一种提高频谱利用率的d2d-p复用蜂窝网络通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种蜂窝网络通信方法，尤其是设及一种提高频谱利用率的D2D-P复 用蜂窝网络通信方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信的快速发展，如何在有限的频谱资源的情况下，最大化的利用频谱 资源，一直是研究的热点。在蜂窝网络中，将设备对设备用户对(D2D-P)加入到蜂窝网络中 复用其频谱资源，能提高频谱利用率，但会对蜂窝用户带来不可避免的干扰，影响蜂窝用户 传输速率等性能指标。
[0003] 针对蜂窝网络频谱资源利用率不高及D2D-P对蜂窝网络造成干扰等问题，Daquan Feng等人（Daquan Feng,Lu Lu, Yi Yuan-Wu ,Geoffrey Ye Li ,Gang Feng, Shaoqian Li.Device-tO-Device Communications Underlaying Cellular Networks , IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,VOL.61 ,NO.8,卵.3541-3551 ,AUGUST 2013)提出如下 方法:通过事先设定阔值，选择符合要求的D2D-P，然后采用将功率分配给潜在的蜂窝用户 和符合要求的D2D-P，最后，在潜在的蜂窝用户中挑选合适的用户与符合要求的D2D-P配合， 通过选择合适范围的D2D-P、蜂窝网络覆盖范围、活跃的蜂窝用户和D2D-P的数目，最大化系 统的吞吐量增益及访问速率。此种方法限于蜂窝网络上行链路中，只保证了部分蜂窝用户 的通信需求，没有具体的消除D2D-P加入蜂窝网络带来的干扰等。
[0004] Lu Yang等人化U Yang,Wei Zhang, Shi Jin, ('Interference Alignment in Device-to-Device LAN 加 derlaying Cellular Networks",I趾E TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUI CAT IONS，VOL. 14，NO. 7，PP. 3715-3723，JULY，2015.)采用干扰对齐算法， 解决D2D-P复用频谱资源造成的干扰，方法如下：（I)当基站的上行链路没有完全被蜂窝用 户占据时，将D2D-P对蜂窝用户的干扰对齐到运些空闲链路中，从而使蜂窝用户免于干扰； (2)当基站上行链路被完全占据时，D2D-P能占据部分上行链路，此时设置干扰阔值，将占据 的链路干扰控制在阔值之下，W此来控制对蜂窝用户的干扰。此方法虽然消除了D2D-P对蜂 窝用户通信链路的干扰，但当蜂窝用户较多时，D2D-P造成的干扰不能完全消除，且接入后 的D2D-P数量及其传输速率等性能指标没有考虑，只考虑了D2D-P接入蜂窝网络的中断概 率。
[0005] Jiamo Jiang等人（Jiamo Jiang,Mugen Peng,Wenbo Wang,Kecheng Zhang," Energy efficiency optimiz曰tion b曰sed on interference 曰Iignment for device-to device MIMO downlink underlaying cellular network" , IEEE Globecom 2013Workshop-Intern曰tion曰I Workshop on Device-t〇-Device(D2D)Commnic曰tion With and Without In打as1:;ruc1:ure ,PP. 585-590,2013.)运用干扰对齐算法消除蜂窝网络下行 链路干扰，方法如下：先采用了编码技术消除D2D-P加入蜂窝网络带来的干扰。然后使用干 扰对齐算法将蜂窝用户之间的干扰对齐到特定的信号维度，保证蜂窝用户之间不受干扰； 最后，优化后置编码与线性预编码，最大化D2D-P的能量效率。考虑到了 D2D-P加入蜂窝网络 所带来的干扰及蜂窝用户之间的干扰，但D2D-P通信指标如吞吐量，误比特率等性能指标没 有考虑。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种干扰低、D2D-P 和速率高的提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法。
[0007] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0008] 一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法，其特征在于，包括W下步 骤：
[0009 ] S1，建立蜂窝网络，所述的蜂窝网络包括蜂窝基站、K个蜂窝用户OJk W及M对设备 用户对D2D-Pm，k = 1，2,…，K，m=l，2,…，M，所述的D2D-Pm包括发射机和接收机，所述的蜂窝 用户、发射机和接收机均分别设有N个发射天线数和N个接收天线数，发射机向接收机发送 的信号向量Zm为d行、1列，D2D-Pm到抓k的信道矩阵化,m为N行、N列；
[0010] S2,根据Hk,m，利用干扰对齐法，求得各D2D-Pm的N行、d列预编码矩阵Fm的解集； [00川 S3,计算各D2D-Pm对CUk的干扰矩阵Hk,mFm，设计正交于Hk,mFm的N行、d列的蜂窝用户 后置编码矩阵Wk，k=l ,2,…,K;
[0012] S4,利用基于最小化均方误差的干扰对齐法，求得所有D2D-P m的发射机预编码矩 阵Fm和接收机后置编码矩阵Gm,并进行蜂窝网络通信，W获取各蜂窝用户C化的信干噪比 (SINR)；
[001引 S5,设置D2D-Pm的SINR阔值Wth,莉)2D-Pm的SINR小于Wth,则将斑)2D-Pm接入蜂窝 网络并设置Pm值为1，否则设置Pm值为0 ;
[0014] S6,根据发射机预编码矩阵Fm和Pm,利用改进的注水功率分配法对所有D2D-Pm分配 发送功率Pm;
[0015] S7,根据步骤S2~S6的矩阵计算结果及功率分配结果，进行蜂窝网络通信。
[0016] 所述的步骤S2具体为:将所有的D2D-Pm对OJk的干扰矩阵化,mFm对齐到该抓k接收端 的同一信号子空间上，具体如下式：
[0017] span(化,iFi) = . . . =Span化k'mFm) = . . . =Span化k'MpM)
[001引其中，k = l，2,…，K，span(A)表示矩阵A列向量张成的子空间。
[0019] 所述的步骤S4具体包括W下步骤：
[0020] S41，计算接收机接收到的经发射机预编码矩阵Fm处理的信号电平Sm, W及Sm经接 收机后置编码矩阵Gm处理后得到的信号电平是：；
[0021] S42,定义所有D2D-Pm的信号电平均方误差和EMSE如下：
[0023] 利用拉格朗日乘数法求解如下所示优化问题： mill 化徒'
[0024] Gm'K
[0025] 其中，E{ ?}表示数学期望，I IxM2表示矩阵X的范数平方，Il义I度表示矩阵X的F范 数，Pm为D2D-Pm发送功率，iX =P，P为所有的D2D-P总发送功率。 Hl=I
[0026] 所述的步骤S41中，经发射机预编码矩阵Fm处理过的信号电平Sm具体计算如下式：
[002引其中，Pm是D2D-Pm发射机的发送功率，Hm,m为D2D-Pm发射机到接收机的N行、N列信道 矩阵，Hm,功D2D-P泼射机到D2D-Pm接收机的N行、N列信道矩阵，nm为D2D-Pm接收机接收到的 环境噪声。
[0029] 所述的步骤S42具体包括W下步骤：
[0030] S420,引入拉格朗日乘数Am,得到拉格朗日函数：
[0031] 五招，Gm,义J =《娜 + 4(11 Fm I信-Pm)
[0032] 其中，EMSE见S42的定义。
[0033] S421，分别对拉格朗日函数中Gm、Fm求偏导数，并令偏导数为零，得到等式（1)(2):
[0036] 其中，m= 1，2，…，M，O2为环境噪声nm的方差，且EinmnmH} =O2I，I为N阶单位矩阵；
[0037] S422，初始化预编码矩阵Fm为随机矩阵，得到N行、d列的随机矩阵；
[0038] S423，通过式(2)计算得到后置编码矩阵Gm;
[0039] S424，将式（1)代入功率限制条件Il巧,1臣=，求得U Am含0)，把Am代入式（1)，更 新Fm;
[0040] S425,计算均方误差和EMSE;
[0041 ] S426，重复步骤S423~S425，直至EMSE收敛，得到Gm和Fm。
[0042] 所述的S5中，D2D-Pm通信SINR阔值COth为:参与通信的蜂窝用户测量本地接收