多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法，该方法能够增强D2D链路性能，提升系统资源利用率，并且能够降低D2D发射方功率，降低对蜂窝用户干扰，通过跨层设计和中继辅助将带来更大性能提升。技术方案是：本发明是一种蜂窝用户与D2D用户共存时多源多宿D2D用户使用中继通信的实现方法，该方法为实现多源多宿D2D用户簇内各个用户公平使用资源，得到满意的用户体验提供方案，适用于下一代蜂窝系统，该方法提出了使用图论分级和跨层设计的资源分配和利用问题。
【专利说明】多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及计算机通信【技术领域】，特别涉及一种基于终端直通通信的多源多宿中继通信方法。
【背景技术】
[0002]传统蜂窝系统中引入直通技术(D2D)可以克服MT-Advanced系统中随着无线多媒体业务发展带来的以基站为中心的小区业务提供模式在适应本地业务发展方面的局限性，D2D技术能够改善网络结构、增强覆盖、提高系统容量。
[0003]但是，D2D技术的提出带来新的问题:直通用户很多应用场景是在高密度用户环境下对大流量多媒体数据大量需求的场景，这就需要I)、基站协助对其进行合适的资源分配；2)、在用户设备的体积功耗限制使D2D通信的功率和距离受限的情况下，高效利用资源；3)、保证直通服务的有效性、公平性和可靠性，提高每个直通用户的用户体验。
[0004]为了解决以上的问题，本发明提出通过图论和分级的方法解决资源分配问题，同时通过自适应编码调制和混合自动请求重传结合方案可以很好地解决资源的高效利用问题。本发明中的方案一方面可以增强D2D链路性能，提升系统容量，另一方面可降低D2D发射方功率，降低对蜂窝用户干扰。
【发明内容】
[0005]技术问题:本发明目的在于提供了一种多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法，该方法能够增强D2D链路性能，提升系统资源利用率，并且能够降低D2D发射方功率，降低对蜂窝用户干扰，通过`跨层设计和中继辅助将带来更大性能提升。
[0006]技术方案:本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:本发明是一种蜂窝用户与D2D用户共存时多源多宿D2D用户使用中继通信的实现方法，该方法为实现多源多宿D2D用户簇内各个用户公平使用资源，得到满意的用户体验提供方案，适用于下一代蜂窝系统，该方法提出了使用图论分级和跨层设计的资源分配和利用问题。
[0007]方法流程:
[0008]首先，这里定义的术语定义如下:
[0009]BS:基?占
[0010]D2D:端到端
[0011]C1:第i个蜂窝用户
[0012]SINR:信干燥比
[0013]HARQ:混合自动请求重传
[0014]AMC:自适应编码调制方式
[0015]ACK:接收端发送给发送端的应答信号
[0016]M:在D2D链路层备选的AMC方案数
[0017]N0:加性白高斯噪声功率[0018]α:路径损耗因子
[0019]G (V, E):端集为V，边集为E的图
[0020]Vi, i = 1，2，...η:端集 V 中的第 i 端点
[0021]i = 1，2，…η:边集E中的第i条边
[0022]η:端集中端点的个数
[0023]a u，i, j e V, i ^ j:节点i到节点j链路上传输单位比特数据所需要的费用
[0024]f1； f2:基站分配给直通用户的频率
[0025]G:由端和边组成的图
[0026]Gp:直定端集
[0027]1:簇内第i个节点
[0028]G1:第i级置定端集
[0029]N1:第i级置定端集中节点数
[0030]j:未置定端集中的任意一点
[0031]Gi+1:第i+Ι级置定端集
[0032]Ni+1:第i+Ι级置定端集中节点数
[0033]fu:节点i到节点j链路上的流量
[0034]Clij:节点i到节点j的通信距离
[0035]Pij:节点i发送单位比特数据到节点j所需要的功率
[0036]a u:在链路ij上传输单位比特数据产生的费用
[0037]riJ:在链路ij上的数据传输速率
[0038]vi；1, I = 1,2,…队:集合Gi中的元素，表示第i级节点集合中的第I个节点
[0039]vi+1；1, I = 1,2,…Ni+1:集合Gi+i中的元素表示第i+Ι级节点集合中的第I个节点，φ (fij, Pij):链路ij上产生的总费用函数
[0040]fk1:上一级节点k到本级节点i链路上的流量
[0041]fmax1:节点i的最大节点流量
[0042]fmaxiJ:链路i j上的最大链路流量
[0043]Clij:节点i和j之间的距离
[0044]Ilij:节点i和j之间的路径衰落因子
[0045]I:j节点接收的干扰功率
[0046]Y Jth: j节点正确接收信号的接收信噪比(SINR)门限值
[0047]Pmin1:节点i的最小单位比特发送功率
[0048]Pmax1:节点i的最大单位比特发送功率
[0049]本发明的多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法实现如下:
[0050]1)通信场景
[0051]在蜂窝小区中，可能会存在一个区域内集中分布大量密集直通用户的场景，该区域内用户有相同的或者不同的多媒体业务下载需求，将这样的区域称为一个簇，簇内的用户实现分布式的直通通信；具体的通信方式为:簇内有一个簇首用户，该用户首先通过其附近的蜂窝用户向基站请求获得信道资源和相应的多媒体业务，簇首向基站申请的是一组可用的信道资源，信道根据簇所在的位置，采用网格化频谱资源分配方法向该簇分配所需要的一组频率资源；
[0052]簇内的用户对多媒体业务数据进行分级中继转发，对于簇首用户节点，簇首节点称为零级节点，零级节点对通信距离范围内的向其申请转发数据服务的节点根据端间最佳路径原则进行选择，被选的节点从簇首节点处下载数据，同时，从簇首节点处下载数据的节点成为一级节点，一级节点用同样的方式为下一级节点转发数据，以此类推；在同一级节点中，没有申请到服务的节点，继续在其通信距离范围内寻找下一级节点中可以转发服务的节点，直到找到为止；
[0053]2)基站对直通用户的资源分配流程:
[0054]簇首向基站申请资源分配时，除了告知基站本簇的地理位置外，还需要向基站申请可使用足够长时间的、不能在簇内和簇外对蜂窝系统产生干扰的频率资源，将基站覆盖范围划分为若干网格区域，基站根据“不在有效通信范围内不产生干扰”的距离原则为簇内用户分配频率资源；如果簇内用户都使用相同的频率资源，在用户申请同一种业务时是有利的，如果用户之间需要转发的业务数据类型不一样，同一个频率资源就会在簇内用户间产生干扰，因此，基站在分配频率资源的时候，需要根据簇内用户的业务状况进行分配；如果是相同类型业务，基站可以向簇首分配相距所在簇区域较远的区内的频率资源，如果簇内用户所转发的数据类型不相同，则基站根据情况向簇首分配两个以上的频率资源；
[0055]直通用户簇的簇首用户向基站发送资源请求后，基站根据簇首用户所在的位置和簇首用户发来的关于簇的范围的信息，将簇所在的区域定义为O区域，以簇所在区域对应的圆心角为准，将整个蜂窝系统按该圆心角划分为若干区域，与O区相邻的区域定义为I区，与I区相邻的区域定义为II区，以此类推；基站将与O区不相邻区域的频率资源分配给簇内用户，以此避免簇内用户之间以及簇内用户和蜂窝用户之间的干扰；
[0056]3)簇内节点用户分级方案
[0057]首先定义簇首节点`为O级节点，通过O级节点转发数据的节点定义为I级节点，所有同级节点定义为置定端集Gi,置定端集中端的个数即为该级中节点的个数，根据这种划分，在簇内节点在转发数据的链路连接过程中可以协调使用基站分配的资源，即:第一级转发使用频率Π，第二级转发使用频率f2，第三级转发使用频率Π，第四级转发使用频率f2，以此类推，有效地避免簇内的相互干扰；
[0058]簇内节点按照端间优化的原则进行节点的分级，具体方法如下:
[0059]假设节点i为置定端集中的一个元素，该置定端集定义为i级置定端集Gi,假设集合中一共有Ni个节点；节点j是未置定端集中的任意一点，该未置定端集定义为Gi+1，该集合中的端点由向Gi由节点申请转发数据的节点构成，假设集合中一共有Ni+1个节点；通过优化方案选出的节点保留在集合Gi+1中，同时更新集合中节点数Ni+1，剩余节点放在下一级未置定端集Gi+2中，进入选择程序，依此类推；定义表示节点i到节点j链路上的流量，Clu表示节点i到节点j的通信距离，Pij表示从节点i发送单位比特数据到节点j所需要的功率，a u表示在链路ij上传输单位比特数据产生的费用，表示在链路ij上的数据传输速率，集合Gi中的元素vu，I = 1,2,…队表示第i级节点集合中的第I个节点，集合Gi+1中的元素vi+u，I = 1,2, -Ni+1表示第i+Ι级节点集合中的第I个节点，定义函数Φ (fu，Pij)表示链路ij上产生的总费用；
【权利要求】
1.一种多源多宿直通中继通信系统中的跨层优化设计方法，其特征在于，该方法实现如下: 1)通信场景 在蜂窝小区中，可能会存在一个区域内集中分布大量密集直通用户的场景，该区域内用户有相同的或者不同的多媒体业务下载需求，将这样的区域称为一个簇，簇内的用户实现分布式的直通通信；具体的通信方式为:簇内有一个簇首用户，该用户首先通过其附近的蜂窝用户向基站请求获得信道资源和相应的多媒体业务，簇首向基站申请的是一组可用的信道资源，信道根据簇所在的位置，采用网格化频谱资源分配方法向该簇分配所需要的一组频率资源； 簇内的用户对多媒体业务数据进行分级中继转发，对于簇首用户节点，簇首节点称为零级节点，零级节点对通信距离范围内的向其申请转发数据服务的节点根据端间最佳路径原则进行选择，被选的节点从簇首节点处下载数据，同时，从簇首节点处下载数据的节点成为一级节点，一级节点用同样的方式为下一级节点转发数据，以此类推；在同一级节点中，没有申请到服务的节点，继续在其通信距离范围内寻找下一级节点中可以转发服务的节点，直到找到为止； 2)基站对直通用户的资源分配流程: 簇首向基站申请资源分配时，除了告知基站本簇的地理位置外，还需要向基站申请可使用足够长时间的、不能在簇内和簇外对蜂窝系统产生干扰的频率资源，将基站覆盖范围划分为若干网格区域，基站根据“不在有效通信范围内不产生干扰”的距离原则为簇内用户分配频率资源；如果簇内用户都使用相同的频率资源，在用户申请同一种业务时是有利的，如果用户之间需要转发的业务数据类型不一样，同一个频率资源就会在簇内用户间产生干扰，因此，基站在分配频率资源的时候，需要根据簇内用户的业务状况进行分配；如果是相同类型业务，基站可以向簇首分配相距所在簇区域较远的区内的频率资源，如果簇内用户所转发的数据类型不相同，则基站根据情况向簇首分配两个以上的频率资源； 直通用户簇的簇首用户向基站发送资源请求后，基站根据簇首用户所在的位置和簇首用户发来的关于簇的范围的信息，将簇所在的区域定义为O区域，以簇所在区域对应的圆心角为准，将整个蜂窝系统按该圆心角划分为若干区域，与O区相邻的区域定义为I区，与I区相邻的区域定义为II区，以此类推；基站将与O区不相邻区域的频率资源分配给簇内用户，以此避免簇内用户之间以及簇内用户和蜂窝用户之间的干扰； 3)簇内节点用户分级方案 首先定义簇首节点为O级节点，通过O级节点转发数据的节点定义为I级节点，所有同级节点定义为置定端集Gi,置定端集中端的个数即为该级中节点的个数，根据这种划分，在簇内节点在转发数据的链路连接过程中可以协调使用基站分配的资源，即:第一级转发使用频率fl，第二级转发使用频率f2，第三级转发使用频率fl，第四级转发使用频率f2，以此类推，有效地避免簇内的相互干扰； 簇内节点按照端间优化的原则进行节点的分级，具体方法如下: 假设节点i为置定端集中的一个元素，该置定端集定义为i级置定端集Gi,假设集合中一共有Ni个节点；节点j是未置定端集中的任意一点，该未置定端集定义为Gi+1，该集合中的端点由向Gi由节点申请转发数据的节点构成，假设集合中一共有Ni+1个节点；通过优化方案选出的节点保留在集合Gi+1中，同时更新集合中节点数Ni+1，剩余节点放在下一级未置定端集Gi+2中,进入选择程序,依此类推；定义t表示节点i到节点j链路上的流量，(Iij表示节点i到节点j的通信距离，Pij表示从节点i发送单位比特数据到节点j所需要的功率，a u表示在链路ij上传输单位比特数据产生的费用，表示在链路ij上的数据传输速率，集合Gi中的元素vu，I = 1,2,…队表示第i级节点集合中的第I个节点，集合Gi+1中的元素vi+u，I = 1,2,…Ni+1表示第i+Ι级节点集合中的第I个节点，定义函数Φ (fu，Pij)表示链路ij上产生的总费用；
【文档编号】H04L1/18GK103826196SQ201410049834
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2014年2月13日
【发明者】孙君, 朱洪波 申请人:南京邮电大学