一种毫米波蜂窝网络中D2D通信的资源分配和功率控制方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种毫米波蜂窝网络中d2d通信的资源分配和功率控制结合的方法。

背景技术：

终端直通(device-to-device，d2d)是指终端之间直接进行通信。通信网络中，d2d终端间可以直接进行数据传输无需基站或中继设备转发。d2d通信降低通信核心网络的数据压力，大幅提升频谱利用率和吞吐量，为大规模网络的零延迟通信、移动终端的海量接入及大数据传输开辟了新的途径。d2d网络主要有三种通信模式即蜂窝模式、专用模式、复用模式。专用模式和复用模式是在基站控制下，d2d终端间直接通信。专用模式下，基站专门预留部分空闲的资源用于d2d通信，d2d用户和蜂窝用户在不重叠的正交频谱上进行通信，两者之间不会存在干扰，也被称为正交模式。复用模式下，d2d用户在基站控制下复用蜂窝用户的资源进行通信。作为近距离通信技术，d2d通信具有低功率、低延时、高速率的优势，节约链路资源，通过资源复用能够有效提升系统的吞吐量和性能。但d2d用户与蜂窝用户同时存在的情况下，会带来相互之间的干扰。目前有很多资源管理方案用于协调用户间干扰，但多集中在一对一资源复用以及小规蜂窝网络中。

毫米波通信可用频谱带宽大，传输速率快，但是穿透能力弱，易受遮挡物阻挡。毫米波技术和d2d通信技术作为5g关键技术，如何有效结合相关技术的优势，进一步提升通信网络的性能以满足5g的需求是一个亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对毫米波大规模d2d通信网络，在用户密集网络中允许多对d2d用户复用同一资源块，在满足系统干扰条件的情况下，通过空集增益和多用户增益以及有效的干扰协调策略来提高系统的总吞吐量，并通过动态功率控制限制干扰，节约能耗。为实现上述目的，本发明提出了一种毫米波d2d通信资源分配和功率控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立毫米波环境模型及链路路径损耗模型pl＝pllos+plnlos，并为蜂窝用户分配资源块

步骤2：计算每对d2d用户复用蜂窝用户时该蜂窝用户的sinr，若满足则将对应的蜂窝用户放入该ut的可选集ts中；

步骤3：针对d2d用户dtk的ut可选集ts，计算argmax{rd+rs}，得到系统吞吐量最大时utm值，并将dtk添加到对应复用候选集ωm中从集合m'中移除该dti,重复步骤2-3，当未处理dti集m'为空集时，进行步骤4；

步骤4：对于集合u中具有最大ωs的uts开始计算，计算ωs中每对d2d用户的sinr，如果则将该dt从ωs中移除，并加入到未分配dt集m'；

步骤5：计算ωs中每个dt在基站bs处的干扰，以及总干扰interfbs，如果将ωs中造成最大干扰的dt移除,并将被移除dt加入未分配dt集m'；

步骤6：满足以上条件的ωs即成为最终近似最优复用方案ρs，并将该uts从集合u中移除；对于所有被删除dt，重复步骤2-6，若未分配dt集m'为空集，则进行步骤7；

步骤7：计算d2d设备的路径损耗值，若pld≤pls+l'，判定用户落在高干扰区，取较低的路径损耗补偿因子α1，若pld＞pls+l'，d2d用户落到低干扰内时就取较大路径损耗补偿因子α2；

步骤8：基站计算终端当前sinr，决定所发送的tpc，当γd≥γh时，d2d用户信道状况良好，在保障自己信道容量rd＞req前提下，降低发射功率，减少发射功率δ＝-1db，当γd≤γl时，d2d用户干扰较大，提高发射功率δ＝+1db，当γl＜γd＜γh时，d2d用户步骤1中信道优良，根据目标值做适当调整；

步骤9：重复步骤7-8直至对所有d2d用户调整完功率。

进一步，上述步骤1中，在单蜂窝小区中存在大量蜂窝用户ut及d2d用户dt，且d2d用户数量远大于蜂窝用户数量，一对d2d用户对仅能复用一个蜂窝用户ut的资源块rb，如果信道状态允许，一个蜂窝用户可以将资源块与多对d2d用户对共享。

进一步，上述步骤1中，系统模型中共存在k个蜂窝用户，带宽被划分为n个带宽brb的资源块，其中n≥k，在n＞k的情况下可能存在v个d2d对也能够分配到信道资源，亦可以与其他d2d对共享资源块，蜂窝用户集s可以扩展为n个元素，包括k个ut和v个专用模式d2d对。

进一步，上述步骤1中，d2d间用户pl模型为pl1＝p1pllos+(1-p1)plnlos，其余相关链路损耗模型为pl2＝p2pllos+(1-p2)plnlos，相关参数(p1,p2)为(0.8,0.2)。

进一步，上述步骤2中使用资源块brbs的蜂窝用户的sinr为：

其中αs与βs为两个值相反的标志位，当s∈[1,n-v]时，(αs,βs)值为(1,0)，当s∈[n-v+1,n]时，(αs,βs)值为(0,1)。

进一步，上述步骤4中复用模式下的dt的sinr为：

进一步，上述步骤5中bs处接收到的复用ut的rb资源块的dt干扰的总和为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1，本发明采用启发式资源分配方法，在满足用户sinr要求下，允许多对d2d对复用同一资源块，尽可能的通过空集增益和多用户增益以及有效的干扰协调策略来提高系统的总吞吐量，并通过动态功率控制限制干扰节约能耗，有效解决了大规模d2d通信资源分配的问题。

2，与传统方案相比，本发明提出的方案复杂度低，可以有效解决大规模d2d通信中资源分配和干扰控制问题，提升了系统吞吐量，降低功耗，进一步提高系统性能。

3，本发明中采用的启发式算法也可用于蜂窝网络d2d通信资源分配。

附图说明

图1是系统模型图；

图2是本发明采用的资源分配方法流程图；

图3是本发明采用动态功率控制方法流程图；

图4是以图2所示资源分配方法进行的仿真结果。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明所述的毫米波d2d通信的启发式资源分配方法包括以下内容：

①系统模型：在单蜂窝小区中存在大量蜂窝用户ut(userterminal)及d2d用户dt(deviceterminal)，且d2d用户数量远大于蜂窝用户数量。如图1所示，一个d2d用户对包括发射中断dt和接收终端dr。在该系统中，一对d2d用户对仅能复用一个蜂窝用户cu的资源块rb。如果信道状态允许，一个蜂窝用户可以将资源块与多对d2d用户对共享。

假设网络中有n个蜂窝用户集s＝{s1,s2,s3,...,sn}，m个d2d用户对m＝{d1,d2,...,dm}与蜂窝用户复用资源块。当uts与dtd共享资源块时，ρd,s置为1,否则则为0。hs,b表示用户与基站bs间上行链路的信道增益，ns为方差σ²(σ²为正实数)的加性高斯白噪声。ps和pd表示蜂窝用户及d2d用户的传输功率。在基站bs处接收到的信号为：

在dr处收到的信号为：

其中d'为与d复用同一资源块的d2d用户对。

毫米波中研究最多的波段是28,38,60,71-76和81-86ghz。毫米波通信是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的通信技术，但会由于障碍物和大气吸收而导致信号衰减。在本模型中考虑28ghzmm波段。根据28ghzmmwave的现实室外传播研究，路径损耗(pl)模型将视距(los)和非视距(nlos)分量分离,即

pl＝pllos+plnlos。

每一个分量为plx(d)＝μ+10vlg[d(m)]+ξ,ξ～n(0，σ²)。

d2d间用户pl模型为pl1＝p1pllos+(1-p1)plnlos，其余相关链路损耗模型为pl2＝p2pllos+(1-p2)plnlos。

本发明中仿真时，相关参数(p1,p2)为(0.8,0.2).

pllos(d)[db]＝61.4+20lg[d(m)]+ξ,ξ～n(0，5.8)

plnlos(d)[db]＝72+29.2lg[d(m)]+ξ,ξ～n(0，8.7)

带宽被划分为n个带宽brb的资源块，其中(n≥k)。考虑满载情况，在n＞k的情况下可能存在v个d2d对也能够分配到信道资源，亦可以与其他d2d对共享资源块。蜂窝用户集s可以扩展为n个元素，包括k个ut和v个专用模式d2d对。为了保证用户通信质量，减少干扰的同时提升系统吞吐量。在满足系统误码率的情况下，允许集合s中的用户与d2d用户对共享资源块。使用资源块brbs的蜂窝用户的sinr为：

其中αs与βs为两个值相反的标志位。当s∈[1,n-v]时，(αs,βs)值为(1,0)。当s∈[n-v+1,n]时，(αs,βs)值为(0,1)。h为信道增益，ns为加性高斯白噪声。为信噪比阈值。

考虑到sinr与误码率，复用模式下的dt的sinr阈值为：

ut与dt的传输速率为：

rs＝brblog2(1+cstsγs)

其中

ber为传输时最低误码率。在这种毫米波网络设计中，系统总吞吐量为最终优化目标，用户传输需要满足sinr要求。

使用资源块brbs的蜂窝用户的发射功率需要满足：

同理，d2d用户对最小发射功率为：

根据以上系统模型的分析，可建立以下资源分配模型：

其中第一二两个条件为ut和dt的最低sinr要求，第三、四、五条件为设备发射功率限制，其中n个使用蜂窝资源的用户中有v个处于专用模式的d2d对。最后一个约束条件则保证每个dt可以重用一个rb(相当于共享一个ut的相同rb)。由于非线性整数公式，这种优化问题的解决方案在短时间内不容易找到，特别是对于大量的dt。因此，我们采用低复杂度的启发式算法来管理不同用户之间的频谱资源。

②启发式资源分配算法：本发明中提出的算法是以降低干扰最大化系统吞吐量为标准。在dr处收到的总干扰为：

为了满足约束条件中的γd，interfd不能超过

同样地，interfb为bs处接收到的复用ut的rb资源块的dt干扰的总和，则interfb不能超过且

u和m'是用于指未分配的rb和未处理的dt集。ω＝{ω1,ω2,...,ωn}为ut与dt间资源复用的可选集，ρ＝{ρ1,ρ2,...,ρn}为uts与dts间最优复用集。

算法步骤如下：

步骤1：初始化系统参数,u＝s,m'＝m,ut与dt间资源复用的可选集ω＝{ω1,ω2,...,ωn}，且i＝1,2,3,...,n。ut与dt间最优复用集ρ＝{ρ1,ρ2,...,ρn}，且i＝1,2,3,...,n；

步骤2：

(1)假设对于dti∈m'，uts∈u,计算能够与dtk复用的ut，即计算dtk与uts复用时，能否满足该ut的sinr条件得到满足的所有能够与dti复用资源块的ut可选集。

(2)计算argmax{rd+rs}，得到系统吞吐量最大时utm值，并将dtk添加到对应复用候选集ωm中。

(3)从集合m'中移除该dti,重复步骤(1)。

(4)当未处理dti集m'为空集时，进行步骤3。

步骤3：对于集合u中具有最大ωs的uts开始计算：

(1)如果则将该dt从ωs中移除；

(2)计算ωs中每个dt在基站bs处的干扰，以及总干扰interfbs；

(3)如果将ωs中造成最大干扰的dt移除,并将被移除dt加入未分配dt集m'

步骤4：

(1)ρs＝ωs，确定资源块rbs的近似最优复用方案

(2)将该uts从集合u中移除。

步骤5：对于所有被删除dt，重复步骤2-4。若无未分配dt，则退出算法。

如图2所示，此算法的基本思想是先为ut分配n个资源块，保证n个蜂窝用户各占用一个资源块。然后对dtk进行分配，通过计算蜂窝用户sinr，得到能与dtk共享资源块的ut集。再计算argmax{rd+rs}，选择系统吞吐量最优情况下的配对uts，将dtk放入对应ωs，得到ut与dt间资源复用吞吐量最大时的候选分配集ω。最后对uts进行筛选，从可复用最多dtk的uts开始计算，将集合ωs中不符合dtk最小误码率要求的dt从ωs中移除，降低干扰，保证资源均衡复用，最得到符合系统要求的近似最优资源复用方案。图4为基于误码率指标下不同数量d2d用户对于系统吞吐量影响的仿真图。

③动态功率控制方法：

pld为d2d用户路径损耗值，pls为复用同一资源块的蜂窝用户的路损。l'为定义的限制门限，该门限是一个路径损耗差值，单位为db。如图3所示，先计算d2d设备的路径损耗值。当pld≤pls+l'时，判定用户落在高干扰区,取较低的路径损耗补偿因子α1，减小干扰，降低损耗。当pld＞pls+l'时，d2d用户落到低干扰内时就取较大路径损耗补偿因子α2，提高传输性能。

补偿因子表达为：

确定α值之后进行闭环功率控制，表达式为：

为用户最大发射功率，p0为用户额定功率。m(i)为分配给用户的prb个数，αi为路径损耗补偿因子，pl为路径损耗。δ为调整步长。

在闭环功率控制过程中，基站负责调整d2d用户终端的参数同时下发功率控制信令(tpc,transmissionpowercontrol)。d2d用户则根据接收到的功率控制信令，对发射功率做相应的调节。

γh为信干噪比上边界，γl为信干噪比下边界，γt为理想信干噪比值，req为d2d用户需求最低传输速率。基站计算终端当前sinr，决定所发送的tpc。当γd≥γh时，d2d用户当前信道状况良好，可以在保障自己信道容量(rd＞req)的前提下，降低发射功率，节省功耗且降低干扰。用户根据tpc信令减少发射功率δ＝-1db。当γd≤γl时，d2d用户所受干扰较大，适当提高发射功率，保证通信质量，δ＝+1db。当γl＜γd＜γh时，d2d用户信道优良，sinr接近目标值γt。系统调整步长因子可根据目标值做适当调整：