一种基于干扰对齐的d2d用户的功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及蜂窝网络系统通信技术领域内的一种功率控制方法，尤其涉及一种基 于干扰对齐的D2D用户的功率控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线蜂窝网络通讯技术的迅速发展，人们对于无线频谱资源的需求越来越 大，导致无线频谱资源日益紧张，这就使得对频谱效率的要求越来越高。设备到设备 (Device to Device，简称D2D)通信技术应用于蜂窝网络系统，使得蜂窝网络系统中邻近的 用户可以无需通过基站(BS)直接与彼此进行通信，提高了网络总体频谱效率，从而允许网 络接纳更多的用户，提高网络容量。
[0003] 在蜂窝网络系统中引入D2D通信的最初动机是为了支持邻近区域用户之间通信， 如:社交网络应用、媒体共享等。D2D用户之间进行邻近通信可以增加频谱效率、提高蜂窝覆 盖率以及降低端至端延迟和手持机功耗等。D2D通信技术是处理蜂窝网络系统中的本地流 量问题一个有效的方法。
[0004] 但D2D通信模式引入蜂窝网络系统也会带来新的问题。在蜂窝网络系统的某个小 区中，蜂窝用户(Cellular User，简称⑶)和D2D用户在相同频谱共存，使得在通信过程中对 干扰管理面临极大的挑战，即D2D通信成为干扰的新来源，CU会受到D2D用户传输的跨层干 扰，而D2D用户不仅会受到其他D2D用户传输造成的干扰，而且会受到来自蜂窝网络链路的 跨层干扰。为保证CU和D2D用户成功共存，干扰管理是必不可少的。功率控制是减轻无线网 络中的干扰的有效方法，被广泛地应用在当前的无线系统中。
[0005] C · H · Yu等人（C · H · Yu，0 · Tirkkonen，K · Dopp Ier，and C · Ribe iro，"On the performance of device-t〇-device underlay communication with simple power control，" in Proc · IEEE Veh · Technol · Conf ·，2009，pp · 1-5 ·)对确定的单小区模型提出了 一种简单的功率控制方案，主要通过限制D2D用户的输出功率来保护现有的CU网络的通信 服务质量，但是未考虑D2D用户的吞吐量。
[0006] J.Gu等人（J.Gu，S.J.Bae，B._G.Choi，and M.Y.Chung，"Dynamic power control mechanism for interference coordination of device-to-device communication in cellular networks，'，in Proc . 3rd Int. Conf.Ubiquitous Future Netw·，Jun · 2011， pp. 71-75.)针对只有一个D2D用户接入的蜂窝网络系统提出了一种动态的功率控制方案， 其目标是通过减轻D2D用户对CU的干扰提高CU系统网络的总的吞吐量，但文章中并未考虑 D2D用户的吞吐量。
[0007] Udesh Oruthota等人（Udesh Oruthota and Olav Tirkkonen，"I/Q Interference in Device-t〇-Device Underlay Communication with Uplink Power Control ,Vehicular Technology Conference(VTC Spring)，IEEE 81st，2015，pp:1-5)考 虑一个独立的扇形小区里CU网络与D2D用户网络共享正交的频谱资源的通信模型，提出了 一种部分功率控制（？從(^;[0仙1口0￥61'001^1'01，？?(^)方法有效地降低了020用户对0]的干 扰，但是这种方法中也没有考虑D2D用户的吞吐量。
[0008] 从现有技术来看，各种功率控制方法均只保证了 CU的吞吐量，但并未对D2D用户的 吞吐量进行考虑。而数据传输速率是影响D2D用户的吞吐量的重要因素之一。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出蜂窝网络系统中一种对 D2D用户采用干扰对齐预编码进行功率控制的设计方法。通过各D2D用户发送端的预编码进 行干扰对齐来减少D2D用户间的相互干扰;控制每一对D2D用户在子载波上的发射功率预 算;并在对CU产生的干扰小于预先设置的干扰阈值即确保CU的通信质量的前提下，使D2D用 户系统的数据传输速率和达到最大。
[0010]本发明所述方法包括以下步骤：
[0011] 设定在蜂窝网络系统的某个小区中，有L个D2D用户和K个⑶，CU之间通过基站进行 通信，D2D用户之间可以无需通过基站直接与彼此进行通信通信，CU通信和D2D通信均处于 工作状态。每个CU的带宽为W且节点为单天线;每个D2D用户的发射天线数目相同，均为Μτ， 每个D2D用户的接收天线数目相同，均为Mr根;每个D2D用户传输数据的符号长度相同，均为 η;当蜂窝网络系统的空闲频带被划分为D个子载波频带时，记每个子载波频带的带宽为△ f，并规定当D2D用户对CU产生的干扰小于最大干扰阈值/i时，D2D用户可以使用该小区的的 空闲频带;且D2D用户按MMO-OFDM通信体制进行通信;假设整个蜂窝网络系统在最佳信道 状态信息情况下，设1为D2D用户编号;d为子载波编号；
[0012] SI:对D2D用户发送端的信号预编码实现干扰对齐，对D2D用户接收端的信号进行 干扰抑制，消除D2D用户之间的干扰；
[0013] S2:限定D2D用户对某个⑶的干扰不大于系统预先设置的干扰阈值，限定D2D用户 的总发射功率不大于系统允许D2D用户所用的最大发射功率，在D2D用户对CU用户的干扰不 大于系统的干扰阈值且D2D用户的总发射功率不大于系统设定的最大发射功率的限制条件 下，得到每个D2D用户在每个子载波上的最优发射功率，从而使得D2D用户在所有子载波上 的数据传输速率总和最大。
[0014] 在本发明的一种优选实施例中，Sl具体为：
[0015] 〇1)令 l = i，d = l;
[0016] 02)对D2D用户发送端的信号运用干扰对齐进行预编码，并对D2D用户接收端收到 的信号进行干扰抑制，
[0017] (1)
[0018] (2)
[0019]其中，符号rank(A)表示求矩阵A的秩；t//为Mr行η列的矩阵，是在第d个子载波上 应用于第1个D2D用户接收端上的正交线性干扰抑制矩阵;上标H表示矩阵的共辄转置运算； 为Mr行Mt列的矩阵，是在第d个子载波上第j个D2D用户发送端到第1个D2D用户接收端信 道的频率响应矩阵;特殊地，/7；；为在第d个子载波上第1个D2D用户发送端到第1个D2D用户 接收端信道的频率响应矩阵;Ff为Mt行η列的矩阵，是第d个子载波上第1个D2D用户发送端 上的干扰对齐预编码矩阵；
[0020] 由式（1)和式(2)计算得到D2D用户发送端的信号预编码矩阵Ff和D2D用户接收端 的正交线性干扰抑制矩阵;
[0021] 03)若d〈D，则令d值加1，并返回步骤02)，进行第1个D2D用户在下一个子载波上的 预编码矩阵和正交线性干扰抑制矩阵的求解，若d = D，进入下一步；
[0022] 04)若1〈L，则令1值加1，并令d=l，进行下一个D2D用户在所有子载波上的预编码 矩阵和正交线性干扰抑制矩阵的求解，直至1 = L。
[0023] 由以上步骤得到所有D2D用户发送端的预编码矩阵和接收端的干扰抑制矩阵。
[0024] S2具体为：
[0025] 01)所有D2D用户在所有子载波上的速率总和可以表示为：
[0026]
[0027]其中，In为η阶单位矩阵；CT^rav为加性高斯白噪声功率；为η阶矩阵，是第1个 D2D用户在第d个子载波上的频域信号的输入协方差矩阵; 为第k个蜂窝用户对第1个D2D 用户在第d个子载波上的干扰功率
为所有CU在第d个子载波上对第1个D2D用户的 总干扰功率;第1个D2D用户在第d个子载波上的频域信号的发射功率为
则每 个D2D用户的总发射功率：
[0028] 02)在第d个子载波上由第1个D2D用户的发送端对第k个⑶接受端产生的干扰表示
为：
[0029]
[0030] 其中，为第d个子载波对第k个CU的干扰因子系数，计算式夕
Φd (f)为第d个子载波上的功率谱密度，Ed表示第d个D2D用户的子载波频带中心和第k个CU 频带中心之间的频率间隔;符号Tr(A)表示求矩阵A的迹；为1行Mt列的矩阵，是第d个子 载波上第1个D2D用户发送端和第k个⑶之间的信道增益矩阵。
[0031] 03)对D2D用户在子载波上的发射功率进行优化分配，使得D2D用户对⑶的干扰 小于干扰阈值的时候R达到最大；
[0032] 优化问题为：31^x
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中，P1S规定的系统允许每个D2D用户所用的最大发射功率;符号V表示任意； /,t为干扰阈值;解优化问题得到每个D2D用户在每个子载波上最优的发射功率if，1 = 1， 2,……，L;d=l，2,……，D，从而使得D2D用户数据传输速率总和最大。本发明通过以上干扰 对齐预编码方法使得D2D用户之间的干扰对齐到CU和D2D用户未用到的空间子信道上，从而 使得D2D用户之间的干扰消除，同时，控制每一个D2D用户在子载波上的功率，使所有D2D用 户在对CU产生的干扰小于干扰阈值、保证CU服务质量的前提下，D2D用户数据传输速率总和 达到最大。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明一种蜂窝网络系统的某个小区的模型示意图；
[0038] 图2为本发明实施方法流程示意图；
[0039] 图3为本发明实施例中具体步骤流程示意图；
[0040] 图4为实施例中不同功率控制方法下D2D用户数据传输速率和的比较图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0042] 实施例
[0043] 参照图1蜂窝网络系统的某个小区，有3(L = 3)个D2D用户1和2(K = 2)个⑶2，D2D 用户之间无需通过基站直接通信，CU通信和D2D通信均处于工作状态。每个CU的带宽为 10MHz(W= IOMHz)，且每个CU节点为单天线;每个D2D用户的发射天线数目、接收天线数目都 为2(Mr = Mt = 2);每个D2D用户传输数据的符号长度相同为丨，即n = 1;根据无线局域网标准 IEEE 802.1Ia，蜂窝网络的空闲频带被划分为64(D = 64)个子载波频带时，每