一种蜂窝网络中支持全双工D2D通信的资源分配方法组成比例

本发明专利技术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。

Resource allocation method for full duplex D2D communication in cellular network

The invention provides a resource allocation method based on full duplex D2D communication in a cellular network. The introduction of full duplex cellular network (Full Duplex, FD) D2D (Device to Device) communication base station can reduce the burden, reduce energy consumption, expand the area coverage. However, the sharing of resources between D2D users and cellular users brings some co frequency interference to the system. In this paper, a resource allocation algorithm based on maximum weight matching is proposed. The algorithm can guarantee the QoS requirements of cellular users under the guarantee minimum requirements for D2D communication link, the equivalent resource allocation system of the relationship between cellular and D2D users for the vertex pairs, matching algorithm for D2D users of cellular users and between the rational allocation of radio resources by using the maximum weight in graph theory and effectively reduce the interference between cellular and D2D users, achieve fairness better, while maximizing the throughput of the system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于移动通信
，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。
技术介绍
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(FullDuplex，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)SanghoonKim和StarkW等人提出一种在全双工模式下D2D通信协议。(参考文献：SanghoonKim,StarkW.Fullduplexdevice-to-devicecommunicationincellularnetworks[C].IEEEComputing,NetworkingandCommunications(ICNC),2014InternationalConferenceonHonolulu,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)YangHan和ZhangRongqing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：HanYang,RongqingZhang,XiangCheng,LiuqingYang,Resourcesharingfordevice-to-devicecommunicationsunderlayingfull-duplexcellularnetworks[C].IEEECommunicationSystems(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.Fullduplexdevice-to-devicecommunicationincellularnetworks[C].IEEENetworksandCommunications(EuCNC),2014EuropeanConferenceonBologna.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。
技术实现思路
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。本专利技术的技术方案如下：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,…,xm)表示D2D用户对的集合，顶点集合V2＝(y1,y2,…,yn)表示蜂窝用户的集合，w(xi,yj)∈W表示边的权重即蜂窝用户yj与D2D用户对xi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(xi,yj)，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(xi,yj)＝0，否则w(xi,yj)≠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(xi,yj)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Gl，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Gl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Gl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αl＝min{l(x)+l(y)-w(x本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蜂窝网络中支持全双工D2D通信的资源分配方法,其特征在于，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用户之间预建立连接完成后，则开始为用户合理分配无线资源，从图论的角度考虑，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,…,xm)表示D2D用户对的集合，顶点集合V2＝(y1,y2,…,yn)表示蜂窝用户的集合，w(xi,yj)∈W表示边的权重即蜂窝用户yj与D2D用户对xi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。

【技术特征摘要】
1.一种蜂窝网络中支持全双工D2D通信的资源分配方法,其特征在于，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用户之间预建立连接完成后，则开始为用户合理分配无线资源，从
图论的角度考虑，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,…,xm)表示D2D用户对的集合，顶点集合V2＝(y1,
y2,…,yn)表示蜂窝用户的集合，w(xi,yj)∈W表示边的权重即蜂窝用户yj与D2D用户对xi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。
2.根据权利要求1所述的蜂窝网络中支持全双工D2D通信的资源分配方法,其特征在
于，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。
3.根据权利要求2所述的蜂窝网络中支持全双工D2D通信的资...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云，杨雄，吴广富，梁云锦，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50