[发明专利]LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法

权利要求书

1.LTE-A网络中D2D模式选择与资源分配方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤S1，先建立系统模型，在考虑LTE-A网络内原有CUE最小SINR需求的情况下，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解；

步骤S2，随后分别求出蜂窝模式与复用模式下DUE的最优发射功率；

步骤S3，最后采用基于干扰限制的DUE模式选择及信道资源分配方法，以实现网络吞吐量的最大化并提升网络频谱利用率；

所述步骤S1中，建立系统模型的过程是：

小区半径为R，网络内M个CUE与N个DUE共存，分别使用集合C＝[1,L,M]与D＝[1,L,N]表示，eNB能够获取覆盖范围内所有通信链路的瞬时信道状态信息，确定网络内所有通信链路的信道系数；信道系数中的DUE通信链路的信道系数在DUE接收端完成评估，随后经由控制信道反馈给eNB；其中，DUE包含蜂窝模式与复用模式；在所述蜂窝模式下假定eNB能够控制它本身的发射功率，使得为DUE_j上行链路与下行链路的信噪比，DUE_j表示第j个DUE；

所述步骤S1中，将D2D模式选择与资源分配问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为DUE功率控制与DUE模式选择和信道资源分配两个子问题进行求解的具体方法是：

步骤S101：定义x＝{x^CD,x^RD}表示DUE模式选择与信道资源分配矩阵，x^CD表示蜂窝模式N维指示向量，当指示向量中的元素时，表示DUE_j使用所述蜂窝模式进行通信，其他情况下x^RD表示复用模式N×M维信道资源分配矩阵，当信道资源分配矩阵中的元素时表示DUE_j复用CUE_i信道资源通信，其他情况下定义p＝{p^CD,p^RD}，表示功率控制矩阵，其中p^CD和p^RD的维数分别与所述x^CD和x^RD的维数相同，代表D2D传输模式下的发射功率；

步骤S102：将所述D2D模式选择与资源分配问题转化为如下混合整数非线性规划问题：

其中，

其中，W表示信道带宽，表示DUE_j与CUE_i的SINR，CUE_i指第i个CUE；的含义是CUE_i的SNR，表示所述复用模式下DUE_j复用CUE_i信道资源时的发射功率；P_max定义为DUE最大发射功率，定义为CUE最小SINR需求，约束条件(10b)保证DUE的发射功率不能超过设定的阈值；约束条件(10c)保证CUE的SINR通信需求；约束条件(10d)保证了每个DUE最多只能复用一个CUE的信道资源；

步骤S103：所述优化问题(10)进一步转化为：

其中，

λ表示蜂窝模式下DUE_j发射功率的最优解；μ表示复用模式下，DUE_j复用CUE_i信道资源时发射功率的最优解；γ表示当没有DUE与CUE_i复用信道资源时，CUE_i的吞吐量；表示CUE_i的吞吐量；

所述步骤S2按照以下步骤进行：

步骤S201：通过所述公式(11a)能够得到，蜂窝模式下DUE_j最优发射功率为：

步骤S202：考虑DUE_j单独复用CUE_i信道资源，吞吐量最大的最优发射功率为：

其中，表示DUE_j与CUE_i吞吐量的和，表示DUE_j复用CUE_i的信道资源时DUE_j的SINR，表示DUE_j复用CUE_i的信道资源时CUE_i的SINR，

表示所述复用模式下DUE_j复用CUE_i信道资源时的发射功率；

表示DUE_j发射端到DUE_j接收端的信道系数；

表示噪声功率；

p^c表示CUE发射功率，是一个常数；

表示CUE_i到DUE_j接收端的信道系数；

表示CUE_i到eNB的信道系数；

表示DUEj与eNB间的信道系数；

同时需要满足以下约束条件：

步骤S203：对所述约束条件(12b)进一步整理有：

结合所述条件(12a)能够得到：

其中，表示DUE的最大发射功率限制条件；

步骤S204：优化公式(12)转化为函数在区间上的极值问题，对函数求一阶偏导数可得：

其中

步骤S205：公式(13)进一步化简可得：

其中，由于所述公式(14)分母大于等于0恒成立；因此，当4(U₄)²-4V₄0时，公式(14)分子在区间上单调递增，DUE_j发射功率的最优解为当4(U₄)²-4V₄≥0时，DUE_j发射功率的最优解表示为：

其中表示在区间上的投影；

所述步骤S3，基于干扰限制的DUE模式选择与信道资源分配方法的步骤为：

步骤S301：系统初始化，M_i＝D,j∈D；

α_i表示复用CUE_i上行信道资源的所有DUE所组成的集合，CUE_i为第i个蜂窝用户设备CUE；

根据优化问题(12)得到DUE最优发射功率及函数的值，其中M_i无具体含义，为符号变量，指示步骤S3何时结束；

步骤S302：计算的最优解，找到与之相对应的和i*和j*表示公式的最优解，和分别表示第i*个CUE和第j*个DUE；

步骤S303：计算此时CUE i^*的SINR是否高于设置的SINR门限，即计算是否成立，若成立执行步骤S304，否则执行步骤S305；

步骤S304：允许复用的信道资源，选择所述复用模式通信，并设置M_i＝M_i\{j^*},将元素j^*从集合M_i中删除；将元素j^*添加到集合中；

步骤S305：拒绝复用的信道资源，选用所述蜂窝模式通信，并设置将元素j^*从集合M_i中删除；

步骤S306：重复执行步骤S302、S303、S304及S305，直到集合

步骤S307：返回j∈D的值，得到DUE模式选择及信道资源分配的结果。