蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于功率控制的d2d資源分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及頻譜資源管理技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于功率控制的 D2D資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 功率控制是蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)頻譜資源共享的關(guān)鍵技術(shù)，為了保證D2D用戶接入 蜂窩用戶的授權(quán)頻段時(shí)的干擾不影響蜂窩用戶的正常通信，同時(shí)也保證蜂窩用戶對(duì)D2D用 戶的干擾不影響D2D用戶的正常通信，需要對(duì)蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中蜂窩用戶和D2D用戶的功率 都進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，并且為D2D用戶選擇適合復(fù)用的蜂窩用戶資源。
[0003] 傳統(tǒng)的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中D2D資源分配方法一般考慮的是宏蜂窩與D2D兩層網(wǎng)絡(luò)異 構(gòu)的場(chǎng)景，此時(shí)只需要優(yōu)化D2D發(fā)送端和宏蜂窩用戶的發(fā)送功率即可，有的方法甚至僅僅 通過注水法優(yōu)化D2D用戶的發(fā)送功率。而未來蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中很可能同時(shí)存在宏蜂窩、飛 蜂窩和D2D通信三層網(wǎng)絡(luò)，由此引入的三層網(wǎng)絡(luò)間的干擾場(chǎng)景與兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不再相同， 且更加復(fù)雜。因此，這種三層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的資源共享優(yōu)化問題需要聯(lián)合優(yōu)化三層用戶的發(fā) 送功率來解決。
[0004] 還有些傳統(tǒng)的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的D2D資源分配方法只考慮了一個(gè)蜂窩用戶和一 對(duì)D2D對(duì)互相共享資源的情況，或者D2D可以復(fù)用的頻譜資源數(shù)是固定的，此時(shí)一對(duì)D2D用 戶只需要考慮單頻段上的發(fā)送功率和與之配對(duì)的蜂窩用戶的發(fā)送功率。但是這樣無法利用 D2D通信高頻譜利用率的特性，造成了頻譜資源的浪費(fèi)。因此，需要為D2D用戶靈活地、動(dòng)態(tài) 地分配頻譜資源。
[0005] 另外一種傳統(tǒng)的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的D2D資源分配方法只限制滿足蜂窩用戶QoS最 低要求時(shí)的D2D最大發(fā)送功率，且蜂窩用戶使用的發(fā)送功率是固定的，D2D選擇的復(fù)用頻譜 資源也是固定的。這樣D2D發(fā)送端始終使用滿足要求的最大發(fā)送功率傳輸數(shù)據(jù)，蜂窩用戶 只能保證其速率為最低門限值，大大犧牲了原蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能，且D2D用戶始終使用最大 發(fā)送功率也造成了系統(tǒng)總功耗的增加，不符合綠色通信的要求。除此之外，一些D2D用戶與 蜂窩用戶距離太近，其相互之間的干擾已經(jīng)無法通過簡(jiǎn)單的功率控制來抑制，此時(shí)固定的 為D2D選擇復(fù)用的頻譜資源就會(huì)帶來難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種基于最優(yōu)功率分配策略和最優(yōu)頻譜復(fù)用數(shù)的資源分配方法。本 發(fā)明能夠同時(shí)優(yōu)化宏蜂窩用戶、飛蜂窩用戶和D2D用戶的發(fā)送功率，并得到了最優(yōu)發(fā)送功 率的閉式解。同時(shí)，本方法還為每對(duì)D2D用戶定義了一個(gè)最佳頻譜復(fù)用數(shù)，使蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 的頻譜效率得到最大程度的提升。相較于傳統(tǒng)資源分配方法，本方法能夠在最大化D2D鏈 路吞吐量的同時(shí)節(jié)約系統(tǒng)總功耗，更符合綠色通信的要求。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于功率控制的D2D資源分配方法，包括 如下具體步驟：
[0008] 第一步，根據(jù)最優(yōu)功率分配方案，分別計(jì)算D2D發(fā)送端、宏蜂窩用戶、飛蜂窩用戶 的最優(yōu)發(fā)送功率Pf、/f、i表示宏蜂窩用戶占用的頻譜序號(hào)，i = 1，2，...，N，N為 小區(qū)內(nèi)宏蜂窩用戶數(shù)，上標(biāo)*表示最優(yōu)；
[0009] 其中，所述最優(yōu)功率分配方案如下：令一個(gè)D2D對(duì)復(fù)用多個(gè)宏蜂窩用戶CUE的頻譜 資源，通過聯(lián)合優(yōu)化宏蜂窩用戶CUE、飛蜂窩用戶FUE和D2D用戶的發(fā)射功率，使得該D2D對(duì) 的吞吐量最大化；
[0010] 第二步，根據(jù)^ A &〇. 1，確定D2D對(duì)的最優(yōu)復(fù)用頻譜數(shù)Nf; Afl
[0011] 其中，ATh表示D2D復(fù)用頻譜數(shù)增加時(shí)的平均吞吐量增量，Δη表示D2D復(fù)用頻譜 數(shù)的增量，S表示吞吐量增長速率門限值；Th表示當(dāng)D2D復(fù)用頻譜數(shù)為η時(shí)的平均吞吐量， η = 1，2,. . .，N，N為小區(qū)內(nèi)宏蜂窩用戶數(shù)，那么定義D2D對(duì)的最優(yōu)頻譜復(fù)用數(shù)乂即為當(dāng)吞 吐量增長速率^小于吞吐量增長速率門限值S時(shí)的D2D復(fù)用頻譜數(shù)； A/?
[0012] 第三步，分別計(jì)算出這個(gè)D2D對(duì)復(fù)用每個(gè)宏蜂窩用戶CUE頻譜資源時(shí)的 = < + < + < ; <tai表示頻譜i上的D2D用戶、宏蜂窩用戶和飛蜂窩用戶的總 功率；
[0013] 第四步，根據(jù)i4dl從小到大排序，選出前Nf個(gè)頻段，為此D2D對(duì)復(fù)用；
[0014] 第五步，對(duì)多對(duì)D2D對(duì)重復(fù)以上第一步至第四步，動(dòng)態(tài)更新資源分配策略。
[0015] 優(yōu)選地，Pf、Pf分別為D2D發(fā)送端、宏蜂窩用戶和飛蜂窩用戶的最優(yōu)發(fā)送 功率，表達(dá)式如下：
[0016]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于功率控制的D2D資源分配方法，其特征在于，包括如下具 體步驟： 第一步，根據(jù)最優(yōu)功率分配方案，分別計(jì)算D2D發(fā)送端、宏蜂窩用戶、飛蜂窩用戶的最 優(yōu)發(fā)送功率巧T、片'、片.'，i表示宏蜂窩用戶占用的頻譜序號(hào)，i=l，2，...，N，N為小區(qū)內(nèi) 宏蜂窩用戶數(shù)，上標(biāo)*表示最優(yōu)； 其中，所述最優(yōu)功率分配方案如下；令一個(gè)D2D對(duì)復(fù)用多個(gè)宏蜂窩用戶CUE的頻譜資 源，通過聯(lián)合優(yōu)化宏蜂窩用戶CUE、飛蜂窩用戶FUE和D2D用戶的發(fā)射功率，使得該D2D對(duì)的 吞吐量最大化； 第二步，根據(jù)^ ^ 1，確定D2D對(duì)的最優(yōu)復(fù)用頻譜數(shù)Nf; All 其中，A化表示D2D復(fù)用頻譜數(shù)增加時(shí)的平均吞吐量增量，An表示D2D復(fù)用頻譜數(shù) 的增量，5表示吞吐量增長速率口限值；化表示當(dāng)D2D復(fù)用頻譜數(shù)為n時(shí)的平均吞吐量，n =1，2,. . .，N，N為小區(qū)內(nèi)宏蜂窩用戶數(shù)，那么定義D2D對(duì)的最優(yōu)頻譜復(fù)用數(shù)Nf即為當(dāng)吞吐 量增長速率小于吞吐量增長速率口限值5時(shí)的D2D復(fù)用頻譜數(shù)； A巧 第S步，分別計(jì)算出該個(gè)D2D對(duì)復(fù)用每個(gè)宏蜂窩用戶CUE頻譜資源時(shí)的乂 1。1， 片。W=旬' +分+這';表示頻譜i上的〇2〇用戶、宏蜂窩用戶和飛蜂窩用戶的總 功率； 第四步，根據(jù)成。從小到大排序，選出前Nf個(gè)頻段，為此D2D對(duì)復(fù)用； 第五步，對(duì)多對(duì)D2D對(duì)重復(fù)W上第一步至第四步，動(dòng)態(tài)更新資源分配策略。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于功率控制的D2D資源分配方法，其特征 在于，為'、《'、片?分別為〇2〇發(fā)送端、宏蜂窩用戶和飛蜂窩用戶的最優(yōu)發(fā)送功率，表達(dá)式 如下：
其中，是D2D發(fā)送端在頻段i上的最大發(fā)射功率，表示投影在區(qū)間化尸之、] 上的值，A為拉格朗日乘子；a= 2A-1，片=-1，Pi是頻段i上的宏蜂窩用戶 C肥的QoS口限，目i是頻段i上的飛蜂窩用戶即E的QoS口限；Z/rN巧、分;分別為頻段 i上的宏蜂窩用戶C肥到宏蜂窩基站、到D2D接收端、到飛蜂窩基站的信道增益，€、Gj、 巧分別為頻段i上的D2D發(fā)送端到宏蜂窩基站、到D2D接收端、到飛蜂窩基站的信道增益， 與、分別為頻段i上的飛蜂窩用戶即E到宏蜂窩基站、到〇2〇接收端、到飛蜂窩基 站的信道增益，Vj、；V;分別表示頻段i上的宏蜂窩用戶、D2D用戶和飛蜂窩用戶受 到的系統(tǒng)噪聲；且有
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于功率控制的D2D資源分配方法，其特征 在于，A的最大值A(chǔ)m。,為=max,'[^}，且每個(gè)從都隨A單調(diào)遞減，A*通過二分法 找到，隨后將A*作為拉格朗日乘子A帶入到片'、pf、片'的表達(dá)式中得到〇2〇發(fā)送端、 宏蜂窩用戶和飛蜂窩用戶的最優(yōu)發(fā)送功率;maXi{?}表示頻段i上的最大值，A*表示拉格 朗日乘子的最優(yōu)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于功率控制的D2D資源分配方法，其特 征在于，資源分配策略的更新準(zhǔn)則為；如果某個(gè)頻段同時(shí)被多個(gè)D2D對(duì)選中，則比較該多個(gè) D2D對(duì)在該頻段上的系統(tǒng)功耗，把該頻段資源分配給此頻段上系統(tǒng)總功耗最小的那個(gè)D2D 對(duì)，其余D2D對(duì)則繼續(xù)更新其資源分配策略。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于功率控制的D2D資源分配方法，包括：根據(jù)最優(yōu)功率分配方案，分別計(jì)算D2D發(fā)送端、宏蜂窩用戶、飛蜂窩用戶的最優(yōu)發(fā)送功率；確定D2D對(duì)的最優(yōu)復(fù)用頻譜數(shù)；分別計(jì)算出這個(gè)D2D對(duì)復(fù)用每個(gè)宏蜂窩用戶CUE頻譜資源時(shí)的根據(jù)從小到大排序，選出前Nf個(gè)頻段，為此D2D對(duì)復(fù)用；對(duì)多對(duì)D2D對(duì)重復(fù)以上步驟，動(dòng)態(tài)更新資源分配策略。本發(fā)明聯(lián)合優(yōu)化了宏蜂窩用戶、飛蜂窩用戶和D2D用戶的發(fā)送功率，并得到了最優(yōu)發(fā)送功率的閉式解；其次，本發(fā)明為每個(gè)D2D用戶定義了一個(gè)最優(yōu)頻譜資源復(fù)用數(shù)，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率，且在提升D2D吞吐量的同時(shí)節(jié)省了系統(tǒng)的總功耗，符合綠色通信的要求。
【IPC分類】H04W72-04
【公開號(hào)】CN104796990
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510133650
【發(fā)明人】韓琰, 蔣鈴鴿, 何晨
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年3月25日