专利名称：一种d2d用户对可同时复用多个蜂窝用户资源的方法
技术领域：
本发明是将端到端(DeViCe-to-DeViCe，D2D)技术应用于蜂窝网络，D2D用户对复 用蜂窝网络中用户的资源进行通信。或者是其它与在蜂窝网络中应用D2D技术有类似架构 特性的通信网络。本发明提出了一种D2D用户对可以同时复用多个蜂窝用户资源的方法， 它可以在保证蜂窝用户最低通信速率的条件下，提高系统整体(包括蜂窝通信和D2D通信) 的频谱效率。本发明提出的方法具有很强的实际可操作性。
背景技术：
端到端(Device-to-Device，D2D)通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端之 间通过复用小区内资源直接进行通信的新型技术。它具有提高系统频谱利用率、减少终端 电池消耗从而节省移动台功率、减低蜂窝小区基站的负载、改善系统用户公平性、提高无线 网络的QoS、巩固下层结构、提供新的服务等优点。且能在一定程度上解决无线通信系统频 谱资源匮乏的问题。D2D通信在蜂窝网中是工作在许可频段，它相对于工作在非许可频带的 其它技术(如蓝牙、WLAN等)具有很多优点。只有许可频段能够保证提供干扰可控、稳定 的通信环境，而非许可频段提供的服务不稳定，这对服务质量要求高的业务或特定用户是 很重要的。在蜂窝架构下的D2D通信通过共享小区资源来达到系统整体性能的提升。若D2D 通信分配到正交的信道资源时，它不会对原来的蜂窝网络中的通信形成干扰。若D2D通信 被分配到非正交的信道资源时，D2D通信将会对蜂窝链路中的接收端造成干扰。在通信负 载较小的网络中，可以为D2D通信分配多余的正交的资源，这样显然可以取得更好的网络 总性能。但是，由于蜂窝网络中的资源有限，考虑到通信业务对频率带宽的要求越来越高， 而采用非正交资源共享的方式可以使网络有更高的资源利用效率。这也是在蜂窝网络中应 用D2D通信的主要目的。在非正交资源共享模式下，基站可以有多种资源分配方式，它们最后能得到不同 的性能增益和实现复杂度。例如其中实现最简单的方式，基站可以随机选择小区内的资源； 此外，基站还可以尽量选择距离D2D用户对较远的蜂窝用户的资源来进行资源共享，这样 保证它们之间干扰尽可能地小。目前，D2D通信可以通过下面三种模式来与蜂窝用户共享 资源1.基站转接模式D2D用户对通过蜂窝网络基站的转接来进行通信。在此模式下， D2D用户与蜂窝用户的通信方式一样。D2D通信独立占用一半的资源，另一半由蜂窝通信占 用。所有的通信都分配以正交独立的信道资源，并以最大功率进行传输。这个模式就是传 统的蜂窝通信模式。2.正交资源共享模式D2D通信与蜂窝通信平分资源，独立占用一半的信道资源 直接进行端到端的通信，蜂窝用户占用另一半信道资源。此模式下，D2D通信与蜂窝通信之 间不会产生干扰。3.复用一个蜂窝用户的资源D2D用户将与一个蜂窝用户复用其资源，相互之间会造成干扰。而蜂窝基站为D2D通信和蜂窝通信分配传输功率大小，协调相互之间的干扰。D2D通信可以与蜂窝通信共享上行链路资源或下行链路资源。无论对于上行链路 共享还是下行链路共享，基站都可以从以上三种资源共享方案中选择使系统总数据速率最 大的方式。由于上行链路或下行链路共享时，干扰的来源和大小有所不同，所以在具体实施 时需要在基站端考虑不同的干扰控制方法。
发明内容
一对D2D用户复用一个蜂窝用户的资源，要么会对此正常通信的蜂窝用户产生很 大干扰(当两者相距较远时)，要么选择资源复用用户的算法会很复杂。而且在实际网络 中，蜂窝用户往往比D2D用户对多得多。所以本发明提出一种D2D用户对可以同时复用多 个蜂窝用户的资源的方法，并在实际执行时从现有的方法和提出的方法中选择能使系统综 合数据速率达到最大的一种方法进行资源共享。这种方法能在优先保证蜂窝用户的传输速 率条件下提高系统总的数据速率(包括D2D通信和蜂窝通信的速率)。本发明的基本原理 是允许任意一个D2D对可以同时复用多个蜂窝用户的资源，并选择能使系统总数据速率 最大的资源复用方式和复用资源的用户个数进行复用。本发明主要针对的是蜂窝网络中，存在一个或多个D2D用户对需要进行通信，它 们通过共享蜂窝网络中的资源来完成通信。设系统中存在N个蜂窝用户UpU2,.. .，UN，M对 D2D用户(D1, D2)，(D3, D4)，. . .，(D2M_1; D2M)，如果这些用户向基站反馈信道信息，则下面根据 信道信息来执行D2D通信的资源分配，如果基站无法知道用户的信道信息，则通过其它方 法来执行D2D通信的资源分配。本发明的具体步骤为步骤1 蜂窝用户和D2D用户向基站端反馈信道信息。也有可能只有蜂窝用户向 基站端反馈信息，这和具体系统架构相关。步骤2 基站确定各资源共享模式下的资源分配方案，并计算各模式的系统总的 数据速率。基站转接模式的资源分配和速率计算在此模式下，D2D通信与蜂窝用户类似， 靠基站为其转接需要传输的信息。在分配资源时，可以使用传统的调度算法(如正比公平、 轮循等)。并优先考虑为蜂窝用户分配资源再为D2D用户对分配资源。在这种模式下，系统 能达到的总数据速率可表示为&
；VM^B+TrBDJ
I=Iι=j其中RBe, i和Rbd, i分别表示在此模式下的各个蜂窝用户和D2D用户对可达到的数 据速率。它们是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率。正交资源共享模式的资源分配和速率计算此模式一般适用于负载较轻的网络。 在分配资源时，基站优先考虑为蜂窝用户分配最适合它们的资源，然后为D2D用户对之间 的通信分配剩下的资源。蜂窝用户的资源分配仍可以使用传统的调度算法，在这种模式下， 系统能达到的总数据速率可表示为Rtj
NMR0+TjrODJ
i二Ii=j其中Rre, i和Rm, i分别表示在此模式下的各个蜂窝用户和D2D用户对可达到的数 据速率。它们是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率。D2D用户对同时复用多个蜂窝用户的资源的分配和速率计算此模式一般适用于距离基站较远的D2D用户对。基站首先为蜂窝用户按传统的调度算法分配所有的系统资 源，然后考虑当D2D用户对采用非正交资源共享模式同时复用K(< N)个用户的资源时，系 统总数据速率为&，它可以表示为
权利要求
1.将端到端(Device-to-Device，D2D)技术应用于蜂窝网络，D2D用户对可同时复用蜂 窝网络中多个用户的资源进行通信的方法。增加这种方法后，根据系统总体性能参数最优 的资源共享模式的选择方案和资源分配策略。
2.基于包括系统中的网络架构、通信设备、可用发射功率以及通信频段等通信资源，针 对由各通信资源的不同划分和组合而构成的通信信道，将D2D技术应用于蜂窝网络中并允 许D2D用户对可以同时复用多个蜂窝用户的资源，可以有效提高系统总的数据速率(同时 包括D2D用户对和蜂窝用户的数据速率)。在这种方案中，基于存在D2D通信的蜂窝网络模 型，根据D2D通信复用蜂窝用户的资源的原理和方法，设定的方案的实现步骤为步骤1 蜂窝用户和D2D用户向基站端反馈信道信息。也有可能只有蜂窝用户向基站 端反馈信息，这和具体系统架构相关。步骤2 基站确定各资源共享模式下的资源分配方案，并计算各模式的系统总的数据 速率。基站转接模式的资源分配和速率计算在此模式下，D2D通信与蜂窝用户类似，靠基站 为其转接需要传输的信息。在分配资源时，可以使用传统的调度算法(如正比公平、轮循 等)。并优先考虑为蜂窝用户分配资源再为D2D用户对分配资源。在这种模式下，系统能达 到的总数据速率可表示为RB NMrb 二ι. 二丨/=j其中he, i和Rbd, i分别表示在此模式下的各个蜂窝用户和MD用户对可达到的数据速 率。它们是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率。正交资源共享模式的资源分配和速率计算此模式一般适用于负载较轻的网络。在分 配资源时，基站优先考虑为蜂窝用户分配最适合它们的资源，然后为D2D用户对之间的通 信分配剩下的资源。蜂窝用户的资源分配仍可以使用传统的调度算法，在这种模式下，系统 能达到的总数据速率可表示为Rtj NMR0 =+SrODJ/=丨 i=j其中R。e, i和Rffll, i分别表示在此模式下的各个蜂窝用户和MD用户对可达到的数据速 率。它们是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率。D2D用户对同时复用多个蜂窝用户的资源的分配和速率计算此模式一般适用于距离 基站较远的D2D用户对。基站首先为蜂窝用户按传统的调度算法分配所有的系统资源，然 后考虑当D2D用户对采用非正交资源共享模式同时复用K( < N)个用户的资源时，系统总 数据速率为&，它可以表示为NMRfC = lRKC,i +X^ATDJ/=! /=j其中RKe, i和Rkd, i分别表示在此模式下的各个蜂窝用户和MD用户对可达到的数据速 率。它们是根据各自的信道状态和分配到的资源估算出的数据速率。这其中包括k=l， 2，. . .，K(即同时复用k个用户的资源)各种情况下的系统总数据速率，及每种情况下从N 个蜂窝用户中选择k个不同的蜂窝用户来进行资源复用情况下的系统总数据速率。而且蜂 窝网络中上行或者下行的资源都可以被D2D用户对复用。步骤3 基站端根据各模式下系统总数据速率为每对D2D用户选择能使系统总的数据 速率最大的资源共享模式进行数据传输，并根据资源共享模式确定蜂窝用户和D2D用户分 配资源。具体算法如下Mode = argmmax {Rm | m = C，0，1，2，…，K}此模式选择里包括基站转接模式C，正交资源共享模式0，D2D用户对复用1，2，...或 K个蜂窝用户的资源的模式，并从中为每对D2D用户选择最优的资源共享模式。这里需要注 意的是1)各对D2D用户采取的资源共享模式可以不同；幻在上式中如果采用非正交资源 复用的模式，每对D2D用户可能复用的资源的蜂窝用户的个数不同；3)在具体实施时，考虑 基站端调试算法的复杂度，可以在限制一对D2D复用蜂窝用户资源的用户上限数来采用本 发明方案。步骤4基站根据选择的资源共享模式和资源分配，对D2D用户对和蜂窝用户进行功率 分配。使用合适的功率控制方案可以进一步减小D2D用户对和监察用户之间的干扰。
3.如权利要求2中步骤1所述的蜂窝用户和D2D用户向基站端反馈信道信息。包括 D2D用户对和蜂窝用户向基站反馈信道信息的数量和不同的方法。
4.如权利要求2中步骤2所述的基站确定各资源共享模式下的资源分配方案和计算各 模式下系统总的数据速率，或具有类似系统总体性能的参数。例如但不限于数据速率、吞吐 量、频谱效率、功率损耗等。包括基站转接模式的资源分配和速率计算、正交资源共享模式 的资源分配和速率计算、D2D用户对同时复用多个蜂窝用户的资源的分配和速率计算。包 括计算思想、方法、步骤。
5.如权利要求2中步骤2所述的基站转接模式和正交资源共享模式下，在分配资源时， 基站优先考虑为蜂窝用户分配最适合它们的资源，然后为D2D用户对之间的通信分配剩下 的资源。
6.如权利要求2中步骤2所述的D2D用户对同时复用多个蜂窝用户的资源共享模式 下，D2D用户对可复用k = 1，2，. . .，K个蜂窝用户的资源，且这k个用户是从N个蜂窝用户 里选择能使系统总数据速率最大的组合。
7.如权利要求2中步骤3所述的基站端根据各模式下系统总数据速率为每对D2D用户 选择能使系统总的数据速率最大的资源共享模式进行数据传输，并根据资源共享模式确定 蜂窝用户和D2D用户分配资源。此处的数据速率可换成其它有类似系统总体性能的参数。 例如但不限于吞吐量、频谱效率、功率损耗等。
8.如权利要求2中步骤3所述的各对D2D用户可以采用的资源共享模式，和在同时复 用多个蜂窝用户资源的模式下，复用的资源的蜂窝用户的个数可以不同。
9.如权利要求2中步骤3所述的在具体实施时，考虑基站端调试算法的复杂度，可以简 化基站端的处理过程，例如但不局限于可以在限制一对D2D复用蜂窝用户资源的用户上限 数来采用本发明方案。
10.如权利要求2中步骤4所述的基站根据选择的资源共享模式和资源分配，对D2D用 户对和蜂窝用户进行功率分配。包括应用于本发明的网络架构和类似的网络架构的功率分 配的思想、算法和步骤。
全文摘要
本发明提供的技术方案应用于移动通信的蜂窝网络中，将端到端(Device-to-Device，D2D)技术应用于蜂窝网络，允许D2D用户对同时复用多个蜂窝网络用户的资源进行通信。并从这种方案和传统方案中选择能使系统数据速率最大的模式来进行资源共享。本发明提出的方案不会对某个蜂窝用户造成很大的干扰，而且在实际中易于实现、应用方式也比较灵活。本发明通过在具有D2D通信的蜂窝网络中，提出一种单个D2D用户对可以同时复用多个蜂窝用户资源的方法，它可以在保证蜂窝用户最低通信速率的条件下，提高系统整体(包括蜂窝通信和D2D通信)的频谱效率。本发明提出的方法具有很强的实际可操作性。
文档编号H04W28/06GK102083138SQ20111000724
公开日2011年6月1日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者常永宇, 张欣, 杨大成, 王彬, 陈力, 陈晓航 申请人:北京邮电大学