一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法

摘要

本发明涉及一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法，包括以下步骤：S1，建立蜂窝网络；S2，根据Hk,m，利用干扰对齐法，求得各D2D-Pm的N行、d列预编码矩阵Fm的解集；S3，计算D2D-Pm对CUk的干扰矩阵Hk,mFm，设计正交于Hk,mFm的N行、d列的蜂窝用户后置编码矩阵Wk；S4，利用基于最小化均方误差的干扰对齐法，求得所有D2D-Pm的发射机预编码矩阵Fm和接收机后置编码矩阵Gm，并进行通信；S5，设置D2D-Pm的SINR阈值ωth，判决D2D-Pm是否接入蜂窝网络；S6，采用改进的注水功率分配法对所有D2D-Pm分配发送功率；S7，根据步骤S2～S6的结果，进行通信。与现有技术相比，本发明将D2D-P对蜂窝用户的干扰对齐到蜂窝用户处，保证了蜂窝用户的通信优先级，控制了D2D-P之间的相互干扰，提高了D2D-P和速率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种蜂窝网络通信方法，尤其是涉及一种提高频谱利用率的 D2D-P复用蜂窝网络通信方法。

背景技术

随着无线通信的快速发展，如何在有限的频谱资源的情况下，最大化的利用频 谱资源，一直是研究的热点。在蜂窝网络中，将设备对设备用户对(D2D-P)加入 到蜂窝网络中复用其频谱资源，能提高频谱利用率，但会对蜂窝用户带来不可避免 的干扰，影响蜂窝用户传输速率等性能指标。

针对蜂窝网络频谱资源利用率不高及D2D-P对蜂窝网络造成干扰等问题， DaquanFeng等人(DaquanFeng,LuLu,YiYuan-Wu,GeoffreyYeLi,GangFeng, ShaoqianLi.Device-to-DeviceCommunicationsUnderlayingCellularNetworks, IEEETRANSACTIONSONCOMMUNICATIONS，VOL.61,NO.8,pp.3541-3551, AUGUST2013)提出如下方法：通过事先设定阈值，选择符合要求的D2D-P，然 后采用将功率分配给潜在的蜂窝用户和符合要求的D2D-P，最后，在潜在的蜂窝 用户中挑选合适的用户与符合要求的D2D-P配合，通过选择合适范围的D2D-P、 蜂窝网络覆盖范围、活跃的蜂窝用户和D2D-P的数目，最大化系统的吞吐量增益 及访问速率。此种方法限于蜂窝网络上行链路中，只保证了部分蜂窝用户的通信需 求，没有具体的消除D2D-P加入蜂窝网络带来的干扰等。

LuYang等人(LuYang,WeiZhang,ShiJin,“InterferenceAlignmentin Device-to-DeviceLANUnderlayingCellularNetworks”,IEEETRANSACTIONSON WIRELESSCOMMUICATIONS,VOL.14,NO.7,PP.3715-3723,JULY,2015.)采用干扰 对齐算法，解决D2D-P复用频谱资源造成的干扰，方法如下：(1)当基站的上行 链路没有完全被蜂窝用户占据时，将D2D-P对蜂窝用户的干扰对齐到这些空闲链 路中，从而使蜂窝用户免于干扰；(2)当基站上行链路被完全占据时，D2D-P能 占据部分上行链路，此时设置干扰阈值，将占据的链路干扰控制在阈值之下，以此 来控制对蜂窝用户的干扰。此方法虽然消除了D2D-P对蜂窝用户通信链路的干扰， 但当蜂窝用户较多时，D2D-P造成的干扰不能完全消除，且接入后的D2D-P数量 及其传输速率等性能指标没有考虑，只考虑了D2D-P接入蜂窝网络的中断概率。

JiamoJiang等人(JiamoJiang,MugenPeng,WenboWang,KechengZhang,”Energy efficiencyoptimizationbasedoninterferencealignmentfordevice-todeviceMIMO downlinkunderlayingcellularnetwork”,IEEEGlobecom2013Workshop-International WorkshoponDevice-to-Device(D2D)CommnicationWithandWithout Infrastructure,PP.585-590,2013.)运用干扰对齐算法消除蜂窝网络下行链路干扰，方 法如下：先采用了编码技术消除D2D-P加入蜂窝网络带来的干扰。然后使用干扰 对齐算法将蜂窝用户之间的干扰对齐到特定的信号维度，保证蜂窝用户之间不受干 扰；最后，优化后置编码与线性预编码，最大化D2D-P的能量效率。考虑到了D2D-P 加入蜂窝网络所带来的干扰及蜂窝用户之间的干扰，但D2D-P通信指标如吞吐量， 误比特率等性能指标没有考虑。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种干扰低、 D2D-P和速率高的提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法，其特征在于，包括以 下步骤：

S1，建立蜂窝网络，所述的蜂窝网络包括蜂窝基站、K个蜂窝用户CU_k以及 M对设备用户对D2D-P_m，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，所述的D2D-P_m包括发射机和 接收机，所述的蜂窝用户、发射机和接收机均分别设有N个发射天线数和N个接 收天线数，发射机向接收机发送的信号向量Z_m为d行、1列，D2D-P_m到CU_k的信 道矩阵H_k,m为N行、N列；

S2，根据H_k,m，利用干扰对齐法，求得各D2D-P_m的N行、d列预编码矩阵 F_m的解集；

S3，计算各D2D-P_m对CU_k的干扰矩阵H_k,mF_m，设计正交于H_k,mF_m的N行、d 列的蜂窝用户后置编码矩阵W_k，k＝1,2,…,K；

S4，利用基于最小化均方误差的干扰对齐法，求得所有D2D-P_m的发射机预编 码矩阵F_m和接收机后置编码矩阵G_m，并进行蜂窝网络通信，以获取各蜂窝用户 CU_k的信干噪比(SINR)；

S5，设置D2D-P_m的SINR阈值ω_th，若D2D-P_m的SINR小于ω_th，则将该D2D-P_m接入蜂窝网络并设置β_m值为1，否则设置β_m值为0；

S6，根据发射机预编码矩阵F_m和β_m，利用改进的注水功率分配法对所有 D2D-P_m分配发送功率P_m；

S7，根据步骤S2～S6的矩阵计算结果及功率分配结果，进行蜂窝网络通信。

所述的步骤S2具体为：将所有的D2D-P_m对CU_k的干扰矩阵H_k,mF_m对齐到该 CU_k接收端的同一信号子空间上，具体如下式：

span(H_k,1F₁)＝...＝span(H_k,mF_m)＝...＝span(H_k,MF_M)

其中，k＝1,2,…,K，span(A)表示矩阵A列向量张成的子空间。

所述的步骤S4具体包括以下步骤：

S41，计算接收机接收到的经发射机预编码矩阵F_m处理的信号电平S_m，以及S_m经接收机后置编码矩阵G_m处理后得到的信号电平

S42，定义所有D2D-P_m的信号电平均方误差和ε_MSE如下：

${ϵ}_{MSE}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}E\left\{\right||\overline{S_m}-S_m|{|}^2\}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}E\left\{\right||{G_m}^H{S}_m-S_m|{|}^2\}$

利用拉格朗日乘数法求解如下所示优化问题：

$\left(\begin{array}{cc}\underset{G_m,F_m}{\min }& {ϵ}_{MSE}\\ s.t.& \left|\right|F_m|{|}_F^2=P_m\end{array}\right)$

其中，E{·}表示数学期望，||X||²表示矩阵X的范数平方，表示矩阵X 的F范数，P_m为D2D-P_m发送功率，P为所有的D2D-P总发送功率。

所述的步骤S41中，经发射机预编码矩阵F_m处理过的信号电平S_m具体计算如 下式：

$S_m=\sqrt{P_m}{H}_{m,m}{F}_m{Z}_m+\underset{j=1,j\ne m}{\overset{M}{\Sigma }}\sqrt{P_j}{H}_{m,j}{F}_j{Z}_j+n_m$

其中，P_m是D2D-P_m发射机的发送功率，H_m,m为D2D-P_m发射机到接收机的N 行、N列信道矩阵，H_m,j为D2D-P_j发射机到D2D-P_m接收机的N行、N列信道矩 阵，n_m为D2D-P_m接收机接收到的环境噪声。

所述的步骤S42具体包括以下步骤：

S420，引入拉格朗日乘数λ_m，得到拉格朗日函数：

$L(F_m,G_m,{\lambda }_m)={ϵ}_{MSE}+{\lambda }_m\left(\right|\left|F_m\right|{|}_F^2-P_m)$

其中，ε_MSE见S42的定义。

S421，分别对拉格朗日函数中G_m、F_m求偏导数，并令偏导数为零，得到等式 (1)(2)：

$F_m={(\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{H}_{j,m}{G}_j{G}_j^H{H}_{j,m}^H+{\lambda }_{m}I)}^{-1}{H}_{m,m}^H{G_m}^H---\left(1\right)$

$G_m={F_m}^H{H_{m,m}}^H{(\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{H}_{m,j}{F}_j{F}_j^H{\left(H_{m,j}\right)}^H+{\sigma }^{2}I)}^{-1}---\left(2\right)$

其中，m＝1,2,…,M，σ²为环境噪声n_m的方差，且E{n_mn_m^H}＝σ²I，I为N阶单 位矩阵；

S422，初始化预编码矩阵F_m为随机矩阵，得到N行、d列的随机矩阵；

S423，通过式(2)计算得到后置编码矩阵G_m；

S424，将式(1)代入功率限制条件求得λ_m(λ_m≥0)，把λ_m代入 式(1)，更新F_m；

S425，计算均方误差和ε_MSE；

S426，重复步骤S423～S425，直至ε_MSE收敛，得到G_m和F_m。

所述的S5中，D2D-P_m通信SINR阈值ω_th为：参与通信的蜂窝用户测量本地 接收信号的信干噪比SINR，并通过反馈信道发给蜂窝基站，由蜂窝基站将其中最 小的SINR设为D2D-P通信SINR阈值ω_th。本地接收信号包括了所有D2D-P对蜂 窝用户的干扰，还有基站发送给所有蜂窝用户的信号；某个蜂窝用户会收到基站发 送给所有蜂窝用户的信号，其中包含期望信号和非期望信号，非期望信号视为干扰。

所述的S6中，所述改进的注水功率分配法求解D2D-P_m发送功率P_m的计算方 法为：

P_m＝β_m(μ/γ_m-1)⁺

其中，μ为注水的水平，满足γ_m为D2D-P_m的信道增益， P为所有的D2D-P总发送功率，函数(x)⁺＝max(x,0)表示取实 数x和0中的较大值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)将D2D-P对蜂窝用户的干扰对齐到蜂窝用户处，采用后置编码技术消除 D2D-P对蜂窝用户的干扰，保证了蜂窝用户的通信优先级。

(2)采用基于最小化均方误差干扰对齐技术，处理D2D-P之间的干扰，计算 出最小化D2D-P均方误差的编码矩阵，控制了D2D-P之间的相互干扰。

(3)通过硬判决函数判断D2D-P是否接入蜂窝网络，利用改进的注水功率分 配法，对加入网络的D2D-P_m分配发送功率P_m，提高了D2D-P和速率。

附图说明

图1为本发明蜂窝网络下蜂窝用户与设备用户共存干扰示意图；

图2为本发明整体流程图；

图3为本发明方法详细流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

实施例

图1为蜂窝网络中设备对设备用户对与蜂窝用户共存的示意图，该网络包含一 个蜂窝基站，基站为LTE-A(LongTermEvolution-Advanced，长期演进升级版)标准 的演进型基站(evolvedNodeBs)，且全面覆盖蜂窝用户和设备对设备用户对。在 其覆盖范围内，随机分布着K个蜂窝用户和M对D2D-P，其中，D2D-P分为发射 机和接收机。设定蜂窝用户、D2D-P发射天线数、接收天线数均为2，蜂窝基站覆 盖范围内有2个蜂窝用户及2对D2D-P，D2D-P与蜂窝用户都能获得完整的信道 状态信息。

图2为一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法流程图，包括以 下步骤：

S1，建立蜂窝网络，所述的蜂窝网络包括蜂窝基站、K个蜂窝用户CU_k以及 M对设备用户对D2D-P_m，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，所述的D2D-P_m包括发射机和 接收机，蜂窝用户、发射机和接收机的发射天线数均为N、接收天线数均为N，发 射机向接收机发送的信号向量为d行、1列的Z_m，D2D-P_m到CU_k的信道矩阵为N 行、N列的H_k,m；

S2，根据H_k,m，利用干扰对齐法，求得各D2D-P_m的N行、d列预编码矩阵 F_m的解集；

S3，计算D2D-P_m对CU_k的干扰矩阵H_k,mF_m，设计正交于H_k,mF_m的N行、d 列的蜂窝用户后置编码矩阵W_k；

S4，利用基于最小化均方误差的干扰对齐法，求得所有D2D-P_m的发射机预编 码矩阵F_m和接收机后置编码矩阵G_m，启动蜂窝网络进行通信；

S5，设置D2D-P_m的SINR阈值ω_th，若D2D-P_m的SINR小于ω_th，则将该D2D-P_m接入蜂窝网络；设置β_m表示D2D-P_m是否接入蜂窝网络，接入则β_m值为1，否则 β_m值为0；

S6，根据发射机预编码矩阵F_m和β_m，利用改进的注水功率分配法对所有 D2D-P_m分配发送功率P_m；

S7，根据步骤S2～S6的矩阵计算结果及功率分配结果，进行蜂窝网络通信。

所述的步骤S2具体为：将所有的D2D-P_m对CU_k的干扰矩阵H_k,mF_m对齐到该 CU_k接收端的同一信号子空间上，具体如下式：

span(H_k,1F₁)＝...＝span(H_k,mF_m)＝...＝span(H_k,MF_M)

其中，k＝1,2,…,K，span(A)表示矩阵A列向量张成的子空间。

所述的步骤S4具体包括以下步骤：

S41，计算接收机接收到的经发射机预编码矩阵F_m处理的信号电平S_m以及经 接收机后置编码矩阵G_m处理的信号电平

S42，定义所有D2D-P_m的信号电平均方误差和ε_MSE如下：

${ϵ}_{MSE}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}E\left\{\right||\overline{S_m}-S_m|{|}^2\}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}E\left\{\right||{G_m}^H{S}_m-S_m|{|}^2\}$

利用拉格朗日乘数法求解如下所示优化问题：

$\left(\begin{array}{cc}\underset{G_m,F_m}{\min }& {ϵ}_{MSE}\\ s.t.& \left|\right|F_m|{|}_F^2=P_m\end{array}\right)$

其中，E表示期望，表示矩阵X的F范数，P_m为D2D-P_m发送功率， P为所有的D2D-P总发送功率。

所述的步骤S41中，经发射机预编码矩阵F_m处理过的信号电平S_m具体计算如 下式：

$S_m=\sqrt{P_m}{H}_{m,m}{F}_m{Z}_m+\underset{j=1,j\ne m}{\overset{M}{\Sigma }}\sqrt{P_j}{H}_{m,j}{F}_j{Z}_j+n_m$

其中，P_m是D2D-P_m发射机的发送功率，H_m,m为D2D-P_m发射机到接收机的N 行、N列信道矩阵，H_m,j为D2D-P_j发射机到D2D-P_m接收机的N行、N列信道矩 阵，n_m为D2D-P_m接收机接收到的环境噪声。

所述的步骤S42具体包括以下步骤：

S420，引入拉格朗日乘数λ_m，得到拉格朗日函数：

$L(F_m,G_m,{\lambda }_m)={ϵ}_{MSE}+{\lambda }_m\left(\right|\left|F_m\right|{|}_F^2-P_m)$

其中，ε_MSE见S42的定义。

S421，分别对拉格朗日函数中G_m、F_m求偏导数，并令偏导数为零，得到等式 (1)(2)：

$F_m={(\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{H}_{j,m}{G}_j{G}_j^H{H}_{j,m}^H+{\lambda }_{m}I)}^{-1}{H}_{m,m}^H{G_m}^H---\left(1\right)$

$G_m={F_m}^H{H_{m,m}}^H{(\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{H}_{m,j}{F}_j{F}_j^H{\left(H_{m,j}\right)}^H+{\sigma }^{2}I)}^{-1}---\left(2\right)$

其中，m＝1,2,…,M，σ²为环境噪声n_m的方差，且E{n_mn_m^H}＝σ²I，I为N阶单 位矩阵；

S422，初始化预编码矩阵F_m为随机矩阵，得到N行、d列的随机矩阵；

S423，通过式(2)计算得到后置编码矩阵G_m；

S424，将式(1)代入功率限制条件求得λ_m，λ_m≥0，把λ_m代入式 (1)，更新F_m；

S425，计算均方误差和ε_MSE；

S426，重复步骤S423～S425，直至ε_MSE收敛，得到G_m和F_m。

所述的S5中，D2D-P_m通信SINR阈值ω_th为：参与通信的蜂窝用户测量本地 接收信号的信干噪比SINR，并通过反馈信道发给蜂窝基站，由蜂窝基站将其中最 小的SINR设为D2D-P通信阈值ω_th，本地接收信号包括了所有D2D-P对蜂窝用户 的干扰，还有基站发送给所有蜂窝用户的信号；某个蜂窝用户会收到基站发送给所 有蜂窝用户的信号，其中包含期望信号和非期望信号，非期望信号视为干扰。

所述的S6中，P_m计算式为：

P_m＝β_m(μ/γ_m-1)⁺

其中，μ为注水的水平，满足γ_m为D2D-P_m的信道增益， P为所有的D2D-P总发送功率，函数(x)⁺＝max(x,0)表示取实 数x和0中的较大值。

将该通信方法应用到图1所示的蜂窝网络，步骤如下：

(1)设定通信场景中有一个蜂窝基站(BS₀)，2个蜂窝用户(CU₁、CU₂)及2 对D2D-P；

蜂窝用户、D2D-P均采用多天线，蜂窝用户、D2D-P的发射、接收天线数均 设为2；

D2D-P_m中发射机发送到接收机的信号向量为2行、1列的矩阵Z_m，m＝1或2；

(2)记D2D-P_m到CU_k(k＝1或2)的信道矩阵为2行、2列的H_k,m，D2D-P_m上 的预编码矩阵为2行、2列的F_m。将D2D-P_m(m＝1,2)对CU_k的干扰H_k,mF_m对齐到 CU_k接收端的同一信号子空间上，如下所示：

span(H_1,1F₁)＝span(H_1,2F₂)

span(H_2,1F₁)＝span(H_2,2F₂)

其中，span(A)表示矩阵A列向量扩充的子空间；由上述的二个约束条件即可 求得F_m的解集；

(3)记CU_k(k＝1或2)接收信号的后置编码矩阵为2行、2列的W_k。设计后置 编码矩阵W_k正交于D2D-P_m对CU_k的干扰信道矩阵H_k,mF_m(m＝1或2)，如下所示：

W_k＝Null(H_k,mF_m),m＝1,2

其中，B＝Null(A)，表示矩阵B正交于矩阵A；

(4)记D2D-P_m接收端的后置编码矩阵为2行、2列的G_m。采用基于最小化 均方误差干扰对齐算法，得到最小化D2D-P_m(m＝1或2)均方误差的后置编码矩 阵G₁，G₂和预编码矩阵F₁，F₂，步骤如下所示：

a、分别对拉格朗日函数中G_m、F_m(m＝1或2)求偏导数，并令它们的偏导数 为零，得到等式(1)(2)：

$F_m={(\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{H}_{j,m}{G}_j{G}_j^H{H}_{j,m}^H+{\lambda }_{m}I)}^{-1}{H}_{m,m}^H{G_m}^H---\left(1\right)$

$G_m={F_m}^H{H_{m,m}}^H{(\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{H}_{m,j}{F}_j{F}_j^H{\left(H_{m,j}\right)}^H+{\sigma }^{2}I)}^{-1}---\left(2\right)$

其中，m＝1或2，σ²为环境噪声n_m的方差；

b、初始化预编码矩阵F_m为2行、2列的随机矩阵；

c、通过公式(2)计算得到后置编码矩阵G_m；

d、将(1)式代入功率限制条件求得λ_m(λ_m≥0)，把λ_m代入公式(1)， 更新F_m；

e、计算均方误差ε_MSE；

f、重复步骤c，d、e，直至ε_MSE收敛，得到G_m，F_m即为所求解；

(5)根据预编码矩阵F_m(m＝1或2)，计算出D2D-Pm的信道增益γ_m，如下 所示：

${\gamma }_m=\frac{1}{\left|\right|F_m|{|}^2},m=1,2$

(6)参与通信的蜂窝用户测量本地接收信号的信干噪比(SINR)，并通过反 馈信道发给BS₀，由BS₀将其中最小的SINR设为D2D-P通信阈值ω_th。然后采用 硬判决判断D2D-P_m是否接入蜂窝网络，用符号β_m表示，如下所示：

${\beta }_m=\left(\begin{array}{c}1,{\mathrm{SINR}}_{D2Dm}<{\omega }_{th}\\ 0,{\mathrm{SINR}}_{D2Dm}\ge {\omega }_{th}\end{array}\right),m=1,2$

其中，SINR_D2Dm表示D2D-P_m的SINR值；β_m值置0，表示D2D-P_m不能接入 蜂窝网络；β_m值置1，表示D2D-P_m能接入蜂窝网络；

(7)根据γ_m和β_m，按照改进的注水功率分配算法分配D2D-P_m的发送功率 P_m，如下所示：

P_m＝β_m(μ/γ_m-1)⁺,m＝1,2

其中，μ为注水的水平，满足函数(x)⁺＝max(x,0)表示取实 数x和0的最大值运算。