专利名称：蜂窝系统中d2d用户的模式选择和资源分配方法
技术领域：
本发明涉及通信领域,特别涉及蜂窝系统中终端直通(Device-to-Device, D2D)用户的模式选择和资源分配的方法。
背景技术：
终端直通(Device-to-Device，D2D)通信是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝系统的频谱利用效率、减轻蜂窝小区基站的负荷、降低终端发射功率、提升系统整体吞吐量，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。模式选择是D2D通信中非常重要的一个问题，通过合适的模式选择，蜂窝网络的频谱效率可以得到极大的提高，D2D用户可以采用三种模式进行通信:(I)蜂窝模式。该通信模式与传统的蜂窝通信模式一样，即通过基站的中继来实现两用户之间的信息传输。当两个用户的距离较远时，通常会选择蜂窝模式。(2)专用信道模式。该模式下，两用户直接通信，不需要通过基站中继，使用专用的信道。(3)复用信道模式。该模式下，两用户直接通信。与专用信道模式不同，复用信道模式下，D2D用户与复用蜂窝用户共享信道。现有文献中给出的D2D用户的模式选择都是基于同一个模式选择准则:哪种模式的速率大或者频率效率高，就选择哪种模式。资源分配是D2D通信中另一个关键的问题，通过例如功率控制、频谱分配、信道分配等资源分配方法可以降低系统的干扰，同时也进一步提高频谱效率。事实上，D2D系统中的干扰、资源利用率不仅与模式选择有关，还与D2D用户功率的大小、复用信道的选择有很大的关系。因此，如果能够联合考虑模式选择、信道分配、功率分配，那么该系统的资源将被更充分地利用，蜂窝链路与D2D链路间干扰也将得到更好的协调。现有文献给出的模式选择和资源分配的联合优化方法，要么只考虑了其中两种模式，要么并不涉及信道复用问题，而D2D技术的主要目的就是为了更有效地提高频带资源利用率，因此可以认为在实际的LTE系统中，提供给D2D通信的专用信道并不多，因而必然有些D2D用户需要使用复用信道模式而另一些可以使用专用信道模式。而目前所有文献资料中，没有这样一种方法联合考虑功率控制、频谱或信道分配、模式选择。
发明内容
本发明提供一种蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，通过该方法降低了 D2D用户的模式选择和资源分配的算法复杂度，通过该方法得到的D2D用户的模式选择和资源分配能显著降低D2D用户所需的发送功率。本发明通过以下技术方案来实现。
一种蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，包括以下步骤:(I)系统根据每对D2D用户的SINR门限要求，分别计算其在蜂窝模式、专用信道模式、复用信道模式这三种模式下所需的最小发送功率，以D2D用户总发送功率最小为原则，计算使所有D2D用户建立通信所需要的资源，包括模式需求、信道需求和功率需求；(2)系统根据能提供的资源进行如下判断:a)若当前上行空闲信号、下行空闲信道、总空闲信道均比所述信道需求多，则按D2D用户的实际需求分配模式与资源；b)若当前上行空闲信道或下行空闲信道不足，但总空闲信道比所述信道需求多，则确定所有D2D用户的优先级，优先级高的D2D用户以蜂窝模式通信并相应地分配信道，当上行空闲信道或下行空闲信道分配完毕后，将其余未分配信道的D2D用户分配专用信道模式；每对D2D用户中，专用信道模式所需功率与蜂窝模式所需功率之差越大则优先级越高；c)若当前总空闲信道不足，则:c-Ι)对所有D2D用户预指定采用复用信道模式，以所有D2D用户复用系统当前上行蜂窝用户所需发送功率最小为原则，进行复用信道选择；c-2)依次计算每一对D2D用户采用步骤c_l)中确定的复用信道模式时对相应的上行蜂窝用户引起的干扰，若干扰超过蜂窝用户的干扰门限则将该对D2D用户重新预指定为专用信道模式，并在系统当前的空闲信道中为其预分配对应的信道；
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c-3)若系统仍有未预分配的空闲信道，则将步骤c-Ι)中采用复用信道模式的部分D2D用户预指定为专用信道模式或蜂窝模式，或将步骤c-2)中采用专用信道模式的部分D2D用户预指定为蜂窝模式，直至预分配完所有的空闲信道；c-4)根据步骤c-ΙΓ步骤c-3)中每对D2D用户被预指定的通信模式，为每对D2D用户分配相应的模式、信道、功率。本发明步骤(I)中是关于模式和资源需求的计算，根据D2D用户的SINR (信干噪t匕)门限要求，得到D2D用户在三种模式下所需的最小发送功率，以及D2D用户的不同模式间的功率差，继而得到每对D2D用户的模式和资源需求，所述模式和资源需求是指，以每对D2D用户发送功率最小为原则得到的该对D2D用户的通信模式，以及在该通信模式下所需要的信道、功率资源；根据每对D2D用户的模式、信道、功率需求，统计得到为使所有D2D用户建立通信而必需的资源需求总和。所述资源需求总和一般包括有多少对D2D用户的模式需求为蜂窝模式(模式I )、多少对D2D用户的模式需求为专用信道模式(模式2)，共需要多少个空闲信道、上行信道、下行信道，总发送功率最小需要多少。本发明步骤(2)中提出了资源需求与供应关系的分析及相应算法，根据系统的资源需求、系统能提供的资源两者之间的关系，分析得到几种不同情况，并进一步得到每种情况下的模式选择和资源分配算法。步骤c-Ι)中首先进行初始化，在初始化过程中，定义预指定为蜂窝模式的D2D用户数Λ: =0，且随步骤c_3)中预指定为蜂窝模式的D2D用户数量递增；定义预分配的总信道数iV:, =0，且iV:f随步骤c-2) 步骤c-3)中空闲信道的已预分配数量递增；定义某对D2D用户的预指定模式tempk=3，即对应复用信道模式，若D2D用户预指定为蜂窝模式或专用信道模式，则对应的tempk值更新为I或2。步骤c-Ι)中，进行复用信道选择时采用匈牙利算法，即得到每对D2D用户的发送功车式，信道复用选择情况0Λ m*)，以及总的D2D用户发送功率Pttrt ;其中匈牙利算法中的代价矩阵为D2D用户的发送功率矩阵。步骤c-2)中，对D2D用户重新预指定为专用信道模式时，更新该D2D用户的预指定模式tempk=2 ;在系统当前的空闲信道中为其分配对应的信道时更新AC =<, +1。步骤c-3)中若系统仍有未被预分配的空闲信道，则将采用复用信道模式的部分D2D用户预指定为专用信道模式或蜂窝模式，或将步骤c-2)中采用专用信道模式的部分D2D用户预指定为蜂窝模式的方法包括:c-3.1)构造 ΛΡ 矩阵，将所有D2D用户三种模式下的功率差M3im/2、、λ#组成一个ΚΧ3矩阵Λ P，K为D2D用户的对数；为每对D2D用户 复用信道模式和蜂窝模式间的功率差；为每对D2D用户复用信道模式和专用信道模式间的功率差；为每对D2D用户专用信道模式和蜂窝模式间的功率差；c-3.2)当xL}且iV:f <# +馬时，寻找Λ P矩阵中的最大值；Nu为系统中当前空闲的上行信道数；Nd为系统中当前空闲的下行信道数；若< / 2最大，将该对D2D用户预指定为蜂窝模式，更新该对D2D用户的tempk=l，预分配一个上行信道和一个下行信道，并将该对D2D用户的/2必pZ,、△八更新为0，同时更新C =C+2 4=尤+1;若最大,且该对D2D用户的需求模式为专用信道模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的temp, = 2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的奶31 ,/2、λ尤、更新为0，同时更新MX +1;若λΡ2 最大，且该对D2D用户的需求模式为蜂窝模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的tempk=2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的Aftim /2 , 更新为0，同时更新V’ =<,+1;若最大，且该对D2D用户已预指定为专用信道模式，则更新该对D2D用户的tempk=l,预留I个信道，并将该对D2D用户的/2、Apfm、δ凡21更新为O,同时更新
C=<+lvT:,=xL+l；若Λ/jf最大，且该对D2D用户未预指定为专用信道模式，则只需将更新为O ;c-3.3)当=min{i￥a,iVrf}J.￥0f < +乂时，寻找 Λ P 矩阵中第二列[λ< ]的最大值，更新该对D2D用户的tempk=2，预分配I个信道，并将该对D2D用户的更新为0，同时更新ML = +1。步骤c-4)中:若第k对D2D用户D2Dk预指定的通信模式为蜂窝模式，则为其分配蜂窝模式、I个上行信道和I个下行信道、发送功率K;
若第k对D2D用户D2Dk预指定的通信模式为专用信道模式，则为其分配专用信道模式、1个信道，发送功率p2k;若第k对D2D用户D2Dk预指定的通信模式为复用信道模式，则为其分配复用信道模式，复用信道即为步骤c-1)中相应的上行蜂窝用户的信道，发送功率为p3k.m。本发明的有益效果为:(1)本发明提供的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配算法以系统资源需求与供应为依据，为不同需求与供应情况下的D2D用户的模式选择和资源分配提供不同的算法，使得总信道足够情况下的模式选择和资源分配算法更为简单。(2)本发明提供的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配算法在信道供应不足情况下的算法，分为复用信道选择、确保每一对D2D用户接入、信道预分配、模式和资源分配等几个步骤，从而避免了 D2D用户无法接入、信道利用不充分等情况，也避免了遍历搜索最优的D2D用户的模式和资源分配的高复杂度。
图1是本发明具体实施方式
中所述的带有终端直通通信用户的蜂窝系统示意图；图2是本发明具体实施方式
中提供的D2D用户的模式选择和资源分配算法的流程图；图3是本发明具体实施方式
中提供的当前总空闲信道不足的情况下的D2D用户的模式选择和资源分配算法的流程图；图4是在不同的D2D用户的SINR门限条件下，最优算法、本发明提供的算法、逐对分配算法的总发送功率以及不同模式用户对数的曲线。
具体实施例方式本发明方法设计出的蜂窝系统中终端直通(Device-to-Device, D2D)用户的模式选择和资源分配方法所适用的场合如图1所示。具体包括:蜂窝小区110:蜂窝小区110内，有一个基站111，M个上行蜂窝用户112(UE1,UE2,…，UEm,...，UEm)，K(对D2d用户(D2D1, D2D2,…，D2Dk，...，D2DK)，每对D2Dk113 都包括一个发送终端 Sk114和一个接收终端Rk115。系统内有Nu个上行空闲信道、Nd个下行空闲信道可供D2D用户使用，这K对D2D用户已经经过准入控制，都可接入。本发明具体实施例中假设K〈M，每个上行链路和每个下行链路最多可使用一个信道资源，每个蜂窝用户最多只能被一对D2D用户复用。本发明具体实施方式
并不局限具体K和M的大小、每个链路可以使用几个信道资源。本发明提供了一种蜂窝系统中终端直通(Device-to-Device, D2D)用户的模式选择和资源分配方法，参见图2，该方法包括“模式和资源需求的计算”和“资源需求与供应关系的分析及相应算法”两步:210:第一步，模式和资源需求的计算，包括:211:计算每对D2D用户在三种模式下所需的最小发送功率p1k,p2k,p3k.m。根据D2D用户的SINR门限TD、噪声N。以及链路增益，分别计算每对D2D用户D2Dk在蜂窝模式(模式I)、专用信道模式(模式2)、复用信道模式(模式3)下所需的最小发送功
率/4、Pt、Pln °
权利要求
1.一种蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)系统根据每对D2D用户的SINR门限要求，分别计算其在蜂窝模式、专用信道模式、复用信道模式这三种模式下所需的最小发送功率，以D2D用户总发送功率最小为原则，计算使所有D2D用户建立通信所需要的资源，包括模式需求、信道需求和功率需求； (2)系统根据提供的资源进行如下判断: a)若当前上行空闲信道、下行空闲信道、总空闲信道均比所述信道需求多，则按D2D用户的实际需求分配模式与资源； b)若当前上行空闲信道或下行空闲信道不足，但总空闲信道比所述信道需求多，则确定所有D2D用户的优先级，优先级高的D2D用户以蜂窝模式通信并相应地分配信道，当上行空闲信道或下行空闲信道分配完毕后，将其余未分配信道的D2D用户分配专用信道模式；每对D2D用户中，专用信道模式所需功率与蜂窝模式所需功率之差越大则优先级越高； c)若当前总空闲信道不足，则: c-1)对所有D2D用户预指定采用复用信道模式，以所有D2D用户复用系统当前上行蜂窝用户所需发送功率最小为原则，进行复用信道选择； c-2)依次计算每一对D2D用户采用步骤c-Ι)中确定的复用信道模式时对相应的上行蜂窝用户引起的干扰，若干扰超过蜂窝用户的干扰门限则将该对D2D用户重新预指定为专用信道模式，并在系统当前的空闲信道中为其预分配对应的信道； c-3)若系统仍有未预分配的空闲信道，则将步骤c-Ι)中采用复用信道模式的部分D2D用户预指定为专用信道模式或蜂窝模式，或将步骤c-2)中采用专用信道模式的部分D2D用户预指定为蜂窝模式，直至预分配完所有的空闲信道； c-4)根据步骤c-Ι) 步骤c-3)中每对D2D用户被预指定的通信模式，为每对D2D用户分配相应的模式、信道、功率。
2.如权利要求1所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-Ι)中首先进行初始化，在初始化过程中， 定义预指定为蜂窝模式的D2D用户数4=0，且τ随步骤c-3)中预指定为蜂窝模式的D2D用户数量递增； 定义预分配的总信道数=0，且iV°,随步骤c-2) 步骤c-3)中空闲信道的预分配数量递增； 定义某对D2D用户的预指定模式tempk=3，即对应复用信道模式，若D2D用户预指定为蜂窝模式或专用信道模式，则对应的temp,值更新为I或2。
3.如权利要求2所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-Ι)中，进行复用信道选择时采用匈牙利算法，即得到每对D2D用户的发送功率，信道复用选择情况(k*，nf)，以及总的D2D用户发送功率Pttrt ;其中匈牙利算法中的代价矩阵为D2D用户的发送功率矩阵。
4.如权利要求3所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-2)中，对D2D用户重新预指定为专用信道模式时，更新该D2D用户的预指定模式tempk=2 ;在系统当前的空闲信道中为其分配对应的信道时更新=\ Ho
5.如权利要求4所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-3)中若系统仍有未被预分配的空闲信道，则将采用复用信道模式的部分D2D用户预指定为专用信道模式或蜂窝模式，或将步骤c-2)中采用专用信道模式的部分D2D用户预指定为蜂窝模式的方法包括:c-3.1)构造Λ P矩阵， 将所有D2D用户三种模式下的功率差Aft31m /2、Apl2m、AFk组成一个KX 3矩阵Λ P，K为D2D用户的对数； △Α31Μ为每对D2D用户复用信道模式和蜂窝模式间的功率差；为每对D2D用户复用信道模式和专用信道模式间的功率差； ΛΛ21为每对D2D用户专用信道模式和蜂窝模式间的功率差； c-3.2)当尤且<从+Λ时，寻找ΛΡ矩阵中的最大值； Nu为系统中当前空闲的上行信道数； Nd为系统中当前空闲的下行信道数； 若12最大，将该对D2D用户预指定为蜂窝模式，更新该对D2D用户的tempk=l，预分配一个上行信道和一个下行信道，并将该对D2D用户的/2必Pl2in、 更新为O，同时更新MX+2 WX+1; 若冲最大，且该对D2D用户的需求模式为专用信道模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的tempk=2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的APll,m /2、αρΙ~, 、δ/ α21 更新为 O,同时更新iV: = Nfot +1; 若最大，且该对D2D用户 的需求模式为蜂窝模式，则将该对D2D用户预指定为专用信道模式，更新该对D2D用户的tempk=2，预分配一个信道，并将该对D2D用户的! 2、λΑ32μ更新为O，同时更新AC = Ni +1若λΑ21最大，且该对D2D用户已预指定为专用信道模式，则更新该对D2D用户的tempk=l,预留I个信道，并将该对D2D用户的/2、Apl1m、更新为O,同时更新N = Ntot +1= Xtot +1 ;若最大，且该对D2D用户未预指定为专用信道模式，则只需将更新为O ;c-3.3)当^min{Nu,Nd}KNl < Nn +兄时，寻找Λ P矩阵中第二列[△# ]的最大值，更新该对D2D用户的tempk=2，预分配I个信道，并将该对D2D用户的Ajfm更新为O，同时更mit=K,+i0
6.如权利要求5所述的蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配方法，其特征在于，步骤c-4)中: 若第k对D2D用户D2Dk预指定的通信模式为蜂窝模式，则为其分配蜂窝模式、I个上行信道和I个下行信道、发送功率W I 若第k对D2D用户D2Dk预指定的通信模式为专用信道模式，则为其分配专用信道模式、I个信道，发送功率A2; 若第k对D2D用户D2Dk预指定的通信模式为复用信道模式，则为其分配复用信道模式，复用信道即为步骤c-1)中相应的上行蜂窝用户的信道，发送功率为。
全文摘要
本发明公开了蜂窝系统中D2D用户的模式选择和资源分配算法，降低了D2D用户的模式选择和资源分配的算法复杂度，得到的D2D用户的模式选择和资源分配，能降低D2D用户所需的发送功率。本发明分为“模式和资源需求计算”和“资源需求与供应关系的分析及相应算法”两步。“模式和资源需求计算”包括计算每对D2D用户在蜂窝模式、专用信道模式、复用信道模式三种模式下所需的最小发送功率；计算D2D用户三种不同模式间的功率差；计算每对D2D用户的模式需求、资源需求；统计系统的资源需求总和。“资源需求与供应关系的分析及相应算法”包括根据系统的资源需求与供应关系，进一步得到每种情况下的模式选择和资源分配算法。
文档编号H04W52/24GK103079262SQ20121058658
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者余官定, 徐燕芳, 殷锐, 钟财军, 鲍鹏程 申请人:浙江大学