蜂窝系统密集分布用户组的D2D资源分配方法及装置与流程

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及一种蜂窝系统密集分布用户组的终端直通(device-to-device，d2d)资源分配方法及装置。

背景技术：

在全球移动互联的今天，各种智能终端如雨后春笋般涌现，它们在方便人们日常生活的同时，也带来了日益激增的业务需求，海量的移动通信数据使得原本有限的频谱资源变得越来越紧张。为有效提升蜂窝网络的频谱利用率，缓解频谱资源匮乏的现状，d2d技术作为一项关键技术在3gppr12版本协议中被提出。d2d通信是指物理位置邻近的移动用户设备(userequipment,ue)之间通信时，数据不再通过基站转发，而是在基站的控制下直接建立本地直连的通信链路，它可以有效提高频谱利用率、减轻基站负担、减少端到端的时延。

目前关于d2d的通信模式分为三种：蜂窝模式、专用模式、复用模式。其中，复用模式是在基站的控制下d2d用户对(d2dpair，dp)与蜂窝用户(celluser，cu)使用相同的信道资源，相比另外两种模式在提升频谱利用率方面具有显著优势，特别是在频谱资源较为紧缺的情况下，所以作为当前研究和应用d2d技术的主流通信模式。但是，d2d技术复用模式的引入在给蜂窝网络带来上述增益的同时，也会产生新的干扰问题：跨层干扰和共层干扰。跨层干扰是dp与cu使用相同信道资源进行数据传输时，dp与cu之间产生的互干扰；共层干扰是复用同一cu资源的dp之间形成的干扰。

现有的d2d技术方案大多是研究通用场景，且设置资源复用条件为一个cu上行资源只能被一个dp复用，而针对用户密集分布的场景，特别是区域内dp分布较为密集的情况却很少涉及。在d2d技术实施中，如果采取多个dp复用同一个cu上行资源的资源复用方式，能有效缓解上述场景下频谱资源紧缺的情况，但也会给蜂窝系统带来严重的跨层干扰和共层干扰，若不对其加以限制，则会达到得不偿失的后果。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明旨在提供一种蜂窝系统密集分布用户分组的d2d资源分配方法及装置，以此来解决用户密集分布场景下频谱资源紧缺的问题，同时限制区域内的跨层干扰和共层干扰，并最大化系统吞吐量。

一种蜂窝系统密集分布用户组的d2d资源分配方法，所述方法包括以下步骤：

s1、基站通过接收用户终端上报的通信链路的信道属性csi来获得d2d用户对的干扰信息，从而获得d2d用户对和蜂窝用户的分布情况；

s2、根据区域内d2d用户对的分布情况构建用户组；基于划分的用户组确定其对应的可复用的蜂窝用户资源集合；

s3、基于d2d用户对与蜂窝用户的距离，以及跨层干扰的限制；从对应的蜂窝用户资源集合中选择合适的蜂窝用户资源进行资源预分配；

s4、基于跨层干扰的限制和共层干扰的影响，采用混合蛙跳算法进一步调整各用户组集内d2d用户对复用蜂窝用户资源的情况，在限制系统干扰的情况下多次迭代以实现最大化系统吞吐量。

另外，一种蜂窝系统密集分布用户组的d2d资源分配装置，包括：

资源获取模块，用于根据用户终端上报的通信链路的信道属性csi来获得d2d用户对的干扰信息，从而获得d2d用户对和蜂窝用户的分布情况；

d2d预分配模块，用于根据d2d用户对与蜂窝用户的距离，以及跨层干扰的限制对d2d用户对分配蜂窝用户资源；

d2d配置模块，对预分配的资源进行优化，采用混合蛙跳算法进一步调整各用户组集内d2d用户对复用蜂窝用户资源的情况。

本发明的有益效果：

本发明采用的蜂窝系统密集分布用户分组的d2d资源分配方法，允许dp复用多个cu资源，可以有效解决蜂窝系统频谱资源紧张的问题，提高频谱利用率和系统吞吐量。本发明致力于应对区域用户密集分布的场景，特别是区域内dp数量和分布密度较大的情况，采用同一用户组内各dp复用的cu资源不能相同，但用户组之间的cu资源复用不会相互限制，这样可有效解决部分d2d用户分布较为集中的区域由于dp复用而对蜂窝系统造成的干扰问题，大幅度削减其负面影响。在分配资源时，充分考虑每个ue的qos要求，即保证dp和cu的最小数据传输速率，保证用户体验。

附图说明

图1是蜂窝系统区域用户密集分布场景示意图；

图2是本发明一种蜂窝系统密集分布用户分组的d2d资源分配方法的流程图；

图3是本发明另外一种蜂窝系统密集分布用户组的d2d资源分配方法的流程图；

图4是本发明区域用户分组的具体示意图；

图5是本发明的区域用户分组的流程图；

图6是本发明预分配的流程图；

图7是本发明基于混合蛙跳算法优化资源分配的流程图；

图8是本发明实施例的系统吞吐量和dp对数的关系变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示为本发明的区域用户分布场景示意图，d2d用户(包括dp发送用户dt和dp接收用户dr)和cu共享资源，它们构建直连的通信链路进行数据的收发，而不需要经过基站转发。相较于上行链路，蜂窝系统下行链路的资源利用率较高，所以本发明是在基站的控制下dp复用蜂窝系统上行链路资源，本发明中出现的复用cu资源如果没有特殊说明均表示复用cu的上行链路资源。当dt2和dt5同时复用cu6资源时，则dt2和dt5的上行链路会对cu6的接收端(即基站)产生同频干扰，同时dr2会受到dt5和cu6的同频干扰，dr5会受到dt2和cu6的干扰，也就是由于引入d2d技术蜂窝系统产生了共层干扰和跨层干扰。

本发明的实施例考虑单蜂窝小区d2d用户密集分布的场景，小区覆盖半径为500m，dp距离为10m，蜂窝系统通信链路信道增益为128.1+37.6lg(d)，d2d短距通信链路信道增益为148+40lg(d)，其中d为ue之间的距离，单位是km，信道增益单位是db。n＝10个cu和至少m＝15对dp随机分布于小区范围内，那么cu集合表示为cue＝{cui，i＝1,2,…,n}，dp集合表示为dp＝{dpj，j＝1,2,…,m}。基站知道蜂窝系统内所有ue的csi和qos，同时基站调度所有ue的资源。考虑到本发明限制系统内的共层干扰和跨层干扰，同时保证每个ue的qos，最大化目标函数可以表示为：

其中，ri,j表示复用cui资源的dpj的吞吐量，ri表示cui的吞吐量，b为cu信道资源的带宽，b＝180khz。xi,j是二进制的资源复用指示标识(即标识dp是否复用cu资源)，若dpj复用cui资源，则xi,j＝1，否则xi,j＝0。pi为蜂窝用户cui的发射功率，所有cu的发射功率相等且固定为pcu＝23dbm，pi,j表示复用cui资源的dti的发射功率，所有dp的发射功率相等且固定为pdp＝10dbm。hi为cui到基站的信道增益，hj,i是dti到cui的接收端基站的信道增益，hk,j表示dtk到drj的信道增益，hi,j为cui到drj的信道增益。和分别表示系统限定的cui和dpj的传输速率门限值。n0为高斯白噪声。

因为本发明考虑限制干扰的蜂窝系统，所以可以忽略高斯白噪声n0，ri和ri,j分别进一步表示为：

基于上述模型，如图2所示，本实施例提供一种蜂窝系统密集分布用户组的d2d资源分配方法，包括：

100、ue测量上报csi；

其中，ue测量上报的信道状态信息(channelstateinformation，csi)包含信道质量指示(channel-qualityindicator，cqi)，也就是基站可以知道其覆盖范围内所有链路用户的csi和信道服务质量(qualityofservice，qos)，从而得知cu和dp的大致分布情况，为后续的资源调度提供先验条件。

200、根据区域内d2d用户分布情况构建用户分组；

其中，任选未分组的d2d用户，将以其为中心，r为半径范围内的所有d2d用户纳入同一个用户组集合。然后遍历新纳入的d2d用户成员，继续将范围内的其他d2d用户纳入该用户组，直到无新增用户。持续上述过程，直到所有的d2d用户分组成功。随后，基于划分的用户组确定其对应可复用的资源集合，如果cu和d2d用户之间的距离小于距离门限，则将该cu资源剔除出对应的资源集合。

300、基于d2d用户与cu的距离实现资源预分配；

在一个实施例中，在步骤300中，所述的资源预分配是基于d2d用户与cu之间距离的方案，即对于每个dp而言，在其从可选资源集中选择cu资源时，优先选择与其距离相对最远的cu的资源，该步骤主要考虑系统内跨层干扰的影响，同时保证d2d用户自身的qos。

400、基于混合蛙跳算法优化资源分配。

采用所述的混合蛙跳算法(sfla)是由于步骤300中忽略了系统内共层干扰的影响，此步骤进一步考虑共层干扰对系统的影响，sfla算法是一种全局优化算法，其主要思想是对用户分组并调整组内适应度最差的用户的复用向量，通过用户组间的信息共享来搜索全局最优解。

如图3所示，本实施例提供另外一种蜂窝系统密集分布用户组的d2d资源分配方法，包括：

101、基站通过接收用户终端上报的通信链路的信道属性csi来获得d2d用户对的干扰信息，从而获得d2d用户对和蜂窝用户的分布情况；

201、根据区域内d2d用户对的分布情况构建用户组；基于划分的用户组确定其对应的可复用的蜂窝用户资源集合；

301、基于d2d用户对与蜂窝用户的距离，以及跨层干扰的限制；从对应的蜂窝用户资源集合中选择合适的蜂窝用户资源进行资源预分配；

401、基于跨层干扰的限制和共层干扰的影响，采用混合蛙跳算法进一步调整各用户组集内d2d用户对复用蜂窝用户资源的情况，在限制系统干扰的情况下多次迭代以实现最大化系统吞吐量。

步骤201中，根据区域内d2d用户分布情况构建用户分组：遍历d2d用户，分别将以d2d用户为中心的圆范围内的所有d2d用户纳入同一个用户组集，同时考虑复用相同资源的cu与dp之间的跨层干扰，针对每个用户组集选取其可复用的cu资源集；

如图4所示为区域用户分组的具体示意图，将所有dp根据存在的区域划分至不同的用户组内，如图5所示，区域用户分组具体步骤如下：

210、初始化，建立用户组集合gp＝{gk，k＝1,2,…,l}，令k＝1。

211、在未分组的d2d用户中任取一个d2d用户，将以该d2d用户为圆心，r为半径范围内的所有d2d用户纳入用户组集合gk。

212、遍历gk中新增的d2d用户，继续将以其为圆心，r为半径范围内的所有d2d用户纳入用户组集合gk。

213、重复上述步骤212)，直至无新增d2d用户，如果此时仍有d2d用户未分配到用户组，则更新k：k＝k+1，回到步骤211)。否则，退出区域用户分组。

另外，规定用户组内的单个dp可以复用多个cu的上行资源，但一个cu的上行资源只能被同一个用户组内的单个dp复用。考虑到cu的发射功率远大于dp的发射功率，如果dp和cu距离太近，cu的上行链路会对dp产生严重的跨层干扰，所以设置cu和d2d用户之间的距离门限δd(δd＞＞r)，遍历蜂窝用户cu，若以其为圆心，δd为半径范围内存在d2d用户，则将该cu剔除出d2d用户所属用户组对应的可用资源集合。

s3、基于d2d用户与cu的距离实现资源预分配：遍历用户组内的用户成员，依据dp与cu之间的距离，以及跨层干扰的限制来从对应的cu资源集中选择合适的cu资源进行复用；如图6所示，具体可包括：

311、获取所有用户组集合和与之对应的蜂窝用户资源集合；

312、选择未分配的用户组gk，判断其中d2d用户对数量与对应可复用蜂窝用户资源集vk的蜂窝用户数量的大小；

313、若小于蜂窝用户数量，则遍历d2d用户对，在vk内未被占用的蜂窝用户中，选择距离该d2d用户最远的蜂窝用户进行复用；遍历用户组gk的d2d用户后，将vk中剩余的蜂窝用户资源分配给与之相距最远的d2d用户对；

314、若大于蜂窝用户数量；则遍历vk的蜂窝用户资源，在gk内未分配蜂窝用户资源的d2d用户中，选择距离该蜂窝用户最远的d2d用户对进行复用；

315、判断是否存在未分配蜂窝用户资源的用户组，若有则返回步骤311，否则退出资源预分配过程。

如图7所示，基于混合蛙跳算法优化资源分配的过程包括：

410、获取所有用户组集合和与之对应的蜂窝用户资源集合；

411、选择未分配的用户组gk，判断其中d2d用户对数量与对应可复用蜂窝用户资源集vk的蜂窝用户数量的大小；

412、若其d2d用户对数量小于对应可复用蜂窝用户资源集vk的蜂窝用户数量，则遍历d2d用户对，在vk内未被占用的蜂窝用户中，选择距离该d2d用户最远的蜂窝用户进行复用；遍历用户组gk的d2d用户后，将vk中剩余的蜂窝用户资源分配给与之相距最远的d2d用户对；

413、若用户组的d2d用户数量大于对应可复用蜂窝用户资源集vk的蜂窝用户数量；则遍历vk的蜂窝用户资源，在gk内未分配蜂窝用户资源的d2d用户中，选择距离该蜂窝用户最远的d2d用户对进行复用；

414、判断是否存在未分配蜂窝用户资源的用户组，若有则返回步骤s311，否则退出资源预分配过程。

此时，资源优化过程完成，d2d资源分配在满足限制系统干扰的前提下达到全局相对最优解。

另外，基于与方法同样的发明构思，本发明实施例提供一种蜂窝系统密集分布用户组的d2d资源分配装置，包括：

资源获取模块，用于根据用户终端上报的通信链路的信道属性csi来获得d2d用户对的干扰信息，从而获得d2d用户对和蜂窝用户的分布情况；

d2d预分配模块，用于根据d2d用户对与蜂窝用户的距离，以及跨层干扰的限制对d2d用户对分配蜂窝用户资源；

d2d配置模块，对预分配的资源进行优化，采用混合蛙跳算法进一步调整各用户组集内d2d用户对复用蜂窝用户资源的情况。

如图8所示，根据系统吞吐量和dp对数的关系变化图，可以看出基于上述实施例，与传统图着色资源分配算法相比，本发明在系统吞吐量方面提升至少17％。在蜂窝系统用户密集分布场景下，本发明可有效提升蜂窝系统吞吐量和频谱利用率。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。