一种基于未授权频谱共享的共存方法

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于未授权频谱共享的共存方法。

背景技术：

为了满足第五代(5g)无线网络数据流量的未来需求，我们在努力寻找提高频谱效率方法的同时，将流量卸载到未授权频段的相关研究也不断增加。由于不同的传输机制，在考虑未授权频段上lte和wifi用户的共存问题时，主要通过占空比静默模式(dutycyclemuting,dcm)和授权辅助接入模式(licensedassistedaccess,laa)这两种正交接入模式。而采用频谱共享的方式往往会使得lte和wifi用户之间的干扰太大。设备到设备(d2d)通信是5g系统中一个很有前途的技术，通过允许两个附近的终端用户直接通信而不是通过基站(basestation,bs)来提高频谱利用率。d2d短距离通信用户位置的灵活性及其节能的特性完美的解决了干扰过大的问题。而且在实际应用中d2d通信的传输范围较短，传输功率较低，因此可以在全时间段与wifi用户共享未授权频谱。

在频谱共享的情况下，d2d-u用户的通信对wifi用户造成的干扰无法通过bs直接获取。在理想状况下，我们希望当wifi通信受到的干扰达到阈值时，wifi系统传输一个信号给bs，bs接收到信号后合理控制d2d-u通信。而且在实际场景中，对于精确的wifi系统的吞吐量很难获得。因此，本发明设计了一个干扰惩罚模型，通过对d2d-u的发射功率进行控制，提高系统的吞吐量，同时扩大了系统的容量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于未授权频谱共享的共存方法，在保证d2d-u和wifi用户的基本通信条件的前提下，通过分析未授权频谱的d2d用户选择和功率控制问题，最大化未授权频谱共享网络的系统吞吐量，从而提高未授权频段的频谱利用率。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于未授权频谱共享的共存方法，包括以下步骤：

s1：建立wifi系统干扰权重模型；

s2：计算d2d-u用户的吞吐量；

s3：建立系统性能评估模型，构造评估函数vp,ψ；

s4：构造子信道选择和功率分配两个子问题，求解优化问题max(vp,ψ)。

进一步，在步骤s1中，建立wifi系统干扰权重模型，量化d2d-u用户带来的系统性能下降。当d2d-u用户占用未授权频段时会严重影响wifi系统的性能，且与d2d-u用户距离很近的wifi用户无法访问被占用的频段。通过研究增加d2d-u用户引起的干扰面积的变化构造wifi系统干扰权重模型。

使用wifi用户的干扰半径dw和d2d-u用户的干扰半径dd来确定干扰面积s(其中，dw＞dd)，干扰面积与d2d-u用户的数量及位置相关。用sd表示增加d2d通信对i后，与原有d2d通信对m构成的总干扰面积，sd表示为：

其中，为重叠部分的面积，dm,i为d2d通信对之间的距离。

同样的，d2d通信对m与wifi用户k构成的总干扰面积sw表示为：

其中，为重叠部分的面积，dk,m为d2d通信对和wifi用户之间的距离。

由干扰面积sd和sw的表达式，分别把增加d2d通信对i对原有d2d通信对m的，以及d2d通信对m对wifi用户k产生的干扰权重构造成干扰权重函数fd和fw：

进一步，在步骤2中，计算d2d-u用户的吞吐量。将未授权频段分为n个带宽为bn子信道，d2d-u用户通过占用部分子信道进行通信。为描述m对d2d通信对在n个子信道上的分配情况，设置为未授权频段子信道分配矩阵。

在未授权子信道n上d2d通信对m的接收端信号噪声干扰比为：

其中，为任意一个子信道上d2d通信对m的发射端的发射功率。和分别为d2d通信对m和i的发射端到d2d通信对m的接收端的信道增益，σ²为满足均值为0的高斯分布的噪声方差，为wifi系统对d2d接收端m的干扰。

由此得到在未授权频段子信道n上d2d-u用户m的吞吐量为：

rm,n＝bnlog2(1+sinrm,n)

进一步，在步骤3中，建立系统性能评估模型。由于bs不包含d2d-u用户对wifi系统产生的干扰信息，且wifi系统的吞吐量很难得到精确计算，所以引入干扰惩罚项fm对wifi系统性能进行评估，fm表示为：

其中i∈{1,…,m-1,m+1,…,m}，k∈{1,2,…,k}，sgn(·)为符号函数。

依照d2d-u用户的吞吐量和wifi网络性能干扰惩罚项构造评估函数vp,ψ对系统性能进行评估，vp,ψ表示为：

其中，p为d2d发射端发射功率的集合，μ≥0是wifi网络的敏感度因子。

进一步，在步骤4中，求解优化问题max(vp,ψ)。将提高系统性能的问题构造成求解系统评估函数vp,ψ的最大值问题。将评估函数vp,ψ作为目标函数，结合系统用户基本通信要求的约束，能够得到如下优化问题：

max(vp,ψ)

其中m取值为m∈{1,2,…,m}，约束条件c1是为保证d2d通信对的数据速率要求，c2是功率约束条件，为d2d用户m的最大发射功率，c3确保一个一个d2d通信对最多占用c^s个子信道，c4确保一个子信道最多被c^d个d2d通信对占用。

为降低优化问题max(vp,ψ)的计算复杂度，将其分解为两个子问题：子信道选择问题和功率分配问题。

子信道选择问题构造成多对多双边匹配问题，该匹配问题是将子信道与d2d-u用户进行匹配，并对子信道中允许通信的d2d-u用户数量进行约束。因此d2d-u用户在选择子信道时，不仅要考虑到子信道的状态问题，还需要考虑其他d2d-u用户的状态。

解决了子信道选择问题后，对不同的d2d-u用户对进行功率分配，最终寻得vp,ψ的最大值。

本发明的有益效果在于：构造了一个干扰惩罚模型对wifi系统受到d2d-u用户的干扰进行评估，解决了因为无法获得精确wifi用户吞吐量而导致wifi系统性能难以评估的问题。在此基础上，构造系统评估函数，通过选择合适位置的d2d用户在未授权频段通信，并进行功率分配得到系统评估函数的最优解，最终在保证wifi用户和d2d用户基本通信要求的条件下，实现系统吞吐量最大化，从而提高lte-u异构系统的频谱利用率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更佳清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例所述的流程示意图；

图2为本发明实施例所述的lte-u异构网络模型图；

图3为本发明实施例所述的构造干扰权重模型原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明针对lte-u网络中d2d用户在未授权频段传输的问题，提出一种基于未授权频谱共享的共存方法。本文创建了一个基于干扰面积的wifi系统干扰权重模型，并且基于该模型，构造系统干扰惩罚项，在避免计算精确wifi系统吞吐量的复杂问题的情况下，得到在未授权频段增加d2d用户给lte-u网络带来的干扰。为了对系统进行评估，构建了系统评估函数，并在保证系统中所有用户基本传输需求的基础下，通过解决子信道选择和功率分配问题，提高系统的性能。基于未授权频谱共享的共存方法的流程图如图1所示。

基于未授权频谱共享的共存系统图如图2所示。在具有一个bs和一个ap的single-cell网络中，处于蜂窝网络边缘的d2d用户使用未授权频段对wifi系统下用户造成的干扰较小。其中d2d-u用户是在全时间段与wifi用户共享未授权频谱的，这是由于d2d通信是传输功率低的短距离通信。系统模型中bs和ap的具体位置固定，wifi用户的位置在wifi网络范围内随机生成，同理，d2d通信对的位置也是随机生成的。

如图1所示，基于具有单bs和单ap的single-cell网络，在d2d-u和wifi网络共存的系统中寻找未授权频谱共享的共存方法，该方法包括以下步骤：

s1：建立wifi系统干扰权重模型；

s2：计算d2d-u用户的吞吐量；

s3：建立系统性能评估模型，构造评估函数vp,ψ；

s4：构造子信道选择和功率分配两个子问题，求解优化问题max(vp,ψ)。

建立wifi系统干扰权重模型，量化d2d-u用户带来的系统性能下降。通过研究增加d2d-u用户引起的干扰面积的变化，构造wifi系统干扰权重模型。使用wifi用户的干扰半径dw和d2d-u用户的干扰半径dd来确定干扰面积s(其中，dw＞dd)，干扰面积与d2d-u用户的数量及位置相关。用sd表示增加d2d通信对i后，与原有d2d通信对m构成的总干扰面积；sw表示d2d通信对m与wifi用户k构成的总干扰面积。sd和sw分别为：

其中，和为重叠部分的面积。

进一步，由sd和sw分别定义增加d2d通信对i对原有d2d通信对m的干扰权重函数fd，以及d2d通信对m对wifi用户k产生的干扰权重函数fw：

接下来将未授权频段分为带宽为bn的n个子信道，由未授权频段子信道分配矩阵得到在未授权子信道n上d2d通信对m的接收端信号噪声干扰比：

由此得到未授权频段子信道n上d2d-u用户m的吞吐量：

rm,n＝bnlog2(1+sinrm,n)

其中，为子信道上d2d通信对m的发射端的发射功率，和分别为d2d通信对m和i的发射端到d2d通信对m的接收端的信道增益，σ²为满足均值为0的高斯分布的噪声方差，为wifi系统对d2d接收端m的干扰。

由干扰权重函数构造干扰惩罚项fm为：

其中，i∈{1,…,m-1,m+1,…,m}，k∈{1,2,…,k}，sgn(·)为符号函数。

然后构造系统评估函数vp,ψ：

其中，p为d2d发射端发射功率的集合，μ≥0是wifi网络的敏感度因子。

优化系统性能的目标函数为max(vp,ψ)，考虑到系统场景中的限定条件，得到如下优化问题：

max(vp,ψ)

其中m取值为m∈{1,2,…,m}，为d2d用户m的最大发射功率，约束条件保证了d2d通信对的数据速率要求和功率约束，约束了一个d2d通信对最多占用的子信道数量，以及一个子信道最多被几对d2d通信对占用。优化问题max(vp,ψ)属于np难题，将其分解为子信道选择问题和功率分配两个子问题，其中子信道选择问题使用多对多双边匹配问题进行解决，在解决了匹配问题后，对所有的d2d-u用户进行功率分配，最终寻得vp,ψ的最大值。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。