一种基于终端直通中继通信的资源分配方法
【专利摘要】一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，在单个小区中LTE-Advanced蜂窝网络与D2D系统构成混合网络，蜂窝网络的双工方式为时分双工，D2D以复用的模式利用小区内蜂窝通信的上行资源，包括与基站的交互、资源记录表的更新、资源的申请与分配、中继节点的选取过程；首先根据轮询准则，保证通信质量为前提，将系统资源分配给活跃蜂窝用户，然后根据最大化资源利用率准则，利用遗传算法来为小区中的D2D用户选择最合适的资源进行复用，目标是最小化资源分配失败的概率，在保证蜂窝用户正常通信的基础上，使更多的D2D用户可以进行通信。
【专利说明】一种基于终端直通中继通信的资源分配方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于终端直通(D2D)中继通信的资源分配方法，利用LTE-Advanced蜂窝网络、D2D通信和中继技术，通过基站进行集中式的资源调度，适用于未来的混合系统(Hybrid System)。
【背景技术】
[0002]近年来，第三代合作伙伴计划(3GPP)长期演进(LTE)技术因其展示出的高数据速率、高系统容量等优势，得到了全球范围内的瞩目，大量的研究力量已经或正在为它的发展做贡献。可以预见，LTE技术将是实现MT-Advanced技术提案的坚实基础，并且LTE技术研究现已步入了 LTE-Advanced阶段。
[0003]对于蜂窝机制来说，主要优点在于便捷的资源分配和功率控制，同时明显的缺点在于对无线频谱资源的未充分利用，而无线频谱紧张的问题又日益严峻。针对这一情况，一种新的无线接口技术，终端直通(Device-to-Device, D2D)技术被提出，以形成一种新的通信模式，一经提出便得到广泛关注。D2D不仅工作在授权频段，并且接受基站的协助调度，具有低成本、灵活性，可以带来高效率的频谱利用，缓解基站负载，降低能源消耗。未来的混合系统(Hybrid System)中，D2D通信将是一个重要的组成部分。
[0004]如果D2D发送端和接收端之间相距过远，或者他们之间的直接链路信道质量不够好，不足以进行D2D通信，这时候就需要借助中继(Relay)来实现D2D通信。但是，利用D2D用户附近的空闲用户来充当移动中继进行D2D通信，将会有多种干扰链路混合，使得干扰问题变得更加复杂，同时，由于中继系统需要采用2个传输时间间隔(TTI)来进行一次传输，因而相较于直连模式，吞吐量会不可避免的有所下降，因此资源分配的目标应集中在降低D2D用户资源分配失败概率，提高系统的总体应用性和适用性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于终端直通(D2D)中继通信的资源分配方法，在D2D中继通信的干扰分析基础上，提供一种可靠的高性能的基于LTE-Advanced蜂窝网络的D2D中继通信的资源分配方案，以降低D2D资源分配失败的概率，使更多的D2D用户可以进行通信，提高系统的总体适用性。
[0006]本发明的技术方案如下:一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，其特征在于:在单个小区中LTE-Advanced蜂窝网络与D2D系统构成混合网络，蜂窝网络的双工方式为时分双工，D2D以复用的模式利用小区内蜂窝通信的上行资源，包括与基站的交互、资源记录表的更新、资源的申请与分配、中继节点的选取过程；首先根据轮询准则，保证通信质量为前提，将系统资源分配给活跃蜂窝用户，然后根据最大化资源利用率准则，利用遗传算法来为小区中的D2D用户选择最合适的资源进行复用，目标是最小化资源分配失败的概率，在保证蜂窝用户正常通信的基础上，使更多的D2D用户可以进行通信；包括以下步骤:
[0007]步骤1:假设所有的蜂窝用户以固定功率Pro进行通信，而所有的D2D用户的发送功率则固定为Pm，所有的用户终端UE，包括活跃的、空闲的蜂窝用户和D2D用户都一直与基站保持着连接并周期地与基站交换信息，即使是正在进行D2D通信的用户，仍然要受基站控制；
[0008]步骤2:上行蜂窝信道集合记为N = {1,2,--?，#}，所有的无线资源分配和调度都由基站完成，基站维持着一个本小区资源分配实时状况的信道记录表，记作ChnTable，用于记录各信道的使用情况，只要资源分配信息发生了变化，基站就会对其进行更新，一个信道内最多同时共存一个蜂窝用户和一对基于移动中继的D2D用户；
[0009]步骤3:N个蜂窝用户C_UEs使用N个不同的上行蜂窝信道与基站进行通信，彼此之间没有干扰，资源分配工作由基站完成，并在ChnTable中记录更新；
[0010]步骤4:当有潜在的D2D通信可能时，D2D发送用户S_UE和接收用户D_UE分别将它们的位置信息报告给基站，这一过程利用内置的全球定位系统GPS或者北斗卫星导航系统BDS模块来完成，并根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的信号干扰噪声比SINR计算，由基站来决定是否准许进行D2D尝试，如果不合适的话，该对D2D用户会被基站拒绝并进入等待队列；
[0011]首先由基站检查ChnTabIe，去除已经饱和即一个蜂窝用户和一对D2D用户共存的信道，剩余信道集合记力斗如果其不为空的话，分别对其中的各个信道进行进一步分析，看能否容纳下该对D2D用户使得该信道下所有用户都能满足通信要求，筛选出的合格信道即蜂窝用户SINR达到蜂窝用户的目标SINRYe_toget，D2D用户SINR达到D2D用户的目标SINRyD_target,组成集合Nrc ,并根据改进的遗传算 法从Ncc中选出目标信道供该D2D对复用，遗传算法的进化目标选取的是最小化资源分配失败的概率；
[0012]如果没有找到可行信道，则该队D2D用户将被拒绝并进入等待队列；
[0013]步骤5:进行移动中继的选择，以D2D用户对收发端连线为直径构成的圆形区域中总有若干空闲用户可供选取作为移动中继，从中为每对D2D用户选取m个空闲用户作为候选中继集合，一个空闲用户只会出现在一对D2D用户的候选中继集合中，同一时刻一个空闲用户只能为一对D2D用户服务，一对D2D用户只能选择一个空闲用户作为移动中继；依据D2D中继系统SINR最优原则，并根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的SINR计算，从候选移动中继集合中选取出移动中继，使得该D2D中继通信可以获得最大的SINR ;若某个空闲用户电量不足或不适合用于移动中继，则从候选中继集合中去除该空闲用户；
[0014]步骤6:利用步骤4选出的信道和步骤5选出的移动中继，开始进行D2D测试通信，如果实际测试表明该信道内蜂窝通信和D2D中继通信都能够得到保障，则允许进行正式的D2D中继通信并且基站更新ChnTable的信息记录；否则，返回步骤4重新进行信道选择，直到通过测试；
[0015]步骤7: —旦有用户完成了自己的通信，或者出现可利用的信道资源，ChnTable中的信息将会被立即更新并依次序重新对等待队列中的D2D用户执行步骤4 ;为了保证持续可靠的通信过程，基站会周期对ChnTable中记录的用户所进行的通信进行监视。
[0016]所述的遗传算法包括如下步骤:
[0017]步骤一:对基因进行实数编码；染色体长度为蜂窝信道数N，共含有N个基因，对基因进行实数编码，一个信道最多只能被一对D2D用户复用，一对D2D用户最多只能复用一个信道，某个基因值为0表示该信道没有被D2D用户复用，第i个基因的数值Ai表示第Ai对D2D用户复用的是第i个信道，因而基因型A = A1A^An所对应的表现型为x =
(X1, X2,…，XN) H ;即:
[0018]Ai = Xi
[0019]显然，Ai = 0表示该信道没有被任何一对D2D用户复用，而对于V/#人如果AiT^O且Aj关0,有Ai关Aj ；
[0020]步骤二:对当前代数的种群进行选择操作；由于进化目标选取的是最小化资源分配失败的概率，因此用D2D用户的资源分配成功率来评价个体的适应度，如下式，用于选择操作，其中A!表示第I代群体中第i个个体；
[0021]
【权利要求】
1.一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，其特征在于:在单个小区中LTE-Advanced蜂窝网络与D2D系统构成混合网络，蜂窝网络的双工方式为时分双工，D2D以复用的模式利用小区内蜂窝通信的上行资源，包括与基站的交互、资源记录表的更新、资源的申请与分配、中继节点的选取过程；首先根据轮询准则，保证通信质量为前提，将系统资源分配给活跃蜂窝用户，然后根据最大化资源利用率准则，利用遗传算法来为小区中的D2D用户选择最合适的资源进行复用，目标是最小化资源分配失败的概率，在保证蜂窝用户正常通信的基础上，使更多的D2D用户可以进行通信；包括以下步骤: 步骤1:假设所有的蜂窝用户以固定功率Ρω进行通信，而所有的D2D用户的发送功率则固定为Pm，所有的用户终端UE，包括活跃的、空闲的蜂窝用户和D2D用户都一直与基站保持着连接并周期地与基站交换信息，即使是正在进行D2D通信的用户，仍然要受基站控制；步骤2:上行蜂窝信道集合记为Ν = {1,2,.N]所有的无线资源分配和调度都由基站完成，基站维持着一个本小区资源分配实时状况的信道记录表，记作ChnTable，用于记录各信道的使用情况，只要资源分配信息发生了变化，基站就会对其进行更新，一个信道内最多同时共存一个蜂窝用户和一对基于移动中继的D2D用户； 步骤3:N个蜂窝用户C_UEs使用N个不同的上行蜂窝信道与基站进行通信，彼此之间没有干扰，资源分配工作由基站完成，并在ChnTable中记录更新； 步骤4:当有潜在的D2D通信可能时，D2D发送用户S_UE和接收用户D_UE分别将它们的位置信息报告给基站，这一过程利用内置的全球定位系统GPS或者北斗卫星导航系统BDS模块来完成，并根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的信号干扰噪声比SINR计算，由基站来决定是否准许进行D2D尝试，如果不合适的话，该对D2D用户会被基站拒绝并进入等待队列； 首先由基站检查ChnTable，去除已经饱和即一个蜂窝用户和一对D2D用户共存的信道，剩余信道集合记为Nc，如`果其不为空的话，分别对其中的各个信道进行进一步分析，看能否容纳下该对D2D用户使得该信道下所有用户都能满足通信要求，筛选出的合格信道即蜂窝用户SINR达到蜂窝用户的目标SINRYe_tmget，D2D用户SINR达到D2D用户的目标SINRYD_ta,get，组成集合IVc并根据改进的遗传算法从中选出目标信道供该D2D对复用，遗传算法的进化目标选取的是最小化资源分配失败的概率； 如果没有找到可行信道，则该队D2D用户将被拒绝并进入等待队列； 步骤5:进行移动中继的选择，以D2D用户对收发端连线为直径构成的圆形区域中总有若干空闲用户可供选取作为移动中继，从中为每对D2D用户选取m个空闲用户作为候选中继集合，一个空闲用户只会出现在一对D2D用户的候选中继集合中，同一时刻一个空闲用户只能为一对D2D用户服务，一对D2D用户只能选择一个空闲用户作为移动中继；依据D2D中继系统SINR最优原则，并根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的SINR计算，从候选移动中继集合中选取出移动中继，使得该D2D中继通信可以获得最大的SINR ;若某个空闲用户电量不足或不适合用于移动中继，则从候选中继集合中去除该空闲用户； 步骤6:利用步骤4选出的信道和步骤5选出的移动中继，开始进行D2D测试通信，如果实际测试表明该信道内蜂窝通信和D2D中继通信都能够得到保障，则允许进行正式的D2D中继通信并且基站更新ChnTable的信息记录；否则，返回步骤4重新进行信道选择，直到通过测试； 步骤7: —旦有用户完成了自己的通信，或者出现可利用的信道资源，ChnTable中的信息将会被立即更新并依次序重新对等待队列中的D2D用户执行步骤4 ;为了保证持续可靠的通信过程，基站会周期对ChnTable中记录的用户所进行的通信进行监视。 所述的遗传算法包括如下步骤: 步骤一:对基因进行实数编码；染色体长度为蜂窝信道数N，共含有N个基因，对基因进行实数编码，一个信道最多只能被一对D2D用户复用，一对D2D用户最多只能复用一个信道，某个基因值为O表示该信道没有被D2D用户复用，第i个基因的数值Ai表示第Ai对D2D用户复用的是第i个信道，因而基因型A = A1A2*" An所对应的表现型为X = (X1, x2，…，xN)η;即:
Ai = Xi 显然，Ai = O表示该信道没有被任何一对D2D用户复用，而对于，如果Ai古O且Aj关O,有Ai关Aj ； 步骤二:对当前代数的种群进行选择操作；由于进化目标选取的是最小化资源分配失败的概率，因此用D2D用户的资源分配成功率来评价个体的适应度，如下式，用于选择操作，其中A!表示第I代群体中第i个个体；
2.根据权利要求书I所述的一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，其特征在于，所述步骤4和步骤5中根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的SINR计算，包括如下步骤: 步骤A: D2D中继通信模型中，蜂窝用户C正在与基站B进行上行通信，S-R-D是一个D2D中继通信系统，复用的是C占用的无线资源，S表示D2D发送用户，R表示移动中继，D表示D2D接收用户。有R、D、B三处接收到的混合信号分别为:
【文档编号】H04W72/04GK103796317SQ201310654633
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】孙君, 陶宇, 邵世祥 申请人:南京邮电大学