一种蜂窝网络D2D通信资源分配方法及系统

本发明涉及无线通信，具体的是一种蜂窝网络d2d通信资源分配方法及系统。

背景技术：

1、随着无线通信技术需求的日益增长，人们对频谱资源的要求越来越高，频谱资源短缺问题成为研究热点。于是对于蜂窝网络来说，如何以有限的频谱资源实现高服务质量的通信尤为重要。其中设备到设备(device to device，d2d)通信成为解决频谱资源有限的很有潜力的解决方案，许多研究者认为d2d通信技术是第五代(5g)无线通信的关键技术并对其展开了大量研究。

2、特别是d2d通信资源分配方面的研究，在d2d通信中，d2d用户可以复用蜂窝用户上行链路或下行链路频谱资源进行通信。为了实现更高的效益，减小链路之间的干扰，高效合理的资源分配策略至关重要。hu等在分析最优联合功率控制和信道分配策略的基础上，提出了一种节能迭代算法最大化d2d通信效益。为了使d2d通信设备运行效率最大化，已有文献研究了一种基于频谱聚类和非合作博弈的d2d通信信道分配方案和资源优化方案。在文献中考虑到信道可靠性的约束情况，提出了最大化信道遍历率寻找最优功率分配和利用最大权值二部匹配的匈牙利方法来寻找最优的信道分配的资源分配方案。khanolkar等给出了使用一种改进的单级人工蜂群算法去解决联合节能资源分配问题的策略。由于d2d通信会对蜂窝网络造成干扰，旨在实现不影响蜂窝用户的资源分配方案，已有文献提出了一种基于部分位置信息的信道分配算法，其目标是当蜂窝用户数量变化时最大化d2d用户的总吞吐量。已有文献根据用户间信道复用多对一的准则设计了一种迭代方案对信道和功率联合优化以最大化d2d用户对的总能源效率。已有文献提出了两阶段的资源分配方案，其在初始阶段采用匈牙利算法进行信道分配，在复用阶段根据信道质量优先级和d2d对受到的干扰进行二次信道分配，从而达到最大化d2d通信总容量的目的。已有文献设计了一个基于d2d用户距离的模式选择框架以及功率控制方法，当用户位置距离较近时选择专用模式，否则选择复用模式。在已有文献中提出了基于信干扰加噪声比(sinr)和基于信道容量的模式选择规则，并以协同预编码方案频谱分配，分析了它们在各种场景下的影响。

3、现有技术虽然提高了d2d通信效益，但是其效果并不显著，且并没有联合考虑模式选择、信道分配、功率控制三方面的问题，它们的运行速度和收敛效果也较差。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种蜂窝网络d2d通信资源分配方法及系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种蜂窝网络d2d通信资源分配方法，方法包括以下步骤：

3、接收d2d用户相关变量，将d2d用户相关变量输入至预先构建的系统用户吞吐量模型内得到系统用户吞吐量，其中，所述d2d用户相关变量包括模式选择变量、功率控制变量以及信道分配向量；

4、根据吞吐量最优原则对系统用户吞吐量进行判定，确定d2d通信最佳模式；其中所述吞吐量最优原则以最大化系统用户吞吐量为目标；

5、以d2d通信最佳模式下求解d2d用户信噪比，将d2d用户信噪比输入至预先建立的功率优化模型内，得到d2d用户的最佳发射功率；

6、将d2d用户的最佳发射功率输入至预先建立的信道分配模型内，得到最优信道分配结果。

7、优选地，所述d2d用户采用的通信模式包括复用模式和专用模式。

8、优选地，所述专用模式下d2d通信对选择专门的信道进行通信，在专用模式下d2d用户与蜂窝用户之间不存在干扰，但是会存在多个d2d用户占用同一个信道的情况，所述复用模式下d2d用户不仅受到蜂窝用户的干扰，也会受到复用同信道的d2d用户的干扰。

9、优选地，当第i个d2d用户处于专用模式下时，占用第j个蜂窝上行链路信道资源，由于信道事先预分配给蜂窝用户，专用模式信道应从空闲信道选择，故j∈{n+1,...,x}，x＝{1,2,...j,...,x},j∈x，模式选择向量xi＝1，i∈d，专用模式下d2d用户信噪比如下式：

10、

11、式中，和分别表示第i对d2d用户的路损增益和第l对d2d用户发射端到第i对d2d用户接收端的路损增益，表示d2d用户的发射功率，表示第i个d2d用户接收端的高斯噪声。

12、优选地，当第i个d2d用户处于复用模式下时，复用第j个蜂窝信道，由于是复用蜂窝用户信道，复用模式信道应从预分配给蜂窝用户的信道集合中选择，故此时j∈cell，模式选择向量xi＝2，i∈m，复用模式下d2d用户信噪比如下式：

13、

14、式中，表示蜂窝用户的发射功率，且为固定值，表示第j个蜂窝用户的发射端到第i对d2d用户接收端的路损增益，表示第j个蜂窝用户接收端的高斯噪声；

15、当第j个蜂窝用户的sinr，j∈cell，如下式：

16、

17、式中，表示第k对d2d用户的发射端到第j个蜂窝用户的接收端的路损增益，表示第j个蜂窝用户发射端到基站的路损增益；

18、当蜂窝用户进行通信时，会受到复用同信道的d2d用户发射端的干扰。

19、优选地，所述d2d用户和蜂窝用户的吞吐量用香农公式表示下所示，。

20、

21、

22、而路损增益模型具体公式如下所示

23、u＝kd-α

24、式中k表示路径损耗衰减常系数，α表示路径损耗衰减指数，d表示发路径发射端到接收端之间的距离，为了满足服务质量约束条件，必须达到d2d用户和蜂窝用户的最小信噪比即和为了验证系统吞吐量的性能，将目标函数定义如下：

25、

26、上式中表示第m个d2d用户发射功率，sm表示第m个d2d用户的信道分配结果，xm表示第m个d2d用户的模式选择向量d2d用户对集合为d＝{1,2,...i,...,m},i∈d,蜂窝用户集合为cell＝{1,2,...h,...,n}，h∈cell，表示第m个d2d用户在模式选择向量xm下占用sm信道资源的d2d用户吞吐量，表示第h个蜂窝用户的吞吐量；

27、目标函数的约束条件包括：功率约束条件、模式选择向量、每个d2d用户的信道分配向量以及满足服务质量约束条件下的信噪比范围界限。

28、优选地，所述根据吞吐量最优原则对系统用户吞吐量进行判定，确定d2d通信最佳模式的过程如下：

29、对于任意第i个d2d用户，其模式选择过程如下：

30、当d2d用户处于专用模式时，计算

31、当d2d用户处于复用模式时，计算

32、若且满足下式，则d2d用户采用复用模式，否则采用专用模式；

33、

34、其中intermax表示d2d用户最大干扰门限。

35、优选地，所述功率优化模型如下所示：

36、

37、上式中表示第m个d2d用户发射功率，sm表示第m个d2d用户的信道分配结果，xm表示第m个d2d用户的模式选择向量d2d用户对集合为d＝{1,2,...i,...,m},i∈d，表示第m个d2d用户在模式选择向量xm下占用sm信道资源的d2d用户吞吐量。

38、优选地，所述信道分配模型下所示：

39、

40、上式中sm表示第m个d2d用户的信道分配结果,由于本文信道分配优化是在复用模式下进行的，故模式选择向量xm＝2,sm∈cell d2d用户对集合为d＝{1,2,...i,...,m},i∈d,蜂窝用户集合为cell＝{1,2,...h,...,n}，h∈cell，表示第m个d2d用户在复用模式下占用sm信道资源的d2d用户吞吐量。

41、在本发明的又一方面，为了达到上述目的，公开了一种蜂窝网络d2d通信资源分配系统，包括：

42、吞吐量计算模块：用于接收d2d用户相关变量，将d2d用户相关变量输入至预先构建的系统用户吞吐量模型内得到系统用户吞吐量，其中，所述d2d用户相关变量包括模式选择变量、功率控制变量以及信道分配向量；

43、判定模块：用于根据吞吐量最优原则对系统用户吞吐量进行判定，确定d2d通信最佳模式；其中所述吞吐量最优原则以最大化系统用户吞吐量为目标；

44、发射功率模块：用于以d2d通信最佳模式下求解d2d用户信噪比，将d2d用户信噪比输入至预先建立的功率优化模型内，得到d2d用户的最佳发射功率；

45、信道分配模块：用于将d2d用户的最佳发射功率输入至预先建立的信道分配模型内，得到最优信道分配结果。

46、本发明的有益效果：

47、本发明不仅能够有效提高系统用户吞吐量和降低蜂窝用户干扰，还能在保证算法运行速度的同时提高收敛效果和寻优精度。