异构网络中基于频谱资源分配的多d2d通信资源分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种异构网络中基于频谱 资源分配的多D2D(Device-t〇-Device)通信资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 为了满足急剧增加的多媒体设备和服务对频谱资源和数据速率的需求，无线网络 朝着异构网络开始演进。随着频谱资源和设备能量受限，如何完善频谱利用率并降低能耗 是十分重要的。传统的蜂窝通信模式已经很难有效地解决上述问题，所WD2D通信技术的 概念于2009年被引入到LTE网络中。D2D通信通过建立不经过基站的直接传输链路，利用 D2D短距离通信优势，能够有效地提升系统吞吐量、系统能耗等性能。并且，通过让D2D通信 用户复用蜂窝用户的频谱资源，能够极大地提升频谱利用率。然而，其引入的干扰问题是无 线系统首要解决的问题。功率控制是实现异构蜂窝网络中频谱资源共享的一种关键技术， 通过合理地控制蜂窝用户和D2D用户的功率，使得当D2D通信接入蜂窝用户授权频段时， D2D通信和蜂窝通信对彼此产生的干扰可W不影响对方的正常通信。
[0003] 传统的异构网络中对D2D通信采取的资源分配方法，大部分是建立在单D2D通信 系统模型上，来最大化系统吞吐量、频谱利用率等目标，此时D2D通信需要始终保持最大发 送功率传输数据，显然不满足绿色通信的要求。与此同时，单D2D通信系统也不满足实际场 景中多D2D通信共存环境。
[0004] 一些传统的异构网络只考虑了一对D2D通信和一个蜂窝用户共享频谱资源的情 况。然而，在实际环境中，蜂窝用户的个数远远高于D2D用户，如果一对D2D通信只能复用 一个蜂窝用户的频谱资源，显然会造成频谱资源的浪费。
[0005] 有些传统的异构网络中对D2D通信采取的资源分配方法，大部分是建立在只保证 单一蜂窝用户服务质量（QualityofService,Qo巧或者D2D通信QoS的前提上进行的。 显然，该样子无法同时保证蜂窝用户和D2D用户的QoS。
【发明内容】
[0006] 本发明针对一个基站、多蜂窝用户和多D2D通信用户共存的上行异构网络模型， 提出了一种基于频谱资源分配和最优功率控制的资源分配方法。本发明允许单个D2D通信 复用多个蜂窝用户的频谱资源来提高频谱利用率，每个蜂窝用户的频谱资源最多只能被一 个D2D通信共享。当蜂窝用户和D2D用户共享频谱资源时，需要保证蜂窝通信和D2D通信 单频段上最小可达速率阔值需求W及考虑蜂窝用户最大发送功率受限；同时，为充分利用 D2D短距离通信的优势，D2D通信在所有复用的频谱资源上需要保证一个总可达速率阔值 需求。通过为多D2D通信分配频谱资源，并且在已分配的频谱资源基础上最优分配每个D2D 通信在每个选取频段上的可达速率目标来最优化整个D2D通信系统的总功耗。本发明能够 同时为多D2D通信分配频谱资源，并且在已分配到的频谱资源上最优化整个D2D通信系统 的总功耗。相比于传统的资源分配方法，本方法能够适用于多D2D通信系统，保证蜂窝通信 和D2D通信的可达速率需求，并且能够在符合蜂窝用户最大发送功率受限的同时节约整个D2D通信系统的总功耗，更能符合绿色通信的要求。
[0007] 本发明是通过W下技术方法实现的。
[000引根据本发明提供的一种异构网络中基于频谱资源分配的多D2D通信资源分配方 法，包括如下具体步骤：
[0009]步骤1;求rfr，其中，rf胃表示D2D通信S在频段m上所能达到的最大SINR;D2D 通信S即为第S个D2D通信，频段m即为第m个频段；S= 1，2,…，S;m= 1，2,…，M;
[0010] 步骤2 ;判断频谱资源能否满足单频段服务质量需求；
[0011] 步骤3 ;将满足单频段服务质量需求的频谱资源进行排序；
[0012] 步骤4 ;为多D2D通信系统分配频谱资源；
[0013] 步骤5 ;判断所分配的频谱资源能否满足D2D通信总可达速率阔值需求；
[0014] 步骤6 ;在已分配频谱资源上，采用拉格朗日乘子法分配每个D2D通信在每个选取 频段上的SINR目标；
[00巧]步骤7 ;求D2D通信S的功耗;
[0016] 步骤8 ;求整个D2D通信系统的总功耗巧L。
[0017] 优选地，的表达式如下：
[001 引
[0019] 其中，下标S= 1, 2,…，S;下标m= 1, 2,…，M;下标S表示D2D通信S，每个D2D 通信主要由D2D通信发送端和D2D通信接收端组成；S表示D2D通信总个数；下标m表示蜂 窝用户m，蜂窝用户m即为第m个蜂窝用户，并且蜂窝用户m使用频段m;M表示系统蜂窝用 户总数；中括号]表示包含对应的区间端值，小括号（表示不包含对应的区间端值；其中，
[0020]
[0021] ；^:；^1表示在满足巧产^和《^胃条件下，020通信8在频段111上所能达到的最大SINR阔值；其中，胃为单频段上蜂窝用户m的最小可达速率阔值需求；为单频段 上〇2〇通信S的最小可达速率阔值需求；7,严为成?对应的SINR，其中，记。。二沪加。_1; 为满足蜂窝用户m最大发送功率约束条件下，D2D通信S在频段m上所能达到 的最大SINR阔值；j皆胃表示蜂窝用户m的最大发送功率；茲，公，各：!，各f；；分别表示蜂窝用 户m到基站的链路信道增益、D2D通信S的链路信道增益、蜂窝用户m到D2D通信S接收端 的链路信道增益、D2D通信S发送端到蜂窝用户m接收端的链路信道增益；N。为系统噪声。
[0022] 优选地，在步骤2中，判断频谱资源能否满足单频段服务质量需求的判定准则为：
[0023]
[0024] 若满足上式，则表明D2D通信S在频段m上存在SINR值e 满足单 频段上蜂窝用户m和D2D通信s最小可达速率阔值Rfmm需求，且蜂窝用户m的最 大发送功率阔值巧^胃得W保障；其中，沾表示D2D通信S在频段m上分配的SINR目标； 尸jDmto为巧严n对应的SINR，其中，匪=2皆。'。_1。
[0025] 优选地，在步骤3中，将满足单频段服务质量需求的频谱资源进行排序准则为：
[0026] 为D2D通信S在符合步骤2的单频段服务质量需求判定准则下的频谱资源中，根 据胃1的值对频谱资源进行正序排序；其中，S= 1，2,…，S。
[0027] 优选地，在步骤4中，多D2D通信系统频谱资源分配策略为：
[002引根据每个D2D通信的频谱资源排序情况，每一轮依次为每个D2D通信从未被该D2D通信选取的频段中选取最优的频段，所述最优的频段即频谱资源排序中最靠前的频段；
[0029] 在每次选择频段的过程中，如果D2D通信所选取的频段已经达到相应用户所需的 频段个数，那么将该频段依次放入到各自的备选频段集合中；如果D2D通信在选取该频段 时发现该频段已经被其它D2D通信选取，那么采用功耗比较方式；比较该两个D2D通信用户 在该频段上满足最小可达速率阔值需求时D2D通信的功耗，基站将该频谱资源分配给功耗 较低的D2D通信；
[0030] 在功耗比较中功耗较高的D2D通信用户，会选取自身备选频段集合中排序最靠前 的频段作为补偿，如果该排序最靠前的频段仍被其他D2D通信所选择，按照所述功耗比较 方式与该其他D2D通信做功耗比较；直到所有D2D通信选择的频段数目达到各自所需频段 总数要求或者所有可用的频段都已被选择完毕，系统停止分配频谱资源。
[0031] 优选地，在步骤5中，判断所分配的频谱资源能否满足D2D通信总可达速率阔值需 求的判定准则为：
[0032]
[003引其中，xj%表示频段m是否被D2D通信S选取的频段分配因子，x,m= {0,U;x,m=1表示频段m被D2D通信s选取；x,m= 0表示频段m没有被D2D通信s选取；为D2D 通信S的总可达速率阔值需求化为D2D通信S总共需要选取的频段总数诺上式满足，则 表示分配给D2D通信S的频谱资源满足D2D通信总可达速率阔值需求。
[0034] 优选地，在步骤6中，采用拉格朗日乘子法W最优方式分配D2D通信在每个选取频 段上的SINR目标，具体的方法为： N;
[00对采用二分法找到A*，该入*带入下式中的A满足芝>铅(1+;二（又))=兮'；其中， ?=1 下标S。表示选取频段S。，选取频段S。即D2D通信S选取的第n个频段；？(1；)表示在 拉格朗日乘子A下D2D通信S分配到选取频段S。上的SINR目标，且需满足：7二（^)为 max(咕（又)，六細），即冶心）不小于单频段上020通信S最小SINR阔值;rfmin;max(A，B) 表示取A、B中的较大者；其中，
[00測挺。，换蘇，各；分别表示蜂窝用户Sn到基站的链路信道增益、020通信S的链路信 道增益、蜂窝用户S。到D2D通信S接收端的链路信道增益、D2D通信S发送端到蜂窝用户S。 接收端的链路信道增益；乂"'胃表示蜂窝用户S。单频段上最小SINR阔值；A表示拉格朗日 乘子，并且A> 0 ;N。为系统噪声；蜂窝用户S。表示系统中第S。个蜂窝用户；蜂窝用户S。 使用选取频段S。。
[0039] 优选地，f?"表示D2D通信S的功