一种蜂窝网络中支持全双工D2D通信的资源分配方法

摘要

本发明请求保护一种蜂窝网络中基于全双工D2D通信的资源分配方法。蜂窝网络中引入全双工(Full Duplex，FD)D2D(Device?to?Device)通信可以降低基站的负担，减小终端能耗，扩大小区覆盖范围。但是，D2D用户与蜂窝用户共享资源给系统带来了一定的同频干扰，通过合理资源分配可以降低相互之间的干扰。文中提出一种最大权重匹配的资源分配算法。该算法能保证蜂窝用户的服务质量需求的前提下，也保证D2D链路通信的最低要求，将系统中蜂窝用户与D2D用户的资源分配关系等效为图论中的顶点配对关系，利用图论中的最大权重匹配算法给D2D用户对和蜂窝用户之间合理分配无线资源，有效的减小蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，获得比较好的公平性，同时最大化了系统的吞吐量。

说明书

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及蜂窝网络中支持全双工短距离直通通信技术的资源分配。

背景技术

随着第四代移动通信技术的迅速发展，越来越多的通信终端接入需求使得频谱资源日益紧缺。为了解决日益匮乏的无线频谱资源，同时对无线频谱资源更为合理的利用迫切需要一种全新资源利用的方式，可以更灵活、更高效的利用珍贵的无线频谱资源的全双工D2D(Device-to-Device)通信技术应运而生。D2D通信使混合网络的资源分配不同于传统蜂窝网络，此时，D2D用户分享蜂窝小区的资源。而半双工模式下D2D虽能提高频谱效率，并未完全充分利用频谱资源。因此在蜂窝网络中引入全双工(Full Duplex，FD)D2D通信可以提高更多的频谱利用率，降低基站的负担，减小终端能耗，扩大小区覆盖范围。但是，D2D用户与蜂窝用户共享资源给系统带来了一定的同频干扰，蜂窝用户的服务质量下降，导致系统吞吐量下降因此需要合理资源分配来降低相互之间的干扰。鉴于此，很多关于D2D通信技术的资源分配研究和算法被提出。

全双工D2D资源分配的算法主要有：(1)Sanghoon Kim和Stark W等人提出一种在全双工模式下D2D通信协议。(参考文献：Sanghoon Kim,Stark W.Full duplex device-to-device communication in cellular networks[C].IEEE Computing,Networking andCommunications(ICNC),2014International Conference on Honolulu,HI.2014:721-725.)通过该协议分配频谱资源，与半双工通信相比，提高了带宽效率和系统吞吐量，但是此资源分配方式属于专用模式，并未充分利用频谱资源。(2)Yang Han和Zhang Rong qing等人提出一种图论中图着色的全双工D2D通信的资源分配方案。(参考文献：Han Yang,Rongqing Zhang,Xiang Cheng,Liuqing Yang,Resource sharing for device-to-devicecommunications underlaying full-duplex cellular networks[C].IEEECommunication Systems(ICCS),2014:16-20.)该算法以系统的吞吐量最大化为目标，以图论中图着色理论来分配资源，虽然系统的吞吐量获得提高，但是该文献未考虑自干扰所带来的影响。(3)Ali,S等人提出了一种基于全双工模式下复用上行资源，以干扰受限区域分配频谱资源。(参考文献：Ali,S.Rajatheva,N.Latva-aho,M.Full duplex device-to-device communication in cellular networks[C].IEEE Networks and Communications(EuCNC),2014European Conference on Bologna.2014:1-5.)该方案与半双工相比有效的提高系统吞吐量，提高了频谱利用率，但是该系统只考虑场景局限于一对D2D用户与一个蜂窝用户存在的情况，并未考虑多对D2D用户与多个蜂窝用户共享资源的情况，与实际环境相差甚远。

发明内容

针对以上现有技术的不足，提出了一种合理分配无线资源，有效的减小蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，获得比较好的公平性，同时最大化了系统的吞吐量的蜂窝网络中支持全双工D2D通信的资源分配方法。本发明的技术方案如下：一种蜂窝网络中支持全双工D2D通信的资源分配方法,其包括步骤：

101、在蜂窝网络中，首先进行D2D用户之间建立连接的步骤：

102、步骤101的D2D用户之间建立连接后，将蜂窝用户与D2D用户之间的资源分配关系等效看作一个节点加权的无向二部图G＝(V₁,V₂,W)，顶点集V₁＝(x₁,x₂,…,x_m)表示D2D用户对的集合，顶点集合V₂＝(y₁,y₂,…,y_n)表示蜂窝用户的集合，w(x_i,y_j)∈W表示边的权重即蜂窝用户y_j与D2D用户对x_i共享信道资源时的吞吐量之和；采用图论中的最大权重匹配算法协调蜂窝用户和D2D用户之间的资源分配。

进一步的，步骤101中D2D用户之间建立连接的步骤具体为：

1)D2D设备在开始发起通信之前需要进行设备发现过程；

2)主叫DUE1执行基于基站授权的D2D通信连接，进行主叫发起过程，并获得网络对D2D通信连接建立的授权以及安全密钥；

3)在获得基站授权后，主叫DUE1和被叫DUE2使用D2D无线信令许可D2D通信链路的建立；

4)主叫DUE1发送一条D2D通信连接建立请求消息；

5)完成包含有交换安全密钥的D2D安全机制过程；

6)被叫DUE2向主叫DUE1发送D2D通信连接建立接受消息；

7)主叫DUE1向被叫DUE2回送D2D通信连接完成消息；

8)等待基站为其分配无线资源，建立D2D无线承载准备开始D2D通信。

进一步的，步骤102的采用图论中的最大权重匹配算法协调蜂窝用户和D2D用户之间的资源分配的步骤具体为：

步骤1)在基站端首先通过公共控制信道获得关于蜂窝用户和D2D发送端和D2D接收端的位置信息；

步骤2)D2D发送端和蜂窝用户通过公共控制信道将各自的QoS需求和收到的干扰上报给基站，在基站端通过结合QoS需求和收到的干扰来选出可被D2D用户对复用的蜂窝信道资源；

步骤3)将D2D用户对和蜂窝用户各自等效为图中的点集V₁和V₂，基站根据可被复用的蜂窝资源构建一个虚拟无加权二部图G＝(V₁,V₂,W)，并初始化；

步骤4)计算蜂窝用户和D2D信噪比之和w(x_i,y_j)，若不能保证蜂窝用户的最低服务质量需求且D2D用户正常通信，则边不存在，且w(x_i,y_j)＝0，否则w(x_i,y_j)≠0，且在第j个蜂窝用户与第i对D2D用户之间连一条线表示蜂窝用户信道资源可被该对D2D用户复用，并在边上标记权重值w(x_i,y_j)依次得到加权图G；

步骤5)从图G中任意选择一个可行顶标l开始，确定G的等子图G_l，在等子图中选取一个初始资源分配M，如果M饱和于D2D用户集V₁，则M是最优资源分配，那么算法结束，否则转入步骤6)；

步骤6)基于权重匹配矩阵M的基础上，在等子图G_l中执行经典的匈牙利算法找到最大资源分配M′，算法最终终止于其中S表示为D2D用户对集的子集，T表示蜂窝用户的子集，表示在G_l中S邻接的节点集合。如果资源分配M′饱和于D2D用户集V₁，则算法结束，否则利用公式α_l＝min{l(x)+l(y)-w(x,y)|x∈S,y∈V₂-T}计算出α_l，l(x)、l(y)分别表示图G_l的可行顶标，其中l(y_j)∈{0},然后利用如下公式更新新的可行顶标l′替换原顶标l，G_l′替换G_l转入步骤4)继续执行，直到找到最大匹配；

$>l^{\prime }\left(u\right)=\left(\begin{array}{cc}l\left(u\right)-{\alpha }_l,& u\in S\\ l\left(u\right)+{\alpha }_l,& u\in T\\ l\left(u\right),& others\end{array}\right)$>

步骤7)根据上述步骤求得总权最大的一个匹配，并生成一个资源分配矩阵U_N×M＝[b_i,j]，b_i,j＝1表示基站允许D2D对D_i共享蜂窝用户C_j信道资源，b_i,j＝0表示基站不允许D2D对D_i共享蜂窝用户C_j的信道资源。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明针对蜂窝网络中引入全双工D2D通信给用户之间带来同频干扰问题。将蜂窝用户和D2D用户之间的关系等效为一个加权二分图，采用最大权重匹配算法协调蜂窝用户和D2D用户之间的资源分配。通过上述的资源分配方法，即保证蜂窝用户的服务质量需求，也保证D2D链路通信的最低要求，有效的减小了同频干扰，获得比较的公平性，同时最大化了系统的吞吐量。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例D2D复用蜂窝上行资源的系统模型；

图2 D2D连接建立过程示意图；

图3 D2D资源分配的图论模型；

图4全双工D2D资源分配的算法。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示为D2D复用蜂窝上行资源的系统模型，假设在单小区内，基站位于小区中心位置，小区存在N个蜂窝用户和M对D2D用户，定义蜂窝用户组成的集合为C＝{CUE₁,CUE₂,...,CUE_N}，D2D用户对的集合为D＝{D2D₁,D2D₂,...,D2D_M}。蜂窝用户通过基站(BS)转发进行通信，D2D用户对在复用蜂窝用户的上行资源时以全双工的通信方式直接通信。

在上述全双工通信模式中，一对D2D用户中的两个D2D用户均对基站接收来自蜂窝用户的信号形成干扰,同时蜂窝用户的发送信号也会对D2D用户造成干扰。由于D2D用户对以全双工方式通信，所以会给自身带来自干扰。在本文中，如果考虑多个D2D用户对与蜂窝用户共享同一个信道，将给基站带来了更多估计信道增益的时间开销，同时，不同的D2D用户对在同一时间发送各自的导频信号会导致冲突碰撞，使基站难以估算蜂窝用户与D2D对之间信道增益，因此本文假设一个蜂窝用户至多与一对D2D共享信道，一对D2D用户也至多与一个蜂窝用户共享信道。

假设整个信道资源被预先分了给N个蜂窝用户，则在基站处接收到未共享信道的蜂窝用户的信噪比为

$>{\gamma }_j=\frac{p_{c_j}{g}_{c_j,BS}}{N_0},1\le j\le N---\left(1\right)$>

定义为第j个(j＝1,...,N)蜂窝用户的发射功率，为蜂窝用户到基站的链路增益，N₀为噪声功率。

基站处接收到的复用信道的蜂窝用户的信干比SINR为

$>{\gamma }_{FD,c_j}=\frac{p_{c_j}{g}_{c_j,BS}}{N_0+\underset{l=1}{\overset{2}{\Sigma }}{I}_{D2D_i,l}}$>其中，$>I_{D2D_i,l}=p_{D_{i,l}}{g}_{D_{i,l,BS}},1\le j\le N,1\le i\le M---\left(2\right)$>

为第i对D2D用户中第l(l∈{1,2})个D2D用户的发射功率，为第i对D2D用户中第l个D2D用户到基站之间的链路增益。

同理，第i对D2D用户第l个D2D用户的信干比为

$>{\gamma }_{FD,D2D_i,l}=\frac{p_{D_i,z}{g}_i}{N_0+{\mathrm{SI}}_{i,l}+I_{c_j,l}},I_{c_j,D_{i,l}}=p_{c_j}{g}_{c_j,D_{i,l}}$>其中，z∈{1,2},z≠l,1≤i≤M>

式中为第i对D2D用户中第z个D2D用户的发射功率，g_i为第i对D2D用户之间的链路增益。第i对D2D用户中第l个D2D用户的自干扰为η为自干扰消除增益因子，若η为0，则表示无自干扰；若η为1，自干扰非常严重，干扰消除技术失效。

各链路有效性对D2D用户发送功率的需求：

为了保证蜂窝用户和D2D用户的正常通信，链路的信干噪比要求不小于门限值。具体如下：

1)为了保证基站能正常接收到蜂窝用户的信号，基站端接收到的蜂窝用户的信干噪比不小于一个门限值，假设该门限值为γ_c,thes，则

$>\frac{p_{C_j}{g}_{C_j,BS}}{N_0+\underset{l=1}{\overset{2}{\Sigma }}{I}_{D2D_i,l}}={\gamma }_{FD,c_j}\ge {\gamma }_{c,thes}---\left(4\right)$>

设通过上式求得第i对D2D用户中第l个D2D用户的最大发射功率为P_u，那么$>p_{D_i,z}\le P_u$>

2)为了保证D2D用户的有效通信，D2D用户接收端的信干噪比不小于门限值γ_D2D,thes即

$>\frac{p_{D_i,z}{G}_i}{N_0+{\mathrm{SI}}_{i,l}+I_{c_j,l}}\ge {\gamma }_{D2D,thes}---\left(5\right)$>

设通过上式求得第i对D2D用户中第l个D2D用户的最小发射功率为P_l：$>P_l\le p_{D_i,z}.$>

由以上两式得到D2D用户对发送端的发送功率的取值范围为

$>p_{D_i,z}\in \left(\begin{array}{cc}\{P_l,max(P_u,P_{\max })\},& P_l\le P_u\\ \{P_u,max(P_l,P_{\max })\},& P_u<P_l\end{array}\right)---\left(6\right)$>

P_max为所允许D2D用户发送端的最大发送功率。

根据上式在保证基站能正常接收到蜂窝用户的信号和D2D用户能正常通信的同时，为了实现简单，本文考虑一个蜂窝用户使用的信道资源最多只能给一对D2D用户复用，以及一个D2D对只能复用一个蜂窝用户的信道资源的应用场景。针对该应用场景，定义一个N×M的资源分配矩阵U_N×M＝[b_i,j]如下：

$>U_{N\times M}=\left(\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{12}& ......& b_{1M}\\ b_{21}& b_{22}& ......& b_{2M}\\ ...& ...& ......& ...\\ b_{N1}& b_{N2}& ......& b_{NM}\end{array}\right)---\left(7\right)$>

其中b_i,j∈{0,1}。如果第i对D2D用户复用第j个蜂窝用户的上行链路资源，则b_i,j＝1；否则，b_i,j＝0。由上可以看出至少有(max{M,N})！种不同的资源分配方案，而不同的分配方案导致不同的系统吞吐量。

进一步，建立全双工D2D通信场景下最大化系统吞吐量的优化模型如下：

$>\begin{array}{cc}\max & \{\left(\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{b}_{i,j}{R}_{i,j}\right)+\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{R}_{c_j}(1-\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{b}_{i,j})\}\\ s.t.& \underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{b}_{i,j}\le 1,1\le i\le N\\ & \underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{b}_{i,j}\le 1,1\le i\le N\\ & b_{i,j}\in \{0,1\}.\end{array}---\left(8\right)$>

其中R_i,j为第i对D2D用户复用第j个蜂窝用户的信道资源时的吞吐量之和，即

$>R_{i,j}={\log }_2(1+{\gamma }_{\mathrm{FD},c_j})+\underset{l=1}{\overset{2}{\Sigma }}{\log }_2(1+{\gamma }_{D2D_i,l}).R_{c_j}={\log }_2(1+{\gamma }_{c_j})---\left(9\right)$>

其中，1≤j≤N,1≤i≤M,l∈{1,2},l≠z。

图2所示为D2D连接建立过程示意图。具体步骤如下：

D2D用户建立过程：

1)D2D设备在开始发起通信之前需要进行设备发现过程。

2)主叫DUE1执行基于基站授权的D2D通信连接建立主叫发起过程，并以获得网络对D2D通信连接建立的授权以及安全密钥。

3)在获得基站授权的前提下，主叫DUE1和被叫DUE2使用D2D无线信令许可D2D通信链路的建立。

4)主叫DUE1发送一条D2D通信连接建立请求消息。

5)完成交换安全密钥等D2D安全机制过程。

6)被叫DUE2向主叫DUE1发送D2D通信连接建立接受消息。

7)主叫DUE1向被叫DUE2回送D2D通信连接完成消息。

8)等待基站为其分配合理的无线资源，建立D2D无线承载准备开始D2D通信。

图3所示为D2D资源分配的图论模型。

将研究的系统看作一个节点加权的无向二部图G＝(V₁,V₂,W)来表示蜂窝用户和D2D对之间的关系。二部图是一个简单的无向图，其顶点集可以被分成两个互不相交的子集，并且图中每条边所关联的顶点分别属于两个不同的子集。若边子集的任意两条边在图中均不相邻则称为一个匹配，边数最多的一个匹配为最大匹配。图中与匹配中的边关联的点为饱和点，若图中得点是最大匹配中的饱和点，则称该匹配是完美匹配。

如图2所示，图中有m对D2D用户和n个蜂窝用户。顶点集V₁＝(x₁,x₂,…,x_m)表示D2D用户对的集合，顶点集合V₂＝(y₁,y₂,…,y_n)表示蜂窝用户的集合，在图中每个顶点y_j∈V₂代表一个蜂窝用户，每个顶点x_i∈V₁代表一对D2D用户，边表示D2D用户对x_i与蜂窝用户y_j共享信道资源，边权w(x_i,y_j)∈W表示蜂窝用户y_j与D2D用户对x_i共享信道资源时的吞吐量之和，即：w(x_i,y_j)＝R_i,j。若D2D用户对x_i与蜂窝用户y_j共享信道资源时，基站不能正常接收到蜂窝用户的信号且D2D用户无法正常通信即不满足上式(5)或者(6)，则边不存在，w(x_i,y_j)＝0。那么定义一个N×M的边权矩阵W＝[w_i,j]如下：

$>W=\left(\begin{array}{ccccc}{w}_{11}& w_{12}& ...& ...& w_{1M}\\ w_{21}& w_{22}& ...& ...& w_{2M}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ w_{N1}& w_{N2}& ...& ...& w_{NM}\end{array}\right)---\left(10\right)$>

图4所示为全双工D2D资源分配的算法。

为了帮助更好的理解，如下给出了算法中用到的几个定义。

定义1设M是图G的匹配，P是G的一条路径，且M的边和E(G)-M的边在P中交替出现则称P是G的一条交错路。若M交错路P的两个端点都是非M饱和点则称P为M可增广路。

定义2已知G是具有二部划分图(V₁,V₂)的加权二部图，满足对G的每一条边，均有l(x)+l(y)≥w(x,y)，其中w(x,y)表示边(x,y)的权，则称l为G的可行顶标，令E_l＝{(x,y)|(x,y)∈E(G),l(x)+l(y)＝w(x,y)}且令G_l为以E_l为边集的G的生成子图，则称G_l为l等子图。

算法步骤如下：

1)在基站端首先通过公共控制信道获得关于蜂窝用户和D2D发送端和接收端的位置信息；

2)D2D发送端和蜂窝用户通过公共控制信道将各自的QoS需求和收到的干扰上报给基站，在基站端通过结合QoS需求和收到的干扰来选出可被D2D用户对复用的蜂窝信道资源；

3)将D2D用户对和蜂窝用户各自等效为图中的点集V₁和V₂，基站根据可被复用的蜂窝资源构建一个虚拟无加权二部图G＝(V₁,V₂,W)，并初始化图中各个参数；

4)结合(4)和(5)式计算蜂窝用户和D2D信噪比之和w(x_i,y_j)，若不能保证蜂窝用户的最低服务质量需求且D2D用户正常通信，则边不存在，且w(x_i,y_j)＝0，否则w(x_i,y_j)≠0，且在第j个蜂窝用户与第i对D2D用户之间连一条线表示蜂窝用户信道资源可被该对D2D用户复用，并在边上标记权重值w(x_i,y_j)依次得到加权图G。

5)从图G中任意选择一个可行顶标l开始，确定G的等子图G_l，在等子图中选取一个初始资源分配M，如果M饱和于D2D用户集V₁，则M是最优资源分配，那么算法结束，否则转入6。

6)基于权重匹配矩阵M的基础上，在等子图G_l中执行经典的匈牙利算法找到最大资源分配M′，算法最终终止于如果资源分配M′饱和于D2D用户集V₁，则算法结束，否则利用公式α_l＝min{l(x)+l(y)-w(x,y)|x∈S,y∈V₂-T}计算出α_l，然后利用如下公式更新新的可行顶标l′替换原顶标l，G_l′替换G_l转入4)继续执行，直到找到完美匹配。

$>l^{\prime }\left(u\right)=\left(\begin{array}{cc}l\left(u\right)-{\alpha }_l,& u\in S\\ l\left(u\right)+{\alpha }_l,& u\in T\\ l\left(u\right),& others\end{array}\right)$>

7)根据上述步骤求得总权最大的一个完美匹配，并生成一个资源分配矩阵U_N×M＝[b_i,j]，b_i,j＝1表示基站允许D2D对D_i共享蜂窝用户C_j信道资源，b_i,j＝0表示基站不允许D2D对D_i共享蜂窝用户C_j的信道资源。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。