统控制的D2D通信技术解决了这一难题。
[0005] D2D(Device-to_Device，端到端)通信是一种在蜂窝网络下，允许D2D设备共享蜂 窝网络的频谱资源，直接进行通信的新型技术。该技术类似于认知无线电技术，但受蜂窝网 络控制。该技术不仅能够提高蜂窝网络中授权频段的频谱利用率，而且能够降低终端发射 功率，设备到设备的直接通信还可以减小传输时延，减羟基站的负载。相邻小区的边缘用户 进行D2D通信，能显著改善小区边缘用户的性能。此外，相对于其他应用于非许可频段的同 类技术，如蓝牙、WiFi等，D2D通信更加稳定、安全，而且干扰可控。
[0006] D2D通信在复用蜂窝网络的频谱资源提高频谱效率的同时，会对蜂窝网络造成同 频干扰。比如当D2D用户与蜂窝用户复用蜂窝网络上行链路资源时，D2D通信的发射端发送 的信号会对蜂窝通信的接收端即基站产生干扰;反过来蜂窝通信的发射端发送的信号对 D2D连接的接收端也是一种同频干扰。这些干扰会严重影响到通信系统的性能，因此干扰管 理在这种复合网络中至关重要。
[0007] 先引入两个对通信系统的评价标准，吞吐量和公平性。
[0008] 吞吐量是评价一个系统性能的重要指标，吞吐量的计算与调制方式有关，信道条 件好，SINR越高，调制编码方式便越高，传输速率也越高。系统平均吞吐量为统计时间内用 户接收的数据量与统计时间之比，具体计算如下：
[0010] T1U)代表第i个用户在统计时间t内的接收到的数据量，N表示所统计的用户个
数。
[0011]系统的公平性由公平指数衡量，公平指数越高，系统的公平性越好。公平指数的计 算方法如下：
[0013]式中N表示系统的用户个数,T1(At)表示用户i在时间间隔At内的实际吞吐量。 公平指数FI( At)越高，说明用户获得的资源越平均，换句话说就是分配越公平。
[0014] 现有技术中，蜂窝系统资源分配最常用的是PF(ProportionalFairness)调度算 法。在没有D2D用户接入网络的情况下，PF算法兼顾了蜂窝系统的公平性与吞吐量，在提高 系统吞吐量的同时，各个用户尽可能公平地共享无线资源，使系统达到一个较好的性能。
[0015] PF算法定义了一个比例公平调度的权重值，权重值越高，用户分配到资源的优先 级越大。但当D2D用户加入网络对蜂窝系统产生了干扰，会使蜂窝系统的调度器在调度权重 值时发生变化，系统的公平性因此遭到了破坏，这使得位于小区边缘或信道质量不好的用 户无法公平的分配到资源，进而系统的整体性能也随之下降。
[0016] PF算法调度权重值的计算公式为：
[0018] 式中G (t)是用户k在RBc(资源快C)上对应的权重值。权重值越高，用户k分配到RBc 的优先级越大。⑴表示t时刻蜂窝用户k在RBc上的瞬时数据速率，Rk(t)表示用户k截止到 t时刻的平均数据速率。（(t)的计算是由用户k在RBc上的CQI ( Channe I Qual i ty Indicator，信道质量指示)决定的，CQI是由参考信号在RBc上的SINR获得的。
[0019] 显然，能够获得较高优先级的用户要么有很好的瞬时数据速率;要么是在之前传 输的数据量比较少，平均数据速率很低。例如处于小区边缘的一个用户，信道质量一直较 差，分配不到无线资源，其平均传输速率就会变小，优先级就会不断提高，最后将得到分配 的资源。相反，当一个用户连续进行通信时，分配到的带宽比较多，随着平均传输速率的增 加，优先级不断变低，最后将无法获得服务。
[0020] PF算法流程图如图1所不：
[0021] 步骤101:查询每个用户的信道质量，测量后反馈，并计算用户在每个RB(资源块） 上的瞬时数据速率rk eM。
[0022]步骤102:查询每个用户的平均数据数率Rk(t)。
[0023]步骤103:将瞬时数据数率和历史平均速率带入到权重值的计算公式(3)中，计算 出每个用户在每个RB上的权重值K(I)。
[0024] 步骤104:将所有的权重值进行排序，并按大小顺序放入集合V中。
[0025] 步骤105:设i = l，表示V中的第1个数据，即最大的权重值。
[0026] 步骤106:判断是否有剩余的资源块RB(ResourceBlock)可用于分配，如果有转入 步骤107,否则结束资源分配。
[0027]步骤107:在集合V中选择第i大的权重值。
[0028] 步骤108:判断RBc是否已经被分配，如果已被分配，转入步骤109,否则转入步骤 IlO0
[0029] 步骤109:执行i+Ι，然后转入步骤107.。
[0030] 步骤110:判断用户k是否有分配到其他的RB。如果有，转入步骤111，否则转入步骤 112〇
[0031] 步骤111 :RBc是否与用户k分配到其他RB相邻，如果相邻转入步骤112,否则转入 109〇
[0032]步骤112:将RBc分配给用户k，并从集合V中删除循环对应的权重值，然后转入步骤 105〇
[0033]为了减少D2D通信对蜂窝网络的干扰，现存的基于吞吐量最大的资源分配方案以 最大化全网吞吐量为目标，为每一个D2D对选择可以使全网吞吐量最大的蜂窝用户用于复 用资源。首先，通过对每个D2D对的复用许可控制，为其选择可复用资源的蜂窝用户，建立可 复用候选集。其次，为每个D2D对和与其复用资源的蜂窝用户进行功率控制。最后，以D2D通 信吞吐量增益最大为原则，进行资源块分配。
[0034]传统方法虽然能够在一定程度上减轻D2D通信对蜂窝通信的干扰，提高全网的吞 吐量，但并没有涉及到减轻D2D通信对蜂窝系统公平性的破坏。系统公平性可以保护小区边 缘用户的QoS需求，为小区中心用户和边缘用户合理调度资源。D2D用户的加入破坏了蜂窝 系统的公平性，这种仅仅追求最大化吞吐量的方案是在牺牲蜂窝系统性能的基础上获得 的，会使处于小区边缘或信道质量较差的用户长期分配不到资源，无法保证这些用户的通 信性能。
【发明内容】
[0035]发明目的：为了既满足系统中通信的QoS需求，又保证蜂窝系统的公平性不被破 坏，在现有技术的基础上，提出了一种新的方案一一基于公平性的资源分配方案，包括如下 步骤：
[0036] 步骤1，对蜂窝网络中的每个D2D对j进行复用许可控制，为每个D2D对j建立可复用 资源的蜂窝用户候选集；
[0037]步骤2,删除不能接入蜂窝网络的D2D对j;
[0038]步骤3，对每个D2D对j和其蜂窝用户候选集中的蜂窝用户进行功率控制；
[0039]步骤4,计算每个D2D对j对应的蜂窝用户候选集中的蜂窝用户i的比例公平权重值 AFij;
[0040]步骤5,以比例公平权重值最小为最优的原则，为每个D2D对j选择最佳蜂窝用户用 于分配复用资源。
[0041 ] 步骤1包括如下步骤：