蜂窝通信网络移动设备直连抗干扰配置方法与流程

电子通信装置的制造及其应用技术1.本技术涉及一种移动通信设备直连抗干扰配置方法，特别涉及一种蜂窝通信网络移动设备直连抗干扰配置方法，属于设备直连通讯技术领域。背景技术：2.近年来，由于智能终端的普及和移动通信技术的进步，移动终端用户呈现爆发式增长，对近距离通信服务的需求越来越多，设备直连通信是在蜂窝系统基站的控制下，允许移动终端通过共享小区频谱资源直接进行通信的技术，将移动设备直连通信融入到传统的蜂窝通信网络中，邻近用户之间就可以不通过基站的中继直接进行信息传递，提高网络系统的频谱效率，提升本地业务的服务体验，扩展通信应用。但是在带来诸多便利的同时，也带来了挑战。移动设备直连通信的引入使得电磁干扰环境变得更为复杂，如果不能有效控制干扰，移动设备直连通信会影响到其它用户的通信质量导致系统信号传输性能下降，本技术提出蜂窝通信网络移动设备直连干扰协调和资源配置方法。3.移动设备直连通信是二个近距离的设备通过基站授权之后，不通过基站的中继转发直接进行通信的技术。移动设备直连通信技术有以下几个特点：一是移动设备直连通信是二个设备之间的直接通信，和目前已有的蓝牙、zigbee、wifi等技术性质相同，不同的是这几种技术工作在ism频段上，而移动设备直连是工作在蜂窝移动通信系统的授权频段上，相比于现有技术可以享受到更好的服务质量，且移动设备直连通信用户无需额外进行相关连接验证或配对，只需要发起通信请求就可以完成通信过程，其它工作由核心网和基站完成。二是移动通信网络中，约有90％以上的数据流量业务和2/3以上的语音业务是在人口密度较大的室内完成的。无线信号穿透能力弱,在室内只能依靠室外基站中继转发完成，而通过增大基站发射功率进行覆盖效果不大明显，且功率增大会导致电磁波辐射增大,对人体身体健康不利，引入移动设备直连通信正好解决这一问题。三是对于山区、森林、水域等偏远地区以及地下室、隧道等信号难以到达的区域，目前的移动通信仍有局限性，而移动设备直连通信的加入可以使通信网络组网变得更加灵活，用户可根据需求自由组网，使系统具有良好的扩展性。4.移动设备直连通信虽然具有优势，也解决了基站负荷过大问题,但它的加入却带来严重的同频干扰，而频谱效率、能量消耗和成本构成了通讯的三大效率指标，成为了移动通信重点关注的要素。当移动设备直连用户复用移动通信系统用户的频谱资源时，会产生不可避免的同频干扰，如果不能有效控制干扰，移动设备直连通信将会影响到所有共信道用户的通信质量，导致系统性能下降。这将会给系统带来严重的负面影响,因此亟需移动设备直连通信干扰协调机制进行合理的资源配置。5.移动设备直连的通信距离短，可以使用户传输信号的时延更小、传输信号速率更快、传输信号的用户能量消耗更低，却也因此带来更为复杂的网络环境，电磁干扰不可避免。在无线电领域，已经有相关资源配置和干扰协调方法，但相关移动设备直连通信方法也有一些局限性，包括：一是移动设备直连研究的拓扑结构中大多只有一对或二对移动设备直连用户，现有技术都是在一个小区中加入一对或者二对移动设备直连用户，但是从移动通信系统发展趋势来看，数量如此少的移动设备直连用户的加入并不能满足爆发式增长的通信设备的需求，因此亟需增加移动设备直连用户数量。二是目前移动设备直连网络中，虽然有一对或二对移动设备直连用户资源配置方法，但是只限于分配信道和功率的层面，通过分配资源来获取系统额外增益,并没有对基础的移动设备直连通信系统的信道模型和系统性能的深入分析，因此对单个蜂窝用户与单对移动设备直连用户之间关系缺少模型。三是在资源配置问题中，现有技术趋向于将信道和功率分二步进行分配，对于某个用户而言,信道和功率的变化都会影响到自身和共信道用户的性能,将一个部分固定好再对另一部分进行调度的方式会损失一些性能较高的解，而使用链接分配的方式则可能得到更优的结果，有进一步提升的空间。四是现有技术资源配置研缺少针对性的智能算法，目前的算法本身存在局限性,在迭代寻优过程中容易收敛到局部最优解，因此需要对其进行对应的改进，使其跳出局部最优解，以此获得更优的系统性能。移动设备直连用户进行资源配置时可以借鉴此类方法，同时进行对应的算法改进。6.综上所述，现有技术的蜂窝通信网络移动设备直连方法仍存在如果干问题和缺陷，本技术的难点和待解决的问题主要集中在以下方面：7.(1)将移动设备直连通信融入到传统的蜂窝通信网络中，邻近用户之间不通过基站的中继直接进行信息传递，在带来诸多便利的同时，移动设备直连通信的引入使得电磁干扰环境变得更为复杂，现有技术不能有效控制干扰，移动设备直连通信会影响到其它用户的通信质量，导致系统信号传输性能下降，现有技术缺少蜂窝通信网络移动设备直连干扰协调和资源配置方法，带来严重的同频干扰，影响到所有共信道用户的通信质量，导致系统性能下降，给系统带来严重的负面影响,亟需移动设备直连通信干扰协调机制进行合理的资源配置方法。8.(2)移动设备直连带来更为复杂的网络环境，电磁干扰不可避免，现有技术无线电相关资源配置和干扰协调方法运用在移动设备直连通信存在局限性，一是设备直连的拓扑结构只有一对或二对移动用户，但数量如此少的设备直连用户的加入并不能满足爆发式增长的通信设备的需求；二是目前移动设备直连网络只限于分配信道和功率的层面，通过分配资源来获取系统额外增益,并没有对基础的移动设备直连通信系统的信道模型和系统性能的深入分析，因此对单个蜂窝用户与单对移动设备直连用户之间关系缺少模型；三是在资源配置问题中，现有技术趋向于将信道和功率分二步进行分配，信道和功率的变化都会影响到自身和共信道用户的性能,将一个部分固定好再对另一部分进行调度的方式会损失一些性能较高的解；四是现有技术资源配置研缺少针对性的智能算法，在迭代寻优过程中容易收敛到局部最优解。9.(3)移动设备直连通信加入蜂窝通信网络有点很多，但其复用特征给系统带来不可避免的信号干扰，现有技术未考虑移动设备直连通信的资源协调分配问题，缺少移动设备直连用户的接入控制、移动设备直连用户信道分配和移动设备直连用户和蜂窝用户的功率控制，导致移动设备直连通信和蜂窝通信之间的干扰严重，缺少移动设备直连通信和蜂窝通信之间的资源配置方法，协调性差，系统吞吐量和性能反而降低，失去了实际利用价值。10.(4)现有技术移动设备直连通信模型下用户间相互干扰问题严重,缺少移动设备直连接入控制准则，无法通过对比移动设备直连用户加入前后系统吞吐量大小设置一个符合直连网络的信道模型，缺少根据共信道用户间的最小sinr限制和功率限制对移动设备直连用户和蜂窝用户进行解析,无法推导得出移动设备直连用户接入控制准则,不能满足该准则的移动设备直连用户加入到蜂窝小区中满足共信道用户的信号传输质量要求，信道和功率分配不合理，方法复杂度高。11.(5)现有技术全负载蜂窝小区下移动设备直连通信模型的干扰协调和资源配置问题无法解决，缺少种基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相结合的资源配置方法，无法得到qc直连约束模型并对其进行改进,无法选择优化性能最好的qc直连约束模型的更新策略作为资源配置的核心算法；缺少对所有加入蜂窝小区的移动设备直连用户进行接入控制，无法选择移动设备直连用户可复用信道资源的蜂窝用户作为潜在信道复用用户，缺少采用基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相融合进行信道和功率的链接分配，造成移动通信传输丢失与延迟，严重影响用户体验感受，阻碍了蜂窝通信网络移动设备直连的发展与壮大。技术实现要素：12.移动设备直连用户通过复用蜂窝小区中用户的信道资源，进行信道和功率的链接分配来提升系统吞吐量，从而提升系统性能，首先基于qc直连约束模型的收敛性能，对qc直连约束模型的参数因子进行分析推导，得出收敛性最强的参数因子；同时在qc直连约束模型的基础上进行改进，在全负载蜂窝小区下，通过移动设备直连用户和蜂窝用户的干扰协调和资源配置提升系统性能，提出基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相结合的方法，该方法首先对接入小区的移动设备直连用户进行筛选，将不满足接入条件的移动设备直连用户剔除，并移动设备直连接入准则为可接入系统的移动设备直连用户选择可复用的蜂窝用户信道资源，实现移动设备直连用户的接入控制；然后根据qc直连约束模型的更新策略对系统中的移动设备直连用户和蜂窝用户进行信道和功率的链接资源配置；此外,本技术通过仿真实验分析了接入移动设备直连用户的系统性能与用户的最小sinr限制、移动设备直连用户间最大距离以及移动设备直连用户接入数量的关系，提升系统吞吐量，移动设备直连接入控制机制和链接资源配置机制对移动设备直连通信和蜂窝通信混合系统的性能提升有很大的作用。13.为实现以上技术特征和效果，本技术所采用的技术方案如下：14.蜂窝通信网络移动设备直连抗干扰配置方法，一是蜂窝通信网络移动设备直连模型；二是设备直连qc约束方法，包括qc直连约束模型、qc直连约束模型的参数设置、qc直连约束模型的更新策略；三是基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则的资源配置，包括移动设备直连接入控制、信道分配和功率分配、混合网络的资源配置流程；15.本技术将移动设备直连通信加入到蜂窝通信系统中，提出移动设备直连通信的资源协调分配方法，其中包括移动设备直连用户的接入控制、移动设备直连用户信道分配和移动设备直连用户和蜂窝用户的功率控制，采用移动设备直连用户du和蜂窝用户cu的信道和功率链接分配方法，进行移动设备直连通信和蜂窝通信之间的干扰协调和资源配置，通过移动设备直连通信的融入提升系统吞吐量：16.第一，针对移动设备直连通信模型下用户间相互干扰问题,提出一种移动设备直连接入控制准则，首先通过对比移动设备直连用户加入前后系统吞吐量大小设置一个符合直连网络的信道模型，然后根据共信道用户间的最小sinr限制和功率限制对移动设备直连用户和蜂窝用户进行解析,通过推导得出移动设备直连用户接入控制准则,满足该准则的移动设备直连用户加入到蜂窝小区中满足共信道用户的信号传输质量要求；17.第二，针对全负载蜂窝小区下移动设备直连通信模型的干扰协调和资源配置问题，提出一种基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相结合的资源配置方法，首先提出qc直连约束模型并对其进行改进,选择优化性能最好的qc直连约束模型的更新策略作为资源配置的核心算法；其次对所有加入蜂窝小区的移动设备直连用户进行接入控制，选择移动设备直连用户可复用信道资源的蜂窝用户作为潜在信道复用用户，最后采用基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相融合进行信道和功率的链接分配。18.优选地，蜂窝通信网络移动设备直连模型：考虑单小区全负载下加入移动设备直连通信的情况，即小区内信道已全部分配给蜂窝用户，移动设备直连用户加入小区后复用蜂窝用户信道资源；19.采用复用蜂窝通信系统上行资源方式实现移动设备直连通信的频谱资源复用移动设备直连通信的模式选择与频谱资源配置相关，在蜂窝小区全负载的前提下，在移动设备直连用户接入的同时考虑模式选择，保证蜂窝用户和移动设备直连用户各自的通信质量；20.移动设备直连用户复用蜂窝通信系统上行资源的系统模型中，在一个完整的蜂窝小区，有m个蜂窝用户cu，n个移动设备直连用户对du，dt表示移动设备直连发送终端，dr表示移动设备直连接收终端，用集合c＝{1,2,…,m}和d＝{1,2,…,n}表示蜂窝用户和移动设备直连用户的索引集，蜂窝小区内蜂窝用户刚好占用小区内所有的频谱资源，即蜂窝用户数与信道数相同，在全负载网络下，加入n个移动设备直连用户对，每个移动设备直连用户对采用一个信道复用，不同移动设备直连用户对满足用户qos需求条件下同时复用同一个信道资源，n对移动设备直连用户复用m个蜂窝用户的频谱资源，移动设备直连接收终端dr收到的干扰信号来自共信道的蜂窝用户，如果某移动设备直连用户复用任何一个信道产生的干扰使共信道用户都不能承受,即不满足用户各自的sinr时,该移动设备直连用户对此时选择静默模式，不进行数据传输；同时，在进行蜂窝用户和移动设备直连用户信道分配时，考虑基站拥有小区中所有信道的信息，即完备信道信息；21.信道模型采用路径暗影消耗效应模型，全负载蜂窝小区中所有用户之间的信道功率增益如下：22.23.其中gi，b表示第i个蜂窝用户与基站之间的信道增益，gj表示第j对移动设备直连用户dtj和drj之间的信道增益，表示第i个蜂窝用户对第j个移动设备直连接收用户drj干扰的信道增益，表示第j个移动设备直连发送用户dtj对基站干扰的信道增益，表示第k个移动设备直连发送用户dtk对第j个移动设备直连接收用户drj干扰的信道增益，信道功率增益因子grf表示为：24.grf＝κ·ζ·ξ·d-αꢀꢀ式225.其中κ和α分别表示路径消耗常量因子和路径消耗指数因子，ζ表示服从指数分布的快衰落因子,ξ表示服从对数正态分布的慢衰落因子，d表示信号传输距离；26.移动设备直连用户接入到蜂窝通信系统能带来额外增益，接入移动设备直连用户需要同时满足移动设备直连用户和共信道蜂窝用户的sinr限制，接入移动设备直连用户时进行对应的接入控制，当满足路径暗影消耗效应模型条件时，判定移动设备直连用户共享该蜂窝用户信道，此时称该移动设备直连用户对为可接入移动设备直连用户对，被复用蜂窝用户的信道为该移动设备直连用户对的共用信道，令所有可接入蜂窝小区的移动设备直连用户的集合为r,表示蜂窝用户的发射功率，和表示移动设备直连用户的发射功率，表示第i个蜂窝用户的sinr，表示第j个移动设备直连用户的sinr,n.，ηi，j表示蜂窝用户i和移动设备直连用户j之间的复用参数，当移动设备直连用户j复用蜂窝用户i的信道时ηi，j＝11，不复用时ηi，j＝0，，系统的适合度函数表示为：[0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035]其中，b表示信道带宽，和分别表示蜂窝用户和移动设备直连用户的最小sinr限制条件，和分别表示蜂窝用户和移动设备直连用户的最大发射功率；[0036]式3表示的适合度函数物理意义为最大化系统吞吐量，式4和式5为蜂窝用户和移动设备直连用户的sinr限制条件，满足条件即达到qos需求，式6约束条件表示对于任意的移动设备直连用户对，只能复用一个cu的频谱资源，式7约束条件表示一个蜂窝用户的频谱资源可以被多个移动设备直连用户对同时复用。式8限制蜂窝小区中用户的发送功率范围，移动终发送功率有限，存在最大发射功率，移动设备直连通信的通信距离短，蜂窝用户和移动设备直连用户有不同的最大发射功率，du发射功率小于cu的发射功率,即[0037]优选地，qc直连约束模型：采用迭代方式，求解过程如下：首先初始化一个设备链点组，组中的每个设备链点都有各自的位置和速度，每个设备链点的位置代表一个可能解，存在一个适合度函数表征所有设备链点解的好坏，计算每个设备链点的适合度值后，找出个体极值和组极值，然后开始速度更新和位置更新，每次设备链点更新位置后都重新计算适合度值，并更新个体极值和组极值，每个设备链点根据个体极值、组极值以及自身位置更新位置和速度，不断进行迭代，直到最后满足终止条件则收敛到最优解；[0038]假定设备组同由a个设备链点组成，即p＝{p1,p2,…,pa}，每个设备链点都通过位置和速度来描述，设备链点pi在d维解空间的位置表示为xi＝{xi1，xi2,…,xid}，速度则表示为vi＝{vi1，vi2,…,vid}，设备链点pi的个体极值用padvi表示，组极值用gadv表示，每个设备链点遵循同样的更新规则：[0039][0040]其中，ω为网桥常量，c1和c2为自接入因子，k1、k2是分布在[0,1]上的随机数，τ为设备链点迭代次数；[0041]设备链点pi的更新后速度是之前速度和的矢量和，设备链点新位置是旧位置和更新速度的矢量和，设备链点的位置更新与设备链点本身信息及其它设备链点的信息相关，据此不断进行迭代和搜索，直到满足预设的条件为止；定义一个参数vmax，使得设备链点的搜索范围限定在[-vmax,ymax]范围内，当设备链点pi的速度超过这一范围时，将超出范围的值设定为最近的边界值。[0042]优选地，qc直连约束模型的自接入因子设置：c1和c2为自接入因子，分别决定个体极值在速度更新中的作用大小和组极值在速度更新中的作用大小，将网络拓扑拓展到全负载蜂窝小区模型，求取c1和c2的最佳取值，此处网桥常量ω取1，c1和c2各自动态变化时的求解效果最好，c1从2.5逐渐减小到0.5，c2从0.5逐渐增加到2.5。[0043]优选地，qc直连约束模型的网桥常量设置：网桥常量ω是设备链点当前速度继承先前速度的能力，网桥常量首先处于一个比较大的值，寻优搜索初期进行全局搜索，随着迭代的进行，网桥常量逐渐减小，后期进行有效的局部搜索；ω动态变化情况下，求解过程中不陷入过次优解，ω一开始变化缓慢，这种动态变化在优化初期算法的全局搜索能力较强，从一开始就杜绝丢弃最优解的情况，后期随着迭代次数的增加变化逐渐加快，着重于在接近最优解的范围内进行局部搜索，基于优化效果和收敛性能，网桥常量采用式6形式的动态变化：[0044][0045]其中，ωs表示网桥常量起始值，ωe表示网桥常量的结束值，k表示迭代寻优的当前迭代次数，τmax表示最大迭代次数。[0046]优选地，qc直连约束模型的更新策略：在qc直连约束模型中融入交叉互换方法，使得qc直连约束模型在搜索过程中最大程度的进行全局搜索，避免陷入次优解，[0047]骤变因子对当前设备链点位置进行处理,随机采用设备链点位置中的某个点产生骤变，以此引入异变因子，二种异变因子都将异变因素引入到qc直连约束模型中，避免目标函数值一直在局部最优解附近徘徊。[0048]优选地，基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则的资源配置：在全负载蜂窝网络下，先对移动设备直连用户进行接入控制分析，排除不能给系统带来额外增益的移动设备直连用户，再进行各个用户的信道资源和功率分配，提高分配效率。[0049]优选地，移动设备直连接入控制：移动设备直连用户与蜂窝用户之间的距离必须满足最小安全距离dmin才能保证共信道用户的信号传输质量，对于某对移动设备直连用户，如果cu与移动设备直连用户的接收端dr的距离大于dmin，则该cu选定作为移动设备直连用户的复用搭档用户，每对移动设备直连用户都通过这种方式选出可复用搭档用户,之后再进行信道和功率链接分配,省去很多计算不可行解的时间。[0050]优选地，信道分配和功率分配：在全负载蜂窝网络下，移动设备直连用户对需要复用蜂窝用户cu的信道资源,每个设备链点的信道位置表示第r对移动设备直连用户复用的信道：[0051]chi＝{chi1，chi2，…，chir}，chir∈c，r∈rꢀꢀ式6[0052]每对移动设备直连用户从可复用cu搭档用户中选择一个用户复用信道，chir表示复用cu用户的编号，信道数是离散值，在进行迭代计算过程中将chir编码成二进制，代入式5计算，在进行速度更新时，根据sigmoid函数进行判定，vch为信道对应速度，超出固定值范围则判定二进制位上的值变化，实现信道设备链点的位置更新。[0053]信道分配的同时进行用户的功率分配,共信道用户通过进行功率分配，与信道分配协调以获取最优资源配置，每个设备链点的cu功率和移动设备直连功率位置分别为和[0054][0055][0056]移动设备直连用户和蜂窝用户在式8的限制条件下同时进行功率调度，根据式5寻找最优功率匹配值，实现功率设备链点的位置更新。[0057]优选地，混合移动设备直连通信与蜂窝通信的网络下信道和功率链接分配流程如下：[0058]第一步：计算每对移动设备直连用户接收端与蜂窝用户之间的距离，根据最小安全距离确定每对移动设备直连用户的cu复用搭档,进行移动设备直连用户的接入控制；[0059]第二步：对qc直连约束模型中涉及到的所有参数进行初始化，包括自接入因子、网桥常量、迭代次数，设备链点位置和速度的最大值,设备链点的初始位置和速度矩阵；[0060]第三步：计算初始位置的适合度函数值；[0061]第四步：分为信道更新和功率更新二部分进行调度，计算资源调度后新的适合度函数值，分别对信道设备链点和功率设备链点的位置进行更新；[0062]第五步：引入异变因子，分别对信道设备链点位置和功率设备链点位置进行异变操作，计算异变后的适合度函数值，如果优于现有的适合度函数值，则更新设备链点位置信息；[0063]第六步：如果迭代次数达到τmax则停止迭代,输出全局最优信道分配和功率分配参数，以及对应的适合度函数值，否则返回第三步；[0064]输出的信道分配和功率分配参数即为所求的资源配置方案，对应的适合度函数值即为系统最大吞吐量。[0065]与现有技术相比，本技术的创新点和优势在于：[0066](1)基于当前近距离通信服务需求越来越多，本技术的设备直连通信在蜂窝系统基站的控制下，允许移动终端通过共享小区频谱资源直接进行通信，将移动设备直连通信融入到传统的蜂窝通信网络中，邻近用户之间可以不通过基站的中继直接进行信息传递，提高网络系统的频谱效率，提升本地业务的服务体验，扩展通信应用，特别是针对设备直连通信使得电磁干扰环境更为复杂的问题，提出蜂窝通信网络移动设备直连干扰协调和资源配置方法，有效控制干扰，提高设备直连通信及其它用户的通信质量，本技术移动设备直连通信工作在蜂窝移动通信系统的授权频段上，相比于现有技术可以享受到更好的服务质量，且移动设备直连通信用户无需额外进行相关连接验证或配对，只需要发起通信请求就可以完成通信过程，在室内以及山区、森林、水域等偏远地区以及地下室、隧道等信号难以到达的区域，通信网络组网变得更加灵活，用户可根据需求自由组网，使系统具有良好的扩展性。[0067](2)本技术移动设备直连的通信距离短，可以使用户传输信号的时延更小、传输信号速率更快、传输信号的用户能量消耗更低，而且专门针对复杂网络环境的电磁干扰进行了改进设计，大幅扩展和增加移动设备直连用户数量，直连网络不再限于分配信道和功率的层面，通过分配资源来获取系统额外增益,对信道模型和系统性能的深入分析，设计了对单个蜂窝用户与单对移动设备直连用户之间关系模型，在资源配置中使用链接分配的方式得到更优的结果，资源配置设计了针对性的智能算法，避免在迭代寻优过程中收敛到局部最优解，以此获得更优的系统性能，通过移动设备直连通信干扰协调机制进行合理的资源配置，各共信道用户的通信质量提升，频谱效率、能量消耗和成本构成三大效率指标明显改善，也解决了基站负荷过大问题，具有巨大的应用前景。[0068](3)针对移动设备直连通信模型下用户间相互干扰问题,本技术提出一种移动设备直连接入控制准则，最小移动设备直连通信复用单元包括单个蜂窝用户和单对移动设备直连用户，首先通过对比移动设备直连用户加入前后系统吞吐量大小设置一个符合直连网络的信道模型，然后根据共信道用户间的最小sinr限制和功率限制对移动设备直连用户和蜂窝用户进行解析,通过推导得出移动设备直连用户接入控制准则,满足该准则的移动设备直连用户加入到蜂窝小区中满足共信道用户的信号传输质量要求，一开始就排除了不会给系统带来额外增益的移动设备直连用户，分配方式更优，蜂窝通信网络移动设备直连的抗干扰能力更强。[0069](4)针对全负载蜂窝小区下移动设备直连通信模型的干扰协调和资源配置问题，提出一种基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相结合的资源配置方法，首先提出qc直连约束模型并对其进行改进,选择优化性能最好的qc直连约束模型的更新策略作为资源配置的核心算法；其次对所有加入蜂窝小区的移动设备直连用户进行接入控制，选择移动设备直连用户可复用信道资源的蜂窝用户作为潜在信道复用用户；最后采用基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相融合进行信道和功率的链接分配，通过复用系统频谱资源，提高系统频谱利用效率、增加系统容量、降低系统基站的调度负担，钱少信号干扰，保证移动设备直连通信的融入提升系统吞吐量，优化移动通讯直连资源配置，对移动设备直连通信和蜂窝通信混合系统的性能提升有很大的作用。附图说明[0070]图1是设备直连用户复用蜂窝通信系统上行资源系统模型示意图[0071]图2是自接入因子c1和c2设置测试实验对比示意图。[0072]图3是基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则的资源配置图。[0073]图4是三种算法进行资源配置时各自的效果对比示意图。[0074]图5是通信用户的最小sinr限制由1db变化到10db时系统吞吐量变化图。[0075]图6是移动设备直连用户间最大距离对通信影响示意图。[0076]图7是移动设备直连用户接入数量对通信影响示意图。[0077]具体实施方法[0078]下面结合附图，对本技术蜂窝通信网络移动设备直连抗干扰配置方法的具体实施方式做详细说明，使本领域技术人员能够更好的理解本技术并能够予以实施。本领域技术人员可以在不违背本技术内涵时做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施方式的限制。[0079]移动设备直连通信与传统蜂窝通信的本质区别在于是否通过基站进行中继转发,移动设备直连通信的直接通信能够减轻基站的负担，实现流量卸载；同时移动设备直连通信还具有通信距离短的特征，可以实现低时延、低消耗、高速率的信息传输，提高系统频谱利用效率，是下一代移动通信系统的关键技术之一。然而移动设备直连通信的引入也带来了复杂的电磁干扰环境,给系统带来不可避免的干扰,如果不能进行有效控制,移动设备直连通信的引入非但不能提升系统性能，反而会降低系统性能。因此，本技术提出移动设备直连通信的干扰协调机制，进行合理的资源配置，以此发挥移动设备直连通信的最大效益。[0080]本技术基于全负载蜂窝小区模型下的移动设备直连通信,从小的网络模型向大的网络模型演进，解决移动设备直连通信的干扰协调和资源配置机制问题。[0081](1)针对移动设备直连通信模型下用户间相互干扰问题,提出一种移动设备直连接入控制准则，最小移动设备直连通信复用单元包括单个蜂窝用户和单对移动设备直连用户，首先通过对比移动设备直连用户加入前后系统吞吐量大小设置一个符合直连网络的信道模型，然后根据共信道用户间的最小sinr限制和功率限制对移动设备直连用户和蜂窝用户进行解析,通过推导得出移动设备直连用户接入控制准则,满足该准则的移动设备直连用户加入到蜂窝小区中满足共信道用户的信号传输质量要求；[0082](2)针对全负载蜂窝小区下移动设备直连通信模型的干扰协调和资源配置问题，提出一种基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相结合的资源配置方法，首先提出qc直连约束模型并对其进行改进,选择优化性能最好的qc直连约束模型的更新策略作为资源配置的核心算法；其次对所有加入蜂窝小区的移动设备直连用户进行接入控制，选择移动设备直连用户可复用信道资源的蜂窝用户作为潜在信道复用用户；最后采用基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则相融合进行信道和功率的链接分配。[0083]移动设备直连通信距离短，可以减小系统信息传输时延、降低系统能耗；并且能复用系统频谱资源，提高系统频谱利用效率、增加系统容量、降低系统基站的调度负担，而移动设备直连通信的复用特征给系统带来不可避免的信号干扰，要将移动设备直连通信加入到蜂窝通信系统中，就必须考虑移动设备直连通信的资源协调分配问题，其中包括移动设备直连用户的接入控制、移动设备直连用户信道分配和移动设备直连用户和蜂窝用户的功率控制，从而进行移动设备直连通信和蜂窝通信之间的干扰协调，保证移动设备直连通信的融入提升系统吞吐量。[0084]基于移动设备直连用户接入控制机制，本技术采用移动设备直连用户du和蜂窝用户cu的信道和功率链接分配方法，为减小算法复杂度,提出一种基于改进qc直连约束模型的抗干扰链接资源配置方法。[0085]一、蜂窝通信网络移动设备直连模型[0086]分析确定符合实际网络的系统模型，同时定义系统优化目标函数及其涉及的相关参数。[0087]考虑单小区全负载下加入移动设备直连通信的情况，即小区内信道已全部分配给蜂窝用户，移动设备直连用户加入小区后复用蜂窝用户信道资源。[0088]移动设备直连融入到蜂窝系统中需进行频谱资源复用,移动设备直连用户复用上行资源有三点优势：一是在目前蜂窝通信系统中，还有部分上行频段未完全被利用，相比于下行频段，上行频段的功率谱密度低20db；二是可以节省下行资源用于其它用途；三是可以简化复用时的干扰分析，复用上行资源时受干扰的用户为移动设备直连接收用户和基站，复用下行资源时受干扰的用户为移动设备直连接收用户和被复用蜂窝用户，二者干扰分析唯一的不同之处是基站和被复用的蜂窝用户，对于一个小区而言，基站只有一个,而被复用资源的蜂窝用户数量随复用情况变化，可多可少，此时考虑复用上行资源可以简化干扰分析，同时基站相对于普通的蜂窝用户，具有更强大的信号干扰处理能力。[0089]因此本技术采用复用蜂窝通信系统上行资源方式实现移动设备直连通信的频谱资源复用移动设备直连通信的模式选择与频谱资源配置相关，不同的通信模式移动设备直连用户的资源配置方式不同，在全负载情况下，在蜂窝小区全负载的前提下，本技术在移动设备直连用户接入的同时考虑模式选择，以保证蜂窝用户和移动设备直连用户各自的通信质量。[0090]图1为移动设备直连用户复用蜂窝通信系统上行资源的系统模型示意图，表示一个完整的蜂窝小区，图中有m个蜂窝用户cu，n个移动设备直连用户对du，dt表示移动设备直连发送终端，dr表示移动设备直连接收终端，用集合c＝{1,2,…,m}和d＝{1,2,…,n}表示蜂窝用户和移动设备直连用户的索引集，蜂窝小区内蜂窝用户刚好占用小区内所有的频谱资源，即蜂窝用户数与信道数相同，在全负载网络下，加入n个移动设备直连用户对，每个移动设备直连用户对采用一个信道复用，不同移动设备直连用户对满足用户qos需求条件下同时复用同一个信道资源，n对移动设备直连用户复用m个蜂窝用户的频谱资源，实线表示传输信号，虚线表示共信道用户之间的信号干扰。由于复用的是系统的上行资源，移动设备直连发送终端dt发出的信号会干扰基站,移动设备直连接收终端dr收到的干扰信号来自共信道的蜂窝用户。如果某移动设备直连用户复用任何一个信道产生的干扰使共信道用户都不能承受,即不满足用户各自的sinr时,该移动设备直连用户对此时选择静默模式，不进行数据传输。同时，在进行蜂窝用户和移动设备直连用户信道分配时，考虑基站拥有小区中所有信道的信息，即完备信道信息。[0091]信道模型采用路径暗影消耗效应模型，全负载蜂窝小区中所有用户之间的信道功率增益如下：[0092][0093]其中gi，b表示第i个蜂窝用户与基站之间的信道增益，gj表示第j对移动设备直连用户dtj和drj之间的信道增益，表示第i个蜂窝用户对第j个移动设备直连接收用户drj干扰的信道增益，表示第j个移动设备直连发送用户dtj对基站干扰的信道增益，表示第k个移动设备直连发送用户dtk对第j个移动设备直连接收用户drj干扰的信道增益，信道功率增益因子grf表示为：[0094]grf＝κ·ζ·ξ·d-αꢀꢀ式2[0095]其中κ和α分别表示路径消耗常量因子和路径消耗指数因子，ζ表示服从指数分布的快衰落因子,ξ表示服从对数正态分布的慢衰落因子，d表示信号传输距离；[0096]移动设备直连用户接入到蜂窝通信系统能带来额外增益，但也有接入限制，接入移动设备直连用户需要同时满足移动设备直连用户和共信道蜂窝用户的sinr限制，接入移动设备直连用户时进行对应的接入控制，当满足路径暗影消耗效应模型条件时，判定移动设备直连用户共享该蜂窝用户信道，此时称该移动设备直连用户对为可接入移动设备直连用户对，被复用蜂窝用户的信道为该移动设备直连用户对的共用信道，令所有可接入蜂窝小区的移动设备直连用户的集合为r,表示蜂窝用户的发射功率，和表示移动设备直连用户的发射功率，表示第i个蜂窝用户的sinr，表示第j个移动设备直连用户的sinr,n.，ηi，j表示蜂窝用户i和移动设备直连用户j之间的复用参数，当移动设备直连用户j复用蜂窝用户i的信道时ηi，j＝1 1，不复用时ηi，j＝0，，系统的适合度函数表示为：[0097][0098][0099][0100][0101][0102][0103][0104][0105]其中，b表示信道带宽，和分别表示蜂窝用户和移动设备直连用户的最小sinr限制条件，和分别表示蜂窝用户和移动设备直连用户的最大发射功率。[0106]式3表示的适合度函数物理意义为最大化系统吞吐量，式4和式5为蜂窝用户和移动设备直连用户的sinr限制条件，满足条件即达到qos需求，式6约束条件表示对于任意的移动设备直连用户对，只能复用一个cu的频谱资源，式7约束条件表示一个蜂窝用户的频谱资源可以被多个移动设备直连用户对同时复用。式8限制蜂窝小区中用户的发送功率范围，移动终发送功率有限，存在最大发射功率，移动设备直连通信的通信距离短，蜂窝用户和移动设备直连用户有不同的最大发射功率，du发射功率小于cu的发射功率,即[0107]二、设备直连qc约束方法[0108](一)qc直连约束模型[0109]qc直连约束模型采用迭代方式，求解过程如下：首先初始化一个设备链点组，组中的每个设备链点都有各自的位置和速度，每个设备链点的位置代表一个可能解，存在一个适合度函数表征所有设备链点解的好坏，计算每个设备链点的适合度值后，找出个体极值和组极值，然后开始速度更新和位置更新，每次设备链点更新位置后都重新计算适合度值，并更新个体极值和组极值，每个设备链点根据个体极值、组极值以及自身位置更新位置和速度，不断进行迭代，直到最后满足终止条件则收敛到最优解。[0110]假定设备组同由a个设备链点组成，即p＝{p1,p2,…,pa}，每个设备链点都通过位置和速度来描述，设备链点pi在d维解空间的位置表示为xi＝{xi1，xi2,…,xid}，速度则表示为vi＝{vi1，vi2,…,vid}，设备链点pi的个体极值用padvi表示，组极值用gadv表示，每个设备链点遵循同样的更新规则：[0111][0112]其中，ω为网桥常量，c1和c2为自接入因子，k1、k2是分布在[0,1]上的随机数，τ为设备链点迭代次数。[0113]设备链点pi的更新后速度是之前速度和的矢量和，设备链点新位置是旧位置和更新速度的矢量和，设备链点的位置更新与设备链点本身信息及其它设备链点的信息相关，据此不断进行迭代和搜索，直到满足预设的条件为止；定义一个参数vmax，使得设备链点的搜索范围限定在[-vmax,ymax]范围内，当设备链点pi的速度超过这一范围时，将超出范围的值设定为最近的边界值。[0114](二)qc直连约束模型的参数设置[0115](1)自接入因子[0116]c1和c2为自接入因子，分别决定个体极值在速度更新中的作用大小和组极值在速度更新中的作用大小，将网络拓扑拓展到全负载蜂窝小区模型，求取c1和c2的最佳取值，此处网桥常量ω取1，结果如图2所示。c1和c2各自动态变化时的求解效果最好，c1从2.5逐渐减小到0.5，c2从0.5逐渐增加到2.5。[0117](2)网桥常量[0118]网桥常量ω是设备链点当前速度继承先前速度的能力，网桥常量首先处于一个比较大的值，寻优搜索初期进行全局搜索，随着迭代的进行，网桥常量逐渐减小，后期进行有效的局部搜索；ω动态变化情况下，求解过程中不陷入过次优解，ω一开始变化缓慢，这种动态变化在优化初期算法的全局搜索能力较强，从一开始就杜绝丢弃最优解的情况，后期随着迭代次数的增加变化逐渐加快，着重于在接近最优解的范围内进行局部搜索，基于优化效果和收敛性能，网桥常量采用式6形式的动态变化：[0119][0120]其中，ωs表示网桥常量起始值，ωe表示网桥常量的结束值，k表示迭代寻优的当前迭代次数，τmax表示最大迭代次数。[0121](三)qc直连约束模型的更新策略[0122]在qc直连约束模型中融入交叉互换方法，使得qc直连约束模型在搜索过程中最大程度的进行全局搜索，避免陷入次优解，[0123]骤变因子对当前设备链点位置进行处理,随机采用设备链点位置中的某个点产生骤变，以此引入异变因子，二种异变因子都将异变因素引入到qc直连约束模型中，避免目标函数值一直在局部最优解附近徘徊。[0124]三、基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则的资源配置[0125]在本技术的全负载蜂窝网络下，先对移动设备直连用户进行接入控制分析，排除不能给系统带来额外增益的移动设备直连用户，再进行各个用户的信道资源和功率分配，提高分配效率。[0126](一)移动设备直连接入控制[0127]移动设备直连用户与蜂窝用户之间的距离必须满足最小安全距离dmin才能保证共信道用户的信号传输质量，对于某对移动设备直连用户，如果cu与移动设备直连用户的接收端dr的距离大于dmin，则该cu选定作为移动设备直连用户的复用搭档用户，每对移动设备直连用户都通过这种方式选出可复用搭档用户,之后再进行信道和功率链接分配,省去很多计算不可行解的时间,提高资源配置效率。[0128](二)信道分配和功率分配[0129]在全负载蜂窝网络下，移动设备直连用户对需要复用蜂窝用户cu的信道资源,每个设备链点的信道位置表示第r对移动设备直连用户复用的信道：[0130]chi＝{chi1，chi2，…，chir}，chir∈c，r∈rꢀꢀ式6[0131]每对移动设备直连用户从可复用cu搭档用户中选择一个用户复用信道，chir表示复用cu用户的编号，信道数是离散值，在进行迭代计算过程中将chir编码成二进制，代入式5计算，在进行速度更新时，根据sigmoid函数进行判定，vch为信道对应速度，超出固定值范围则判定二进制位上的值变化，实现信道设备链点的位置更新。[0132]信道分配的同时进行用户的功率分配,共信道用户通过进行功率分配，与信道分配协调以获取最优资源配置，每个设备链点的cu功率和移动设备直连功率位置分别为和[0133][0134][0135]移动设备直连用户和蜂窝用户在式8的限制条件下同时进行功率调度，根据式5寻找最优功率匹配值，实现功率设备链点的位置更新。[0136](三)混合网络的资源配置流程[0137]混合移动设备直连通信与蜂窝通信的网络下信道和功率链接分配流程如下：[0138]第一步：计算每对移动设备直连用户接收端与蜂窝用户之间的距离，根据最小安全距离确定每对移动设备直连用户的cu复用搭档,进行移动设备直连用户的接入控制；[0139]第二步：对qc直连约束模型中涉及到的所有参数进行初始化，包括自接入因子、网桥常量、迭代次数，设备链点位置和速度的最大值,设备链点的初始位置和速度矩阵；[0140]第三步：计算初始位置的适合度函数值；[0141]第四步：分为信道更新和功率更新二部分进行调度，计算资源调度后新的适合度函数值，分别对信道设备链点和功率设备链点的位置进行更新；[0142]第五步：引入异变因子，分别对信道设备链点位置和功率设备链点位置进行异变操作，计算异变后的适合度函数值，如果优于现有的适合度函数值，则更新设备链点位置信息；[0143]第六步：如果迭代次数达到τmax则停止迭代,输出全局最优信道分配和功率分配参数，以及对应的适合度函数值，否则返回第三步；[0144]资源配置流程如图3所示。输出的信道分配和功率分配参数即为所求的资源配置方案，对应的适合度函数值即为系统最大吞吐量。[0145]四、实验结果与分析[0146]进一步给出相关实验分析,其中m＝10，n＝20。在蜂窝小区全负载的情况下，采用qc直连约束模型对无线资源进行分配,分为二种情况进行,一种在资源配置前进行移动设备直连接入控制,另一种则不进行移动设备直连接入控制，并与现有技术先信道分配后功率分配的分配方式进行比较。分析的内容包括三种算法的优化效果比较、最小sinr限制对移动设备直连通信的影响、移动设备直连用户间最大距离对移动设备直连通信的影响以及移动设备直连用户接入数量对移动设备直连通信的影响。用“本技术方法1”表示基于qc直连模型和移动设备直连接入控制准则的资源配置方法，“本技术算法2”表示基于qc直连模型约束链接分配方法，与本技术方法1唯一区别是没有进行移动设备直连接入控制,“现有技术”表示先信道分配后功率分配的方法。[0147](1)方法效果比较[0148]图4所示为三种算法进行资源配置时各自的效果对比，由图可知，现有技术中独立分配资源的系统吞吐量不及二种进行链接分配资源的算法,这是由于用户的信道分配和功率分配之间存在连带关系，不同的信道分配应该有不同的功率分配，二者在不断迭代更新的过程中应该相互交流信息，以此获取最优的资源配置方案，而现有技术首先将信道固定，然后进行功率分配，错失了更优的分配方案。在进行链接资源配置的二种算法中加入移动设备直连用户接入控制的算法较优，因为该方案在一开始就排除了不会给系统带来额外增益的移动设备直连用户，分配方式更优。[0149](2)最小sinr限制对移动设备直连通信的影响[0150]图5所示为通信用户的最小sinr限制由1db变化到10db时系统吞吐量的变化。随着用户最小sinr限制的增加，系统吞吐量逐渐降低。最小sinr限制条件是为了保证用户共信道用户的最低传输要求,使各用户的信号几乎不受共信道用户信号的干扰。当用户的最小sinr限制上升时，对用户接入的要求提高，不满足sinr条件的用户不能接入到蜂窝系统中。需要接入的移动设备直连用户必须满足距离和功率二个条件才能给系统带来额外增益。[0151]由5可知，本技术方法1和2在sinr要求最高位置的系统吞吐量高于现有技术在sinr要求最低位置的系统吞吐量，并且随着sinr要求的逐渐提高，本技术算法系统吞吐量的降低速度比现有技术的慢。综合以上二点可知，在相同sinr要求的系统中，相对于现有技术先信道分配后功率分配的方式，本技术的链接资源配置方式能够表现出更好的寻优性能。并且现有技术对sinr限制条件比本技术算法敏感，所以在sinr要求较高的系统中，本技术算法仍能表现出较好的寻优性能。[0152](3)移动设备直连用户间最大距离对移动设备直连通信的影响[0153]构建系统拓扑结构时，所有用户在小区范围内随机分布。由于移动设备直连通信距离短,设定移动设备直连用户对之间存在最大距离,二个用户之间距离不能超过这个值。该距离由10m到100m变化，[0154]观察图6可知，在移动设备直连用户间最大距离从10变化到30的过程中，系统吞吐量迅速降低，期间差值超过100mbps，由此可知，对于加入移动设备直连通信的系统，要想获得更大的系统吞吐量，应该将移动设备直连用户对之间的距离控制在较短的距离内，这样给系统带来的增益更为明显，更能凸显移动设备直连通信的作用。同时，本技术算法在移动设备直连用户间距离达到60m时可以达到现有技术在移动设备直连用户间距离为20m时的系统吞吐量水平，因此，在对系统吞吐量有固定要求的系统中，采用本技术算法能够更加灵活地采用不同距离的用户作为移动设备直连用户对。[0155](4)移动设备直连用户接入数量对移动设备直连通信的影响[0156]移动设备直连用户加入到蜂窝系统中，通过复用蜂窝用户资源的方式使系统获取额外增益。通过控制移动设备直连用户的接入数量，探讨移动设备直连用户接入蜂窝通信系统的效果。蜂窝用户m＝10保持不变,移动设备直连用户数量n与蜂窝用户数量m的比例从0.2增加到2，观察系统吞吐量的变化。如图7所示，随着接入比例的增加，系统的吞吐量逐渐上升。移动设备直连用户的加入可以给蜂窝系统带来额外增益，当移动设备直连用户数与蜂窝用户数比例处于[0.2,2]区间时,随着移动设备直连接入用户的增加,系统吞吐量逐渐增大。[0157]由图7可知，移动设备直连用户的加入能给系统带来额外增益，但此处的前提是移动设备直连用户数与蜂窝用户数的最大比例为2，当设备直连用户超过一定规模之后，增加设备直连用户数量将不再带来额外增益，所以应该合理控制系统中的移动设备直连用户数量；当移动设备直连用户与蜂窝用户的比例大于0.6之后，本技术的二种方法的寻优效果逐渐凸显,并且之后的增益能够达到20mbps左右,由此可见,本技术方法对于移动设备直连用户的资源配置有积极作用。[0158]通过以上几组实验分析可知,本技术在不同的环境中都表现出了良好的效果。与现有技术中先信道分配后功率分配的方法相比，本技术方法1表现出更优的性能，加入了移动设备直连控制的链接分配算法比没有加入的优化效果更好，所以本技术方法1是三种方法中的最优算法，移动设备直连接入控制准则和链接资源配置方式都给系统带来了额外增益，达到了本技术资源配置提升系统性能的目的。[0159]经过实验发现，对于加入移动设备直连通信用户的蜂窝系统，还有另外几个因素会影响到混合系统的信息传输性能，其中包括用户的最小sinr限制、移动设备直连用户的距离和移动设备直连用户接入蜂窝系统的数量。由图5可知，本技术对sinr限制条件没有先信道分配后功率分配的方法敏感,对于较高sinr要求的系统的资源配置问题有积极作用；由图6可知，当移动设备直连用户距离控制在较小的范围内时，给系统带来的额外增益更加明显；由图7可知，在限制移动设备直连用户数量的前提下，移动设备直连通信能够给系统带来额外增益，并且当移动设备直连用户规模较大时，系统的寻优效果更明显。因此，应该全面考虑各个因素对系统的影响，对于sinr要求较高的系统，要保证系统有较高的吞吐量,适当减少移动设备直连用户之间的距离,或者在系统可接受的基础上，适当增加移动设备直连用户数量。对于移动设备直连用户接入数量较多的系统，适当减小移动设备直连用户距离来提升系统吞吐量。









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