一种DUE平均接入数目优化方法转让专利
申请号 : CN201711089421.6
文献号 : CN107872781B
文献日 : 2019-11-08
发明人 : 张中山 , 梁小雨 , 孙鉴
申请人 : 北京科技大学
摘要 :
本发明提供一种DUE平均接入数目优化方法，能够通过调整DUE的密度达到最大复用DUE接入数目的目的。所述方法包括：基于一个CUE和多个DUE对复用同一子信道的场景，分别获取蜂窝网络上行链路上BS处和D2D接收端处的接收信号；根据获取的上行链路上BS处的接收信号，确定蜂窝链路的信干噪比，并根据获取的D2D接收端处的接收信号，确定D2D链路接收端信号功率的信干噪比；根据得到的蜂窝链路和D2D链路接收端信号功率的信干噪比，确定在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式；根据确定的DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式，确定最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度。本发明涉及无线通信领域。
权利要求 :
1.一种DUE平均接入数目优化方法，其特征在于，包括：
基于一个CUE和多个DUE对复用同一子信道的场景，分别获取蜂窝网络上行链路上BS处和D2D接收端处的接收信号，其中，DUE接入蜂窝网络的前提是，允许DUE复用频谱资源的对象是一个已获得频谱资源，并且在正交情况下能够成功通信的CUE，CUE表示蜂窝用户设备，DUE表示D2D用户设备，BS表示基站，D2D表示端到端；
根据获取的上行链路上BS处的接收信号，确定蜂窝链路的信干噪比，并根据获取的D2D接收端处的接收信号，确定D2D链路接收端信号功率的信干噪比；
根据得到的蜂窝链路和D2D链路接收端信号功率的信干噪比，确定在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式；
根据确定的DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式，确定最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度；
其中，所述BS处的接收信号表示为：
所述D2D接收端处的接收信号表示为：
其中，yb表示BS处的接收信号，yj表示第j个D2D接收端处的接收信号，α表示路径损耗指数，xcb、xib、xcj和xij分别表示CUE和BS、第i个D2D发射端和BS、CUE和第j个D2D接收端、第i个D2D发射端和第j个D2D接收端间的距离，hcb、hib、hcj和hij分别表示CUE和BS、第i个D2D发射端和BS、CUE和第j个D2D接收端、第i个D2D发射端和第j个D2D接收端间的快衰落因子，Pc、Pd分别表示CUE和DUE的发射功率，sc和si分别表示CUE和第i个D2D发射端的发射信号，N0表示接收端的加性白高斯噪声；
其中，所述蜂窝链路的信干噪比表示为：
所述D2D链路接收端信号功率的信干噪比表示为：
其中，SINRc表示蜂窝链路的信干噪比，SINRj表示D2D链路第j个D2D接收端信号功率的信干噪比，xjj表示第j个D2D发射端到第j个D2D接收端间的距离，hjj表示第j个D2D发射端到第j个D2D接收端间信道的小尺度衰落因子，σ2表示单个子信道上的加性白高斯噪声功率，Φd表示DUE分布服从密度为λd的泊松点过程模型；
其中，在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式表示为：其中， 表示在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式； 表示在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，D2D通信平均覆盖概率；R表示以基站为中心的圆形小区的半径；erf(·)表示误差函数；r表示每一对DUE之间的距离；γc、γd分别表示蜂窝链路和D2D链路通信的信干噪比阈值。
2 2
2.根据权利要求1所述的DUE平均接入数目优化方法，其特征在于，所述σ表示为：σ＝NW；
其中，N表示加性白高斯噪声的功率谱密度，W表示子信道频谱带宽。
3.根据权利要求1所述的DUE平均接入数目优化方法，其特征在于，所述 表示为：
4.根据权利要求1所述的DUE平均接入数目优化方法，其特征在于，所述最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度为：其中， 表示最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度。
说明书 :
一种DUE平均接入数目优化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信领域，特别是指一种DUE平均接入数目优化方法。
背景技术
[0002] 当两个蜂窝用户相距很近时，就可以建立端到端(Device-to-Device，D2D)通信。当小区中的频谱资源不够用时，D2D用户设备(D2D User Equipment，DUE)能够通过复用蜂窝资源来传输数据，但是，会给蜂窝链路造成不可忽略的干扰。因此，为了使更多的DUE接入异构网络，需要均衡同频蜂窝用户设备(Cellular User Equipment，CUE)和DUE之间的干扰。
[0003] 为了缓解复用DUE给蜂窝链路带来的干扰，不同学者提出了不同的解决办法，例如，设置隔离区域。设置隔离区域的目的是避免干扰用户相距较近，但这样做会导致DUE分布不均匀，会给干扰的推导带来巨大挑战。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种DUE平均接入数目优化方法，以解决现有技术所存在的设置隔离区域会导致DUE分布不均匀，不利于干扰推导的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种DUE平均接入数目优化方法，包括：
[0006] 基于一个CUE和多个DUE对复用同一子信道的场景，分别获取蜂窝网络上行链路上BS处和D2D接收端处的接收信号，其中，DUE接入蜂窝网络的前提是，允许DUE复用频谱资源的对象是一个已获得频谱资源，并且在正交情况下能够成功通信的CUE，CUE表示蜂窝用户设备，DUE表示D2D用户设备，BS表示基站，D2D表示端到端；
[0007] 根据获取的上行链路上BS处的接收信号，确定蜂窝链路的信干噪比，并根据获取的D2D接收端处的接收信号，确定D2D链路接收端信号功率的信干噪比；
[0008] 根据得到的蜂窝链路和D2D链路接收端信号功率的信干噪比，确定在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式；
[0009] 根据确定的DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式，确定最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度。
[0010] 进一步地，所述BS处的接收信号表示为：
[0011]
[0012] 所述D2D接收端处的接收信号表示为：
[0013]
[0014] 其中，yb表示BS处的接收信号，yj表示第j个D2D接收端处的接收信号，α表示路径损耗指数，xcb、xib、xcj和xij分别表示CUE和BS、第i个D2D发射端和BS、CUE和第j个D2D接收端、第i个D2D发射端和第j个D2D接收端间的距离，hcb、hib、hcj和hij分别表示CUE和BS、第i个D2D发射端和BS、CUE和第j个D2D接收端、第i个D2D发射端和第j个D2D接收端间的快衰落因子，Pc、Pd分别表示CUE和DUE的发射功率，sc和si分别表示CUE和第i个D2D发射端的发射信号，N0表示接收端的加性白高斯噪声。
[0015] 进一步地，所述蜂窝链路的信干噪比表示为：
[0016]
[0017] 所述D2D链路接收端信号功率的信干噪比表示为：
[0018]
[0019] 其中，SINRc表示蜂窝链路的信干噪比，SINRj表示D2D链路第j个D2D接收端信号功率的信干噪比，xjj表示第j个D2D发射端到第j个D2D接收端间的距离，hjj表示第j个D2D发射端到第j个D2D接收端间信道的小尺度衰落因子，σ2表示单个子信道上的加性白高斯噪声功率，Φd表示DUE分布服从密度为λd的泊松点过程模型。
[0020] 进一步地，所述σ2表示为：σ2＝NW；
[0021] 其中，N表示加性白高斯噪声的功率谱密度，W表示子信道频谱带宽。
[0022] 进一步地，在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式表示为：
[0023]
[0024] 其中， 表示在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式； 表示在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，D2D通信平均覆盖概率；R表示以基站为中心的圆形小区的半径；erf(·)表示误差函数；r表示每一对DUE之间的距离；γc、γd分别表示蜂窝链路和D2D链路通信的信干噪比阈值。
[0025] 进一步地，所述 表示为：
[0026]
[0027] 进一步地，所述最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度为：
[0028]
[0029] 其中， 表示最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度。
[0030] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0031] 上述方案中，基于一个CUE和多个DUE对复用同一子信道的场景，分别获取蜂窝网络上行链路上BS处和D2D接收端处的接收信号；根据获取的上行链路上BS处的接收信号，确定蜂窝链路的信干噪比，并根据获取的D2D接收端处的接收信号，确定D2D链路接收端信号功率的信干噪比；根据得到的蜂窝链路和D2D链路接收端信号功率的信干噪比，确定在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式；根据确定的DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式，确定最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度，这样，可以通过调整DUE的密度达到最大复用DUE接入数目的目的，从而避免设置隔离区域导致的干扰推导不便的问题，能够给实际蜂窝网络分配资源提供重要参考。
附图说明
[0032] 图1为本发明实施例提供的DUE平均接入数目优化方法的流程示意图；
[0033] 图2为本发明实施例提供的蜂窝异构网络示意图；
[0034] 图3为本发明实施例假定CUE和DUE的信干噪比阈值相同，在不同阈值下DUE的平均接入数目随着DUE密度变化的理论曲线和仿真曲线示意图；
[0035] 图4为本发明实施例提供的在不同的DUE密度下，DUE的平均接入数目随着CUE的信干噪比阈值与发射功率比值变化的理论曲线示意图；
[0036] 图5为本发明实施例提供的在不同的DUE密度下，DUE的平均接入数目随着DUE的信干噪比阈值与发射功率比值变化的理论曲线示意图；
[0037] 图6为本发明实施例提供的在不同的DUE密度下，DUE的平均接入数目随着DUE与CUE的发射功率比值变化的理论曲线示意图。
具体实施方式
[0038] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0039] 本发明针对现有的设置隔离区域会导致DUE分布不均匀，不利于干扰推导的问题，提供一种DUE平均接入数目优化方法。
[0040] 如图1所示，本发明实施例提供的DUE平均接入数目优化方法，包括：
[0041] S101，基于一个CUE和多个DUE对复用同一子信道的场景，分别获取蜂窝网络上行链路上BS处和D2D接收端处的接收信号，其中，DUE接入蜂窝网络的前提是，允许DUE复用频谱资源的对象是一个已获得频谱资源，并且在正交情况下能够成功通信的CUE，CUE表示蜂窝用户设备，DUE表示D2D用户设备，BS表示基站，D2D表示端到端；
[0042] S102，根据获取的上行链路上BS处的接收信号，确定蜂窝链路的信干噪比，并根据获取的D2D接收端处的接收信号，确定D2D链路接收端信号功率的信干噪比；
[0043] S103，根据得到的蜂窝链路和D2D链路接收端信号功率的信干噪比，确定在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式；
[0044] S104，根据确定的DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式，确定最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度。
[0045] 本发明实施例所述的DUE平均接入数目优化方法，基于一个CUE和多个DUE对复用同一子信道的场景，分别获取蜂窝网络上行链路上BS处和D2D接收端处的接收信号；根据获取的上行链路上BS处的接收信号，确定蜂窝链路的信干噪比，并根据获取的D2D接收端处的接收信号，确定D2D链路接收端信号功率的信干噪比；根据得到的蜂窝链路和D2D链路接收端信号功率的信干噪比，确定在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式；根据确定的DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式，确定最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度，这样，可以通过调整DUE的密度达到最大复用DUE接入数目的目的，从而避免设置隔离区域导致的干扰推导不便的问题，能够给实际蜂窝网络分配资源提供重要参考。
[0046] 本发明实施例研究DUE接入蜂窝网络的前提是，允许DUE复用频谱资源的对象是一个已获得频谱资源，并且在正交情况下能够成功通信的CUE，所以目标蜂窝链路的成功传输概率应为100％；另外，本发明研究CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况，即当蜂窝链路因同频干扰过大而发生中断时，所有D2D链路都必须停止复用蜂窝频谱资源；最后，本发明实施例，为了简化分析，研究的是一个CUE和多个DUE对复用同一子信道的场景。
[0047] 本实施例中，单个子信道的频谱资源可以分配给单个CUE和一定密度分布的DUE，如图2所示，图2中，signal links表示通信链路，interference links表示干扰链路，uplink表示是在蜂窝网络的上行链路上分析链路间的干扰情况。不失一般性，本实施例假设在一个半径为R，以基站(Base Station，BS)为中心的圆形单小区内，DUE分布服从密度为λd的泊松点过程模型Φd，这样，可以充分利用泊松点过程模型带来的数学推导的便利性，是一种有效提升异构网络性能的手段，基于泊松点过程模型进行研究，还可以优化系统总吞吐量；此外，假设每一对DUE之间的距离是常数r，CUE和DUE的发射功率分别为常数Pc和Pd。
[0048] 本实施例中，只考虑基于传输距离的路径损耗和基于多径传输的快衰落，忽视小区间干扰。由此可得到上行链路上BS处的接收信号和D2D接收端(D2D Receiver，DR)处的接收信号，分别为式(1)、式(2)所示：
[0049]
[0050]
[0051] 其中，yb表示BS处的接收信号，yj表示第j个D2D接收端处的接收信号，α表示路径损耗指数，xcb、xib、xcj和xij分别表示CUE和BS、第i个DT(D2D Transmitter，D2D发射端)和BS、CUE和第j个DR、第i个DT和第j个DR间的距离，hcb、hib、hcj和hij分别表示CUE和BS、第i个DT和BS、CUE和第j个DR、第i个DT和第j个DR间的快衰落因子，hcb、hib、hcj和hij都服从CN(0,1)的分布，CN(0,1)表示均值为0、实虚部统计独立且方差各为0.5的复高斯分布，sc和si分别表示CUE和第i个DT的发射信号，其中，sc和si满足E{|sc|2}＝E{|si|2}＝1，E{|sc|2}、E{|si|2}分别表示CUE和第i个DT的发射信号的模平方的均值，N0表示接收端的加性白高斯噪声，Pc、Pd分别表示CUE和DUE的发射功率。
[0052] 由以上接收信号的表达式可以得到，蜂窝链路的信干噪比和D2D链路接收端信号功率的信干噪比，分别为式(3)、式(4)所示：
[0053]
[0054]
[0055] 其中，SINRc表示蜂窝链路的信干噪比，SINRj表示D2D链路第j个D2D接收端信号功率的信干噪比，xjj表示第j个DT到第j个DR间的距离，hjj表示第j个DT到第j个DR间信道的小尺度衰落因子，σ2表示单个子信道上的加性白高斯噪声功率，Φd表示DUE分布服从密度为λd的泊松点过程模型。
[0056] 本实施例中，σ2可以表示为σ2＝NW，其中，N表示加性白高斯噪声的功率谱密度，W表示子信道频谱带宽。
[0057] 本实施例中，假设蜂窝链路和D2D链路通信的信干噪比阈值分别为γc和γd，在圆形单小区的上行链路上，在不考虑CUE优先级的情形下，基于蜂窝链路和D2D链路接收端信号功率的信干噪比表达式，可以得出蜂窝通信的平均覆盖概率表达式为式(7)：
[0058]
[0059] 式(7)中，P{SINRc>γc}表示不考虑CUE优先级情形下蜂窝链路的信干噪比大于阈值的概率，即蜂窝链路的成功传输概率；E[P{SINRc>γc}]表示不考虑CUE优先级情形下蜂窝链路的平均成功传输概率。
[0060] 同样得到不考虑CUE优先级情形下的D2D通信的平均覆盖概率表达式为式(8)：
[0061]
[0062] 式(8)中， 表示当j属于集合Φd时， 的平均值。通过采用近似公式 可以得到式(9)：
[0063]
[0064] 在式(9)中，
[0065] 其次，推导出考虑CUE优先级情形下的蜂窝通信平均覆盖概率表达式为式(10-a)：
[0066]
[0067] 式(10-a)中， 表示不考虑CUE优先级的复用模式下蜂窝链路的成功传输概率， 表示不考虑CUE优先级的复用模式下
蜂窝链路的平均成功传输概率， 表示不考虑CUE优先级的正交模式下蜂
窝链路的成功传输概率， 表示不考虑CUE优先级的正交模式下蜂窝
链的平均成功传输概率。类似地，推导出考虑DUE优先级情形下的D2D通信平均覆盖概率表达式为式(10-b)：
蜂窝链路的平均成功传输概率， 表示不考虑CUE优先级的正交模式下蜂
窝链路的成功传输概率， 表示不考虑CUE优先级的正交模式下蜂窝
链的平均成功传输概率。类似地，推导出考虑DUE优先级情形下的D2D通信平均覆盖概率表达式为式(10-b)：
[0068]
[0069] 式(10-b)中， 表示第j个D2D链路在不考虑CUE优先级的复用模式下的成功传输概率， 表示
第j个D2D链路在不考虑CUE优先级的复用模式下的平均成功传输概率，
表示第j个D2D链路在不考虑CUE优先级的正交模式下的成功传输概率，
表示第j个D2D链路在不考虑CUE优先级的正交模式下的平均成功传
输概率。将式(10-b)中的 近似为 这个近似是
在分析D2D链路所受干扰时忽视CUE分布的不均匀。因为CUE在复用频谱资源给DUE前是可以正常通信的，距离基站较近的CUE由于传输距离近，路径损耗小，链路成功传输的可能性大，所以成功接入网络的CUE不是完全均匀地分布在小区中。当然，当小区边缘用户在给定发射功率条件下都能以接近于1的概率成功接入网络，那么CUE就可视为是均匀分布在小区。由图3可以看出，一般情况下理论曲线和仿真曲线间的差距很小，可以将由理论结果得到的最佳DUE密度作为实际网络规划的参考，图3中，横轴表示DUE的密度，纵轴表示DUE的平均接入数目，γ表示CUE(或DUE)的信干噪比阈值，simulated表示仿真结果，theoretical表示理论结果。
第j个D2D链路在不考虑CUE优先级的复用模式下的平均成功传输概率，
表示第j个D2D链路在不考虑CUE优先级的正交模式下的成功传输概率，
表示第j个D2D链路在不考虑CUE优先级的正交模式下的平均成功传
输概率。将式(10-b)中的 近似为 这个近似是
在分析D2D链路所受干扰时忽视CUE分布的不均匀。因为CUE在复用频谱资源给DUE前是可以正常通信的，距离基站较近的CUE由于传输距离近，路径损耗小，链路成功传输的可能性大，所以成功接入网络的CUE不是完全均匀地分布在小区中。当然，当小区边缘用户在给定发射功率条件下都能以接近于1的概率成功接入网络，那么CUE就可视为是均匀分布在小区。由图3可以看出，一般情况下理论曲线和仿真曲线间的差距很小，可以将由理论结果得到的最佳DUE密度作为实际网络规划的参考，图3中，横轴表示DUE的密度，纵轴表示DUE的平均接入数目，γ表示CUE(或DUE)的信干噪比阈值，simulated表示仿真结果，theoretical表示理论结果。
[0070] 的表达式代入到(10-b)可以得到D2D通信平均覆盖概率的表达式为:
[0071]
[0072] 将 和 代入到式(11)中，得到式(12)：
[0073]
[0074] 式(12)中， 表示在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式； 表示在CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下，D2D通信平均覆盖概率；R表示以基站为中心的圆形小区的半径；erf(·)表示误差函数；r表示每一对DUE之间的距离；γc、γd分别表示蜂窝链路和D2D链路通信的信干噪比阈值。
[0075] 基于式(12)，得到DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式为：
[0076]
[0077] 在式(13)中，
[0078] 接下来，推导出 关于λd的一阶偏导数为
[0079]
[0080] 根据式(14)得到一阶导数的零点为 考虑到b>0，c>0，可以得到相应地，可以得到：
[0081]
[0082] 接着，推导出 关于λd的二阶导数，如式(16)所示
[0083]
[0084] 由式(16)推导出 的二阶导数零点是 同样地，可以得到：
[0085]
[0086] 通过以上一系列推导，可以得到，实现最大化DUE平均接入数目的最佳DUE密度为：
[0087]
[0088] 这样，可以在保证蜂窝链路信干噪比达到最小阈值的前提下，通过调整DUE的密度达到最大复用DUE接入数目。
[0089] 从图4可以看出，CUE的信干噪比阈值与发射功率的比值取不同值时，可以实现最大DUE平均接入数目的最佳DUE密度是动态变化的，既不是越大越好，也不是越小越好，需要合理调整，图4中，横轴表示CUE的信干噪比阈值与发射功率的比值，纵轴表示DUE的平均接入数目，λd表示DUE的分布密度，图4中的曲线均为理论结果。类似地，在图5中，在DUE的信干噪比阈值与发射功率的比值取不同值时，也可以得出相似结论，图5中，横轴表示DUE的信干噪比阈值与发射功率的比值，纵轴表示DUE的平均接入数目，λd表示DUE的分布密度，图5中的曲线均为理论结果。
[0090] 从图6可以看出，在CUE与DUE的发射功率比取不同值时，DUE的平均接入数目也是随DUE密度动态变化的，设置合理的DUE密度是有必要的。在DUE密度确定时，DUE也是随CUE与DUE功率比动态变化的，需要进行合适功控才能实现最佳性能，图6中，横轴表示DUE与CUE的发射功率的比值，纵轴表示DUE的平均接入数目，λd表示DUE的分布密度，图6中的曲线均为理论结果。
[0091] 本实施例中，在考虑CUE利用蜂窝频谱资源的优先级高于DUE的情况下DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式，该闭式表达式绘制的理论曲线可以几乎完全拟合根据仿真遍历平均值绘制的仿真曲线，误差可以控制在8％以内。另外，根据DUE接入蜂窝网络的平均接入数目的闭式表达式推导出最佳DUE密度的闭式解，能够给实际蜂窝网络分配资源提供重要参考。
[0092] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0093] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。