一种蜂窝网络中支持全双工d2d通信的资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及蜂窝网络中支持全双工短距离直通通信 技术的资源分配。
【背景技术】
[0002] 随着第四代移动通信技术的迅速发展，越来越多的通信终端接入需求使得频谱资 源日益紧缺。为了解决日益匮乏的无线频谱资源，同时对无线频谱资源更为合理的利用迫 切需要一种全新资源利用的方式，可以更灵活、更高效的利用珍贵的无线频谱资源的全双 工〇2〇(〇0￥；[06-1：0-06￥；[06)通信技术应运而生。020通信使混合网络的资源分配不同于传统 蜂窝网络，此时，D2D用户分享蜂窝小区的资源。而半双工模式下D2D虽能提高频谱效率，并 未完全充分利用频谱资源。因此在蜂窝网络中引入全双工(Full Duplex，FD)D2D通信可以 提高更多的频谱利用率，降低基站的负担，减小终端能耗，扩大小区覆盖范围。但是，D2D用 户与蜂窝用户共享资源给系统带来了一定的同频干扰，蜂窝用户的服务质量下降，导致系 统吞吐量下降因此需要合理资源分配来降低相互之间的干扰。鉴于此，很多关于D2D通信技 术的资源分配研究和算法被提出。
[0003] 全双工D2D资源分配的算法主要有：（l)Sanghoon Kim和Stark W等人提出一种在 全双工模式下D2D通信协议。（参考文献：Sanghoon Kim,Stark W.Full duplex device-t〇-device communication in cellular networks[C].IEEE Computing Networking and Communications(ICNC),2014International Conference on Honolulu,HI.2014:721-725.)通过该协议分配频谱资源，与半双工通信相比，提高了带宽效率和系统吞吐量，但是 此资源分配方式属于专用模式，并未充分利用频谱资源。（2)Yang Han和Zhang Rong qing 等人提出一种图论中图着色的全双工D2D通信的资源分配方案。（参考文献：Han Yang， Rongqing Zhang,Xiang Cheng,Liuqing Yang,Resource sharing for device-t〇-device communications underlaying full-duplex cellular networks[C]?IEEE Communication Systems(ICCS) ,2014:16-20.)该算法以系统的吞吐量最大化为目标，以图 论中图着色理论来分配资源，虽然系统的吞吐量获得提高，但是该文献未考虑自干扰所带 来的影响。（3)Ali，S等人提出了一种基于全双工模式下复用上行资源，以干扰受限区域分 配频谱资源。（参考文献：Ali，S.Rajatheva，N? Latva-aho，M.Ful 1 duplex device-to-device communication in cellular networks[C].IEEE Networks and Communications (EuCNC)，2014European Conference on Bologna.2014:1-5.)该方案与半双工相比有效的 提高系统吞吐量，提高了频谱利用率，但是该系统只考虑场景局限于一对D2D用户与一个蜂 窝用户存在的情况，并未考虑多对D2D用户与多个蜂窝用户共享资源的情况，与实际环境相 差甚远。
【发明内容】
[0004] 针对以上现有技术的不足，提出了一种合理分配无线资源，有效的减小蜂窝用户 与D2D用户之间的干扰，获得比较好的公平性，同时最大化了系统的吞吐量的蜂窝网络中支 持全双工D2D通信的资源分配方法。本发明的技术方案如下：一种蜂窝网络中支持全双工 D2D通信的资源分配方法，其包括步骤：
[0005] 101、在蜂窝网络中，首先进行D2D用户之间建立连接的步骤：
[0006] 102、步骤101的D2D用户之间建立连接后，将蜂窝用户与D2D用户之间的资源分配 关系等效看作一个节点加权的无向二部图6=(>1，￥2，1)，顶点集￥1=(1142，"_4111)表示020 用户对的集合，顶点集合￥2=(71，72，一，71〇表示蜂窝用户的集合，'?(11，7」）￡1表示边的权 重即蜂窝用户5^与D2D用户对 Xl共享信道资源时的吞吐量之和;采用图论中的最大权重匹配 算法协调蜂窝用户和D2D用户之间的资源分配。
[0007] 进一步的，步骤101中D2D用户之间建立连接的步骤具体为：
[0008] 1)D2D设备在开始发起通信之前需要进行设备发现过程；
[0009] 2)主叫DUE1执行基于基站授权的D2D通信连接，进行主叫发起过程，并获得网络对 D2D通信连接建立的授权以及安全密钥；
[0010] 3)在获得基站授权后，主叫DUE1和被叫DUE2使用D2D无线信令许可D2D通信链路的 建立；
[0011] 4)主叫DUE1发送一条D2D通信连接建立请求消息；
[0012] 5)完成包含有交换安全密钥的D2D安全机制过程；
[0013] 6)被叫DUE2向主叫DUE1发送D2D通信连接建立接受消息；
[0014] 7)主叫DUE1向被叫DUE2回送D2D通信连接完成消息；
[0015] 8)等待基站为其分配无线资源，建立D2D无线承载准备开始D2D通信。
[0016]进一步的，步骤102的采用图论中的最大权重匹配算法协调蜂窝用户和D2D用户之 间的资源分配的步骤具体为：
[0017]步骤1)在基站端首先通过公共控制信道获得关于蜂窝用户和D2D发送端和D2D接 收端的位置信息；
[0018]步骤2)D2D发送端和蜂窝用户通过公共控制信道将各自的QoS需求和收到的干扰 上报给基站，在基站端通过结合QoS需求和收到的干扰来选出可被D2D用户对复用的蜂窝信 道资源；
[0019] 步骤3)将D2D用户对和蜂窝用户各自等效为图中的点集VjPV2,基站根据可被复用 的蜂窝资源构建一个虚拟无加权二部图G= (Vi，V2，W)，并初始化；
[0020] 步骤4)计算蜂窝用户和D2D信噪比之和w(Xl，n)，若不能保证蜂窝用户的最低服务 质量需求且D2D用户正常通信，则边％々不存在，且w( Xl，yJ=0,否则w(Xl，yJ矣0,且在第j 个蜂窝用户与第i对D2D用户之间连一条线表示蜂窝用户信道资源可被该对D2D用户复用， 并在边上标记权重值w(xi，yj)依次得到加权图G;
[0021] 步骤5)从图G中任意选择一个可行顶标1开始，确定G的等子图61，在等子图中选取 一个初始资源分配M，如果M饱和于D2D用户集Vi，则M是最优资源分配，那么算法结束，否则 转入步骤6);
[0022] 步骤6)基于权重匹配矩阵M的基础上，在等子图Gi*执行经典的匈牙利算法找到 最大资源分配，，算法最终终止于其中S表示为 D2D用户对集的子 集，T表示蜂窝用户的子集，(幻表示在邻接的节点集合。如果资源分配W饱和于D2D 用户集Vi，贝>J算法结束，否则利用公式ai=min{l(x) + l(y)-w(x，y) I xES，yeV2-T}计算出 a工，1 (x)、1 (y)分别表示图Gi的可行顶标，其中 1 (yj) e {〇}，/(g e {max w(x,，.r;) | \ e%，Vy e 匕}。 然后利用如下公式更新新的可行顶标V替换原顶标1，G^替换&转入步骤4)继续执行，直到 找到最大匹配； l{u) -a) ,u e S [0023] If(u) = < l{u) + a} ,u e T !(it), others
[0024] 步骤7)根据上述步骤求得总权最大的一个匹配，并生成一个资源分配矩阵UNXM = [bi,j]，bi,j = l表示基站允许D2D对Di共享蜂窝用户Cj信道资源，bi,j = 0表示基站不允许D2D 对口:共享蜂窝用户Q的信道资源。
[0025]本发明的优点及有益效果如下：