本發(fā)明屬于移動通信領(lǐng)域，尤其涉及移動通信中的d2d通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來移動數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長，全球移動通信網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備總量將達(dá)到千億規(guī)模。為此，第五代移動通信(5g)系統(tǒng)應(yīng)運而生。5g系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、流量密度、移動性以及用戶峰值速率等。此外，頻譜效率、能耗和成本構(gòu)成了的三大效率指標(biāo)，是移動通信網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

對互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的分析研究表明，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的本地化特征越來越明顯。如今，越來越多的服務(wù)和應(yīng)用都在距離比較近的用戶之間展開，使得地理上鄰近的用戶之間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量越來越大。在這種場景下，傳統(tǒng)的以基站為中心的通信模式往往缺乏足夠的靈活性，難以完全滿足不同業(yè)務(wù)在實時性和可靠性方面的獨特需求。終端直通技術(shù)(device-to-device,d2d)就是在這一背景下產(chǎn)生的。

d2d通信是指鄰近的終端可以在基站的控制下，通過直連鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而無需通過中心節(jié)點(基站)的轉(zhuǎn)發(fā)。這種通信過程的建立、維持和結(jié)束是受控于基站的，主要過程包括：用戶向基站請求資源、基站進(jìn)行資源調(diào)度并維持直連通信業(yè)務(wù)、基站最終收回資源等。從數(shù)據(jù)和信令的角度看，用戶與基站之間維持著信令鏈路，由基站維持用戶數(shù)據(jù)鏈路、進(jìn)行無線資源分配以及進(jìn)行計費、鑒權(quán)、識別、移動性管理等傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)所具備的基本職責(zé)。不同之處在于，用戶之間數(shù)據(jù)鏈路不需要基站中轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)了，而是直接在用戶之間建立數(shù)據(jù)通道。

d2d技術(shù)本身的短距離通信特點和直接通信方式使其具有如下優(yōu)勢:第一，近距離優(yōu)勢。由于傳輸距離短，路損較小，因而可獲得更高的傳輸速率、更低的時延和更小的發(fā)射功率。第二，復(fù)用增益。用戶可通過復(fù)用方式共享蜂窩用戶的資源，從而提高頻譜利用率。第三，跳數(shù)優(yōu)勢。通信采用終端直連的方式，變兩跳為一跳，節(jié)省了頻率資源。此外，通信還可以拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和接入方法。

在現(xiàn)有的研究中研究d2d協(xié)作傳輸技術(shù)的人還比較少，而且?guī)缀鹾苌儆腥搜芯炕诏B加編碼的d2d協(xié)作傳輸方案，這是因為基于疊加編碼的協(xié)作傳輸中，優(yōu)化表達(dá)式中總是有非凸約束條件，因此，通常建模出的優(yōu)化問題是一個非凸問題。而本發(fā)明專利提出了一種解決基于疊加編碼的最大化系統(tǒng)吞吐量的傳輸方案，為了便于求解，我們假設(shè)d2d用戶和宏蜂窩用戶所使用的發(fā)射功率均為他們的最大發(fā)射功率，也就是說d2d用戶和宏蜂窩用戶的發(fā)射功率固定，此時我們通過優(yōu)化疊加編碼的功率分配因子,，以使得系統(tǒng)總的吞吐量最大，同時保證宏蜂窩用戶和d2d用戶各自的qos,但是此時的優(yōu)化問題是一個非凸優(yōu)化問題，因此，我們采用分段求解的方式，通過把原始優(yōu)化問題的解空間分為幾個區(qū)間，在每個區(qū)間之內(nèi)求得各自的解析解，從而得到原始問題的解。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種宏蜂窩上行鏈路中，基于疊加編碼的d2d協(xié)作傳輸方案，并且設(shè)計了一種基于疊加編碼的聯(lián)合資源分配方案，解決了多用戶同時使用疊加編碼協(xié)作傳輸?shù)膯栴}。在本發(fā)明中，我們可以得到d2d用戶和宏蜂窩用戶最優(yōu)傳輸功率的閉式解，并且我們給出了多用戶宏蜂窩系統(tǒng)如何做聯(lián)合信道資源分配的具體方法。

為了方便的描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先對本發(fā)明所使用的術(shù)語和模型進(jìn)行介紹：

定義1基站(bs，basestation)：宏蜂窩基站。

定義2宏蜂窩用戶(cu,cellularuser)：由基站服務(wù)的宏蜂窩用戶。

定義3終端直通用戶(d2d，device-to-device)：終端不經(jīng)過基站，他們之間直接進(jìn)行通信的用戶。

定義4d2d發(fā)射用戶(d-tx，device-transmission-signal)：進(jìn)行通信的兩個d2d用戶中，負(fù)責(zé)發(fā)射信號的用戶。

定義5d2d接收用戶(d-rx，device-received-signal)：進(jìn)行通信的兩個d2d用戶中，負(fù)責(zé)接收信號的用戶

定義6信噪比(snr，signalnoiseratio)：信號功率與噪聲功率的比值。

定義7解碼轉(zhuǎn)發(fā)(df，decode-and-forward)：中繼節(jié)點對接收到的信號，解碼之后，再轉(zhuǎn)發(fā)給其他接收機(jī)。

定義8半雙工(hd，half-duplex)：上、下行通信分別采用相同頻率信道的不同時隙進(jìn)行工作。

本發(fā)明所使用的系統(tǒng)為：

如圖1所示，在該模型中，一對d2d用戶和一個宏蜂窩用戶共用同一個上行信道資源，d2d用戶作為中繼，輔助cu用戶與基站之間的通信，通信將分為兩個時隙進(jìn)行，示意圖如圖2所示:

第一時隙：cu用戶以廣播的形式向基站和d2d用戶發(fā)送自己的信號，d-tx和d-rx都只接收cu用戶的信號，相互之間不進(jìn)行通信，然后d-tx對接收到的cu的信號進(jìn)行解碼。

第二時隙：d-tx把解碼得到的cu信號和自己要發(fā)送的信號，按照疊加碼進(jìn)行線性疊加，然后以廣播的形式同時向基站和d-rx發(fā)送，基站和d-rx對兩個時隙接收到的信號進(jìn)行最大比合并，最后解碼得到想要的信號。

假定兩個時隙為等時隙劃分。在本發(fā)明中，針對在滿足d2d用戶和宏蜂窩用戶各自的qos要求的條件下，設(shè)計了一種提升系統(tǒng)吞吐量的d2d協(xié)作傳輸方法，具體就是用d2d輔助宏蜂窩用戶與基站進(jìn)行通信，同時我們還設(shè)計了一種基于上述協(xié)作傳輸方案的聯(lián)合信道分配方法，最后達(dá)到最大化系統(tǒng)整體吞吐量的目的。

一種提升系統(tǒng)吞吐量的d2d協(xié)作傳輸方法，具體步驟如下：

s1、把一對d2d用戶和一個宏蜂窩用戶之間滿足各自qos需求時進(jìn)行最大化吞吐量傳輸問題，建模為一個最優(yōu)化問題，其中，所述最優(yōu)化問題是一個非凸優(yōu)化問題；

s2、采用問題分解的方法，把原始問題分解為多個子問題，對于每個子問題都有一個唯一的解析解，組合這些子問題的解就可以得到原始問題的解，具體為：

s21、假設(shè)d2d用戶和宏蜂窩用戶各自的發(fā)射功率固定且為他們所允許的最大發(fā)射功率，優(yōu)化疊加編碼的功率分配因子；

s22、對d2d和宏蜂窩用戶之間的配對進(jìn)行優(yōu)化，也就是一個d2d用戶要復(fù)用哪一個宏蜂窩用戶的信道，最終用0-1整數(shù)規(guī)劃的方法進(jìn)行優(yōu)化，以使得系統(tǒng)整體的吞吐量最大。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明方法可以在同時保證d2d用戶和宏蜂窩用戶qos的情況下，通過基于疊加編碼的協(xié)作傳輸策略，以及多用戶聯(lián)合信道分配策略，可以使得系統(tǒng)總的吞吐量最大，通過仿真結(jié)果，如附3所示，相比于傳統(tǒng)的方法，本發(fā)明的方法可以大幅度提升系統(tǒng)的吞吐量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖。

圖2疊加編碼等時隙劃分示意圖。

圖3仿真結(jié)果示意圖-吞吐量對比。

具體實施方式

下面將結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明方法進(jìn)行進(jìn)一步說明。

首先對本發(fā)明的原理進(jìn)行介紹：

疊加編碼(superpositioncoding:sc)技術(shù)是一種分層編碼調(diào)制技術(shù)，其最早可以追溯到1972年cover,t.m.的工作，在該文獻(xiàn)中，cover,t.m.給出了sc技術(shù)的基本思想以及初步的性能分析；但是對其更加深入的、切合實際的研究始于2002年，y.liu等人指出，盡管理論上sc可以包括多層甚至無窮層不同速率調(diào)制信號的疊加，但是在實際系統(tǒng)中，采用兩級sc就可以使系統(tǒng)吞吐量等性能接近最優(yōu)的無窮多層sc系統(tǒng)的性能，所以，考慮到d2d用戶的執(zhí)行復(fù)雜度，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，主要研究兩級速率疊加編碼及其應(yīng)用。

一般sc系統(tǒng)都是以總發(fā)射功率p為約束來進(jìn)行研究、且與其它系統(tǒng)比較，如果假設(shè)基本信號和附加信號之間的功率分配因子為α(0＜α＜1)，附加信號的功率為p1＝αp，基本信號的功率為p0＝(1-α)p，則疊加編碼發(fā)送信號x為：通過調(diào)整功率分配因子α的值，可以使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。在進(jìn)行功率分配時，可以考慮給信道質(zhì)量差的用戶信號分配較大的功率，而信道質(zhì)量較好的用戶信號分配較小的功率，這樣可以保證吞吐量與公平性之間較好的折衷。

在接收端一般采用利用連續(xù)干擾消除(successiveinterferencecancellation:sic)技術(shù)來對信號進(jìn)行分級解碼接收。sic技術(shù)是一種多用戶接收技術(shù)，其特點是當(dāng)對其中的一個信號進(jìn)行解碼時，另一個信號當(dāng)做干擾信號。

對于宏蜂窩用戶來說，它通過與d2d用戶協(xié)作，能夠?qū)崿F(xiàn)的最大傳輸速率為：為在第一個時隙，cu與d-tx之間的傳輸速率，為第二個時隙宏蜂窩用戶的可實現(xiàn)數(shù)據(jù)率，他是基站執(zhí)行最大比合并之后得到的結(jié)果，d-tx與基站之間的傳輸速率。

其中，p、q分別為宏蜂窩用戶和d2d用戶的發(fā)射功率，分別為固定值且為他們的最大發(fā)射功率，n0為噪聲功率，g0,g1分別為cu-bs以及cu-d-tx之間的信道增益，h1為基站d-tx與基站之間的信道增益，如附圖1所示。若宏蜂窩用戶的最低速率要求為ρc，則可得：

d-rx利用接收到的兩個時隙的信號，嘗試對cu的信號進(jìn)行解碼。

對于d-rx來說，假設(shè)其總是能正確解碼出cu的信號，這是合理的，因為d2d發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離往往很近，大概只有10米左右，因此宏蜂窩用戶到d2d發(fā)射機(jī)的信道增益和宏蜂窩用戶到d2d接收機(jī)的增益應(yīng)該很相近，因此，d2d接收機(jī)也有很大概率能夠解碼出宏蜂窩用戶的信號。

則此時，d-rx利用連續(xù)干擾消除能夠完全消除d-tx信號中的cu信號，因此d2d用戶之間實現(xiàn)的通信速率為：

假設(shè)，d2d用戶之間需要滿足的數(shù)據(jù)率為ρd，則系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

其中，g’0，g’1，g’2，h’0，h’1分別代表

最大化吞吐量的協(xié)作傳輸策略：

為了推導(dǎo)出在系統(tǒng)中只存在一對d2d用戶和一個宏蜂窩用戶時的功率分配因子的解析解。我們通過求解最優(yōu)的α，以使得系統(tǒng)總的吞吐量最大，同時保證d2d和cu的qos。下面我們對以及兩種情況分別進(jìn)行討論。

若

s.t.0＜α＜1

此時系統(tǒng)的優(yōu)化函數(shù)為：

又因為求解最大化的問題等價于求解的最大化。則我們可以得到化簡之后

s.t.0≤α≤1

的求解表達(dá)式如下：

上面的約束的條件可以簡略的表示為：

lowerbound≤α≤upperbound

其中，

因此上述問題就變成了一個擁有線性約束的單變量優(yōu)化問題，我們對r0求導(dǎo)可得：

令r0，＝0可得

化簡可得：

進(jìn)一步化為：

其中為一個常數(shù)。另外我們假設(shè)λ＝2q²h’0h’1(1+qh’1)pg’0，下面討論α何值時，系統(tǒng)總的吞吐量最大。

若λ²-4κγ≤0

α＝lowerbound

若λ²-4κγ＞0

導(dǎo)數(shù)為0的兩個點的值為：

因為α1和α2的值均大于零，我們根據(jù)α1，α2的取值范圍來討論何時取得最優(yōu)值。

若α2＜lowerbound

α＝lowerbound

若

若，lowerbound≤α1≤upperbound，并且α2≥upperbound，此時

α＝upperbound

α1＜lowerbound，并且α2≥upperbound

α＝upperbound

α1≤lowerbound，lowerbound≤α2＜upperbound，此時可得

α＝α2

若

此時系統(tǒng)的優(yōu)化函數(shù)為：

s.t.0＜α＜1

上式可以化簡為：

s.t.0≤α≤1

因為r0的值隨著α單調(diào)遞減，因此為使得r0取得最大值，此時α的取值為：

通過上面的推導(dǎo)，我們得到了在各種情形下的α的取值，由此，我們也可以得到采用協(xié)作傳輸策略時系統(tǒng)總的吞吐量，d-tx和cu各自的發(fā)射功率固定且為最大值：

現(xiàn)在得到的結(jié)果是：系統(tǒng)中只存在一對d2d用戶和一個宏蜂窩用戶cu時的結(jié)果，下面我們將分析在系統(tǒng)中存在多個d2d通信對和多個宏蜂窩用戶cu時的情形。

多用戶d2d通信網(wǎng)絡(luò)中聯(lián)合信道分配的步驟：

我們考慮ofdm系統(tǒng)中，有n個宏蜂窩用戶的集合為{cuei},i＝1,2,...,n，d對d2d用戶的集合為{duej},j＝1,2,...,d，并且d≤n，每個宏蜂窩用戶都擁有一個獨立的子載波。我們用ηij表示duej復(fù)用cuei的信道時，由于增加了duej后，系統(tǒng)在信道i上總的吞吐量。我們用x＝[xij]n×d表示信道復(fù)用矩陣，當(dāng)xij＝1時，表示duej可以共享cuei的信道，當(dāng)xij＝0時，則表示duej不可以復(fù)用cuei的信道。

假定每個d2d最多只能共享一個宏蜂窩用戶的子載波，每個宏蜂窩用戶的子載波也最多只能同時被一個d2d用戶所共享。所以，我們可以把載波復(fù)用分配問題建模為如下所示的優(yōu)化問題：

xij∈{0,1}；

其中，為第i個宏蜂窩用戶的傳輸速率，為第j個d2d用戶所實現(xiàn)的傳輸速率，p_cu和p_d分別表示宏蜂窩用戶和d2d用戶的最大發(fā)射功率。

優(yōu)化目標(biāo)為：在擁有n個宏蜂窩用戶的系統(tǒng)中，激活d對d2d用戶時，使得系統(tǒng)總的吞吐量最大。

因此，為了使得系統(tǒng)在滿足通信速率要求的同時，最大化系統(tǒng)總的吞吐量，此時的信道資源分配問題就變成了0-1指派問題，而該問題可以用匈牙利算法來求解。具體資源分配過程如下：

d2d用戶有通信需求時，通過控制信道向基站發(fā)送通信請求。

基站根據(jù)信道狀態(tài)信息，由上面分析的結(jié)果，確定d2d與每個宏蜂窩用戶共享信道時采用的疊加編碼功率分配因子，并由公式計算出采用該策略所花費的功率，并得出由于激活該d2d后系統(tǒng)總的吞吐量，并計算出此時d2d用戶和宏蜂窩用戶各自的通信速率，最終的到吞吐量矩陣、cue和d2d的速率矩陣以及協(xié)作策略、cue和d2d的功率分配矩陣，分別表示為：

基站根據(jù)速率矩陣對功耗矩陣進(jìn)行修正。具體實施方法為：把得到的速率矩陣φc和φd中的元素分別與我們預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)速率ρc,ρd相比較，若或者則我們就把ηij置為無窮小。通過這種方式，我們可以降低實際計算過程中，d2d對和宏蜂窩用戶之間配對的可能性。

基站在得到修正過的吞吐量矩陣之后，就可以基于我們修正過的吞吐量增加矩陣，利用匈牙利算法來求解得到信道復(fù)用矩陣x＝[xij]n×d。

基站再次根據(jù)速率矩陣的約束對信道復(fù)用矩陣進(jìn)行修正，原因是，當(dāng)目標(biāo)速率要求比較高時，將會有很多的功率增加矩陣元素為無窮小，導(dǎo)致匈牙利算法仍然有可能得到不滿足速率要求的信道分配策略，因此仍然需要二次檢驗；檢驗方法為：遍歷所得到的信道復(fù)用矩陣中的每一個元素，如果元素xij＝1，那么我們就檢查此時d2d用戶和宏蜂窩用戶各自的速率是否滿足要求，即若滿足，則xij＝1保持不變，如果不滿足，則把xij＝0。從而得到最終的信道分配矩陣。

基站根據(jù)最終的信道復(fù)用矩陣以及d2d協(xié)作策略和功率分配方案發(fā)送給各個d2d用戶和宏蜂窩用戶。

如圖1所示：

將每一對d2d用戶和宏蜂窩用戶cu進(jìn)行配對，讓他們共享信道資源，然后確定各自的發(fā)射功率或者功率分配因子，最終得到吞吐量矩陣、cue和d2d的速率矩陣以及協(xié)作策略、cue和d2d的功率分配矩陣，分別表示為：

若是采用協(xié)作傳輸策略，將協(xié)作矩陣c的相應(yīng)位置1，則各自的發(fā)射功率和疊加編碼功率分配因子為：

p＝p_cu

q＝p_d

功率分配因子α的確定步驟如下：

若

假設(shè)，

當(dāng)λ²-4κγ≤0時

α＝lowerbound

當(dāng)λ²-4κγ＞0時

若α2＜lowerbound

α＝lowerbound

若

若，lowerbound≤α1≤upperbound，并且α2≥upperbound，此時

α＝upperbound

若α1＜lowerbound，并且α2≥upperbound，此時

α＝upperbound

若α1≤lowerbound，lowerbound≤α2＜upperbound，此時可得

α＝α2

若

此時α的取值為：

得到最終的發(fā)射功率和功率分配因子后，我們可以通過下式獲得系統(tǒng)總的吞吐量：

最后把得到的數(shù)據(jù)記入吞吐量矩陣、cue和d2d的速率矩陣以及cue和d2d的功率分配矩陣矩陣的相應(yīng)位置：

在得到上面的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)要對d2d用戶和cue用戶之間的信道共享進(jìn)行配對，即確定哪個d2d用戶要共享哪個宏蜂窩用戶的信道，根據(jù)下面的聯(lián)合信道分配策略，進(jìn)行最終的信道分配：

xij∈{0,1}；

采用匈牙利算法對上述問題進(jìn)行優(yōu)化，得到最終的信道分配策略，基站將最終信道分配策略、協(xié)作策略以及功率分配策略發(fā)送給各個用戶，完成整個調(diào)度過程。