一種基于干擾對齊的d2d用戶的功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一種功率控制方法，尤其涉及一種基 于干擾對齊的D2D用戶的功率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對于無線頻譜資源的需求越來越 大，導致無線頻譜資源日益緊張，這就使得對頻譜效率的要求越來越高。設(shè)備到設(shè)備 (Device to Device，簡稱D2D)通信技術(shù)應用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中鄰近的 用戶可以無需通過基站(BS)直接與彼此進行通信，提高了網(wǎng)絡(luò)總體頻譜效率，從而允許網(wǎng) 絡(luò)接納更多的用戶，提高網(wǎng)絡(luò)容量。
[0003] 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中引入D2D通信的最初動機是為了支持鄰近區(qū)域用戶之間通信， 如:社交網(wǎng)絡(luò)應用、媒體共享等。D2D用戶之間進行鄰近通信可以增加頻譜效率、提高蜂窩覆 蓋率以及降低端至端延遲和手持機功耗等。D2D通信技術(shù)是處理蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的本地流 量問題一個有效的方法。
[0004] 但D2D通信模式引入蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也會帶來新的問題。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的某個小 區(qū)中，蜂窩用戶(Cellular User，簡稱⑶)和D2D用戶在相同頻譜共存，使得在通信過程中對 干擾管理面臨極大的挑戰(zhàn)，即D2D通信成為干擾的新來源，CU會受到D2D用戶傳輸?shù)目鐚痈?擾，而D2D用戶不僅會受到其他D2D用戶傳輸造成的干擾，而且會受到來自蜂窩網(wǎng)絡(luò)鏈路的 跨層干擾。為保證CU和D2D用戶成功共存，干擾管理是必不可少的。功率控制是減輕無線網(wǎng) 絡(luò)中的干擾的有效方法，被廣泛地應用在當前的無線系統(tǒng)中。
[0005] C · H · Yu等人（C · H · Yu，0 · Tirkkonen，K · Dopp Ier，and C · Ribe iro，"On the performance of device-t〇-device underlay communication with simple power control，" in Proc · IEEE Veh · Technol · Conf ·，2009，pp · 1-5 ·)對確定的單小區(qū)模型提出了 一種簡單的功率控制方案，主要通過限制D2D用戶的輸出功率來保護現(xiàn)有的CU網(wǎng)絡(luò)的通信 服務(wù)質(zhì)量，但是未考慮D2D用戶的吞吐量。
[0006] J.Gu等人（J.Gu，S.J.Bae，B._G.Choi，and M.Y.Chung，"Dynamic power control mechanism for interference coordination of device-to-device communication in cellular networks，'，in Proc . 3rd Int. Conf.Ubiquitous Future Netw·，Jun · 2011， pp. 71-75.)針對只有一個D2D用戶接入的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出了一種動態(tài)的功率控制方案， 其目標是通過減輕D2D用戶對CU的干擾提高CU系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的總的吞吐量，但文章中并未考慮 D2D用戶的吞吐量。
[0007] Udesh Oruthota等人（Udesh Oruthota and Olav Tirkkonen，"I/Q Interference in Device-t〇-Device Underlay Communication with Uplink Power Control ,Vehicular Technology Conference(VTC Spring)，IEEE 81st，2015，pp:1-5)考 慮一個獨立的扇形小區(qū)里CU網(wǎng)絡(luò)與D2D用戶網(wǎng)絡(luò)共享正交的頻譜資源的通信模型，提出了 一種部分功率控制（？從(^;[0仙1口0￥61'001^1'01，？?(^)方法有效地降低了020用戶對0]的干 擾，但是這種方法中也沒有考慮D2D用戶的吞吐量。
[0008] 從現(xiàn)有技術(shù)來看，各種功率控制方法均只保證了 CU的吞吐量，但并未對D2D用戶的 吞吐量進行考慮。而數(shù)據(jù)傳輸速率是影響D2D用戶的吞吐量的重要因素之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一種對 D2D用戶采用干擾對齊預編碼進行功率控制的設(shè)計方法。通過各D2D用戶發(fā)送端的預編碼進 行干擾對齊來減少D2D用戶間的相互干擾;控制每一對D2D用戶在子載波上的發(fā)射功率預 算;并在對CU產(chǎn)生的干擾小于預先設(shè)置的干擾閾值即確保CU的通信質(zhì)量的前提下，使D2D用 戶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和達到最大。
[0010]本發(fā)明所述方法包括以下步驟：
[0011] 設(shè)定在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的某個小區(qū)中，有L個D2D用戶和K個⑶，CU之間通過基站進行 通信，D2D用戶之間可以無需通過基站直接與彼此進行通信通信，CU通信和D2D通信均處于 工作狀態(tài)。每個CU的帶寬為W且節(jié)點為單天線;每個D2D用戶的發(fā)射天線數(shù)目相同，均為Μτ， 每個D2D用戶的接收天線數(shù)目相同，均為Mr根;每個D2D用戶傳輸數(shù)據(jù)的符號長度相同，均為 η;當蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的空閑頻帶被劃分為D個子載波頻帶時，記每個子載波頻帶的帶寬為△ f，并規(guī)定當D2D用戶對CU產(chǎn)生的干擾小于最大干擾閾值/i時，D2D用戶可以使用該小區(qū)的的 空閑頻帶;且D2D用戶按MMO-OFDM通信體制進行通信;假設(shè)整個蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在最佳信道 狀態(tài)信息情況下，設(shè)1為D2D用戶編號;d為子載波編號；
[0012] SI:對D2D用戶發(fā)送端的信號預編碼實現(xiàn)干擾對齊，對D2D用戶接收端的信號進行 干擾抑制，消除D2D用戶之間的干擾；
[0013] S2:限定D2D用戶對某個⑶的干擾不大于系統(tǒng)預先設(shè)置的干擾閾值，限定D2D用戶 的總發(fā)射功率不大于系統(tǒng)允許D2D用戶所用的最大發(fā)射功率，在D2D用戶對CU用戶的干擾不 大于系統(tǒng)的干擾閾值且D2D用戶的總發(fā)射功率不大于系統(tǒng)設(shè)定的最大發(fā)射功率的限制條件 下，得到每個D2D用戶在每個子載波上的最優(yōu)發(fā)射功率，從而使得D2D用戶在所有子載波上 的數(shù)據(jù)傳輸速率總和最大。
[0014] 在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，Sl具體為：
[0015] 〇1)令 l = i，d = l;
[0016] 02)對D2D用戶發(fā)送端的信號運用干擾對齊進行預編碼，并對D2D用戶接收端收到 的信號進行干擾抑制，
[0017] (1)
[0018] (2)
[0019]其中，符號rank(A)表示求矩陣A的秩；t//為Mr行η列的矩陣，是在第d個子載波上 應用于第1個D2D用戶接收端上的正交線性干擾抑制矩陣;上標H表示矩陣的共輒轉(zhuǎn)置運算； 為Mr行Mt列的矩陣，是在第d個子載波上第j個D2D用戶發(fā)送端到第1個D2D用戶接收端信 道的頻率響應矩陣;特殊地，/7；；為在第d個子載波上第1個D2D用戶發(fā)送端到第1個D2D用戶 接收端信道的頻率響應矩陣;Ff為Mt行η列的矩陣，是第d個子載波上第1個D2D用戶發(fā)送端 上的干擾對齊預編碼矩陣；
[0020] 由式（1)和式(2)計算得到D2D用戶發(fā)送端的信號預編碼矩陣Ff和D2D用戶接收端 的正交線性干擾抑制矩陣;
[0021] 03)若d〈D，則令d值加1，并返回步驟02)，進行第1個D2D用戶在下一個子載波上的 預編碼矩陣和正交線性干擾抑制矩陣的求解，若d = D，進入下一步；
[0022] 04)若1〈L，則令1值加1，并令d=l，進行下一個D2D用戶在所有子載波上的預編碼 矩陣和正交線性干擾抑制矩陣的求解，直至1 = L。
[0023] 由以上步驟得到所有D2D用戶發(fā)送端的預編碼矩陣和接收端的干擾抑制矩陣。
[0024] S2具體為：
[0025] 01)所有D2D用戶在所有子載波上的速率總和可以表示為：
[0026]
[0027]其中，In為η階單位矩陣；CT^rav為加性高斯白噪聲功率；為η階矩陣，是第1個 D2D用戶在第d個子載波上的頻域信號的輸入?yún)f(xié)方差矩陣; 為第k個蜂窩用戶對第1個D2D 用戶在第d個子載波上的干擾功率
為所有CU在第d個子載波上對第1個D2D用戶的 總干擾功率;第1個D2D用戶在第d個子載波上的頻域信號的發(fā)射功率為
則每 個D2D用戶的總發(fā)射功率：
[0028] 02)在第d個子載波上由第1個D2D用戶的發(fā)送端對第k個⑶接受端產(chǎn)生的干擾表示
為：
[0029]
[0030] 其中，為第d個子載波對第k個CU的干擾因子系數(shù)，計算式夕
Φd (f)為第d個子載波上的功率譜密度，Ed表示第d個D2D用戶的子載波頻帶中心和第k個CU 頻帶中心之間的頻率間隔;符號Tr(A)表示求矩陣A的跡；為1行Mt列的矩陣，是第d個子 載波上第1個D2D用戶發(fā)送端和第k個⑶之間的信道增益矩陣。
[0031] 03)對D2D用戶在子載波上的發(fā)射功率進行優(yōu)化分配，使得D2D用戶對⑶的干擾 小于干擾閾值的時候R達到最大；
[0032] 優(yōu)化問題為：31^x
[0033]
[0034]
[0035]
[0036] 其中，P1S規(guī)定的系統(tǒng)允許每個D2D用戶所用的最大發(fā)射功率;符號V表示任意； /,t為干擾閾值;解優(yōu)化問題得到每個D2D用戶在每個子載波上最優(yōu)的發(fā)射功率if，1 = 1， 2,……，L;d=l，2,……，D，從而使得D2D用戶數(shù)據(jù)傳輸速率總和最大。本發(fā)明通過以上干擾 對齊預編碼方法使得D2D用戶之間的干擾對齊到CU和D2D用戶未用到的空間子信道上，從而 使得D2D用戶之間的干擾消除，同時，控制每一個D2D用戶在子載波上的功率，使所有D2D用 戶在對CU產(chǎn)生的干擾小于干擾閾值、保證CU服務(wù)質(zhì)量的前提下，D2D用戶數(shù)據(jù)傳輸速率總和 達到最大。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的某個小區(qū)的模型示意圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明實施方法流程示意圖；
[0039] 圖3為本發(fā)明實施例中具體步驟流程示意圖；
[0040] 圖4為實施例中不同功率控制方法下D2D用戶數(shù)據(jù)傳輸速率和的比較圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0042] 實施例
[0043] 參照圖1蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的某個小區(qū)，有3(L = 3)個D2D用戶1和2(K = 2)個⑶2，D2D 用戶之間無需通過基站直接通信，CU通信和D2D通信均處于工作狀態(tài)。每個CU的帶寬為 10MHz(W= IOMHz)，且每個CU節(jié)點為單天線;每個D2D用戶的發(fā)射天線數(shù)目、接收天線數(shù)目都 為2(Mr = Mt = 2);每個D2D用戶傳輸數(shù)據(jù)的符號長度相同為丨，即n = 1;根據(jù)無線局域網(wǎng)標準 IEEE 802.1Ia，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的空閑頻帶被劃分為64(D = 64)個子載波頻帶時，每