异构c-ran网络及该网络下的d2d通信模式选择与资源调度联合优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种考虑用户公平性的异构C-RAN网络及该网络下的D2D通信模式选 择与资源调度联合优化方法，属于D2D通信网络资源分配领域。
【背景技术】
[0002] 随着移动多媒体用户数量的巨大增长，4G蜂窝技术已经满足不了移动用户对数据 流量的巨大需求。有限的频谱资源和剧增的数据流量已成为制约通信网络的主要问题。D2D 通信为解决运一问题提供了一个有效的解决途径。由于D2D通信是设备与设备之间近场的 直接通信，而不需要经过基站转发，所WD2D通信具有很多优点。首先，由于D2D通信时短距 离直接通信，所WD2D用户可W享受高的数据传输速率和低的传输时延;其次，D2D提高了频 谱利用率和能量效率；同时，D2D通信还能够减轻网络终端之间的拥挤和减少网络负载量。 模式选择在D2D通信中非常重要，它决定了两个D2D用户之间是否需要建立直接的D2D通信， 并且建立通信后D2D用户是否需要和蜂窝用户复用相同的频谱资源或者是使用专用的频谱 资源。目前研究较多的D2D通信的模式选择通常是限制在单个小区内的D2D通信，且W系统 吞吐量是否最大化为模式选择的判断标准，运种方法忽略了整个D2D通信网络中用户之间 的公平性，并不适用。任何时刻，用户的模式选择应该基于当前用户的瞬时速率和用户之间 的公平性，如果调度者一直选择具有高速率的用户传递信息，那么低信噪比的用户对于数 据流量的需求就会得不到满足。
[0003] 因此，针对D2D用户通信时的公平性问题，考虑到网络实际的负载情况，本发明专 利提出了一种低复杂度的基于D2D用户公平性的联合模式选择和资源调度算法。在最大化 系统总吞吐量的同时，确保D2D用户之间的公平性W及D2D用户和蜂窝用户的信干噪比，从 而确保了 D2D用户和蜂窝用户的链路质量。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决D2D通信网络模式选择过程中用户之间的公平性问题，满足D2D用 户对网络公平性的要求，从而提供了一种可实现D2D通信模式选择的异构C-RAN网络及在该 异构C-RAN网络下的基于用户公平性的D2D通信模式选择与资源调度联合优化方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案：
[0006] 图1是本发明提出的异构C-RAN网络中D2D通信模式选择网络架构。可实现D2D通信 模式选择的异构C-RAN网络，C-RAN网络的架构包括将用户需求业务与接入网连接在一起的 核屯、网UCore Network)、集中数字基带处理功能的基带单元池2(BBU pool)、多个用于数 字-模拟变换后的射频收发的远端射频单元3(RRH)，其中所述基带单元池2与多个远端射频 单元3通过光纤4(Fiber Links)连接；
[0007] 在所述C-RAN网络下构建共存的多层网络:D2D网络5、家庭基站6巧emto cell)、微 微小区7(Pico cell)和宏小区8(Macro cell),形成异构C-RAN网络；
[000引其中D2D网络有S种通信模式可供选择，分别是蜂窝模式5-l(Cellular Mode)、专 用模式5-2(Dedicated Mode)和复用模式5-3(Reused Mode)，该异构C-RAN网络用于集中处 理网络中的资源分配。
[0009] D2D用户(D2D user,DU)通信的模式主要有=种蜂窝模式8,专用模式9和复用模式 10。图2为D2D通信中的蜂窝模式，该模式是指两个用户通信时通过传统的基站转发进行，运 种模式下消耗的信道资源是最多的；图3为D2D通信中的专用模式，该模式是指两个DUs直接 利用专用的不被蜂窝用户（cellular user, CU)占用的信道资源进行通信，与蜂窝通信相比 该模式占用较少的信道资源且由于短距离通信还提高了系统的能量效率;图4为D2D通信中 的复用模式，该模式是指两个DUs直接建立链路进行通信不需经过基站转发，且通信过程中 复用正在被蜂窝用户使用的频谱资源，该通信模式能够提高频谱利用效率，但是也带来了 信道之间的干扰问题。
[0010] 在异构C-RAN网络下，D2D用户终端在建立通信之前必须从上述S种模式中选择一 种通信模式进行通信。该过程可W描述为:首先D2D用户向RRH发送信号，请求与目的用户之 间建立连接，BB诉良据每个时隙内网络的负载情况W及用户之间的公平性利用资源分配算 法给发送请求的D2D用户分配相关的资源，从而建立连接。运个过程动态决定了 D2D链路是 使用传统的蜂窝通信，还是专用的信道资源或者是复用蜂窝用户的资源，在保证D2D用户和 蜂窝用户一定信噪比和D2D用户之间的公平性的情况下，能够提过系统总的频谱利用率。
[0011] 本发明所述的一种异构C-RAN网络下的基于用户公平性的D2D通信模式选择与资 源调度联合优化方法，其流程图如图5所示，通过W下步骤实现：
[001 ^ 步骤一：用户DUl发送信号给R畑请求与用户DU2建立通信；
[0013] 步骤二:R畑将信息通过光纤传递给基带单元池2(BBU pool),基带单元池2判断 DUl和DU2是否在D2D通信的最大距离内，如果两用户不在D2D通信距离内，转到步骤否则 转到步骤四；
[0014] 步骤两用户之间建立传统的蜂窝通信，转到步骤十；
[0015] 步骤四：两用户之间建立D2D通信，转到步骤五；
[0016] 步骤五：基带单元池2获取当前网络的负载状态，如果网络中没有可用的空闲频 谱，转到步骤六，否则转到步骤屯；
[0017] 步骤六：网络处于重度负载状态，D2D用户只能选择复用通信模式，即D2D用户复用 蜂窝用户正在使用的频段进行通信；
[0018] 步骤屯:判断D2D对个数是否大于总的空闲频谱个数，若大于则转到步骤八，否则 转到步骤九；
[0019] 步骤八：网络为中度负载状态，D2D用户需要在蜂窝模式、专用模式和复用模式= 种模式之间W比例公平函数的大小作为评判标准进行模式选择；
[0020] 步骤九：网络为轻度负载状态，D2D用户W比例公平函数的大小作为评判标准只需 在蜂窝模式和专用模式之间进行模式选择；
[0021] 步骤十:D2D模式选择结束；
[0022] D2D通信模式选择的标准为用户k在第n个时隙比例公平函数，可通过下式获取： (I)
[0024]其中rk(n)表示瞬时速率，化(n-1)表示用户在n时隙之前的平均传输速率。比例公 平算法的目标是最大化效用函数SilogRi,运是比例公平的准则。最大化SilogRi可W通过 最大化
实现。系统瞬时信道增益可通过下式获取
[002引 %，。,，。=飾-，讯，,成:,，。 口)
[0026] 其中G表示路径损耗常数，a表示路径损耗因子，故,m,n为信道衰落因子，dk,m,n为蜂 窝用户m与D2D用户k之间的距离。
[0027] 由于本发明研究的D2D模式选择的评判标准是W各个时隙下D2D用户在每种模式 工作下的比例公平函数作为标准，因此接下来分别讨论每种模式下D2D用户比例公平函数 的计算公式。假设网络中有M个蜂窝用户{Cl，C2，…，Cm}，K对D2D用户{Di，化，…，化}，且D2D对 个数小于蜂窝用户的个数即K<M。假设每个CU被分配的都是正交信道，定义Nu和Nd分别是上 行链路和下行链路空闲信道的个数。
[0028] 1.蜂窝模式:如图2所示，蜂窝模式下通信的D2D需要经过基站转发，该模式为传统 的蜂窝用户通信，用户会被分配专用的上下行链路进行通信。该模式下上行链路D2D对k的 信噪比各(L为
(3)
[0030]下行链路DSD对用户k的信噪比错为
(4)
[0032]贝化2D用户k上下行链路总的瞬时速率请!为
(5)
[0036] 为了确保D2D对通信质量，无论上行链路还是下行链路D2D用户的信噪比都必须大 于一个最小阔值Cmin。本发明主要研究对D2D对的功率控制，因此假设eNB可W协调传输功率 使得铅不小于炒。 k.aown k.ig?
[0037] 2.专用模式：图3所示为专用模式，该模式下D2D对之间通信，不需经过基站转发， 所使用的专用频谱为上行链路或者下行链路可用频谱中的一种。运种模式是在网络中有足 够多的空闲频谱W及两用户通信距离在D2D通信范围内时才考虑的。该模式下用户的信噪 比髮;2可表示为：
[0039]用户的瞬时速率攫为：
巧
[0043] 3.复用模式：如图4所示，假设工作在复用模式下的D2D对复用蜂窝用户的上