直通蜂窝系统中基站联合直通终端优化资源分配方法

摘要

本发明是一种直通蜂窝系统中基站联合直通终端优化资源分配的方法，为了不中断传统蜂窝用户链路的正常通信，获得端到端D2D直通技术带来的有效增益，允许D2D用户在共享蜂窝系统上行和下行链路资源时采用D2D用户端对资源进行选择的资源分配方式，此时，D2D用户只需要考虑他们自身的信号对其他蜂窝用户CU的干扰，同时，采用基站BS集中控制的方式进行资源分配，发挥基站BS的集中控制优势，充分利用基站和D2D终端联合优化方式，发挥两种分配方式的优势；充分提高引入D2D直通技术的共存系统的资源利用率和有效性，最大限速地开发资源的复用增益，增加系统容量，增加业务类型，保障服务质量。从新的资源分配视角在有限的资源条件下开发更多的资源复用的机会。

说明书

技术领域

本发明是一种直通蜂窝系统中基站联合直通终端优化资源分配方法，涉及在D2D（Device to Device）直通技术与蜂窝共存的系统中对资源的有效管理方案设计问题。

背景技术

随着个人通信业务需求的增加，对移动通信系统的性能要求也随之增加，要求网络运营商和基础设施制造商从一个系统级的角度来提供更高的服务质量和更丰富的业务，从新的视角在有限的资源条件下开发更多的资源复用的机会，尤其是对频谱资源的再次开发和利用。

在资源有限的条件下，系统间的协作和对资源的共享成为提高资源利用率一种解决方案。在频谱没有被有效利用、存在空洞的前提下，可以通过机会式策略来实现频谱共享提高频谱的有效利用率。即使在一个频谱被持续使用的网络中，也可以通过开发网络拓扑和资源管理策略获得额外增益。

在传统的蜂窝网络中，一个设备跟另一个设备进行数据交换必须要经过基站或者其它核心网络元素。当两个通信设备相对比较接近时，建立直接的通信链路而不需要经过基站以节省两个用户设备、基站以及无线接入等其它核心网资源的发射功率的方式就显得更为有意义。如果直接通信模式的设备彼此距离很接近，其发射功率可以比传统蜂窝模式更低，能够节省设备的电池耗能，降低干扰。进一步地，降低干扰会带来更高的系统容量和频谱有效性。

由蜂窝基站控制的短距离直通技术D2D不仅能够增加系统吞吐量、节省用户设备（UE）功率以及瞬时增长数据速率，最重要的是能够提供相对于传统蜂窝通信双倍的频谱效率。在D2D通信中，D2D以underlay方式与蜂窝网络共存，D2D用户设备（DUEs）通过复用蜂窝资源彼此间直接发送数据信号，与引入认知无线电技术的次用户（SU）场景相似。然而，使用D2D技术，无线资源的使用可以以合作的方式由蜂窝网络控制，而在认知无线电网络中资源复用不是由主用户系统控制的。这是D2D与CR系统的主要区别之一。此外，D2D与现有同类频谱复用技术的不同之处还在于，它具有干扰可控的优点；与认知无线电需要时刻感知空闲频谱以防影响主系统中用户通信不同，D2D资源分配由系统决定，终端监测操作实现较易，因此具有更广阔的发展前景。

在资源管理方面，现有的成果大多集中在对功率控制方案的设计方面，也有根据不同的应用场景对系统中资源分配和复用模式所进行的探讨。此外，蜂窝系统中上行链路资源相对于下行链路而言，并没有被充分使用。因此， D2D的大多数研究集中在D2D复用上行链路频谱资源的场景。

资源如何在D2D与蜂窝系统之间进行分配，如何为D2D用户分配资源并获得共存增益，如何对系统中的功率、信道、时隙等资源的进行合理有效的调度和管理是资源管理所要解决的问题。

在资源管理方面，现有的成果大多集中在对功率控制方案的设计方面，也有根据不同的应用场景对系统中资源分配和复用模式所进行的探讨。很多资源分配方案取决于系统资源的利用状况，例如现有成果中，提出了在系统中有足够的资源时可用时给D2D通信分配专用资源。当系统资源全负荷使用时， D2D通信与蜂窝通信之间的干扰需要被控制在一定的范围内。并且大多是没有保证D2D用户的业务连续性。这样D2D所带来的增益并未得到充分发挥。

根据共存系统特点，从干扰协调出发，提供基站和D2D终端联合优化资源分配方案。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种直通蜂窝系统中基站联合直通终端优化资源分配的方法，考虑的系统模型是在无线蜂窝网络系统中以自组织形式存在的短距离终端直通技术（D2D）用户与蜂窝网络用户以underlay方式共存并共同使用相同的无线资源（包括频道、时隙、码字等）的场景，对该系统中的不同应用场景中的干扰管理和资源分配问题展开讨论。

在本发明中，分别考虑了D2D复用上行链路和下行链路资源的场景，找到不同应用场景下的共性特征，并兼顾不同应用场景的个性因素。针对D2D与蜂窝共存系统的特点，克服已有资源分配方案中的不足，提供根据不同场景特点的基站联合直通终端的优化资源分配方法。

技术方案：本发明考虑的系统模型包括四种场景，即D2D单链路共存系统（上行），D2D单链路共存系统（下行），D2D多链路共存系统（上行），D2D多链路共存系统（下行） 。相关建模和设计方案讨论以最大化接近工程应用需求为标准，体现成果的实用价值和普适性。

由于D2D方式的引入，向LTE演进的蜂窝用户在帧结构、物理层技术、无线资源配置等方面是否可以保持原有的技术特点，D2D用户与蜂窝用户相比，应该在帧结构、物理层技术等方面，尤其是、无线资源配置方面具有哪些改进，是本发明探讨的内容所依据的主要技术问题。

D2D与现有同类频谱复用技术的不同之处还在于，它具有干扰可控的优点，D2D资源分配由系统决定，终端监测操作实现较易，因此具有更广阔的发展前景。D2D的资源分配涉及在D2D与蜂窝共存的系统中对资源的有效分配方案的设计问题。由BS控制蜂窝通信和D2D通信的发射功率和频率、时隙资源分配。D2D用户设备既可以共用蜂窝用户CU的上行链路UL也可以共用蜂窝的下行链路DL资源。

在共存系统中，每个场景中包含一个以接入点AP或基站BS为中心的半径为R的圆，在圆内有两种类型的用户。一类是通过BS进行上下行通信的蜂窝用户CU，系统的上下行帧采用标准的调度和信号控制方式进行指定信道的分配。在BS处存在一个最小的SINR值βBS，是确保BS和CU之间链路存在的最低SINR要求值。在蜂窝系统中关于BS处的SINR还有一个常数κ的设定，用于补偿噪声和干扰的影响。另一类用户是终端直通用户设备DUE，D2D用户采用彼此间的直接或多跳方式进行通信，而不需要经过BS。只要蜂窝链路的SINR不小于最低需求值，D2D用户允许使用跟CU相同的资源。同样，为了使D2D用户间能够成功完成传输，D2D链路上也存在一个最低需求的SINR值βDD。D2D用户可以是现有蜂窝系统中由于BS满负载而分配不到资源的CU；也可以是在蜂窝系统中距离相近的CU，采用D2D方式可以节省传输时间和开销，扩充系统容量；还可以是处在拥挤频段上的其它系统用户（比如ISM频段上的用户），为了避免干扰和资源使用的拥挤，获得更宽带宽和更好服务，愿意付出一定费用而获得一定授权频段资源的用户。

前两种情况下，蜂窝系统通过D2D方式可以开发网络拓扑获得额外的容量增益，第三种情况通过D2D方式可以使系统资源被更多异构系统共享，缓解拥挤频段的资源压力，获得资源复用增益，提高资源利用率，同时，需要具有系统间转换或匹配功能的软硬设备。D2D系统的资源分配可以由BS进行集中控制，也可以由D2D用户端自行完成。由BS控制的资源分配方式，BS需要在得到D2D用户的通信请求时，根据当前系统中资源的使用和分配状况、DUE和UE用户的位置及周围可能存在的干扰情况作出判决。在下行链路中告知D2D用户所分配到的信道、时隙和功率电平等相关资源以完成D2D通信。由D2D用户端完成对所需资源的选择时，需要增加D2D用户端的功能，首先，D2D用户端需要确定哪些信道资源是可用的，在相关信道上，多大的发射功率是允许的，而不对CU产生影响。其次，发送端的D2D用户需要清楚其邻居D2D用户的特征以便发现达到终端D2D节点的最佳路由。这些信息可以由BS的下行信道广播信息获得。两种资源分配方式均有利弊，由D2D用户端对资源进行选择的方式属于一种分布式的资源分配方式，可以减轻BS的处理负担，可以根据用户本身的特性选择最适合的资源，达到局部最优，随机灵活，缺点是对全局干扰的管理不充分，容易产生对隐藏的CU的干扰。由BS进行集中控制的资源分配方式，可以对全局的干扰进行有效的管理，通过对全局的考虑作出资源的统筹分配达到全局最优，缺点是BS的工作量增加，DCU用户分配到的资源未必是最优的，缺少灵活性，尤其在用户终端移动的情况下，反而为BS的切换和资源分配带来额外负担。

在LTE框架下的蜂窝系统可以支持FDD和TDD两种双工方式，两种模式对资源的分配也会产生重要的影响。

在TDD系统中，一个CU有一个频率信道和不同的时隙，依靠时隙区分上下行。在FDD系统中，一个CU有两个频率信道和连续时间传输。如果系统采用TDD方式，D2D用户共享的是同一频段上CU的上下行时隙资源，如果系统采用FDD方式，D2D用户共享的是不同CU各自的上下行频率资源。对于FDD系统而言，D2D对CU的干扰表现在同频干扰上，对于TDD系统而言，D2D对CU的干扰表现在时隙的碰撞上。在一个小区内部的邻道干扰可以通过带宽在时间、频率或码字方面的正交设计（如TDMA、FDMA、CDMA）来避免。由于FDD和TDD系统在在系统底层设计，尤其是物理层的设计上的显著差别，对引入D2D的蜂窝系统中的资源分配机制等的内容和依据就各不相同，需要区别对待。

综合以上分析，为了不中断传统蜂窝用户链路的正常通信，获得D2D带来的有效增益，允许D2D用户在共享上行链路资源时采用D2D用户端对资源进行选择的资源分配方式，此时，D2D用户只需要考虑他们自身的信号对其他CU的干扰。如果D2D用户共享蜂窝系统的下行链路资源，就要考虑其对系统中存在的每一个用户的干扰，因此，可以采用BS集中控制的方式进行资源分配，发挥BS的集中控制优势。为了充分发挥两种分配方式的优势，可以将两者结合考虑，形成如图1所示的发明方案。

BS根据上行用户传送的数据对可以进行D2D通信的用户进行标记，并在下行链路中告知可以进入D2D通信模式的用户（包括用户的发送端和接收端），同时告知采用D2D模式进行通信的可用资源（包括信道、时隙和功率等）。这些资源的分配依据是通过功耗和路径损耗所得到的对用户位置信息的估计和预测，通过SINR的计算得到产生新的D2D用户后D2D对CU的干扰容限，用户的流量对干扰容限和整体容量的影响范围等，所有这些因素都是BS进行全局资源优化的条件，根据这些条件，通过系统传输容量最优化得到了对D2D用户资源的分配，并将这种分配告知D2D用户。在D2D用户端，会根据其对邻居节点的干扰以及CU对D2D用户的干扰作出评估，在保证不影响CU通信的同时兼顾D2D链路的通信质量，由此作出对BS分配的资源的选择，以完成局部的优化。

该方法具体包括，为了不中断传统蜂窝用户链路的正常通信，获得端到端D2D直通技术带来的有效增益，允许D2D用户在共享蜂窝系统上行和下行链路资源时采用D2D用户端对资源进行选择的资源分配方式，此时，D2D用户只需要考虑他们自身的信号对其他蜂窝用户CU的干扰，同时，采用基站BS集中控制的方式进行资源分配，发挥基站BS的集中控制优势，充分利用基站和D2D终端联合优化方式，发挥两种分配方式的优势；具体场景应用和实施方法为：

1）D2D用户共享上行链路资源方式为： 

系统A包括系统A1：D2D单链路共享上行资源场景，系统A2：D2D多链路共享上行资源场景，

在系统A1和系统A2中，在共享上行链路场景主要存在D2D用户对基站BS的累积干扰、D2D用户共用蜂窝用户CU信道的同信道干扰以及蜂窝用户CU对D2D接收的干扰三种干扰形式；为了对D2D用户对基站BS的累积干扰、D2D用户共用蜂窝用户CU信道的同信道干扰以及蜂窝用户CU对D2D接收的干扰三种干扰进行控制，兼顾蜂窝用户CU和D2D用户的性能，资源分配的方案如下：

步骤一：首先是蜂窝用户CU通过接收的功率和信号干扰噪声比SINR值的分析，对干扰容限通过马尔科夫经验模型进行评估，并将结果通过上行链路上传给基站BS；

步骤二：有D2D通信意向的用户通过接收的功率和SINR值的分析，通过马尔科夫经验模型对干扰容限进行评估，并将结果通过上行链路上传给基站BS；

步骤三：基站BS通过马尔科夫经验模型预测各用户累积干扰的干扰容限经验值，并评估蜂窝用户CU和D2D用户上传的干扰经验值决定哪些用户可以进行D2D通信；

步骤四：根据最优化传输容量理论得到在频分复用/时分复用FDD/TDD不同方式下的资源分配；

步骤五：分配方案通过下行链路传给相应用户；

步骤六：在D2D用户端通过接收的功率和SINR值的分析，通过马尔科夫经验模型对干扰容限进行评估，根据D2D服务质量需求对资源分配进行选择；

步骤七：如果基站BS的分配方案无法满足D2D需求，D2D将结果通过上行链路传给基站BS，基站BS在新一轮分配中将考虑D2D的请求，对资源进行重新分配，在此过程中，为避免D2D用户处于饥饿状态，基站BS和D2D终端会设置最低需求门限；

如果基站BS的分配方案满足D2D需求，系统开始准备接通D2D传输链路；

2）D2D用户共享下行链路资源的方式为：

系统B 包括系统B1：D2D单链路共享下行资源场景，系统B2：D2D多链路共享下行资源场景，

系统B与系统A的资源分配相比较，相同之处在于都需要由基站BS对用户和资源的分配进行总体控制；主要不同之处在于基站BS不需要考虑在基站BS处的累积干扰，系统总的用户容量不是取决于对BS处累积干扰的分析，基站BS需要考虑如何在D2D用户和蜂窝用户之间进行多用户资源调度，在确保D2D用户和蜂窝用户的服务质量的同时，最大限度地进行资源复用和扩容；具体实施方式如下：

步骤一：首先基站BS根据接收到的用户的功率或者用户上传的位置信息对用户的位置分布进行预判，根据位置分布将有可能存在干扰关系D2D用户和蜂窝用户进行干扰子域划分，其中子域中最多存在一个蜂窝用户CU，可以存在多个D2D用户；

步骤二：对在同一子域内的蜂窝用户CU的干扰容限进行评估，在保证蜂窝用户CU的服务质量的同时分配D2D的资源，进行多用户资源调度，并将结果广播给相应的用户；

步骤三：根据最优化传输容量理论得到在FDD/TDD不同方式下的资源分配；

步骤四：分配方案通过下行链路传给相应用户；

步骤五：在D2D用户端通过接收的功率和SINR值的分析，通过马尔科夫经验模型对干扰容限进行评估，根据D2D服务质量需求对资源分配进行选择；

步骤六：D2D用户根据D2D服务质量需求对资源分配进行选择，如果基站BS的分配方案无法满足D2D需求，D2D将结果通过上行链路传给基站BS，基站BS在新一轮分配中将考虑D2D的请求，对资源进行重新分配，在此过程中，为避免D2D用户处于饥饿状态，基站BS和D2D终端会设置最低需求门限；

如果基站BS的分配方案满足D2D需求，系统开始准备接通D2D传输链路。

有益效果：充分提高引入D2D直通技术的共存系统的资源利用率和有效性，最大限速地开发资源的复用增益，增加系统容量，增加业务类型，保障服务质量。从新的资源分配视角在有限的资源条件下开发更多的资源复用的机会，尤其是对频谱资源的再次开发和利用。

根据系统计算的干扰容限，发明单链路和多链路D2D在不同双工方式场景下的资源分配方案。

将基站的控制和D2D用户端的选择进行联合优化的发明方案，兼顾全局和局部的性能，蜂窝系统和D2D子系统的服务质量，保证共存系统获得D2D技术带来的额外增益。

附图说明：

图1是本发明所依据的联合资源分配方案总体框图；

图2是本发明提出的D2D共享上行链路的联合资源分配流程图；

图3是本发明提出的D2D共享下行链路的联合资源分配流程图。

具体实施方式

本发明考虑系统中的四种不同应用场景中的资源分配问题。即D2D单链路共享上行资源场景（系统A1），D2D多链路共享上行资源场景（系统A2），D2D单链路共享下行资源场景（系统B1），D2D多链路共享下行资源场景（系统B2） 。

围绕图1的发明思路，我们将从共享上行链路资源和共享下行链路资源两个场景设计具体实施方式。

参照图2，D2D用户共享上行链路资源的具体实施方式为：

在系统A1和A2中，在共享上行链路场景主要存在D2D用户对BS的累积干扰、D2D用户共用CU信道的同信道干扰以及CU对D2D接收的干扰三种干扰形式。为了对D2D用户对BS的累积干扰、D2D用户共用CU信道的同信道干扰以及CU对D2D接收的干扰三种干扰进行控制，兼顾CU和D2D用户的性能，资源分配的方案如下：

步骤202：首先是CU通过接收的功率和SINR值的分析，对干扰容限通过马尔科夫经验模型进行评估，并将结果通过上行链路上传给BS。

步骤204：有D2D通信意向的用户通过接收的功率和SINR值的分析，通过马尔科夫经验模型对干扰容限进行评估，并将结果通过上行链路上传给BS。

步骤206：BS通过马尔科夫经验模型预测各用户累积干扰的干扰容限经验值，并评估CU和D2D用户上传的干扰经验值决定哪些用户可以进行D2D通信（步骤208）。

步骤208：BS根据各个用户的位置信息判决哪些用户适合进行D2D模式通信，哪些用户仍然是蜂窝通信模式，并将结果告知适合进行D2D通信的用户。

步骤210：根据最优化传输容量理论得到在FDD/TDD不同方式下的资源分配。

步骤212：分配方案通过下行链路传给相应用户。

步骤214：在D2D用户端通过接收的功率和SINR值的分析，通过马尔科夫经验模型对干扰容限进行评估，根据D2D服务质量需求对资源分配进行选择。

步骤216：D2D终端将自身判断的结果通过上行信道传给BS。

步骤218：如果BS的分配方案无法满足D2D需求，D2D将结果通过上行链路传给BS（步骤216），BS在新一轮分配中将考虑D2D的请求，对资源进行重新分配，在此过程中，为避免D2D用户处于饥饿状态，BS和D2D终端会设置最低需求门限。

如果BS的分配方案满足D2D需求，系统开始准备接通D2D传输链路步骤202。

参照图3，D2D用户共享下行链路资源的具体实施方式为：

B系统与A系统的资源分配相比较，相同之处在于都需要由BS对用户和资源的分配进行总体控制。主要不同之处在于BS不需要考虑在BS处的累积干扰，系统总的用户容量不是取决于对BS处累积干扰的分析，BS需要考虑如何在D2D用户和蜂窝用户之间进行多用户资源调度，在确保D2D用户和蜂窝用户的服务质量的同时，最大限度地进行资源复用和扩容。具体实施方式如下：

步骤302：首先BS根据接收到的用户的功率或者用户上传的位置信息对用户的位置分布进行预判，根据位置分布将有可能存在干扰关系D2D用户和蜂窝用户进行干扰子域划分（子域中之多存在一个CU，可以存在多个D2D用户）。

步骤304：对在同一子域内的用户的干扰容限（主用是CU的干扰容限）进行评估，在保证CU的服务质量的同时分配D2D的资源，进行多用户资源调度，并将结果广播给相应的用户。

步骤306：根据最优化传输容量理论得到在FDD/TDD不同方式下的资源分配。

步骤308：分配方案通过下行链路传给相应用户。

步骤310：在D2D用户端通过接收的功率和SINR值的分析，通过马尔科夫经验模型对干扰容限进行评估，根据D2D服务质量需求对资源分配进行选择。

步骤312：D2D终端将自身判断的结果通过上行信道传给BS。

步骤314：D2D用户根据D2D服务质量需求对资源分配进行选择，如果BS的分配方案无法满足D2D需求，D2D将结果通过上行链路传给BS（步骤312），BS在新一轮分配中将考虑D2D的请求，对资源进行重新分配，在此过程中，为避免D2D用户处于饥饿状态，BS和D2D终端会设置最低需求门限。

如果BS的分配方案满足D2D需求，系统开始准备接通D2D传输链路（步骤316）。

步骤316：进入链路接通阶段。