CN104602353A - 一种蜂窝移动通信系统中d2d链路的无线资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法，通过分组和单载波资源分配的方法解决蜂窝移动通信系统中的无线资源分配问题。首先对单小区内的所有D2D链路进行分组，并为每个分组分配一个子载波资源，将多载波多用户的资源分配问题转化为单载波多用户的资源分配；然后提出一种适用于蜂窝移动通信系统的单载波资源分配方法来完成单载波多用户的资源分配。本发明提出的D2D链路的单载波资源的分配方法通过数学建模转化成为寻找最大点权独立集的问题，同时不断地迭代更新每个时隙下D2D链路的权重，使得每个时隙都能实现资源的最优分配。这种方法有效地控制了算法的复杂度，增加了蜂窝移动通信系统的吞吐量，提高了蜂窝移动通信系统的频谱利用率。

Description

一种蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法

技术领域

本发明属于蜂窝移动通信领域，涉及一种蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法。

背景技术

移动通信的发展对通信的容量、系统的负载量的要求不断提高，而D2D通信技术能有效地提高系统频带效率，降低基站负载，也能使近距离用户有较高的传输速率。但是在某一蜂窝小区内，既存在蜂窝用户，也存在D2D用户，所以蜂窝系统中单小区内分配给D2D链路的子载波资源数有限，并考虑到小区内的同频干扰与负载的均衡，这就导致了蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源的合理分配，以保证系统的效用最优，目前尚缺少能够有效解决该问题的算法。

发明内容

为了解决在蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配问题，本发明提供一种蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法。

本发明提供了一种蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法，如图1所示，通过将D2D用户频域分组和每个分组中进行单载波资源分配的方法解决了蜂窝系统中无线资源分配问题。在对单个蜂窝小区内D2D链路进行频域分组时，每个分组内的链路被分配使用同一个子载波资源，即将多载波多用户的无线资源分配问题转化为单载波多用户场景下的D2D链路调度问题。针对这一问题，本发明提出了一种适用于蜂窝移动通信系统的单载波资源分配方法来完成单载波资源的调度。该方法通过迭代更新每个时隙下D2D链路的权重，同时不断地调用单载波资源分配的方法分配子载波资源，直至每个时隙下所有子载波资源都完成分配。

本发明采用的技术方案，具体如下：

将蜂窝移动通信系统中单小区的D2D链路建模为图模型G＝(V,E)，其中V表示小区内的D2D链路；小区内使用同一子载波资源的D2D链路间干存在同频扰，若干扰大于一定门限则认为D2D链路间存在干扰，用干扰边表示，E表示干扰边的集合，若干扰小于门限，则认为D2D链路间不存在干扰。

如图2所示，适用于蜂窝移动通信系统中多载波单小区的D2D链路分组的方法具体有以下六个步骤，其中N为单小区内D2D链路数，J为单小区内的子载波资源数：

(1)算法初始化，q＝1。

(2)确定第q个D2D链路的可用子载波资源集合J_q。

(3)假设将J_q中的每个子载波资源分别分配给D2D链路q使用，则J_q中的每个子载波分组中都可能会引起干扰的增加，用图模型中的干扰边的增量ΔE来表示，并找出引起干扰边的增量ΔE最小的子载波分组，将所有满足条件的子载波资源记为集合J_q′。

(4)在J_q′中的各个子载波分组中，找出包含D2D链路数最少的子载波分组，即为负载最小的子载波分组。

(5)若(4)中确定的负载最小的子载波分组唯一，则直接将D2D链路q分配给该子载波分组；若不唯一，则将D2D链路q任意分配给其中一个子载波分组即可。至此完成对第q个D2D链路的分组。

(6)q增加1，转到(2)，直到q＞N为止。

在上述的六个步骤中，对步骤(2)进一步说明，考虑到相邻小区D2D链路间的同频干扰，则小区内的D2D链路的可用子载波集合并不一定是小区内全部子载波资源。在步骤(2)中，采用分数频率复用的方法确定J_q，对J_q的解释在具体实施方案中会详细提到。

单小区内的所有D2D链路完成分组后，开始对每个分组中的D2D链路进行调度，调度的原则是使系统在当前时隙内吞吐量的对数和最大。设U(t)为前t个时隙内所有D2D链路吞吐量的对数和，即

$U\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\ln R_i\left(t\right)---\left(3\right)$

经过一阶Taylor展开，得到U(t)的表达式，如公式(4)所示：

$U\left(t\right)\≈U(t-1)+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(t\right)x_i\left(t\right)---\left(4\right)$

其中表示在时隙t内D2D链路i的吞吐量与前t-1个时隙内的平均吞吐量之比；x_i(t)表示该时隙内D2D链路是否被调度，取值为1时表示被调度，否则表示未被调度。

公式(4)经过推导，最终将本发明提到的最优化资源分配问题转化为如下问题，用公式(5)表示：

$\underset{\left\{x_i\left(t\right)\right\}}{\mathrm{Max}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(t\right)x_i\left(t\right)---\left(5\right)$

$\begin{array}{cc}s.t.& w_i\left(t\right)=\frac{C_i\left(t\right)}{R_i(t-1)}\end{array}---\left(6\right)$

$x_i\left(t\right)+x_k\left(t\right)\≤1,\∀t,(i,k)\∈E$

如图3所示，适用于蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法具体有以下五步：

(1)初始化时隙slot＝1(slot＝1,2,...)，蜂窝小区内的每个D2D链路都被赋予一个较小的随机权重。

(2)在对单小区内所有D2D用户完成分组后，初始化i＝1。

(3)对于第i(i＝1,2,...,J)个子载波分组，根据限制条件：任何相邻(存在干扰)的两个D2D链路在同一时隙下只能调度其中一个。再根据前面所建立的图模型，将第i个分组下的资源分配问题转化为求解该时隙下第i个分组的最大点权独立集，并找出第i个分组下的最大点权独立集。

(4)i增加1，重复步骤(3)，直至i＞J为止。

(5)slot增加1，按照公式(6)中的权重定义更新每个D2D链路的权重，再转到步骤(2)，直至所有时隙下D2D链路均被调度结束。

步骤(3)中的寻找最大点权独立集的问题已经被广泛地解决，例如采用贪婪算法，二进制整数规划的算法都可以获得较好的结果。

本发明的有益效果：(1)本发明通过简单有效的频域分组方法，将单小区内的多载波多用户资源分配问题转化为单载波多用户的资源分配，这种分组方法有益于适应蜂窝移动通信系统的多变性特点，同时也能够实现系统各个子载波分组的干扰与负载的均衡；(2)本发明将提出的单载波资源分配算法转化为寻找最大点权独立集的问题，通过迭代更新每个时隙下D2D链路的权重，采用简单、合理的算法求解最大点权独立集，有效地解决了单载波资源分配的问题，降低了算法的复杂度，提高了系统的频谱效率。

附图说明：

图1为适用于蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法的算法流程图；

图2为适用于蜂窝移动通信系统中单小区D2D链路频域分组算法流程图；

图3为适用于蜂窝移动通信系统中单载波资源分配算法流程图；

图4为蜂窝移动通信系统中七小区图例；

图5以图4中单蜂窝小区1为例，图5a为小区1中D2D链路的分布示意图，图5b为小区1中D2D链路的干扰图模型的示意图；

图6为第i个分组下的D2D链路的干扰图模型。

具体实施方式：

下面以图4中标号为1的单蜂窝小区中D2D链路的资源分配为例，对本发明作进一步说明。首先对蜂窝小区1中的所有D2D链路进行频域分组，然后对每个时隙内每个分组中的D2D链路进行调度，以此说明本发明提出的适用于蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法。

将图4中的小区1作为一般情形单独解释，如图5a，5b所示，假设小区内共有N个D2D链路(N＝100)，系统分配给该小区的可用子载波资源的个数为J(J＝20)。其图5a为小区1的D2D用户分布图，图中的两个点以及连线代表一个D2D链路；图5b为小区1中D2D链路建模为图模型后的图，图中的点表示D2D链路，边表示两个D2D链路之间存在的同频干扰。在对小区中的N个D2D链路进行分组之前，要考虑小区1中D2D链路与其他相邻小区的D2D链路同频干扰，以确定小区1中有哪些子载波资源可供D2D链路使用，即确定小区1中各个D2D链路的可用子载波资源集合J_q。

如图4所示蜂窝小区，将每个蜂窝小区划分为图中所示的4个小区域，各个小区采用分数频率复用的方法分配子载波资源，其中每个小区的中心区域使用编号为d的子载波资源，其余三个边缘区域使用编号为a、b、c的子载波资源，如表1所示。

表1.每个区域的可用子载波资源

所在区域	a	b	c	d
					可用子载波	1-4	5-8	9-12	13-20

假设每个区域都剩余一半的子载波资源可供D2D链路使用。对于每个小区的中心区域d，由于距离较远，可认为相邻小区的中心区域用户不存在同频干扰。但是在边缘区域，例如1a、2c、3b，在这三个区域里对子载波资源的使用可能是有争议的，所以可能需要仲裁。现以蜂窝小区1为例，对小区1中J个子载波资源重新划分给各个区域，实现该结果的算法具体分为以下几步：

(1)初始化n＝1(n＝1,2,...,J)，n表示具体某一个子载波资源标号。

(2)判断n是否属于1a、2c、3b可使用的空闲子载波资源集合，如果不属于，则子载波资源n可以忽略，直接转到步骤(4)，否则顺序执行。

(3)如果n属于1a、2c、3b可使用的空闲子载波资源集合，则需要考虑n到底分配给1a、2c、3b中的哪一个区域使用。如果1a、2c、3b区域的可使用空闲子载波资源集合中只有一个区域包含子载波资源n，则直接将n分配给该区域，转到步骤(4)，否则则将n分配给包含子载波资源较少的区域。

(4)n增加1，转到步骤(2)，直到所有子载波资源重新分配完毕。

按照上述确定小区1内任意一个D2D链路q可用子载波资源集合J_q的方法，得到表2，表2是根据上述步骤得到的分配结果，表示各个小区域内的D2D用户的可用子载波资源集合。

表2.小区1中各个小区域的可用子载波资源集合

小区域	可用子载波资源标号
		a	1,3,6,7,9,15,16,18,19
b	1,4,6,7,9,15,16,18,19
		c	1,3,6,7,9,11,15,16,18,19
d	1,3,6,7,9,11,15,16,18,19

至此，完成了小区内的各个区域D2D链路的可用子载波资源集合的确定。现开始对小区内的各个D2D链路进行频域分组，假设小区1内的D2D链路i位于图5所示的小区1中的a区域，则对照表2得到D2D链路i的可用子载波资源集合J_i＝{1,3,6,7,9,15,16,18,19}。分别将上述J_i中的子载波分配给D2D链路i使用，得到一组由于加入D2D链路i而引起J_i中各个子载波分组中干扰边数个数的增量，如表3所示。本例中假定两个D2D链路的距离超过一定门限时就存在干扰边。

由表3的结果得到，引起干扰边增量最小的分组标号为7，15，18，再由表4中找到上述三个子载波分组中包含D2D链路数最少的那个子载波分组。

由表4可以得到，子载波分组标号为7的分组所包含的D2D链路数最少，即负载最小，故将D2D链路i分配给子载波分组标号为7的分组。按照此过程，将所有的D2D链路都进行分组。

表3.D2D链路i加入J_i中各个分组时引起干扰边数的增量

子载波分组标号	干扰边增量
		1	1
3	1
		6	2
7	0
		9	1
15	0
		16	2
18	0
		19	1

表4.满足条件的三个分组的D2D链路数

子载波分组标号	包含的D2D链路数
		7	7
15	9

18

8

完成小区内的D2D链路分组后，开始对每个时隙下每个分组中的D2D链路进行调度，确定最优的资源分配方案以使系统获得较好的频谱效率。

假设在第一个时隙下，赋予小区内每一个D2D链路一个较小的随机权重。现取时隙t下小区1中的第i个分组来说明该分组中的D2D链路单载波资源分配问题以及D2D链路的权重在下一时隙更新的问题。假设该分组中包含的D2D链路的标号的集合为{1，15，27，34，52，59，70，87，99}。如图6所示，黑点表示该分组中的D2D链路，序号从1到9分别对应前面所提到的D2D链路的标号，两黑点之间的连线表示相邻的D2D链路间存在干扰，由于存在同频干扰，就要求相邻的两个D2D链路之间只能有一个D2D链路被调度，可用表5中限制条件来表示。表5中的所有x_k(t)(k＝1,2,...,9)的取值只能为0或1，分别表示未被调度和被调度。此外在图6中的每个D2D链路标号后的括号里还有其对应的权重，为获得较大的吞吐量，经过数学推导，只要求得当前分组里的最大点权独立集，即可得到被调度的D2D链路，从而实现最优化资源分配。本实例采用贪婪算法获得最大点权独立集，从图6中各个D2D链路的点权值和表5中的约束条件的限制可以得到最终该分组的最大点权独立集为{1，2，5，8，9}，对应的D2D链路的标号为{1，15，52，87，99}。

表5

序号	约束条件	序号	约束条件
				1	x2(t)+x3(t)≤1	5	x5(t)+x7(t)≤1
2	x3(t)+x5(t)≤1	6	x6(t)+x9(t)≤1
				3	x4(t)+x5(t)≤1	7	x7(t)+x8(t)≤1
4	x5(t)+x6(t)≤1	8	x7(t)+x9(t)≤1

至此完成了该时隙下某一个分组中的D2D链路调度情况，当所有分组全部调度结束时，开始进行下一个时隙的分组、资源分配等。在下一个时隙的资源分配之前，要按照公式(6)更新小区内的各个D2D链路的权重，然后再按照上述各个分组的资源分配方法对各个分组的D2D链路进行调度。

以上所述仅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。

Claims (3)

1.本发明提供了一种蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法，通过将D2D用户分组和每个分组中进行单载波资源分配的方法实现蜂窝系统中的无线资源分配；在对单个蜂窝小区内D2D链路进行分组时，每个分组内的链路被分配使用同一个子载波资源，即将多载波多用户的无线资源分配问题转化为单载波多用户场景下的D2D链路调度问题，通过适用于蜂窝移动通信系统的单载波资源分配方法来完成子载波资源的分配，并通过迭代更新每个时隙下D2D链路的权重，同时不断地调用单载波资源分配的方法分配子载波资源，直至每个时隙下所有子载波资源都完成分配；具体包含以下五个步骤：

步骤[101]：判断所有D2D链路是否分组完毕，若分组结束转到步骤[103]；

步骤[102]：对D2D链路进行分组；

步骤[103]：判断子载波资源是否调度完毕，若子载波资源调度完毕，则结束，否则继续；

步骤[104]：更新D2D链路的权重；

步骤[105]：根据所提单载波资源分配方法对D2D链路进行资源调度，然后转到步骤[103]。

2.根据权利要求1中所述的蜂窝移动通信系统的D2D链路无线资源分配方法，其特征在于：在对单小区内的D2D链路进行分组时，考虑干扰与负载的均衡，该方法包括以下五个步骤，包含于所述步骤[101]、[102]中，具体如下：

步骤[201]：初始化q＝1，子载波资源总数为J，D2D链路数为N；

步骤[202]：确定第q个D2D链路的可用子载波资源集合J_q；

步骤[203]：假设分别将J_q中每个子载波资源分配给D2D链路q使用，并找出由于加入D2D链路q而引起同频干扰最小的子载波资源分组，将所有满足条件的子载波资源记为集合J_q′；

步骤[204]：在子载波资源集合J_q′中找出负载最小的分组，将第q个D2D链路分配给该子载波资源分组；

步骤[205]：q增加1，转到步骤[202]，直到q＞N为止。

3.根据权利要求1所述的一种蜂窝移动通信系统中D2D链路的无线资源分配方法，其特征在于：在解决单载波无线资源分配问题时，不断迭代更新D2D链路在不同时隙下的权重，同时建模转化为寻找最大点权独立集，该方法包括以下六个步骤，包含于所述步骤[103]～[105]中，具体如下：

对于小区内的每个D2D链路分为被调度和未被调度，分别记为x＝1和x＝0。假设U(t)为在前t个时隙内吞吐量对数值，通过一阶Taylor展开，得到U(t)等价于前t-1个时隙内吞吐量与当前时隙被调度的D2D链路的权重的和有关，其中某一时隙t的D2D链路的权重为该D2D链路在时隙t的吞吐量与其前t个时隙的总的吞吐量的比值；

步骤[301]：初始化时隙slot＝1(slot＝1，2，...)，此时小区内的每个D2D链路都被赋予一个较小的随机权重。将小区建模为一个图模型，图模型中的点代表小区内的D2D链路，边代表两D2D链路之间存在同频干扰，初始化i＝1；

步骤[302]：判断所有时隙是否调度结束，若为否，转到下一步；

步骤[303]：对第i(i＝1，2，...，J)(J为所有子载波资源的个数)个子载波分组；

步骤[304]：根据权重的定义更新每个D2D链路权重；

步骤[305]：根据限制条件：存在干扰边的两D2D链路在同一时隙下不能被同时调度，将单载波资源分配问题转化为求解该时隙下第i个子载波分组的最大点权独立集，并找出第i个分组下的最大点权独立集，实现单载波资源分配；

步骤[306]：i增加1，转至步骤[303]，直至i＞J为止。若所有时隙均已调度结束，则算法结束；slot增加1，再按照步骤[301]中的方法建立模型，转至步骤[303]。