CN105979586A - 一种基于图论的d2d多播通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了，一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，主要包括以下步骤：(1)基于最大化利用资源而进行最小化簇头数目的多播分簇；(2)为了提升系统吞吐量，使用多播簇接收端再选择算法为多播簇接收端重新找到合适的簇头；(3)使用图论着色理论把D2D多播簇用户分成不相交的集合；(4)在保证蜂窝用户QoS的条件下，以最大化系统吞吐量为目标，使用图论中的KM算法为D2D多播簇用户分配资源，使得多个D2D多播簇用户复用同一蜂窝用户的无线资源。

Description

一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种移动通信领域，尤其涉及一种D2D多播通信的资源分配方法。

背景技术

就目前而言，随着移动通信技术不断发展，以及多媒体业务的需求的急剧增长，移动通信传输速率不足和频谱资源的稀缺成为目前移动通信领域面临的主要挑战，为此，LTE-A蜂窝小区引入了终端直通技术。

而D2D通信技术与多媒体组播技术结合即D2D多播技术能够进一步提升系统的性能，首先，D2D多播技术能够通过中继终端进行数据的转发，从而提升整个系统的数据传输速率，其次，D2D多播技术能够通过D2D通信距离较短的优势，增强边缘用户的性能，从而大大提升用户体验，最后，D2D多播用户在通信时复用蜂窝用户的资源能够极大地节省频谱资源，提升频谱效率；进而提升系统吞吐量，减轻基站的负载。

图1所示为D2D多播通信的场景模型；如图所示，基站eNB向这些用户设备发送多播数据；此时，由于边缘用户设备信道条件太差，导致一部分用户很难甚至无法接收到eNB发送的数据；由于多播通信的数据传输速率取决于信道质量最差的用户，为了提高多播组的整体数据传输速率，eNB可以在ACK用户中选择一些终端设备作为簇头，这些簇头和一些NACK用户组成D2D多播簇，以此进行多播数据的转发；因此，如何对D2D多播用户进行合理的分簇成为一个研究的问题；当D2D多播簇用户复用蜂窝用户的资源进行通信时，D2D多播簇用户必定对基站接收蜂窝用户的信号产生干扰，同时蜂窝用户通信时，也会对多播簇用户接收端产生干扰；所有这些干扰都会降低小区的频谱效率；因此如何合理的为D2D多播簇用户分配资源成为研究的重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，以此来解决边缘用户由于信道质量差而导致无法与基站进行多播通信的问题，同时解决如何在保证蜂窝用户QoS的前提下，进一步提升系统频谱效率的问题；

该D2D多播通信方法包括根据最小化簇头数目进行多播用户分簇；基于图的着色理论把D2D多播用户簇划分为若干复用相同蜂窝用户无线资源的集合；保证蜂窝用户QoS的条件下，以最大化系统吞吐量为目标，使用图论中的KM算法为D2D多播簇用户集合分配资源。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

为了实现上述一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其中，以最小化多播簇头为目标为多播用户分簇；具体包括：

根据所述的NK_s选择AK_r作为簇头时的SINR即γ_r,s来确定ACK用户与NACK用户的连接关系：

其中γ_r,s是NACK用户NK_s选择ACK用户AK_r作为簇头时的SINR；γ_th是确保D2D多播簇正常通信的最小SINR；是AK_r的最大发射功率，h_r,s是NK_s和AK_r间的信道增益；是经过长期观测的干扰平均值，为固定的常数；

计算NK_s和AK_r间的γ_r,s，当γ_r,s≥γ_th时，NK_s和AK_r可以建立连接关系，即c_r,s＝1，否则c_r,s＝0；从而得到ACK用户和NACK用户的连接矩阵：

根据C_link矩阵每一行之和的大小来确定簇头，矩阵C_link第r行元素之和表示AK_r做为簇头从NACK用户中选择所能匹配的接收端的数目；计算矩阵C_link每一行元素之和，然后找出数值最大的一行对应的作为簇头，并把r^*存入簇头集合R^*；然后把所有所对应的NACK用户均被选为簇头r^*的接收端；并存入簇头r^*多播簇接收端集合然后删除矩阵C_link中第r^*行，和所对应的列；重新得到连接矩阵C_link，重复上述步骤，直到所有的NACK用户都选择了簇头，或者ACK用户被全部选择做簇头；把接收端s^*所对应的簇头存入集合并把对应2个及以上簇头的接收端存入S^*。

为了实现上述一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其中，以提升系统吞吐量为目标，对能够匹配多个簇头的多播簇接收端进行调整；包括以下内容：

以提升系统吞吐量为目标选择簇头，根据簇头在选择公式进行选择：

当s^*不满足上式时，把r'从集合删除即重新计算上式；重复上述步骤直到或者s^*满足上式；当s^*满足上式时，把s^*从接收端调整为D2M_r′接收端，并存入集合当时，s^*的接收端即为重复上述步骤直到所有满足上式的s^*都被调节完毕，此时簇头集合为R^*，簇头r^*对应的接收端集合为D2D多播分簇完毕，簇头集合R^*即为多播簇的集合D＝{1,2,3,...,M}；簇头r^*对应的接收端集合为即为D2M_i接收端集合为R_i＝{1,2,...,N_i}。

为了实现上述一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其中，使用图论 着色理论把D2D多播簇用户分成不相交的集合，具体包括：

根据SINR门限来构建D2D多播簇干扰图，多播簇用户集合的划分必须满足以下条件：

当γ_i<γ′_th时，去除对多播簇D2M_i干扰最大的多播簇D2M_m，并把D2M_m的编号m放入D2M_i的不可容忍干扰集合INF_i；并且标记e_i,m＝1，表示D2M_m和D2M_i存在不可容忍的干扰，不能划分到一个多播簇用户集合；重复上述过程，直到γ_i≥γ′_th为止；并据此构建D2D多播簇之间的干扰图；

根据图论中的着色理论划分多播簇用户集合；我们首先选择边最多的多播簇着色，然后选择边次多的多播簇着色，依次类推，直到所有的多播簇节点着色完毕；即得到共用相同无线资源的多播簇用户的集合划分；这样就D2D多播簇集合D＝{1,2,3,...,M}划分为T个多播簇用户集合，每一个多播簇用户集合用DS_t表示。

为了实现上述一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其中，使用KM算法为DS_t分配复用资源的蜂窝用户，具体包括：

依据SINR门限值选择D2D多播用户簇集合潜在复用蜂窝用户，潜在复用蜂窝用户必须满足：

CU_l被选择的蜂窝用户必须满足上式，即CU_l被多播簇用户集合DS_t选择为资源共享蜂窝用户，那么它必须在DS_t中所有多播簇用户以最大功率传输信号时，保证CU_l的大于满足CU_l正常通信的最小SINR即

根据KM算法为DS_t分配复用资源的蜂窝用户，二分图的权重值为CU_l对DS_t的干扰之和确定：

其中h_l,i是CU_l到D2M_i簇头的信道增益，I_l,t为CU_l对DS_t的干扰之和；以此得到D2D多播簇用户集合与蜂窝用户的匹配二分图；使用图论中的KM算法给每一个DS_t确定共享资源的蜂窝用户。

如上所述，本发明的的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，具有以下有益效果：

(1)对D2D多播用户进行合理分簇；

(2)在保证蜂窝用户QoS的条件下，提升系统频谱效率。

附图说明

图1是本发明的D2D多播通信场景模型；

图2是本发明的D2D多播簇干扰连接图；

图3是本发明的D2D多播集合与蜂窝用户匹配二分图；

图4是本发明的D2D多播用户分簇流程图；

图5是本发明的D2D多播簇用户资源分配流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明：

如图1～5所示：

本发明提供了一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，该方法如图1所示，包括：

该系统为LTE-A单小区蜂窝系统，蜂窝小区内随机分布着一些用户设备，基站eNB向这些用户设备发送多播数据；例如在紧急情况下的应急通信、商家发送促销信息、政府部门发送宣传教育的信息、大型集会时发送相关的信息等；此时，由于边缘用户设备信道条件太差，导致一部分用户很难甚至无法接收到eNB发送 的数据；这一部分用户被称为NACK用户，如图1白色圆圈所示；接收到eNB数据的用户被称为ACK用户，如图1黑色圆圈所示；由于多播通信的数据传输速率取决于信道质量最差的用户，所以如果要想基站一次性把多播数据发送完，必然会造成系统吞吐量的大幅度下降；为了提高多播组的整体数据传输速率，eNB可以放弃向NACK用户传输数据，而是在ACK用户中选择一些终端设备作为簇头，这些簇头和一些NACK用户组成D2D多播簇，以此进行多播数据的转发；

在这种传输场景下，数据传输可以分为两个阶段：(1)基站向ACK用户发送数据；(2)ACK用户中的簇头和一些NACK用户组成D2D多播簇，并在多播簇内向NACK用户发送数据；由于第一阶段是eNB向ACK用户传输数据，场景简单，故只对第二阶段进行研究。

如图4所示，一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，具体包括：

S11、根据NK_s选择AK_r作为簇头时的SINR即γ_r,s来确定ACK用户与NACK用户的连接关系，并生成连接矩阵C_link；

S12、计算矩阵C_link每一行元素之和，然后找出数值最大的一行对应的作为簇头，并把r^*存入簇头集合R^*；

S13、删除矩阵C_link中第r^*行，和所对应的列；重新得到连接矩阵C_link，重复上述步骤，直到所有的NACK用户都选择了簇头，或者ACK用户被全部选择做簇头；

S14、把接收端s^*所对应的簇头存入集合把对应2个及以上簇头的接收端存入S^*；

S15、根据公式为接收端s^*重新选择簇头，具体包括：

S151、判断s^*是否满足

S152、当s^*满足上式时，把s^*从接收端调整为D2M_r'接收端，并存入集合不满足时，把r'从集合删除即重新计算上式；重复上述步骤直到或者s^*满足上式；当时，从S^*中删除s^*；

S153、重复上述步骤直到S^*中每一个接收端都选择到合适的簇头。

如图5所示，一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，具体包括：

S21、构建D2D多播簇之间的干扰连接图，具体包括：

S211、初始化D2D多播簇集合D，选定D2D多播簇D2M_i，初始化D2M_i的不可容忍干扰集合

S212、当γ_i<γ′_th时，去除对多播簇D2M_i干扰最大的多播簇D2M_m，并把D2M_m的编号m放入D2M_i的不可容忍干扰集合INF_i；并且标记e_i,m＝1；

S213、重复上述步骤直到γ_i≥γ′_th为止，并据此构建D2D多播簇之间的干扰连接图，如图2所示；

S22、选择边最多的多播簇着色，然后选择边次多的多播簇着色，依次类推，直到所有的多播簇节点着色完毕；

S23、依据SINR门限值判决条件选择D2D多播用户簇集合潜在复用蜂窝用户；

S24、根据公式计算CU_l对DS_t的干扰之和，以1/I_l,t作为权重值；

S25、得到D2D多播簇用户集合与蜂窝用户的匹配二分图，如图3所示；使用图论中的KM算法给每一个DS_t确定共享资源的蜂窝用户。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所述方法由基站控制用户设备完成，包括以下步骤：

(1)以最小化多播簇头为目标为多播用户分簇；

(2)以提升系统吞吐量为目标，对能够匹配多个簇头的多播簇接收端进行调整，选择最适合的簇头给多播簇接收端；

(3)使用图论着色理论把D2D多播簇用户分成不相交的集合；

(4)在保证蜂窝用户QoS的条件下，以最大化系统吞吐量为目标，使用图论中KM算法D2D多播簇用户分配资源，使得多个D2D多播簇用户复用同一蜂窝用户的无线资源。

2.根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，本发明方法适用于如下场景：

D2D多播用户复用蜂窝用户上行无线资源的LTE及LTE-A蜂窝小区系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤(1)包含以下内容：

(3.1)确定ACK用户与NACK用户的连接关系：

${\mathrm{\&gamma;}}_{r,s}=\frac{P_{max}^r\&CenterDot;h_{r,s}}{(\stackrel{\&OverBar;}{I}+{\mathrm{\&sigma;}}_N^2)}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{th}$

其中γ_r,s是NACK用户NK_s选择ACK用户AK_r作为簇头时的SINR，γ_th是确保D2D多播簇正常通信的最小SINR，是AK_r的最大发射功率，h_r,s是NK_s和AK_r间的信道增益，是经过长期观测的干扰平均值，为固定的常数，当满足上述公式时，NK_s和AK_r可以建立连接关系，即c_r,s＝1，否则c_r,s＝0；从而得到ACK用户和NACK用户的连接矩阵：

(3.2)从ACK用户选择簇头：

矩阵C_link第r行元素之和表示AK_r做为簇头从NACK用户中选择所能匹配的接收端的数目，计算矩阵C_link每一行元素之和，然后找出数值最大的一行对应的作为簇头，并把r^*存入簇头集合R^*；

(3.3)选择簇头所对应的接收端：

把所有所对应的NACK用户均被选为簇头r^*的接收端，并存入簇头r^*多播簇接收端集合然后删除矩阵C_link中第r^*行，和所对应的列，重新得到连接矩阵C_link，重复上述步骤，直到所有的NACK用户都选择了簇头，或者ACK用户被全部选择做簇头。

4.根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤(2)包含以下内容：

(4.1)找到接收端s^*可以连接的簇头，可由下式确定：

$R^{s^{*}}=\{r^{^}\&Element;R^{s^{*}}|r^{^}=\underset{r\&Element;R}{\arg }\{c_{r,s^{*}}=1\}\}$

然后把接收端s^*可以连接的簇头存入集合

(4.2)根据下式为s^*选择最合适的簇头：

$\left\{\begin{array}{c}{h}_{r^{*},s^{*}}>h_{r^{*},\min }\\ h_{r^{*},s^{*}}>h_{r,\min }\\ r^{\&prime;}=\underset{r^{^}\&Element;R^{S^{*}}}{\arg }\max \left\{h_{r^{^},\min }\right\}\\ h_{r^{\&prime;},min}>h_{r^{*},min}\end{array}\right.$

当s^*不满足上式时，把r'从集合删除即重新计算上式；重复上述步骤直到或者s^*满足上式；当s^*满足上式时，把s^*从接收端调整为D2M_r'接收端，并存入集合当时，s^*的接收端即为重复上述步骤直到所有满足上式的s^*都被调节完毕，此时簇头集合为R^*，簇头r^*对应的接收端集合为

D2D多播分簇完毕，簇头集合R^*即为多播簇的集合D＝{1,2,3,...,M}，簇头r^*对应的接收端集合为即为D2M_i接收端集合为R_i＝{1,2,...,N_i}。

5.根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤(3)包含以下内容：

(5.1)D2D多播簇干扰图的构建：

多播簇用户集合的划分必须满足以下条件：

${\mathrm{\&gamma;}}_i=\frac{P_{max}^d\&CenterDot;h_{i,\min }}{\underset{n=1,n\&NotEqual;i}{\overset{M}{\&Sigma;}}{P}_{max}^d\&CenterDot;h_{n,i}+{\mathrm{\&sigma;}}_N^2}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{th}^{\&prime;}$

上式用来判定D2M_i在和其他多播用户共用无线资源时，是否收到其他多播用户不可容忍的干扰；

当γ_i<γ′_th时，去除对多播簇D2M_i干扰最大的多播簇D2M_m，并把D2M_m的编号m放入D2M_i的不可容忍干扰集合INF_i，并且标记e_i,m＝1，表示D2M_m和D2M_i存在不可容忍的干扰，不能划分到一个多播簇用户集合，重复上述过程，直到γ_i≥γ′_th为止；并据此构建D2D多播簇之间的干扰图；

(5.2)根据图论中的着色理论划分多播簇用户集合：

$i^{*}=\underset{i\&Element;D}{\arg }max\left\{\underset{m\&Element;{\mathrm{INF}}_i}{\&Sigma;}{e}_{i,m}\right\}$

根据图论中的着色理论，我们依据上式首先选择边最多的多播簇着色，然后选择边次多的多播簇着色，依次类推，直到所有的多播簇节点着色完毕，即得到共用相同无线资源的多播簇用户的集合划分，这样就D2D多播簇集合D＝{1,2,3,...,M}划分为T个多播簇用户集合，每一个多播簇用户集合用DS_t表示。

6.根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤(4)包含以下内容：

(6.1)选择D2D多播用户簇集合潜在复用蜂窝用户：

${\mathrm{\&gamma;}}_l^c=\frac{P_l^c\&CenterDot;g_{l,B}}{\underset{i\&Element;{\mathrm{DS}}_t}{\&Sigma;}{P}_{\max }^d\&CenterDot;h_{i,B}+{\mathrm{\&sigma;}}_N^2}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_{l,min}^c$

CU_l被选择的蜂窝用户必须满足上式，即CU_l被多播簇用户集合DS_t选择为资源共享蜂窝用户，那么它必须在DS_t中所有多播簇用户以最大功率传输信号时，保证CU_l的大于满足CU_l正常通信的最小SINR即

(6.2)使用KM算法为DS_t分配复用资源的蜂窝用户：

权重值由CU_l对DS_t的干扰之和确定：

$I_{l,t}=\underset{i\&Element;{\mathrm{DS}}_t}{\&Sigma;}{P}_l^c\&CenterDot;h_{l,i}$

根据上式得到D2D多播簇用户集合与蜂窝用户的匹配二分图，使用图论中的KM算法给每一个DS_t确定共享资源的蜂窝用户。