蜂窩通信系統(tǒng)下d2d通信建立及功率分配方案的制作方法
【專利摘要】在蜂窩通信架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)D2D(Device?to?Device)用戶和小區(qū)用戶共存并允許D2D用戶使用多信道的通信屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。在D2D通信模式下，部分距離較近的用戶可以直接傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的D2D通信被視為提高區(qū)域無線頻譜效率的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。由于D2D用戶的存在，通信環(huán)境變得更為復(fù)雜，用戶之間的干擾問題尤其突出。本發(fā)明將先提出一種在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)D2D通信的可行性方案，然后提出一種傳統(tǒng)小區(qū)用戶和D2D用戶都可以使用多信道的功率分配策略，適合在無線移動(dòng)通信中應(yīng)用。
【專利說明】
蜂窩通信系統(tǒng)下D2D通信建立及功率分配方案
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，給出一種在蜂窩通信架構(gòu)下實(shí)現(xiàn) D2D(Device-t〇-DeVice)用戶和小區(qū)用戶共存并允許D2D用戶使用多信道的技術(shù)方案。在 D2D通信模式下，相互之間距離較近的用戶可以直接傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，但是需要在基站的 協(xié)助之下以來提高系統(tǒng)的可控性，蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的D2D通信被視為提高區(qū)域無線頻譜效 率的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。但是由于D2D用戶的存在，通信環(huán)境變得更為復(fù)雜，比如小區(qū)內(nèi)使 用同一頻段的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶對同小區(qū)以及周圍小區(qū)內(nèi)的D2D用戶會(huì)受到相互之間的 干擾，同信道的D2D用戶之間同樣也會(huì)存在著干擾。由于干擾的存在，經(jīng)過數(shù)學(xué)建模后規(guī)約 出的最優(yōu)化問題都是NP-hard，這類問題在數(shù)學(xué)上是很難解決的。本發(fā)明將先提出一種在蜂 窩網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)D2D通信的可行性方案，然后提出一種傳統(tǒng)小區(qū)用戶和D2D用戶都可以使用 多信道的功率分配策略，并且通過仿真來證明本算法在實(shí)際場景中的效果很好，適合在無 線移動(dòng)通信中應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)帶來帶寬需求的不斷加大，且可用于移動(dòng)通信的頻譜資源 有限，帶寬的分配變得越來越擁擠，更好的頻譜利用率是當(dāng)前移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的剛性需求。在 這樣的背景下，De Vice-t〇-Device(D2D)通信技術(shù)逐漸成為近幾年無線網(wǎng)絡(luò)中研究的熱點(diǎn) 之一。其利用距離相近的設(shè)備之間信道狀況良好，數(shù)據(jù)通信具有高比特率、低時(shí)延、低功率 消耗等特點(diǎn)，設(shè)備之間可以在小區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)的控制之下通過D2D鏈路直接相互通信，D2D通 信將在宏蜂窩基站的控制下決定通信所需的頻率資源和傳輸功率，無線資源可以被D2D鏈 路和蜂窩通信鏈路同時(shí)使用。
[0003] 下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，如LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)，將無線接入架 構(gòu)分成了兩層，分別是無線接入網(wǎng)絡(luò)（Radio-Access Network, RAN)層和核心網(wǎng)絡(luò)（Core Network，CN)層。接入層由LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中所提出的基站構(gòu)成，提供用戶和基站的接入。核 心網(wǎng)絡(luò)層由移動(dòng)性管理實(shí)體（Mobility Management Entity, MME)、歸屬用戶服務(wù)器（Home SubscriberNode，HSS)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving Gateway，S-GW)，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（Packet Data Network Gateway,P-GW)等所組成，負(fù)責(zé)用戶和核心網(wǎng)絡(luò)層的接入并集中處理用戶的 服務(wù)要求。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)模式下，D2D用戶可以和小區(qū)用戶以正交或者非正交的方式共享頻 譜。對于前者來說，小區(qū)用戶使用一部分頻譜，剩余的部分都交給D2D用戶使用，這樣就能 完全消除這兩種通信模式用戶之間的相互干擾。第二種方式則允許D2D用戶和傳統(tǒng)蜂窩 網(wǎng)絡(luò)用戶同時(shí)使用小區(qū)內(nèi)的全部頻譜，這種方式能夠極大的提高區(qū)域頻譜效率。但是在這 種方式下，不同通信模式用戶之間的有著很大的相互干擾，如何有效地控制干擾時(shí)實(shí)現(xiàn)D2D 通信的一個(gè)重要研究方向。
[0004] 在資源共享模式下對D2D通信的研究有很多，比如在有一個(gè)小區(qū)用戶和一對D2D 用戶共享一個(gè)信道的情景下，通過控制D2D鏈路的傳輸功率來限制小區(qū)內(nèi)干擾。在一些研 究中，基站可以作為一個(gè)中繼來提升D2D用戶的容量，同樣，D2D用戶也可能作為中繼來協(xié) 助基站與相距較遠(yuǎn)的小區(qū)用戶的通信。
[0005] 目前學(xué)術(shù)界對D2D通信的研究絕大多數(shù)集中于用戶只能使用一個(gè)信道的情況，也 就是說，每個(gè)用戶（包括傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶，D2D用戶）占用多個(gè)信道的資源復(fù)用方案并 沒有得到深入的研究。因此本專利探討了單D2D用戶情況下，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶和D2D用 戶可以復(fù)用小區(qū)內(nèi)所有信道情景下的通信實(shí)現(xiàn)及資源分配問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)在LTE-A標(biāo)準(zhǔn)下D2D通信建立及全頻譜復(fù)用的資源分配 方案。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)方案包括如下步驟：
[0008] 所有通信需求的用戶全部以傳統(tǒng)蜂窩模式先建立通信；
[0009] -旦通信建立，無線接入層（主要由基站組成）就能夠獲得用戶的所有相關(guān)信息 包括發(fā)射用戶和接收用戶的位置，信道情況等，將用戶信息交由核心網(wǎng)絡(luò)層處理；
[0010] 核心網(wǎng)絡(luò)層中的D2D控制單元對用戶進(jìn)行分類，主要依據(jù)是用戶之間相互距離， 距離較近的用戶可以判定為D2D用戶；
[0011] 給用戶重新分類后的系統(tǒng)進(jìn)行建模，規(guī)約出優(yōu)化問題后進(jìn)行資源分配。
[0012] 核心網(wǎng)絡(luò)層將資源分配結(jié)果傳遞到無線接入層，小區(qū)用戶按照原模式繼續(xù)通信， 重新判定為D2D用戶的通信模式發(fā)生切換，由小區(qū)模式轉(zhuǎn)變?yōu)镈2D傳輸模式。
[0013] 本發(fā)明的思想是通過LTE-A中的標(biāo)準(zhǔn)采用一種后驗(yàn)策略的方式來建立D2D通信， 充分考慮到在上行鏈路中D2D用戶所接收到的干擾，最大化小區(qū)內(nèi)不同類型用戶的速率總 和。本發(fā)明允許小區(qū)用戶和D2D用戶利用所有的信道來傳輸信息，能夠極大地提高區(qū)域頻 譜效率，利用近似和凸優(yōu)化理論來求解規(guī)約出來的數(shù)學(xué)問題，獲得接近最優(yōu)解的性能。
【附圖說明】
[0014] 附圖是本發(fā)明提供的在基站控制下的D2D通訊建立并分配資源的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 在附圖中，可以看到基于LTE-A標(biāo)準(zhǔn)的D2D用戶通信及資源分配方案包括五個(gè)步 驟：
[0016] 在小區(qū)范圍內(nèi)有通信需求的用戶按照蜂窩模式建立通信；
[0017] 通信建立之后，基站就可獲得用戶的全部相關(guān)信息，例如信道增益和位置等，通過 LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中模塊之間的不同通信鏈路將用戶信息傳遞至核心網(wǎng)絡(luò)層；
[0018] 核心網(wǎng)絡(luò)層中的D2D控制單元對已建立通信的用戶信息進(jìn)行處理，將相互之間距 離較近的用戶重新判定為D2D用戶；
[0019] 對重新分類后的用戶進(jìn)行資源分配，本專利中不同傳輸模式的用戶可以使用所有 的信道來傳輸信息，因此此處的資源分配指的是功率分配；
[0020] 核心網(wǎng)絡(luò)層將用戶傳輸模式判定及資源分配結(jié)果傳遞到無線接入層，由基站發(fā)送 相應(yīng)的信息給用戶，小區(qū)用戶按照分配好的功率進(jìn)行傳輸，轉(zhuǎn)變?yōu)镈2D用戶的小區(qū)用戶需 要切換通信模式。
[0021] 第一步的實(shí)現(xiàn)方法：有通信需求的用戶先按照傳統(tǒng)的蜂窩模式建立通信，通信建 立之后基站就自然獲得了正在通信用戶的所有信息；
[0022] 第二步的實(shí)現(xiàn)方法：在LTE-A的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，無線接入層與核心網(wǎng)絡(luò)層之間可以 通過專用鏈路通信，基站和服務(wù)網(wǎng)關(guān)之間通過Sl-u協(xié)議通信，而基站與移動(dòng)管理實(shí)體之間 通過Sl-c鏈路通信。通過這些方式，基站所組成的無線接入網(wǎng)絡(luò)層可以將正在通信用戶的 信息傳遞到核心網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行集中處理；
[0023] 第三步的實(shí)現(xiàn)方法：在核心網(wǎng)絡(luò)層中增設(shè)D2D控制單元，D2D控制單元位于網(wǎng)關(guān) (GW)中?；局g可以通過X2鏈路進(jìn)行通信，這樣處于不同小區(qū)內(nèi)用戶的信息可以就被相 鄰的小區(qū)內(nèi)基站獲得。D2D控制單元對正在通信的用戶進(jìn)行重新分類，根據(jù)相應(yīng)的判斷標(biāo) 準(zhǔn)，如相互距離較近（或信道狀況）等，就可以將這對用戶判定為D2D用戶；
[0024] 第四步的實(shí)現(xiàn)方法：對用戶重新選擇通信模式之后，接下來就需要對無線資源進(jìn) 行分配，本專利考慮通信的上行鏈路，用戶可以利用所有的信道來傳輸信息。資源分配的目 的是最大化系統(tǒng)容量，即最大化不同類型用戶的傳輸速率總和。
[0025] 對所要解決的問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，假設(shè)一個(gè)單小區(qū)模型，在判定后小區(qū)內(nèi)有一個(gè) 傳統(tǒng)小區(qū)用戶和一對D2D用戶，分別用戶1和用戶2來表示。系統(tǒng)將帶寬分為N個(gè)子信道， 這N個(gè)子信道可以同時(shí)被用戶1，2所使用。用戶在第η個(gè)信道上的發(fā)射功率分別用p n>1和 pn,2來表示。小區(qū)內(nèi)用戶的傳輸速率總和為：
[0026] Rn(p) = l〇g2(l+Yn>1(p))+l〇g2(l+γη>2(ρ))
[0027] γη>1(ρ)和γη,2(ρ)分別表示用戶1,2在信道η上的信干噪比，
[0028]
[0029] Η和好分別表示相應(yīng)的信道增益和干擾增益。
[0030] 假設(shè)在這個(gè)小區(qū)周圍有Μ個(gè)相鄰的小區(qū)，用/：：,和/"m2分別表示用戶1，2對小區(qū)m內(nèi) D2D用戶的干擾增益。本專利在使本小區(qū)速率和最大的同時(shí)保證對其他小區(qū)內(nèi)的D2D用戶 的干擾不能超過一定的閾值，因此，建模后的優(yōu)化問題為：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] C5 :pnl >〇,pn2 >0,VneN,
[0037] 其中Q，C2是對其他小區(qū)內(nèi)D2D用戶的干擾閾值約束，其余約束條件是功率限制。
[0038] 由于目標(biāo)函數(shù)對pn,lPn,2來說都是非凸的，這樣就意味著可能存在多個(gè)局部最優(yōu) 解。因此本專利提出一個(gè)高效的迭代算法來解決規(guī)約出的問題。首先建立速率的凹下限來 替代原來的速率函數(shù)：
[0039]
[0040] 將實(shí)際速率用上式替換，這樣對于每個(gè)給定的功率分配P%通過求解替換后的問 題得到新的功率分配P可以保證比K更好。
[0041] 對于替換速率后的優(yōu)化問題，本專利使用凸優(yōu)化中的快速柵欄法來求解，得到轉(zhuǎn) 化后問題的最優(yōu)解P，然后通過不斷地迭代得到原問題的近似最優(yōu)解。
[0042] 第五步：D2D控制單元將資源分配結(jié)果發(fā)送至無線接入層，由基站來發(fā)送相應(yīng)的 信息給用戶來建立通信。傳統(tǒng)的小區(qū)用戶根據(jù)資源分配結(jié)果發(fā)送信息，重新判定為使用D2D 傳輸模式的小區(qū)用戶將發(fā)生模式切換，由小區(qū)模式切換至D2D模式，直接與目標(biāo)用戶通信， 發(fā)射功率值由基站發(fā)送的資源分配信息獲得。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種實(shí)現(xiàn)D2D(Device-t〇-De Vice)用戶和小區(qū)用戶共存，并允許D2D用戶使用多信 道的技術(shù)方案，是適用于異構(gòu)蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)基站獲得的用戶信息，并將之傳遞到核心 網(wǎng)絡(luò)中，由核心網(wǎng)絡(luò)來判斷用戶的傳輸模式，同時(shí)進(jìn)行資源分配；資源分配的結(jié)果由核心網(wǎng) 絡(luò)層傳遞到無線接入層，在傳遞給用戶進(jìn)行功率調(diào)整和模式切換。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)方案，其基站獲知服務(wù)區(qū)域內(nèi)用戶所有信息的特征在于 所有用戶先按照傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)建立通信，由用戶與基站所建立的通信鏈路來傳遞判斷用戶 傳輸模式所需要的信息位置信息和信道狀況信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)方案，其核心網(wǎng)絡(luò)獲知所有用戶信息的特征在于基站之 間通過X2鏈路傳遞信息，同時(shí)能夠通過Sl-u協(xié)議將基站所擁有的用戶信息傳遞給網(wǎng)關(guān)，這 樣核心網(wǎng)絡(luò)就能夠獲得所有用戶的信息；在核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)中增設(shè)D2D控制單元，核心網(wǎng) 絡(luò)既能通過D2D控制單元集中式處理用戶信息，又能分布式的在小范圍內(nèi)進(jìn)行資源分配。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)方案，其用戶通信模式判斷的特征在于采用后驗(yàn)策略， 即在用戶建立通信之后，網(wǎng)關(guān)中的D2D控制單元根據(jù)相應(yīng)如距離信道強(qiáng)度等信息將用戶分 為傳統(tǒng)小區(qū)用戶或D2D用戶，當(dāng)小區(qū)用戶轉(zhuǎn)變?yōu)镈2D用戶時(shí)傳輸模式需要發(fā)生切換。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)方案，其資源分配算法的特征在于建立用戶實(shí)際通信速 率的凹下限，并用這個(gè)下限來替代實(shí)際速率，將建模規(guī)約后的數(shù)學(xué)問題轉(zhuǎn)變?yōu)橥箚栴}，并使 用迭代算法來求解，得出最終的資源分配方案。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的技術(shù)方案，其資源分配結(jié)果傳遞到無線接入層的特征在于核 心網(wǎng)絡(luò)將資源分配結(jié)果傳遞到無線接入層，由基站按照資源分配結(jié)果將用戶的通信模式進(jìn) 行切換，并分配功率。
【文檔編號(hào)】H04W76/02GK105898876SQ201410631145
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月7日
【發(fā)明人】王少尉, 孫迅, 趙文濤, 冉晨, 張玉潔, 黃新新, 徐勝, 施偉嘉
【申請人】南京大學(xué)