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CN105704721B - 一种提高频谱利用率的d2d-p复用蜂窝网络通信方法 - Google Patents

一种提高频谱利用率的d2d-p复用蜂窝网络通信方法 Download PDF

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CN105704721B CN201610019020.2A CN201610019020A CN105704721B CN 105704721 B CN105704721 B CN 105704721B CN 201610019020 A CN201610019020 A CN 201610019020A CN 105704721 B CN105704721 B CN 105704721B
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Abstract

本发明涉及一种提高频谱利用率的D2D‑P复用蜂窝网络通信方法，包括以下步骤：S1，建立蜂窝网络；S2，根据Hk,m，利用干扰对齐法，求得各D2D‑Pm的N行、d列预编码矩阵Fm的解集；S3，计算D2D‑Pm对CUk的干扰矩阵Hk,mFm，设计正交于Hk,mFm的N行、d列的蜂窝用户后置编码矩阵Wk；S4，利用基于最小化均方误差的干扰对齐法，求得所有D2D‑Pm的发射机预编码矩阵Fm和接收机后置编码矩阵Gm，并进行通信；S5，设置D2D‑Pm的SINR阈值ωth，判决D2D‑Pm是否接入蜂窝网络；S6，采用改进的注水功率分配法对所有D2D‑Pm分配发送功率；S7，根据步骤S2～S6的结果，进行通信。与现有技术相比，本发明将D2D‑P对蜂窝用户的干扰对齐到蜂窝用户处，保证了蜂窝用户的通信优先级，控制了D2D‑P之间的相互干扰，提高了D2D‑P和速率。

Description

一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法
技术领域
本发明涉及一种蜂窝网络通信方法，尤其是涉及一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法。
背景技术
随着无线通信的快速发展，如何在有限的频谱资源的情况下，最大化的利用频谱资源，一直是研究的热点。在蜂窝网络中，将设备对设备用户对(D2D-P)加入到蜂窝网络中复用其频谱资源，能提高频谱利用率，但会对蜂窝用户带来不可避免的干扰，影响蜂窝用户传输速率等性能指标。
针对蜂窝网络频谱资源利用率不高及D2D-P对蜂窝网络造成干扰等问题，DaquanFeng等人(Daquan Feng,Lu Lu,Yi Yuan-Wu,Geoffrey Ye Li,Gang Feng,ShaoqianLi.Device-to-Device Communications Underlaying Cellular Networks,IEEETRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS，VOL.61,NO.8,pp.3541-3551,AUGUST 2013)提出如下方法：通过事先设定阈值，选择符合要求的D2D-P，然后采用将功率分配给潜在的蜂窝用户和符合要求的D2D-P，最后，在潜在的蜂窝用户中挑选合适的用户与符合要求的D2D-P配合，通过选择合适范围的D2D-P、蜂窝网络覆盖范围、活跃的蜂窝用户和D2D-P的数目，最大化系统的吞吐量增益及访问速率。此种方法限于蜂窝网络上行链路中，只保证了部分蜂窝用户的通信需求，没有具体的消除D2D-P加入蜂窝网络带来的干扰等。
Lu Yang等人(Lu Yang,Wei Zhang,Shi Jin,“Interference Alignment inDevice-to-Device LAN Underlaying Cellular Networks”,IEEE TRANSACTIONS ONWIRELESS COMMUICATIONS,VOL.14,NO.7,PP.3715-3723,JULY,2015.)采用干扰对齐算法，解决D2D-P复用频谱资源造成的干扰，方法如下：(1)当基站的上行链路没有完全被蜂窝用户占据时，将D2D-P对蜂窝用户的干扰对齐到这些空闲链路中，从而使蜂窝用户免于干扰；(2)当基站上行链路被完全占据时，D2D-P能占据部分上行链路，此时设置干扰阈值，将占据的链路干扰控制在阈值之下，以此来控制对蜂窝用户的干扰。此方法虽然消除了D2D-P对蜂窝用户通信链路的干扰，但当蜂窝用户较多时，D2D-P造成的干扰不能完全消除，且接入后的D2D-P数量及其传输速率等性能指标没有考虑，只考虑了D2D-P接入蜂窝网络的中断概率。
Jiamo Jiang等人(Jiamo Jiang,Mugen Peng,Wenbo Wang,Kecheng Zhang,”Energy efficiency optimization based on interference alignment for device-todevice MIMO downlink underlaying cellular network”,IEEE Globecom2013Workshop-International Workshop on Device-to-Device(D2D)Commnication Withand Without Infrastructure,PP.585-590,2013.)运用干扰对齐算法消除蜂窝网络下行链路干扰，方法如下：先采用了编码技术消除D2D-P加入蜂窝网络带来的干扰。然后使用干扰对齐算法将蜂窝用户之间的干扰对齐到特定的信号维度，保证蜂窝用户之间不受干扰；最后，优化后置编码与线性预编码，最大化D2D-P的能量效率。考虑到了D2D-P加入蜂窝网络所带来的干扰及蜂窝用户之间的干扰，但D2D-P通信指标如吞吐量，误比特率等性能指标没有考虑。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种干扰低、D2D-P和速率高的提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立蜂窝网络，所述的蜂窝网络包括蜂窝基站、K个蜂窝用户CUk以及M对设备用户对D2D-Pm，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，所述的D2D-Pm包括发射机和接收机，所述的蜂窝用户、发射机和接收机均分别设有N个发射天线数和N个接收天线数，发射机向接收机发送的信号向量Zm为d行、1列，D2D-Pm到CUk的信道矩阵Hk,m为N行、N列；
S2，根据Hk,m，利用干扰对齐法，求得各D2D-Pm的N行、d列预编码矩阵Fm的解集；
S3，计算各D2D-Pm对CUk的干扰矩阵Hk,mFm，设计正交于Hk,mFm的N行、d列的蜂窝用户后置编码矩阵Wk，k＝1,2,…,K；
S4，利用基于最小化均方误差的干扰对齐法，求得所有D2D-P m的发射机预编码矩阵Fm和接收机后置编码矩阵Gm，并进行蜂窝网络通信，以获取各蜂窝用户CUk的信干噪比(SINR)；
S5，设置D2D-Pm的SINR阈值ωth，若D2D-Pm的SINR小于ωth，则将该D2D-Pm接入蜂窝网络并设置βm值为1，否则设置βm值为0；
S6，根据发射机预编码矩阵Fm和βm，利用改进的注水功率分配法对所有D2D-Pm分配发送功率Pm；
S7，根据步骤S2～S6的矩阵计算结果及功率分配结果，进行蜂窝网络通信。
所述的步骤S2具体为：将所有的D2D-Pm对CUk的干扰矩阵Hk,mFm对齐到该CUk接收端的同一信号子空间上，具体如下式：
span(Hk,1F1)＝...＝span(Hk,mFm)＝...＝span(Hk,MFM)
其中，k＝1,2,…,K，span(A)表示矩阵A列向量张成的子空间。
所述的步骤S4具体包括以下步骤：
S41，计算接收机接收到的经发射机预编码矩阵Fm处理的信号电平Sm，以及Sm经接收机后置编码矩阵Gm处理后得到的信号电平
S42，定义所有D2D-Pm的信号电平均方误差和εMSE如下：
利用拉格朗日乘数法求解如下所示优化问题：
其中，E{·}表示数学期望，||X||2表示矩阵X的范数平方，表示矩阵X的F范数，Pm为D2D-Pm发送功率，P为所有的D2D-P总发送功率。
所述的步骤S41中，经发射机预编码矩阵Fm处理过的信号电平Sm具体计算如下式：
其中，Pm是D2D-Pm发射机的发送功率，Hm,m为D2D-Pm发射机到接收机的N行、N列信道矩阵，Hm,j为D2D-Pj发射机到D2D-Pm接收机的N行、N列信道矩阵，nm为D2D-Pm接收机接收到的环境噪声。
所述的步骤S42具体包括以下步骤：
S420，引入拉格朗日乘数λm，得到拉格朗日函数：
其中，εMSE见S42的定义。
S421，分别对拉格朗日函数中Gm、Fm求偏导数，并令偏导数为零，得到等式(1)(2)：
其中，m＝1,2,…,M，σ2为环境噪声nm的方差，且E{nmnm H}＝σ2I，I为N阶单位矩阵；
S422，初始化预编码矩阵Fm为随机矩阵，得到N行、d列的随机矩阵；
S423，通过式(2)计算得到后置编码矩阵Gm；
S424，将式(1)代入功率限制条件求得λm(λm≥0)，把λm代入式(1)，更新Fm；
S425，计算均方误差和εMSE；
S426，重复步骤S423～S425，直至εMSE收敛，得到Gm和Fm。
所述的S5中，D2D-Pm通信SINR阈值ωth为：参与通信的蜂窝用户测量本地接收信号的信干噪比SINR，并通过反馈信道发给蜂窝基站，由蜂窝基站将其中最小的SINR设为D2D-P通信SINR阈值ωth。本地接收信号包括了所有D2D-P对蜂窝用户的干扰，还有基站发送给所有蜂窝用户的信号；某个蜂窝用户会收到基站发送给所有蜂窝用户的信号，其中包含期望信号和非期望信号，非期望信号视为干扰。
所述的S6中，所述改进的注水功率分配法求解D2D-Pm发送功率Pm的计算方法为：
Pm＝βm(μ/γm-1)+
其中，μ为注水的水平，满足γm为D2D-Pm的信道增益，P为所有的D2D-P总发送功率，函数(x)+＝max(x,0)表示取实数x和0中的较大值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)将D2D-P对蜂窝用户的干扰对齐到蜂窝用户处，采用后置编码技术消除D2D-P对蜂窝用户的干扰，保证了蜂窝用户的通信优先级。
(2)采用基于最小化均方误差干扰对齐技术，处理D2D-P之间的干扰，计算出最小化D2D-P均方误差的编码矩阵，控制了D2D-P之间的相互干扰。
(3)通过硬判决函数判断D2D-P是否接入蜂窝网络，利用改进的注水功率分配法，对加入网络的D2D-Pm分配发送功率Pm，提高了D2D-P和速率。
附图说明
图1为本发明蜂窝网络下蜂窝用户与设备用户共存干扰示意图；
图2为本发明整体流程图；
图3为本发明方法详细流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
图1为蜂窝网络中设备对设备用户对与蜂窝用户共存的示意图，该网络包含一个蜂窝基站，基站为LTE-A(Long Term Evolution-Advanced，长期演进升级版)标准的演进型基站(evolved NodeBs)，且全面覆盖蜂窝用户和设备对设备用户对。在其覆盖范围内，随机分布着K个蜂窝用户和M对D2D-P，其中，D2D-P分为发射机和接收机。设定蜂窝用户、D2D-P发射天线数、接收天线数均为2，蜂窝基站覆盖范围内有2个蜂窝用户及2对D2D-P，D2D-P与蜂窝用户都能获得完整的信道状态信息。
图2为一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法流程图，包括以下步骤：
S1，建立蜂窝网络，所述的蜂窝网络包括蜂窝基站、K个蜂窝用户CUk以及M对设备用户对D2D-Pm，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，所述的D2D-Pm包括发射机和接收机，蜂窝用户、发射机和接收机的发射天线数均为N、接收天线数均为N，发射机向接收机发送的信号向量为d行、1列的Zm，D2D-Pm到CUk的信道矩阵为N行、N列的Hk,m；
S2，根据Hk,m，利用干扰对齐法，求得各D2D-Pm的N行、d列预编码矩阵Fm的解集；
S3，计算D2D-Pm对CUk的干扰矩阵Hk,mFm，设计正交于Hk,mFm的N行、d列的蜂窝用户后置编码矩阵Wk；
S4，利用基于最小化均方误差的干扰对齐法，求得所有D2D-P m的发射机预编码矩阵Fm和接收机后置编码矩阵Gm，启动蜂窝网络进行通信；
S5，设置D2D-Pm的SINR阈值ωth，若D2D-Pm的SINR小于ωth，则将该D2D-Pm接入蜂窝网络；设置βm表示D2D-Pm是否接入蜂窝网络，接入则βm值为1，否则βm值为0；
S6，根据发射机预编码矩阵Fm和βm，利用改进的注水功率分配法对所有D2D-Pm分配发送功率Pm；
S7，根据步骤S2～S6的矩阵计算结果及功率分配结果，进行蜂窝网络通信。
所述的步骤S2具体为：将所有的D2D-Pm对CUk的干扰矩阵Hk,mFm对齐到该CUk接收端的同一信号子空间上，具体如下式：
span(Hk,1F1)＝...＝span(Hk,mFm)＝...＝span(Hk,MFM)
其中，k＝1,2,…,K，span(A)表示矩阵A列向量张成的子空间。
所述的步骤S4具体包括以下步骤：
S41，计算接收机接收到的经发射机预编码矩阵Fm处理的信号电平Sm以及经接收机后置编码矩阵Gm处理的信号电平
S42，定义所有D2D-Pm的信号电平均方误差和εMSE如下：
利用拉格朗日乘数法求解如下所示优化问题：
其中，E表示期望，表示矩阵X的F范数，Pm为D2D-Pm发送功率，P为所有的D2D-P总发送功率。
所述的步骤S41中，经发射机预编码矩阵Fm处理过的信号电平Sm具体计算如下式：
其中，Pm是D2D-Pm发射机的发送功率，Hm,m为D2D-Pm发射机到接收机的N行、N列信道矩阵，Hm,j为D2D-Pj发射机到D2D-Pm接收机的N行、N列信道矩阵，nm为D2D-Pm接收机接收到的环境噪声。
所述的步骤S42具体包括以下步骤：
S420，引入拉格朗日乘数λm，得到拉格朗日函数：
其中，εMSE见S42的定义。
S421，分别对拉格朗日函数中Gm、Fm求偏导数，并令偏导数为零，得到等式(1)(2)：
其中，m＝1,2,…,M，σ2为环境噪声nm的方差，且E{nmnm H}＝σ2I，I为N阶单位矩阵；
S422，初始化预编码矩阵Fm为随机矩阵，得到N行、d列的随机矩阵；
S423，通过式(2)计算得到后置编码矩阵Gm；
S424，将式(1)代入功率限制条件求得λm，λm≥0，把λm代入式(1)，更新Fm；
S425，计算均方误差和εMSE；
S426，重复步骤S423～S425，直至εMSE收敛，得到Gm和Fm。
所述的S5中，D2D-Pm通信SINR阈值ωth为：参与通信的蜂窝用户测量本地接收信号的信干噪比SINR，并通过反馈信道发给蜂窝基站，由蜂窝基站将其中最小的SINR设为D2D-P通信阈值ωth，本地接收信号包括了所有D2D-P对蜂窝用户的干扰，还有基站发送给所有蜂窝用户的信号；某个蜂窝用户会收到基站发送给所有蜂窝用户的信号，其中包含期望信号和非期望信号，非期望信号视为干扰。
所述的S6中，Pm计算式为：
Pm＝βm(μ/γm-1)+
其中，μ为注水的水平，满足γm为D2D-Pm的信道增益，P为所有的D2D-P总发送功率，函数(x)+＝max(x,0)表示取实数x和0中的较大值。
将该通信方法应用到图1所示的蜂窝网络，步骤如下：
(1)设定通信场景中有一个蜂窝基站(BS0)，2个蜂窝用户(CU1、CU2)及2对D2D-P；
蜂窝用户、D2D-P均采用多天线，蜂窝用户、D2D-P的发射、接收天线数均设为2；
D2D-Pm中发射机发送到接收机的信号向量为2行、1列的矩阵Zm，m＝1或2；
(2)记D2D-Pm到CUk(k＝1或2)的信道矩阵为2行、2列的Hk,m，D2D-Pm上的预编码矩阵为2行、2列的Fm。将D2D-Pm(m＝1,2)对CUk的干扰Hk,mFm对齐到CUk接收端的同一信号子空间上，如下所示：
span(H1,1F1)＝span(H1,2F2)
span(H2,1F1)＝span(H2,2F2)
其中，span(A)表示矩阵A列向量扩充的子空间；由上述的二个约束条件即可求得Fm的解集；
(3)记CUk(k＝1或2)接收信号的后置编码矩阵为2行、2列的Wk。设计后置编码矩阵Wk正交于D2D-Pm对CUk的干扰信道矩阵Hk,mFm(m＝1或2)，如下所示：
Wk＝Null(Hk,mFm),m＝1,2
其中，B＝Null(A)，表示矩阵B正交于矩阵A；
(4)记D2D-Pm接收端的后置编码矩阵为2行、2列的Gm。采用基于最小化均方误差干扰对齐算法，得到最小化D2D-Pm(m＝1或2)均方误差的后置编码矩阵G1，G2和预编码矩阵F1，F2，步骤如下所示：
a、分别对拉格朗日函数中Gm、Fm(m＝1或2)求偏导数，并令它们的偏导数为零，得到等式(1)(2)：
其中，m＝1或2，σ2为环境噪声nm的方差；
b、初始化预编码矩阵Fm为2行、2列的随机矩阵；
c、通过公式(2)计算得到后置编码矩阵Gm；
d、将(1)式代入功率限制条件求得λm(λm≥0)，把λm代入公式(1)，更新Fm；
e、计算均方误差εMSE；
f、重复步骤c，d、e，直至εMSE收敛，得到Gm，Fm即为所求解；
(5)根据预编码矩阵Fm(m＝1或2)，计算出D2D-P m的信道增益γm，如下所示：
(6)参与通信的蜂窝用户测量本地接收信号的信干噪比(SINR)，并通过反馈信道发给BS0，由BS0将其中最小的SINR设为D2D-P通信阈值ωth。然后采用硬判决判断D2D-Pm是否接入蜂窝网络，用符号βm表示，如下所示：
其中，SINRD2Dm表示D2D-Pm的SINR值；βm值置0，表示D2D-Pm不能接入蜂窝网络；βm值置1，表示D2D-Pm能接入蜂窝网络；
(7)根据γm和βm，按照改进的注水功率分配算法分配D2D-Pm的发送功率Pm，如下所示：
Pm＝βm(μ/γm-1)+,m＝1,2
其中，μ为注水的水平，满足函数(x)+＝max(x,0)表示取实数x和0的最大值运算。

Claims (4)

1.一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立蜂窝网络，所述的蜂窝网络包括蜂窝基站、K个蜂窝用户CUk以及M对设备对设备用户对D2D-Pm，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，所述的D2D-Pm包括发射机和接收机，所述的蜂窝用户、发射机和接收机均分别设有N个发射天线数和N个接收天线数，发射机向接收机发送的信号向量Zm为d行、1列，D2D-Pm到CUk的信道矩阵Hk,m为N行、N列；
S2，根据Hk,m，利用干扰对齐法，求得各D2D-Pm的N行、d列预编码矩阵Fm的解集，具体为：将所有的D2D-Pm对CUk的干扰矩阵Hk,mFm对齐到该CUk接收端的同一信号子空间上，具体如下式：
span(Hk,1F1)＝...＝span(Hk,mFm)＝...＝span(Hk,MFM)
其中，k＝1,2,…,K，span(A)表示矩阵A列向量张成的子空间；
S3，计算各D2D-Pm对各CUk的干扰矩阵Hk,mFm，设计正交于Hk,mFm的N行、d列的各蜂窝用户后置编码矩阵Wk；
S4，利用基于最小化均方误差的干扰对齐法，求得所有D2D-P m的发射机预编码矩阵Fm和接收机后置编码矩阵Gm，并进行蜂窝网络通信，以获取各蜂窝用户CUk的信干噪比SINR，具体包括以下步骤：
S41，计算接收机接收到的经发射机预编码矩阵Fm处理的信号电平Sm，以及Sm经接收机后置编码矩阵Gm处理后得到的信号电平
S42，定义所有D2D-Pm的信号电平均方误差和εMSE如下：
利用拉格朗日乘数法求解如下所示优化问题：
其中，E{·}表示数学期望，||X||2表示矩阵X的范数平方，表示矩阵X的F范数平方，Pm为D2D-Pm的发送功率，且满足P为所有的D2D-P总发送功率；
S5，设置D2D-Pm的SINR阈值ωth，若D2D-Pm的SINR小于ωth，则将该D2D-Pm接入蜂窝网络，并设置βm值为1，否则设置βm值为0；
S6，根据发射机预编码矩阵Fm和βm值，利用改进的注水功率分配法对所有D2D-Pm分配发送功率Pm，发送功率Pm的计算方法为：
Pm＝βm(μ/γm-1)+
其中，μ为注水的水平，满足γm为D2D-Pm的信道增益，P为所有的D2D-P总发送功率，函数(x)+＝max(x,0)表示取实数x和0中的较大值；
S7，根据步骤S2～S6的矩阵计算结果及功率分配结果，进行蜂窝网络通信。
2.根据权利要求1所述的一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S41中，经发射机预编码矩阵Fm处理过的信号电平Sm具体计算如下式：
其中，Pm是D2D-Pm发射机的发送功率，Hm,m为D2D-Pm发射机到接收机的N行、N列信道矩阵，Hm,j为D2D-Pj发射机到D2D-Pm接收机的N行、N列信道矩阵，nm为D2D-Pm接收机接收到的环境噪声。
3.根据权利要求1所述的一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法，其特征在于，所述的步骤S42具体包括以下步骤：
S420，引入拉格朗日乘数λm，得到拉格朗日函数：
其中，εMSE为信号电平均方误差和；
S421，分别对拉格朗日函数中Gm、Fm求偏导数，并令偏导数为零，得到等式(1)、(2)：
其中，m＝1,2,…,M，σ2为环境噪声nm的方差，且E{nmnm H}＝σ2I，I为N阶单位矩阵；
S422，初始化预编码矩阵Fm为随机矩阵；
S423，通过式(2)计算得到后置编码矩阵Gm；
S424，将式(1)代入功率限制条件求得λm，把λm代入式(1)，更新Fm；
S425，计算所有D2D-Pm的信号电平均方误差和εMSE；
S426，重复步骤S423～S425，直至εMSE收敛，得到Gm和Fm。
4.根据权利要求1所述的一种提高频谱利用率的D2D-P复用蜂窝网络通信方法，其特征在于，所述的S5中，D2D-Pm通信SINR阈值ωth为：参与通信的蜂窝用户测量本地接收信号的信干噪比SINR，并通过反馈信道发给蜂窝基站，由蜂窝基站将其中最小的SINR设为D2D-P通信阈值ωth。
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