一种D2D通信资源复用选择的方法及基站、终端与流程

本发明涉及通信领域，一种D2D通信资源复用选择的方法及基站、终端。

背景技术：

蜂窝网络下的终端直通技术设备到设备(Device to Device，简称D2D)是指在不影响整体蜂窝网络运行的情况下，终端设备之间建立通信链路进行直接通信，不通过基站中转的新型无线传输技术。通过引入D2D技术，能够减轻基站负担，减小传输时延，提高频谱利用率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题，进一步提升蜂窝网络性能。

支持D2D功能的蜂窝网络中，用户可使用共信道模式、正交信道模式和蜂窝模式三种不同的模式进行通信，如图1所示。共信道模式指D2D设备和蜂窝设备使用相同时频资源进行通信，共信道模式分为复用蜂窝上行信道和复用蜂窝下行信道两种方式。正交信道模式指D2D设备和蜂窝设备使用不同的时频资源进行通信，此时D2D用户不会对蜂窝用户造成干扰。蜂窝模式指D2D设备之间通过BS(Base Station，基站)或AP(Access Point，接入点)进行通信，通信过程和蜂窝通信过程类似，在FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)模式下D2D通信上下行各占蜂窝一半频带。当D2D对之间的距离很小时，此时蜂窝用户对D2D用户的干扰以及D2D用户对基站的干扰都比较小，共信道模式获得的信道容量比正交信道模式获得的信道容量大。

由于D2D链路复用蜂窝链路资源，故会产生同频干扰。若未对此干扰进行有效处理，引入D2D通信不仅无法提升系统性能，反而使原有蜂窝通信的质量下降。因此，合理地进行资源复用选择，减少干扰的影响至关重要。

在现有技术方案中，干扰管理策略以优先保障蜂窝用户的通信质量与需 求为主，其重点在于保证D2D链路及蜂窝链路的连通性。现有的干扰容忍类方案中，对于D2D用户而言，只能被动接受蜂窝无线环境可容忍干扰值，不能根据D2D用户需求调整D2D用户发射功率及复用资源。一方面，从根源上限制了D2D通信的链路质量，不能充分发挥D2D短距离通信的优势；另一方面，当网络用户数目较多，网络干扰环境复杂时，蜂窝通信链路可容忍的干扰值降低，那么由于干扰门限的限制，能够通过复用蜂窝网络资源进行直接通信的用户数目减少，D2D链路建立概率降低。对于蜂窝用户而言，蜂窝通信中的接收者只能被动容忍D2D用户对其自身造成的干扰，致使蜂窝链路通信质量的下降。现有的功率补偿方案中，功率增加量一定，没有针对用户实际干扰状态进行实时功率补偿，势必会造成不必要的发射功率的浪费。同时，虽然进行了功率补偿，仍然不可避免出现了干扰容忍类方案类似的问题，即无法满足D2D用户的通信需求。在实际应用中，若仅简单应用上述干扰管理方案，当D2D链路对蜂窝链路的干扰超过一定门限时，系统会拒绝D2D链路接入，造成D2D用户允许接入概率的下降。如何支持尽可能多的用户以D2D方式接入网络，是干扰管理面临的一大挑战。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种D2D通信资源复用选择的方法及基站、终端，以在保证蜂窝网络质量的前提下，显著地提高了D2D用户的接入概率以及蜂窝网络和D2D通信的功率效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种设备到设备D2D通信资源复用选择的方法，包括：

基站依次判断D2D用户对完全复用一个蜂窝用户的频谱资源后造成的干扰是否引起蜂窝用户CQI等级的下降，如未下降，则为所述D2D用户对选择对应的蜂窝用户的频谱资源进行复用；如下降，则分别依次根据对应的信干噪比门限计算D2D用户和蜂窝用户的发射功率，选择D2D用户和蜂窝用户的发射功率增加量之和最小的蜂窝用户的频谱资源为所述D2D用户对复用。

进一步地，上述方法还具有下面特点：分别依次根据对应的信干噪比门限计算D2D用户的发射功率和蜂窝用户的发射功率是通过以下公式得到的：

其中，H_bci是第i个蜂窝用户到基站的信道增益，H_bdj是第j个D2D用户对中的发送用户到基站的信道增益，H_cidj是第i个蜂窝用户到第j个D2D用户对中的接收用户的信道增益，H_dj是第j个D2D用户对中的发送用户到接收用户的信道增益，λ_ci是基站端信干噪比门限，λ_dj是第j个D2D用户对中的接收用户端的信干噪比门限，N₀是用户带宽内噪声功率值。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述计算D2D用户和蜂窝用户的发射功率之后，还包括：

判断计算出的D2D用户的发射功率和蜂窝用户的发射功率是否超过最大允许发射功率；若从均未超过，则为所述D2D用户对选择发射功率增加量最小的蜂窝用户的频谱资源进行复用。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述为所述D2D用户对选择发射功率增加量最小的蜂窝用户的频谱资源进行复用之后，还包括:

向所述D2D用户发送第一调整信息，所述第一调整信息包括所述计算出的D2D用户的发射功率；

向对应的蜂窝用户发送第二调整信息，所述第二调整信息包括所述计算出的蜂窝用户的发射功率。

进一步地，上述方法还具有下面特点：还包括：

通知所述D2D用户选择复用的频谱资源。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述基站依次判断D2D用户对完全复用一个蜂窝用户的频谱资源后造成的干扰是否引起蜂窝用户CQI等级的 下降之前，还包括：

所述基站接收所述D2D用户对中的发送端发送的通讯请求及所述D2D用户对中的接收端发送的D2D链路的信道状态。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种基站，其中，包括：

判断模块，依次判断D2D用户对完全复用一个蜂窝用户的频谱资源后造成的干扰是否引起蜂窝用户CQI等级的下降；

计算模块，在所述判断模块判断下降的情况下，分别依次根据对应的信干噪比门限计算D2D用户和蜂窝用户的发射功率，计算蜂窝用户的发射功率增加量；

选择模块，用于在判断模块判断未下降的情况下，为所述D2D用户对选择对应的蜂窝用户的频谱资源进行复用；用于在判断模块判断未下降的情况下，选择D2D用户和蜂窝用户的发射功率增加量之和最小的对应的蜂窝用户的频谱资源为所述D2D用户对复用。

进一步地，上述基站还具有下面特点：

所述计算模块，分别依次根据对应的信干噪比门限计算D2D用户的发射功率和蜂窝用户的发射功率是通过以下公式得到的：

其中，H_bci是第i个蜂窝用户到基站的信道增益，H_bdj是第j个D2D用户对中的发送端到基站的信道增益，H_cidj是第i个蜂窝用户到第j个D2D用户对中的接收端的信道增益，H_dj是第j个D2D用户对中的发送端到接收端的信道增益，λ_ci是基站端信干噪比门限，λ_dj是第j个D2D用户对中的接收端的信干噪比门限，N₀是用户带宽内噪声功率值。

进一步地，上述基站还具有下面特点：

所述判断模块，还用于判断计算出的D2D用户的发射功率和蜂窝用户的 发射功率是否超过最大允许发射功率；

所述选择模块，是在所述判断模块判断从均未超过的情况下，为所述D2D用户对选择发射功率增加量最小的蜂窝用户的频谱资源进行复用的。

进一步地，上述基站还具有下面特点：所述基站还包括：

发送模块，用于向所述D2D用户发送第一调整信息，所述第一调整信息包括所述计算出的D2D用户的发射功率；向对应的蜂窝用户发送第二调整信息，所述第二调整信息包括所述计算出的蜂窝用户的发射功率。

进一步地，上述基站还具有下面特点：所述基站还包括：

通知模块，用于通知所述D2D用户选择复用的频谱资源。

进一步地，上述基站还具有下面特点：所述基站还包括：

接收模块，用于接收所述D2D用户对中的发送端发送的通讯请求及所述D2D用户对中的接收端发送的D2D链路的信道状态。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种设备到设备D2D通信资源复用选择的方法，包括：

D2D终端向基站发送通讯请求；

所述D2D终端接收到所述基站的通知后，复用所述基站选择的频谱资源。

进一步地，上述方法还具有下面特点:还包括：

所述D2D终端接收到所述基站的调整信息后，根据所述调整信息调整发射功率，所述调整信息包括计算出的D2D用户的发射功率。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种设备到设备D2D通信资源复用选择的方法，包括：

D2D终端向基站发送D2D链路的信道状态；

所述D2D终端接收到所述基站的通知后，复用所述基站选择的频谱资源。

进一步地，上述方法还具有下面特点：还包括：

所述D2D终端接收到所述基站的调整信息后，根据所述调整信息调整发射功率，所述调整信息包括计算出的D2D用户的发射功率。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种终端，支持设备到设备D2D技术，其中，包括：

第一发送模块，作为D2D用户对的发送端，用于向基站发送通讯请求；

复用模块，用于接收到所述基站的通知后，复用所述基站选择的频谱资源。

进一步地，上述终端还具有下面特点：还包括：

调整模块，接收到所述基站的调整信息后，根据所述调整信息调整发射功率，所述调整信息包括计算出的D2D用户的发射功率。

进一步地，上述终端还具有下面特点：还包括：

第二发送模块，作为D2D用户对的接收端，向所述基站发送D2D链路的信道状态。

综上，本发明提供一种D2D通信资源复用选择的方法及基站、终端，结合实际中调制编码方式对频谱效率的影响，根据CQI等级对用户进行选择性功率补偿，以功率增加量最小为准则选择复用用户。该方法在保证蜂窝网络质量的前提下，显著地提高了D2D用户的接入概率以及蜂窝网络和D2D通信的功率效率，具有工程实际应用价值。

附图说明

图1为现有技术中的蜂窝网络下D2D通信单元的示意图；

图2为现有技术中支持D2D通信的蜂窝网络模型的示意图；

图3为本发明实施例的D2D通信资源复用选择的方法的流程图；

图4为本发明实施例的复用蜂窝上行资源干扰的示意图；

图5为本发明实施例的基站的示意图；

图6为本发明实施例的终端的示意图。

具体实施方式

在对蜂窝网络下短距离D2D通信场景下，当D2D用户与蜂窝用户复用相同资源时，系统可获得更高的频谱效率。在D2D用户与蜂窝用户复用相同资源进行通信的场景中，复用不同的蜂窝资源产生的干扰不相同，当D2D用户复用蜂窝用户上行链路资源时，系统中受D2D用户干扰的是基站；D2D用户复用蜂窝用户下行链路资源时，系统中受D2D用户干扰的是蜂窝用户。若未对复用产生的同频干扰进行有效处理，引入D2D通信不仅无法提升系统性能，反而使原有蜂窝通信的质量下降。因此，合理地进行资源复用选择，减少干扰影响至关重要。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本实施例中，小区中有M个蜂窝用户(C_i,i＝1,2,…,M)和N个D2D用户对(D_j,j＝1,2,3,…N)的单小区场景，如图2所示。D_j由发射端T_j和接收端R_j组成。BS位于半径为l的小区的中心。C_i和T_j均匀的分布在小区内，而R_j均匀的分布在以T_j为圆心d为半径的圆周上。D_j在蜂窝用户的控制下复用蜂窝通信的上行或下行链路资源，两种情景干扰对象不同。复用上行资源，干扰对象为基站与D2D接收用户；复用下行资源，干扰对象为蜂窝用户与D2D接收用户。

D2D用户向基站发送接入请求前，基站已为蜂窝用户分配相同带宽的信道，且蜂窝用户已在与基站进行通信。蜂窝用户采用恒定到达SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)功控机制，蜂窝用户以及D2D用户的通信质量要求一定，即接收SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比)一定。同时，基站可获知所有在网用户与基站间信道增益信息。D2D接收用户可获知D2D发射用户与自身的信道增益信息，并将这一信息通过控制 信道反馈给基站。此外，假设一个D2D用户对完全复用一个蜂窝用户的频谱资源，且蜂窝用户所用的频谱资源最多被复用一次。

当D2D用户需要通信且满足距离的约束时，就向基站发送通信请求信息，同时D2D接收端通过控制信道向基站发送有关D2D链路和干扰情况的信息。根据这些信息，基站可以确定对D2D通信的资源复用策略，并且向D2D发射端发送复用策略和发射功率的值。

本实施例的D2D通信资源复用选择的方法包括以下步骤：

步骤11、基站依次判断D2D用户对完全复用一个蜂窝用户的频谱资源后造成的干扰是否引起蜂窝用户CQI等级的下降，如未下降，则转步骤12；如下降，则转步骤13；

步骤12、为所述D2D用户对选择对应的蜂窝用户的频谱资源进行复用；

步骤13分别依次根据对应的信干噪比门限计算D2D用户和蜂窝用户的发射功率，为所述D2D用户对选择功率增加量最小的蜂窝用户的频谱资源进行复用。

本实施例中的基站通过判断引入D2D造成的干扰是否引起蜂窝用户CQI等级的下降，决定是否调整蜂窝用户发射功率；根据D2D需求，为D2D用户对选择复用资源并决定D2D用户发射功率。同时所有终端的发射功率都小于系统所允许的最大发射功率P_M。

如图3所示，包括以下步骤：

步骤100、根据SNR门限计算CUE(蜂窝用户)的发射功率；

步骤101、DUE请求接入；

步骤102、根据CUE的发射功率和SINR门限计算得到DUE(D2D用户)的发射功率；

步骤103、计算CUE的SINR(此时包括DUE的干扰)，判断蜂窝用户的SINR下降是否引起蜂窝用户CQI等级下降，如是，则转步骤104；否则转步骤109；

步骤104、重新根据各自的SINR门限计算CUE和DUE的发射功率；

步骤105、判断计算出的CUE和DUE的发射功率是否超过最大允许发射功率，如CUE和DUE的发射功率中有一个超过，则转步骤106，如未超过，则转步骤107；

步骤106、DUE接入失败。

步骤107、选取CUE和DUE功率增加量之和最小的CUE的频谱资源进行复用；

步骤108、DUE接入成功。

步骤109、选择该CUE的频谱资源进行复用。

本实例以复用蜂窝通信上行资源场景为例进行分析，如图4所示。H_bci，H_bdj，H_dj，和H_cidj分别是C_i→BS，T_j→BS，T_j→R_j以及C_i→R_j的信道增益。

D2D用户向基站发送接入请求前，基站已为蜂窝用户分配相同带宽的信道，且蜂窝用户已在与基站进行通信。蜂窝用户采用恒定到达SNR功控机制，蜂窝用户以及D2D用户的通信质量要求一定，即接收SINR一定。同时，基站可获知所有在网用户与基站间信道增益信息。D2D接收用户可获知D2D发射用户与自身的信道增益信息，并将这一信息通过控制信道反馈给基站。一个D2D用户对完全复用一个蜂窝用户的频谱资源，且蜂窝用户所用的频谱资源最多被复用一次。当D2D用户需要通信且满足距离的约束时，就向基站发送通信请求信息，同时D2D接收端通过控制信道向基站发送有关D2D链路和干扰情况的信息。

在D2D用户接入系统以前，C_i与BS间通信，定义基站端信噪比门限_ηci如下：

P_ci是蜂窝用户C_i的发射功率，N₀是用户带宽内噪声功率值。

接入D2D用户之后，D2D发射端会对基站产生干扰，蜂窝用户会对D2D 接收端产生干扰，基站端信干噪比和D2D用户接收端信干噪比如下所示：

P_ci是蜂窝用户C_i的发射功率，P_dj是D2D发射用户T_j的发射功率。

为补偿D2D干扰所造成的基站端SINR减小，为蜂窝用户C_i增大发射功率，增量为ΔP_ci，即同样地，D2D用户的发射功率变为此时，基站端信干噪比和D2D用户接收端信干噪比如下所示：

根据等式(2)，可求得引入D2D后，蜂窝用户发射功率和D2D用户发射功率

其中，蜂窝用户发射功率增量ΔP_ci可写作设最大发射功率为P_M，可以通过改变发射功率来确保D2D和蜂窝用户各自的SINR不变。

在D2D系统中定义频谱效率φ作为性能标准：

其中，S(·)是T_j和C_i的调制符号，F[CQI(·)]是每符号的信息比特数。

此外，定义W为系统带宽，当系统带宽一定时，频谱效率由CQI，即对 测量的SINR的量化所决定。因此，为保持系统频谱效率一定，发射功率的改变仅需发生在当CQI等级下降的情况下而不是SINR值下降时。考虑到功率效率，基于CQI的功率分配策略优于基于SINR的策略。

基站已为蜂窝用户分配好资源，将D2D用户接入系统，定义系统总功耗为P，则有：

其中，是网络总的功率增量，包括蜂窝用户的功率增量和D2D用户的发射功率。那么，引入D2D用户后，系统的功率效率可以表示为

因为是定值，值越大，要求ΔP越小，保证蜂窝网络性能。

可见，D2D的发射功率越小，功率效率就越高。越大，表示相互干扰越小，可以根据来选择复用用户。若假定每个蜂窝用户最多只能被D2D用户复用一次，同时每个蜂窝用户所分配带宽一样，那么对于一定数目在同一个分布场景下，目标SINR已确定的蜂窝用户和D2D用户，越大等效于P越小。视ΔP为蜂窝系统引入D2D后增加的功率值，功率效率作为保证蜂窝性能的重要指标。因为是定值，ΔP越小，所对应的值越大，即系统功率效率越大。

基站端根据总功率增加量来选择复用用户。假设小区内有N对D2D用户，M个蜂窝用户。每个蜂窝用户最多被一对D2D用户复用。从M个CUE中选择N个用户资源让D2D用户复用，在各自目标SINR限制条件下，满足终端最大发射功率限制，求出各自发射功率。该问题可建模为混合整数非线 性规划问题(MINLP)，其数学模型如下

决策变量:

优化目标:

约束条件:

基站采用匈牙利算法对这一问题进行求解，其中r_ij＝1表示第i个CUE与第j个D2D用户对复用资源；为0则表示禁止复用。同时得到了蜂窝用户与D2D用户的发射功率。若得到的发射功率超过终端最大允许发射功率，则禁止D2D用户复用该蜂窝用户资源；若为满足最大发射功率限制，则通过下行控制信道将调整后的发射功率通知D2D用户和蜂窝用户，并通知D2D用户通信所复用的资源。

D2D用户接收到通知后，复用基站所选择的频谱资源，并且调整发射功率。

图5为本发明实施例的基站的示意图，如图5所示，本实施例的基站包括：

判断模块，依次判断D2D用户对完全复用一个蜂窝用户的频谱资源后造 成的干扰是否引起蜂窝用户CQI等级的下降；

计算模块，在所述判断模块判断下降的情况下，分别依次根据对应的信干噪比门限计算D2D用户和蜂窝用户的发射功率，计算蜂窝用户的发射功率增加量；

选择模块，用于在判断模块判断未下降的情况下，为所述D2D用户对选择对应的蜂窝用户的频谱资源进行复用，在所述计算模块计算蜂窝用户的发射功率增加量后，为所述D2D用户对选择发射功率增加量最小的蜂窝用户的频谱资源进行复用。

在一优选实施例中，所述计算模块，分别依次根据对应的信干噪比门限计算D2D用户的发射功率和蜂窝用户的发射功率是通过以下公式得到的：

其中，H_bci是第i个蜂窝用户到基站的信道增益，H_bdj是第j个D2D用户对中的发送端到基站的信道增益，H_cidj是第i个蜂窝用户到第j个D2D用户对中的接收端的信道增益，H_dj是第j个D2D用户对中的发送端到接收端的信道增益，λ_ci是基站端信干噪比门限，λ_dj是第j个D2D用户对中的接收端的信干噪比门限，N₀是用户带宽内噪声功率值。

在一优选实施例中，所述判断模块，还用于判断计算出的D2D用户的发射功率和蜂窝用户的发射功率是否超过最大允许发射功率；

所述选择模块，是在所述判断模块判断从均未超过的情况下，为所述D2D用户对选择发射功率增加量最小的蜂窝用户的频谱资源进行复用的。

在一优选实施例中，所述基站还可以包括：

发送模块，用于向所述D2D用户发送第一调整信息，所述第一调整信息包括所述计算出的D2D用户的发射功率；向对应的蜂窝用户发送第二调整信 息，所述第二调整信息包括所述计算出的蜂窝用户的发射功率。

在一优选实施例中，所述基站还可以包括：

通知模块，用于通知所述D2D用户选择复用的频谱资源。

在一优选实施例中，所述基站还可以包括：

接收模块，用于接收所述D2D用户对中的发送端发送的通讯请求及所述D2D用户对中的接收端发送的D2D链路的信道状态。

图6为本发明实施例的终端的示意图，如图6所示，本实施例的终端，支持D2D技术，包括：

第一发送模块，作为D2D用户对的发送端，用于向基站发送通讯请求；

复用模块，用于接收到所述基站的通知后，复用所述基站选择的频谱资源。

在一优选实施例中，所述终端还可以包括：

调整模块，接收到所述基站的调整信息后，根据所述调整信息调整发射功率，所述调整信息包括计算出的D2D用户的发射功率。

在一优选实施例中，所述终端还可以包括：

第二发送模块，作为D2D用户对的接收端，向所述基站发送D2D链路的信道状态。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。