一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法
【專利摘要】一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法，在單個小區(qū)中LTE-Advanced蜂窩網(wǎng)絡與D2D系統(tǒng)構成混合網(wǎng)絡，蜂窩網(wǎng)絡的雙工方式為時分雙工，D2D以復用的模式利用小區(qū)內蜂窩通信的上行資源，包括與基站的交互、資源記錄表的更新、資源的申請與分配、中繼節(jié)點的選取過程；首先根據(jù)輪詢準則，保證通信質量為前提，將系統(tǒng)資源分配給活躍蜂窩用戶，然后根據(jù)最大化資源利用率準則，利用遺傳算法來為小區(qū)中的D2D用戶選擇最合適的資源進行復用，目標是最小化資源分配失敗的概率，在保證蜂窩用戶正常通信的基礎上，使更多的D2D用戶可以進行通信。
【專利說明】一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于終端直通(D2D)中繼通信的資源分配方法，利用LTE-Advanced蜂窩網(wǎng)絡、D2D通信和中繼技術，通過基站進行集中式的資源調度，適用于未來的混合系統(tǒng)(Hybrid System)。
【背景技術】
[0002]近年來，第三代合作伙伴計劃(3GPP)長期演進(LTE)技術因其展示出的高數(shù)據(jù)速率、高系統(tǒng)容量等優(yōu)勢，得到了全球范圍內的矚目，大量的研究力量已經或正在為它的發(fā)展做貢獻?？梢灶A見，LTE技術將是實現(xiàn)MT-Advanced技術提案的堅實基礎，并且LTE技術研究現(xiàn)已步入了 LTE-Advanced階段。
[0003]對于蜂窩機制來說，主要優(yōu)點在于便捷的資源分配和功率控制，同時明顯的缺點在于對無線頻譜資源的未充分利用，而無線頻譜緊張的問題又日益嚴峻。針對這一情況，一種新的無線接口技術，終端直通(Device-to-Device, D2D)技術被提出，以形成一種新的通信模式，一經提出便得到廣泛關注。D2D不僅工作在授權頻段，并且接受基站的協(xié)助調度，具有低成本、靈活性，可以帶來高效率的頻譜利用，緩解基站負載，降低能源消耗。未來的混合系統(tǒng)(Hybrid System)中，D2D通信將是一個重要的組成部分。
[0004]如果D2D發(fā)送端和接收端之間相距過遠，或者他們之間的直接鏈路信道質量不夠好，不足以進行D2D通信，這時候就需要借助中繼(Relay)來實現(xiàn)D2D通信。但是，利用D2D用戶附近的空閑用戶來充當移動中繼進行D2D通信，將會有多種干擾鏈路混合，使得干擾問題變得更加復雜，同時，由于中繼系統(tǒng)需要采用2個傳輸時間間隔(TTI)來進行一次傳輸，因而相較于直連模式，吞吐量會不可避免的有所下降，因此資源分配的目標應集中在降低D2D用戶資源分配失敗概率，提高系統(tǒng)的總體應用性和適用性。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于終端直通(D2D)中繼通信的資源分配方法，在D2D中繼通信的干擾分析基礎上，提供一種可靠的高性能的基于LTE-Advanced蜂窩網(wǎng)絡的D2D中繼通信的資源分配方案，以降低D2D資源分配失敗的概率，使更多的D2D用戶可以進行通信，提高系統(tǒng)的總體適用性。
[0006]本發(fā)明的技術方案如下:一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法，其特征在于:在單個小區(qū)中LTE-Advanced蜂窩網(wǎng)絡與D2D系統(tǒng)構成混合網(wǎng)絡，蜂窩網(wǎng)絡的雙工方式為時分雙工，D2D以復用的模式利用小區(qū)內蜂窩通信的上行資源，包括與基站的交互、資源記錄表的更新、資源的申請與分配、中繼節(jié)點的選取過程；首先根據(jù)輪詢準則，保證通信質量為前提，將系統(tǒng)資源分配給活躍蜂窩用戶，然后根據(jù)最大化資源利用率準則，利用遺傳算法來為小區(qū)中的D2D用戶選擇最合適的資源進行復用，目標是最小化資源分配失敗的概率，在保證蜂窩用戶正常通信的基礎上，使更多的D2D用戶可以進行通信；包括以下步驟:
[0007]步驟1:假設所有的蜂窩用戶以固定功率Pro進行通信，而所有的D2D用戶的發(fā)送功率則固定為Pm，所有的用戶終端UE，包括活躍的、空閑的蜂窩用戶和D2D用戶都一直與基站保持著連接并周期地與基站交換信息，即使是正在進行D2D通信的用戶，仍然要受基站控制；
[0008]步驟2:上行蜂窩信道集合記為N = {1,2,--?，#}，所有的無線資源分配和調度都由基站完成，基站維持著一個本小區(qū)資源分配實時狀況的信道記錄表，記作ChnTable，用于記錄各信道的使用情況，只要資源分配信息發(fā)生了變化，基站就會對其進行更新，一個信道內最多同時共存一個蜂窩用戶和一對基于移動中繼的D2D用戶；
[0009]步驟3:N個蜂窩用戶C_UEs使用N個不同的上行蜂窩信道與基站進行通信，彼此之間沒有干擾，資源分配工作由基站完成，并在ChnTable中記錄更新；
[0010]步驟4:當有潛在的D2D通信可能時，D2D發(fā)送用戶S_UE和接收用戶D_UE分別將它們的位置信息報告給基站，這一過程利用內置的全球定位系統(tǒng)GPS或者北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BDS模塊來完成，并根據(jù)干擾模型來進行蜂窩用戶和D2D用戶的信號干擾噪聲比SINR計算，由基站來決定是否準許進行D2D嘗試，如果不合適的話，該對D2D用戶會被基站拒絕并進入等待隊列；
[0011]首先由基站檢查ChnTabIe，去除已經飽和即一個蜂窩用戶和一對D2D用戶共存的信道，剩余信道集合記力斗如果其不為空的話，分別對其中的各個信道進行進一步分析，看能否容納下該對D2D用戶使得該信道下所有用戶都能滿足通信要求，篩選出的合格信道即蜂窩用戶SINR達到蜂窩用戶的目標SINRYe_toget，D2D用戶SINR達到D2D用戶的目標SINRyD_target,組成集合Nrc ,并根據(jù)改進的遺傳算 法從Ncc中選出目標信道供該D2D對復用，遺傳算法的進化目標選取的是最小化資源分配失敗的概率；
[0012]如果沒有找到可行信道，則該隊D2D用戶將被拒絕并進入等待隊列；
[0013]步驟5:進行移動中繼的選擇，以D2D用戶對收發(fā)端連線為直徑構成的圓形區(qū)域中總有若干空閑用戶可供選取作為移動中繼，從中為每對D2D用戶選取m個空閑用戶作為候選中繼集合，一個空閑用戶只會出現(xiàn)在一對D2D用戶的候選中繼集合中，同一時刻一個空閑用戶只能為一對D2D用戶服務，一對D2D用戶只能選擇一個空閑用戶作為移動中繼；依據(jù)D2D中繼系統(tǒng)SINR最優(yōu)原則，并根據(jù)干擾模型來進行蜂窩用戶和D2D用戶的SINR計算，從候選移動中繼集合中選取出移動中繼，使得該D2D中繼通信可以獲得最大的SINR ;若某個空閑用戶電量不足或不適合用于移動中繼，則從候選中繼集合中去除該空閑用戶；
[0014]步驟6:利用步驟4選出的信道和步驟5選出的移動中繼，開始進行D2D測試通信，如果實際測試表明該信道內蜂窩通信和D2D中繼通信都能夠得到保障，則允許進行正式的D2D中繼通信并且基站更新ChnTable的信息記錄；否則，返回步驟4重新進行信道選擇，直到通過測試；
[0015]步驟7: —旦有用戶完成了自己的通信，或者出現(xiàn)可利用的信道資源，ChnTable中的信息將會被立即更新并依次序重新對等待隊列中的D2D用戶執(zhí)行步驟4 ;為了保證持續(xù)可靠的通信過程，基站會周期對ChnTable中記錄的用戶所進行的通信進行監(jiān)視。
[0016]所述的遺傳算法包括如下步驟:
[0017]步驟一:對基因進行實數(shù)編碼；染色體長度為蜂窩信道數(shù)N，共含有N個基因，對基因進行實數(shù)編碼，一個信道最多只能被一對D2D用戶復用，一對D2D用戶最多只能復用一個信道，某個基因值為0表示該信道沒有被D2D用戶復用，第i個基因的數(shù)值Ai表示第Ai對D2D用戶復用的是第i個信道，因而基因型A = A1A^An所對應的表現(xiàn)型為x =
(X1, X2,…，XN) H ;即:
[0018]Ai = Xi
[0019]顯然，Ai = 0表示該信道沒有被任何一對D2D用戶復用，而對于V/#人如果AiT^O且Aj關0,有Ai關Aj ；
[0020]步驟二:對當前代數(shù)的種群進行選擇操作；由于進化目標選取的是最小化資源分配失敗的概率，因此用D2D用戶的資源分配成功率來評價個體的適應度，如下式，用于選擇操作，其中A!表示第I代群體中第i個個體；
[0021]
【權利要求】
1.一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法，其特征在于:在單個小區(qū)中LTE-Advanced蜂窩網(wǎng)絡與D2D系統(tǒng)構成混合網(wǎng)絡，蜂窩網(wǎng)絡的雙工方式為時分雙工，D2D以復用的模式利用小區(qū)內蜂窩通信的上行資源，包括與基站的交互、資源記錄表的更新、資源的申請與分配、中繼節(jié)點的選取過程；首先根據(jù)輪詢準則，保證通信質量為前提，將系統(tǒng)資源分配給活躍蜂窩用戶，然后根據(jù)最大化資源利用率準則，利用遺傳算法來為小區(qū)中的D2D用戶選擇最合適的資源進行復用，目標是最小化資源分配失敗的概率，在保證蜂窩用戶正常通信的基礎上，使更多的D2D用戶可以進行通信；包括以下步驟: 步驟1:假設所有的蜂窩用戶以固定功率Ρω進行通信，而所有的D2D用戶的發(fā)送功率則固定為Pm，所有的用戶終端UE，包括活躍的、空閑的蜂窩用戶和D2D用戶都一直與基站保持著連接并周期地與基站交換信息，即使是正在進行D2D通信的用戶，仍然要受基站控制；步驟2:上行蜂窩信道集合記為Ν = {1,2,.N]所有的無線資源分配和調度都由基站完成，基站維持著一個本小區(qū)資源分配實時狀況的信道記錄表，記作ChnTable，用于記錄各信道的使用情況，只要資源分配信息發(fā)生了變化，基站就會對其進行更新，一個信道內最多同時共存一個蜂窩用戶和一對基于移動中繼的D2D用戶； 步驟3:N個蜂窩用戶C_UEs使用N個不同的上行蜂窩信道與基站進行通信，彼此之間沒有干擾，資源分配工作由基站完成，并在ChnTable中記錄更新； 步驟4:當有潛在的D2D通信可能時，D2D發(fā)送用戶S_UE和接收用戶D_UE分別將它們的位置信息報告給基站，這一過程利用內置的全球定位系統(tǒng)GPS或者北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BDS模塊來完成，并根據(jù)干擾模型來進行蜂窩用戶和D2D用戶的信號干擾噪聲比SINR計算，由基站來決定是否準許進行D2D嘗試，如果不合適的話，該對D2D用戶會被基站拒絕并進入等待隊列； 首先由基站檢查ChnTable，去除已經飽和即一個蜂窩用戶和一對D2D用戶共存的信道，剩余信道集合記為Nc，如`果其不為空的話，分別對其中的各個信道進行進一步分析，看能否容納下該對D2D用戶使得該信道下所有用戶都能滿足通信要求，篩選出的合格信道即蜂窩用戶SINR達到蜂窩用戶的目標SINRYe_tmget，D2D用戶SINR達到D2D用戶的目標SINRYD_ta,get，組成集合IVc并根據(jù)改進的遺傳算法從中選出目標信道供該D2D對復用，遺傳算法的進化目標選取的是最小化資源分配失敗的概率； 如果沒有找到可行信道，則該隊D2D用戶將被拒絕并進入等待隊列； 步驟5:進行移動中繼的選擇，以D2D用戶對收發(fā)端連線為直徑構成的圓形區(qū)域中總有若干空閑用戶可供選取作為移動中繼，從中為每對D2D用戶選取m個空閑用戶作為候選中繼集合，一個空閑用戶只會出現(xiàn)在一對D2D用戶的候選中繼集合中，同一時刻一個空閑用戶只能為一對D2D用戶服務，一對D2D用戶只能選擇一個空閑用戶作為移動中繼；依據(jù)D2D中繼系統(tǒng)SINR最優(yōu)原則，并根據(jù)干擾模型來進行蜂窩用戶和D2D用戶的SINR計算，從候選移動中繼集合中選取出移動中繼，使得該D2D中繼通信可以獲得最大的SINR ;若某個空閑用戶電量不足或不適合用于移動中繼，則從候選中繼集合中去除該空閑用戶； 步驟6:利用步驟4選出的信道和步驟5選出的移動中繼，開始進行D2D測試通信，如果實際測試表明該信道內蜂窩通信和D2D中繼通信都能夠得到保障，則允許進行正式的D2D中繼通信并且基站更新ChnTable的信息記錄；否則，返回步驟4重新進行信道選擇，直到通過測試； 步驟7: —旦有用戶完成了自己的通信，或者出現(xiàn)可利用的信道資源，ChnTable中的信息將會被立即更新并依次序重新對等待隊列中的D2D用戶執(zhí)行步驟4 ;為了保證持續(xù)可靠的通信過程，基站會周期對ChnTable中記錄的用戶所進行的通信進行監(jiān)視。 所述的遺傳算法包括如下步驟: 步驟一:對基因進行實數(shù)編碼；染色體長度為蜂窩信道數(shù)N，共含有N個基因，對基因進行實數(shù)編碼，一個信道最多只能被一對D2D用戶復用，一對D2D用戶最多只能復用一個信道，某個基因值為O表示該信道沒有被D2D用戶復用，第i個基因的數(shù)值Ai表示第Ai對D2D用戶復用的是第i個信道，因而基因型A = A1A2*" An所對應的表現(xiàn)型為X = (X1, x2，…，xN)η;即:
Ai = Xi 顯然，Ai = O表示該信道沒有被任何一對D2D用戶復用，而對于，如果Ai古O且Aj關O,有Ai關Aj ； 步驟二:對當前代數(shù)的種群進行選擇操作；由于進化目標選取的是最小化資源分配失敗的概率，因此用D2D用戶的資源分配成功率來評價個體的適應度，如下式，用于選擇操作，其中A!表示第I代群體中第i個個體；
2.根據(jù)權利要求書I所述的一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法，其特征在于，所述步驟4和步驟5中根據(jù)干擾模型來進行蜂窩用戶和D2D用戶的SINR計算，包括如下步驟: 步驟A: D2D中繼通信模型中，蜂窩用戶C正在與基站B進行上行通信，S-R-D是一個D2D中繼通信系統(tǒng)，復用的是C占用的無線資源，S表示D2D發(fā)送用戶，R表示移動中繼，D表示D2D接收用戶。有R、D、B三處接收到的混合信號分別為:
【文檔編號】H04W72/04GK103796317SQ201310654633
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權日:2013年12月6日
【發(fā)明者】孫君, 陶宇, 邵世祥 申請人:南京郵電大學