本發(fā)明涉及通信頻譜資源分配技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種全雙工蜂窩終端直通(Device-to-device，簡(jiǎn)稱D2D)通信資源分配方法及裝置。

技術(shù)背景

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展和各種智能設(shè)備的迅速普及，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)，因而對(duì)無(wú)線通信的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提出了更高的需求。D2D通信作為一種新型的蜂窩終端直通通信技術(shù)，它允許位置距離相近的兩個(gè)用戶無(wú)需經(jīng)過(guò)基站或者接入點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)而直接通信。與傳統(tǒng)蜂窩通信方式相比，D2D通信減輕了基站或者接入點(diǎn)的負(fù)載，提高了系統(tǒng)的頻譜效率，延長(zhǎng)了設(shè)備的電池壽命。因此，D2D通信技術(shù)引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。而將全雙工通信技術(shù)運(yùn)用到D2D通信中，進(jìn)一步增大了D2D通信系統(tǒng)吞吐量。由于D2D用戶共享蜂窩頻譜從而導(dǎo)致系統(tǒng)中用戶間產(chǎn)生同頻干擾，用戶服務(wù)質(zhì)量將受到較大影響，系統(tǒng)容量也隨之降低。因此，設(shè)計(jì)合理抑制用戶間干擾的資源分配方法是實(shí)現(xiàn)D2D通信的關(guān)鍵。

目前全雙工D2D頻譜資源分配方法主要有：

AliS和Nandana Rajatheva等人在文獻(xiàn)Effect of Interference of Full-Duplex Transmissions in Underlay Device-to-DeviceCommunication[C].IEEE 14th Canadian Workshop on Information Theory(CWIT),2015:54-57中提出了一種多個(gè)D2D對(duì)復(fù)用單個(gè)蜂窩用戶資源的方案，其以最大化蜂窩系統(tǒng)中D2D用戶數(shù)量為目標(biāo)，但是該方案并未涉及D2D用戶間的同頻干擾，與實(shí)際場(chǎng)景相差較大。

之后，Xiaomeng Chai等人在文獻(xiàn)Throughput Improvement in Cellular Networks Via Full-Duplexbased Device-to-Device Communications[C].IEEE Access,Year:2016,Volume:PP,Issue:99中提出了一種蜂窩鏈路動(dòng)態(tài)保護(hù)機(jī)制，該機(jī)制提前設(shè)置蜂窩通信保護(hù)區(qū)域，在引入全雙工D2D通信的同時(shí)，有效地保證了蜂窩用戶的服務(wù)質(zhì)量,提高了頻譜利用率，但是該系統(tǒng)只考慮一對(duì)D2D用戶與一個(gè)蜂窩用戶存在的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是多D2D用戶對(duì)和多個(gè)蜂窩用戶同時(shí)存在的的全雙工D2D通信資源分配，具有高吞吐量低復(fù)雜度特點(diǎn)。

本發(fā)明一種全雙工D2D通信資源分配方法，包括：

確定能被多個(gè)D2D用戶對(duì)復(fù)用的多個(gè)蜂窩信道資源；

將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所有用戶的信干噪比與基站分別為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值進(jìn)行對(duì)比，確定能夠參與頻譜資源復(fù)用的蜂窩用戶與D2D用戶數(shù)量；

使用二分圖原理，如果蜂窩用戶和D2D用戶之間可以進(jìn)行頻譜資源共享，則將它們之間進(jìn)行連線，分別遍歷可參與資源復(fù)用的蜂窩用戶集合和D2D用戶集合，完成二分圖構(gòu)建；

為二分圖中連接邊數(shù)最少的D2D用戶進(jìn)行資源分配；

將已經(jīng)完成資源匹配的蜂窩用戶與D2D用戶分別移出蜂窩用戶與D2D用戶集合，直到兩個(gè)集合之一為空集，則完成蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源匹配。

本發(fā)明一種全雙工D2D通信資源分配裝置，包括：

蜂窩信道資源確定單元，用于確定能被多個(gè)D2D用戶對(duì)復(fù)用的多個(gè)蜂窩信道資源；

用戶初選單元，用于將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所有用戶的信干噪比與基站分別為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值進(jìn)行對(duì)比，確定能夠參與頻譜資源復(fù)用的蜂窩用戶與D2D用戶數(shù)量；

二分圖構(gòu)建單元，如果蜂窩用戶和D2D用戶之間可以進(jìn)行頻譜資源共享，則將它們之間進(jìn)行連線，分別遍歷可參與資源復(fù)用的蜂窩用戶集合和D2D用戶集合，完成二分圖構(gòu)建；

用戶資源分配單元，用于為二分圖中連接邊數(shù)最少的D2D用戶進(jìn)行資源分配；

用戶管理單元，將已經(jīng)完成資源匹配的蜂窩用戶與D2D用戶分別移出蜂窩用戶與D2D用戶集合，直到二分圖兩個(gè)集合之一為空集，則完成蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源匹配。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所有用戶的信干噪比與基站分別為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的用戶進(jìn)行初選，如果蜂窩用戶和D2D用戶之間可以進(jìn)行頻譜資源共享則構(gòu)建蜂窩用戶集合和D2D用戶集合的二分圖，為二分圖中連接邊數(shù)最少的D2D用戶進(jìn)行資源分配，采用本發(fā)明可以在多D2D用戶對(duì)和多個(gè)蜂窩用戶同時(shí)存在的系統(tǒng)中，提高吞吐量降低復(fù)雜度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明全雙工D2D通信資源分配方法優(yōu)選實(shí)施例流程示意圖；

圖2是本發(fā)明D2D復(fù)用蜂窩上行資源的系統(tǒng)模型示意圖；

圖3是本發(fā)明D2D資源分配的二分圖模型；

圖4是本發(fā)明全雙工D2D通信資源分配裝置優(yōu)選實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)最優(yōu)匹配算法復(fù)雜度對(duì)比圖；

圖6是本發(fā)明與最優(yōu)匹配算法、隨機(jī)匹配算法性能對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1描述了本發(fā)明本發(fā)明全雙工D2D通信資源分配方法優(yōu)選實(shí)施例流程示意圖。

確定能被多個(gè)D2D用戶對(duì)復(fù)用的多個(gè)蜂窩信道資源；

優(yōu)選地，多個(gè)蜂窩信道資源是根據(jù)獲取到的多個(gè)D2D發(fā)送端和蜂窩用戶各自的QoS需求和收到的干擾確定的。

基站端通過(guò)公共控制信道獲取關(guān)于蜂窩用戶和D2D用戶對(duì)的位置信息，并形成蜂窩用戶集合C和D2D集合D；所述D2D用戶對(duì)包括D2D發(fā)送端和D2D接收端，D2D發(fā)送端和D2D接收端之間以全雙工通信模式復(fù)用蜂窩上行資源，蜂窩用戶通過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā)通信。

D2D發(fā)送端和蜂窩用戶通過(guò)公共控制信道將各自的服務(wù)質(zhì)量QoS需求和收到的干擾上報(bào)給基站，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中各用戶的信干噪比與基站分別為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值進(jìn)行對(duì)比，確定能夠參與頻譜資源復(fù)用的蜂窩用戶與D2D用戶數(shù)量；

優(yōu)選地，具體包括：

將蜂窩用戶的信干噪比與基站為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值進(jìn)行對(duì)比，如果該蜂窩用戶的信干噪比大于等于基站為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值，則確定能夠參與頻譜資源復(fù)用的蜂窩用戶；

將D2D用戶的信干噪比與基站為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值進(jìn)行對(duì)比，如果該D2D用戶的信干噪比大于等于基站為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值，則確定能夠參與頻譜資源復(fù)用的D2D用戶；

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中用戶(蜂窩用戶和D2D用戶)的信干噪計(jì)算采用本領(lǐng)域常用方式，不再詳述。基站為蜂窩用戶設(shè)定的信干噪比門限值為γ_c,thes，基站為蜂窩用戶設(shè)定的信干噪比門限值為γ_D2D,thes，見(jiàn)下文所述。

使用二分圖原理，如果蜂窩用戶和D2D用戶之間可以進(jìn)行頻譜資源共享，則將它們之間進(jìn)行連線。分別遍歷可參與資源復(fù)用的蜂窩用戶集合和D2D用戶集合，完成二分圖構(gòu)建；

根據(jù)二分圖中D2D用戶與蜂窩用戶的對(duì)應(yīng)連線關(guān)系，將與第i個(gè)D2D用戶所連接的總邊數(shù)記為S_i；同理，根據(jù)蜂窩用戶與D2D用戶的對(duì)應(yīng)連線關(guān)系，將與第j個(gè)蜂窩用戶所連接的總邊數(shù)記為T_j；

作為實(shí)例，如圖3所舉例的二分圖模型中S₁＝2，S_M＝2，T₁＝2，T_N＝2；

將上述所有D2D用戶的S_i(i＝1,2,…,N)數(shù)值依次升序排列I＝{I₁,I₂,...}；

優(yōu)先為二分圖中連接邊數(shù)最少的D2D用戶進(jìn)行資源分配；

優(yōu)選地，在挑選蜂窩用戶與該D2D用戶進(jìn)行資源匹配時(shí)需遵循兩個(gè)原則：1.挑選與此對(duì)D2D用戶之間存在連線的蜂窩用戶；2.該蜂窩用戶的連線數(shù)T_j最??；因此，首先為集合I中的第一對(duì)D2D用戶(即第一個(gè)元素I₁)進(jìn)行資源分配，選出一個(gè)(記為第j′個(gè))蜂窩用戶的頻譜資源能被該對(duì)D2D用戶進(jìn)行匹配且其資源能被數(shù)量最少D2D用戶復(fù)用(即T_j′數(shù)值最小)，即完成一次資源匹配；

優(yōu)選地，D2D用戶對(duì)以全雙工通信模式復(fù)用蜂窩上行資源。

將已經(jīng)完成資源匹配的蜂窩用戶與D2D用戶分別移出集合C與D，繼續(xù)按照優(yōu)先為二分圖中連接邊數(shù)最少的D2D用戶進(jìn)行資源分配，直到集合C或者集合D中的某一個(gè)成為空集，則停止資源匹配；

根據(jù)香農(nóng)公式，計(jì)算出此時(shí)蜂窩系統(tǒng)的總吞吐量，用式(1)表示如下：

(1)式中，B為蜂窩系統(tǒng)的帶寬；v_i,j為資源分配系數(shù)，定義如下

(1)式中，定義為參與資源共享的蜂窩用戶信干噪比，即

為第j個(gè)蜂窩用戶的發(fā)射功率，為蜂窩用戶與基站之間的鏈路增益，N₀高斯白噪聲功率，為第i對(duì)D2D鏈路中第l個(gè)D2D用戶的發(fā)射功率，為第i對(duì)D2D用戶中第l個(gè)D2D用戶與基站之間的鏈路增益，γ_c,thes為基站為蜂窩用戶設(shè)定的信干噪比門限；根據(jù)上述所述可知

(1)式中，定義為D2D用戶信干噪比，即

定義為第i對(duì)D2D用戶中第z(z∈{1,2},z≠l)個(gè)D2D用戶的發(fā)射功率，g_i為第i對(duì)D2D用戶之間的鏈路增益SI_i,l為第i對(duì)D2D用戶中第l個(gè)D2D用戶的自干擾，為j個(gè)蜂窩用戶對(duì)第i對(duì)D2D用戶中第l個(gè)D2D用戶的干擾功率；γ_D2D,thes為基站為D2D用戶設(shè)定的信干噪比門限；根據(jù)上文所述可知

(1)式中，為定義未被共享資源的蜂窩用戶的信噪比吞吐量，即

本發(fā)明一種全雙工D2D通信資源分配裝置，如圖4所示，包括：

蜂窩信道資源確定單元，用于確定能被多個(gè)D2D用戶對(duì)復(fù)用的多個(gè)蜂窩信道資源；

用戶初選單元，用于將蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所有用戶的信干噪比與基站分別為該用戶設(shè)定的信干噪比門限值進(jìn)行對(duì)比，確定能夠參與頻譜資源復(fù)用的蜂窩用戶與D2D用戶數(shù)量；

二分圖構(gòu)建單元，如果蜂窩用戶和D2D用戶之間可以進(jìn)行頻譜資源共享，則將它們之間進(jìn)行連線，分別遍歷可參與資源復(fù)用的蜂窩用戶集合和D2D用戶集合，完成二分圖構(gòu)建；

用戶資源分配單元，用于為二分圖中連接邊數(shù)最少的D2D用戶進(jìn)行資源分配；

用戶管理單元，將已經(jīng)完成資源匹配的蜂窩用戶與D2D用戶分別移出蜂窩用戶與D2D用戶集合，直到二分圖兩個(gè)集合之一為空集，則完成蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源匹配。

本發(fā)明全雙工D2D通信資源分配裝置各個(gè)部件的實(shí)施方式可以參考上文全雙工D2D通信資源分配方法的相關(guān)部分，不再贅述。

圖2本發(fā)明D2D復(fù)用蜂窩上行資源的系統(tǒng)模型示意圖，假設(shè)在單個(gè)小區(qū)內(nèi)(圖中圓圈表示的小區(qū))，基站BS位于小區(qū)中心，小區(qū)內(nèi)有N個(gè)蜂窩用戶和M對(duì)D2D用戶，定義蜂窩用戶集合為C＝{CUE₁,CUE₂,...,CUE_N}，D2D集合為D＝{D2D₁,D2D₂,...,D2D_M}，圖中D1、D2用戶對(duì)表示為D₁、D₂。蜂窩用戶通過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā)通信，D2D用戶以全雙工通信模式復(fù)用蜂窩上行資源。

圖3本發(fā)明本發(fā)明D2D資源分配的二分圖模型。將該系統(tǒng)看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)加權(quán)的無(wú)向二分圖G＝(V₁,V₂,W)來(lái)表示蜂窩用戶和D2D對(duì)之間的關(guān)系。頂點(diǎn)集V₁＝(x₁,x₂,…,x_m)表示D2D用戶對(duì)的集合，頂點(diǎn)集合V₂＝(y₁,y₂,…,y_n)表示蜂窩用戶的集合，邊權(quán)集和為W。如果蜂窩用戶與D2D用戶共享同一信道，則在頂點(diǎn)集V₁、V₂分別取兩個(gè)元素形成一個(gè)映射，在圖中將這兩點(diǎn)連接一條直線，這條連線的邊權(quán)w(x_i,y_j)∈W表示蜂窩用戶y_j與D2D用戶對(duì)x_i共享信道資源時(shí)的吞吐量之和，即：w(x_i,y_j)＝R_i,j。遍歷操作得到二分圖。若D2D用戶對(duì)x_i與蜂窩用戶y_j共享信道資源時(shí)，基站不能正常接收到蜂窩用戶的信號(hào)且D2D用戶無(wú)法正常通信，即不滿足和則其邊權(quán)為0。

圖5是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)最優(yōu)匹配算法復(fù)雜度對(duì)比圖，從圖可以看出，在系統(tǒng)用戶個(gè)數(shù)為10時(shí)，本發(fā)明算法與現(xiàn)有最優(yōu)匹配算法有兩個(gè)數(shù)量級(jí)的復(fù)雜度降低。與傳統(tǒng)最優(yōu)匹配方法相比，本方法在系統(tǒng)性能略有損失如圖6所示，而算法復(fù)雜度由Ο(M+N)³降低至Ο(M+N)。

圖6描述了本發(fā)明與最優(yōu)匹配算法和隨機(jī)匹配算法性能對(duì)比圖，展示了自干擾消除值對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響。

從圖6中得知，系統(tǒng)帶寬為10MHz，蜂窩系統(tǒng)中有10個(gè)蜂窩用戶，8對(duì)D2D用戶，蜂窩用戶信干噪比門限值γ_c,thes＝2dB，D2D用戶信干噪比門限值γ_D2D,thes＝0dB?？梢钥闯觯到y(tǒng)的吞吐量隨自干擾值消除值的增大而增大。在自干擾消除值為110dB時(shí)，本發(fā)明算法與現(xiàn)有最優(yōu)匹配算法有5.5％的吞吐量損失。本發(fā)明算法與現(xiàn)有隨機(jī)匹配算法有6.3％量的吞吐量增益。

由以上本發(fā)明所述可以看出，本發(fā)明所提供的用于全雙工D2D通信資源分配的方法和裝置，可以在多D2D用戶對(duì)和多個(gè)蜂窩用戶同時(shí)存在的系統(tǒng)中，提高吞吐量降低復(fù)雜度。

以上所舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所舉實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。