CN106954269B - D2D通信系统中的一种基于QoS的分簇信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了D2D通信系统中的一种基于QoS的分簇信道分配方法，该方法在D2D用户复用蜂窝用户下行链路资源的场景下，引入用户满意度的概念以更好地满足D2D用户的不同QoS需求，运用图论着色方法为D2D用户分配信道。具体步骤如下：首先构建D2D用户间的干扰图，然后在保证蜂窝用户QoS需求的情况下建立D2D用户的可用颜色列表，最后基于用户满意度和系统公平性定义了D2D用户使用不同颜色的效用，并在此基础上为D2D用户分簇，位于同一簇内的用户可以共享蜂窝用户信道。该方法能够在有效保证蜂窝用户QoS需求的情况下提高D2D用户的满意度，同时兼顾用户间的公平性。

Description

D2D通信系统中的一种基于QoS的分簇信道分配方法

技术领域

本发明涉及一种D2D复用模式下基于QoS的分簇信道分配方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

目前，3GPP(Third Generation Partnership Project)组织已经把D2D(Device-to-Device)通信技术列为第五代移动通信(5G,5-generation)的关键技术之一。D2D通信是一种在基站或核心网的控制下，允许近距离的用户终端之间通过专用频谱或复用蜂窝网络频谱直接通信的新技术。由于D2D通信不经过基站中继，有利于节省设备功率、卸载蜂窝流量从而减小基站的负担。与工作在非许可频段的其它无线通信技术(如WiFi、蓝牙、ZigBee)相比，D2D通信工作在许可频段，可以避免非许可频段存在的不确定因素，提供更可靠的服务。

在D2D通信中，用户可以采用专用模式(DedicatedMode)、复用模式(ReusingMode)和蜂窝模式(Cellular Mode)进行通信。其中，复用模式因其高频谱效率的特点受到广泛关注。采用复用模式时，如果用户间的干扰不能得到有效控制，D2D通信可能会损害其他用户的通信质量从而降低系统性能。因此，有效的干扰管理机制是发挥D2D通信优势的关键。此外，D2D通信可支持多种本地传输业务如文件共享、视频播放等，由于使用不同业务的用户对速率的需求不同，考虑到实际应用场景，资源的分配应当与D2D用户的业务需求相结合，以防出现为低速率需求的用户分配过多资源而为高速率需求的用户分配资源不足的情况。本发明以用户满意度为主要度量值，在保证蜂窝用户QoS需求的情况下，采用图论着色方法为QoS需求各异的D2D用户分簇以共享蜂窝用户信道，能更好的满足用户的业务速率需求并兼顾系统公平性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是在D2D复用模式下提供一种基于QoS的分簇信道分配方法，D2D用户通过合理的复用蜂窝用户的信道，以更好的满足自身的业务速率需求同时有较好的系统公平性。

技术方案：本发明的D2D通信系统中的一种基于QoS的分簇信道分配方法，包括以下步骤：

1)蜂窝用户和子信道总数均为M，C_k表示蜂窝用户k，每个蜂窝用户占用一个子信道，即C_k使用子信道k；D_i表示D2D用户对i，D2D用户总数为N；g_B,k为基站和C_k之间的信道增益；g_i为D_i直通链路的信道增益；h_B,i为基站到D_i的接收机的信道增益；h_i,k为D_i的发射机到C_k的信道增益；h_i,j为D_i的发射机到D_j的接收机的信道增益；N₀为所有用户接收端噪声功率，定义D2D用户i的满意度为其中Dem_i为D_i的数据需求速率，为D_i的传输速率；

2)根据系统中D2D用户间的干扰情况，建立干扰图G＝(V,E)：点集V代表D2D用户对；边集E表示任两对D2D用户之间的干扰情况，若D2D用户对i与D2D用户对j满足：

则二者不可共享信道，并建立边，式中P_B为基站的总发射功率，均匀分配给蜂窝用户；D2D用户可以占用多个子信道并且在每个子信道上的发射功率相同，均为W为子信道的带宽；参数β的取值范围在0.5到0.6之间；

3)建立D2D用户的可用颜色列表，每种颜色对应其可使用的蜂窝用户的信道，初始时D2D用户可以使用全部颜色；对每个蜂窝用户，为保证其QoS需求，首先根据其最低速率需求计算出其所能承受的干扰上限然后通过不断添加边来去除对其干扰最大的D2D用户，与其建立边的D2D用户的可用颜色列表里去除该蜂窝用户的颜色，直到蜂窝用户所受的总干扰满足阈值要求；

4)定义将颜色k分配给D2D用户对i使用的代价函数c(i,k)为c(i,k)＝|neigh_i,k|，其中|neigh_i,k|为集合neigh_i,k的元素个数，表示可用颜色k的其它D2D用户与D2D用户对i之间存在边的总条数；此外，定义D2D用户对i加入簇k(cluster_k)带来的效用u_i,k为其中表示D2D用户对i加入簇k所获得的速率；在效用的基础上为D2D用户分簇，具体过程如下：

4-1)初始化：颜色k＝1；

4-2)集合用于存放最终使用颜色k的D2D用户集；集合B为所有可用颜色列表中含颜色k的D2D用户集；

4-3)若B为空，则转4-4)，否则计算集合B中D2D用户添加到第k簇的效用，选取带来效用最大的用户，若有多个则随机选择一个加入集合A并从集合B中移除；集合B中删除干扰图中与加入集合A的用户之间有边的D2D用户；重复4-3)；

4-4)第k簇的D2D用户cluster_k＝A；计算所有D2D用户的满意度，置空满意度为1的D2D用户的可用颜色列表；

4-5)若k≤M，k＝k+1，转4-2)；

4-6)位于同一簇内的D2D用户复用相应的蜂窝用户信道。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明在有效保证蜂窝用户最低速率需求的情况下将D2D用户信道分配转化为图的顶点着色的问题，更简单、方便的解决了信道分配。

2.本发明以用户满意度为度量值，根据D2D用户自身业务速率需求为其分配信道，能够有效提高D2D用户的满意度，避免了传统的资源分配方法可能带来的为低速率需求的用户分配过多资源而为高速率需求的用户分配资源不足的情况，更好的满足了用户需求。

3.本发明在信道分配的过程中，照顾到速率需求高、更难满足的D2D用户，保证了资源分配的公平性，更合理的利用系统资源。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明方法的系统模型示意图。

图3为不同资源分配方案下的蜂窝用户中断概率比较图。

图4为不同资源分配方案下D2D用户的平均满意度比较图。

图5为不同资源分配方案下D2D用户满意度的方差比较图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明的系统模型如附图2所示，考虑单小区场景，小区半径为R，基站位于小区的中心，小区内随机分布着M个蜂窝用户和N对D2D用户，C_k和D_i分别表示蜂窝用户k和D2D用户对i。M个蜂窝用户使用M个独立正交的子信道且子信道已分配完毕，不失一般性，认为蜂窝用户k使用第k个子信道，D2D用户复用蜂窝用户的下行链路资源进行通信。考虑密集D2D通信场景，D2D用户数大于蜂窝用户数。本发明允许一个蜂窝用户的信道被多对D2D用户使用，一对D2D用户使用多个蜂窝用户的信道。此外，不考虑功率控制，蜂窝用户和D2D用户均以固定功率发射，P_B表示基站的总发射功率；所有D2D用户在所有子信道上的发射功率相同，用表示。

小区内所有用户的大尺度衰落模型采用单斜率路径损耗模型，即P_R＝κP_Td^-α，其中κ和α分别是路径损耗常数和路径损耗指数，d表示收发双方的距离；小尺度衰落为瑞利衰落。用g_B,k表示基站和C_k之间的信道功率增益；g_i表示D_i直通链路的信道功率增益；h_B,i表示基站到D_i的接收机的信道功率增益；h_i,k表示D_i的发射机到C_k的信道功率增益；h_i,j表示D_i的发射机到D_j的接收机的信道功率增益。W表示子信道的带宽；N₀表示所有用户接收的噪声功率；ρ_i,k∈{0,1}为信道分配的指示变量，若D_i复用C_k的信道，则ρ_i,k＝1，反之ρ_i,k＝0。

假设基站平均分配在每个子信道上的发射功率，蜂窝用户受到来自复用其信道的D2D用户的干扰，因此C_k接收的信干噪比为：

D_i复用C_k的信道时，受到来自基站和与其使用相同信道的其它D2D用户的干扰，其接收的信干噪比为：

根据香农公式得二者的速率(bit/s)为：

其中表示D_i在子信道k上的传输速率。考虑到每个D2D用户的QoS需求不同，其数据速率的需求向量为：Dem＝{Dem₁,Dem₂,…,Dem_i,…,Dem_N}，定义D2D用户的满意度为：

本发明在保障保障蜂窝用户最低速率需求即：

的情况下尽可能地提高D2D用户的满意度，但是因为速率需求低的用户可以占用较少的频谱资源而达到较高的满意度，如果一味地追求系统中D2D用户的总满意度最大，可能会导致其优先得到有限的频谱资源而速率需求高的用户分配不到信道，资源分配地极不公平。为了解决公平性问题，本发明采用用户满意度的方差：

来衡量信道分配的公平性，var越小，系统公平性越好。

根据系统中D2D用户间的干扰情况，建立干扰图G＝(V,E)：点集V＝{V₁,V₂,…,V_N}，代表D2D用户对；边集E＝{e_i,j}_N×N，表示D_i与D_j之间的干扰情况，若二者干扰严重不可共享信道，则连接顶点v_i和v_j，建立边：e_i,j＝1；e_j,i＝1，否则，e_i,j＝0；e_j,i＝0。

一方面，从D2D用户的角度讲，其速率需求越高，就越希望得到高的接收信干噪比或使用更多的信道，所以不能以固定的信干噪比作为判断D2D用户间是否存在严重干扰的依据。另一方面，从系统的角度讲，资源复用可以带来吞吐量的增益。当资源严重不足时，即使用户之间的干扰略大、复用带来的吞吐量增益较小，但允许更多的用户接入会让资源分配地更公平合理。所以本发明采用下式作为判断D_i与D_j之间是否存在边的依据：

若满足该式，则二者不可共享信道，并建立边。其中参数β反映了系统对D2D用户间干扰的容忍程度，β越大，对用户间的干扰限制得越严格，干扰图中边的数目就越多，实际应用中参数β的取值范围应在0.5到0.6之间。

每对D2D用户都拥有一个颜色列表，每种颜色对应其可使用的蜂窝用户的信道，初始时D2D用户可以使用全部颜色。当D2D用户对蜂窝用户干扰较大时，若此D2D用户不着该蜂窝用户的颜色，就可以有效提高蜂窝用户的通信质量。定义蜂窝用户的中断概率为：其中，Pr(T)为满足条件T的概率。

为保证蜂窝用户的中断概率为0，本发明对每个蜂窝用户，首先根据其最低速率需求计算出其所能承受的干扰上限：然后通过不断添加边来去除对其干扰最大的D2D用户，直到其所受的总干扰满足阈值要求。此外，为了添加较少的边使D2D用户有更多的可用颜色，应按从大到小的顺序对干扰进行移除。

对于任意颜色k，只要没有分配给D_i的相邻顶点就可以供D_i使用。将颜色k分配给D_i使用的代价函数c(i,k)定义如下：

c(i，k)＝|neigh_i,k| (9)

其中|neigh_i,k|为集合neigh_i,k的元素个数，表示可用颜色k的其它D2D用户与D_i之间存在边的总条数。代价函数反映了D_i使用颜色k后对其他用户的影响。代价越大，则颜色k分配给D_i使用后，系统中就有越多可用颜色k的其它D2D用户无法使用该颜色，频谱利用率就越低。此外，定义D_i加入簇k(cluster_k)带来的效用u_i,k为：

其中：

表示D_i加入簇k所获得的速率。该效用具有以下几个特性：

(1)对于未达到速率需求的D2D用户，加入某簇获得的速率R_i,k越高，其满意度越高，就越优先加入该簇；

(2)分子中的(1-Satis_i)考虑了用户间的公平性：D2D用户的满意度越小，就越优先使用该颜色，以减小和其它用户满意度的差距；

(3)分母中代价函数加上常数避免了分母为零的可能，同时它是协作式的，考虑了D_i使用颜色k后对其他用户和系统频谱利用率的影响。

在式(10)的基础上，对D2D用户分簇。因为每个D2D用户可以使用多种颜色，所以一个D2D用户可以属于多个簇。初始时，簇k的候选成员为所有可用颜色列表中含颜色k的D2D用户。分簇的基本思想为：对某种颜色，每次从其对应簇的候选成员集中选择一个候选成员加入到簇中，同时将与添加的用户有边的候选成员从候选成员集中移除，进入到下一轮选择，直到候选成员集为空。每次选择添加到簇中的用户的依据是优先选取添加到该簇带来效用最大的候选成员，若有多个则随机选择一个。值得注意的是，每轮选择结束后，由于簇内干扰变化导致候选成员的效用改变，因此在进入到下轮选择前都应更新其效用。同时，在信道分配的过程中，一旦用户达到需要的速率，即使仍有其它可用信道，也将可用颜色列表置空，不参与这些颜色的分配。因为进一步提升速率不会带来满意度的增加还可能会占用其它有需要的用户的资源。

本发明的基于QoS的分簇信道分配方法的具体流程如附图1所示。

综上所述，本发明在考虑蜂窝用户QoS要求的条件下，以提高D2D用户的满意度为目标，同时兼顾用户间的公平性，为D2D用户合理的分配信道。如附图3所示是本发明提出的信道分配方法与其他资源分配方法的蜂窝用户中断概率对比图，从图中可以看出本发明方法可以有效保障蜂窝用户的QoS要求。如附图4和附图5所示是本发明提出的方法与其他资源分配方法相比随着D2D用户数增加时D2D用户的平均满意度和D2D用户满意度的方差的效果图，从图中可以看出本方法可以效提高D2D用户的满意度和系统公平性。

Claims (1)

1.D2D通信系统中的一种基于QoS的分簇信道分配方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：

1)蜂窝用户和子信道总数均为M，C_k表示蜂窝用户k，每个蜂窝用户占用一个子信道，即C_k使用子信道k；D_i表示D2D用户对i，D2D用户总数为N；g_B,k为基站和C_k之间的信道增益；g_i为D_i直通链路的信道增益；h_B,i为基站到D_i的接收机的信道增益；h_i,k为D_i的发射机到C_k的信道增益；h_i,j为D_i的发射机到D_j的接收机的信道增益；N₀为所有用户接收端噪声功率，定义D2D用户i的满意度为其中Dem_i为D_i的数据需求速率，为D_i的传输速率；

2)根据系统中D2D用户间的干扰情况，建立干扰图G＝(V,E)：点集V代表D2D用户对；边集E表示任两对D2D用户之间的干扰情况，若D2D用户对i与D2D用户对j满足：

则二者不可共享信道，并建立边，式中P_B为基站的总发射功率，均匀分配给蜂窝用户；D2D用户可以占用多个子信道并且在每个子信道上的发射功率相同，均为W为子信道的带宽；参数β的取值范围在0.5到0.6之间；

3)建立D2D用户的可用颜色列表，每种颜色对应其可使用的蜂窝用户的信道，初始时D2D用户可以使用全部颜色；对每个蜂窝用户，为保证其QoS需求，首先根据其最低速率需求计算出其所能承受的干扰上限然后通过不断添加边来去除对其干扰最大的D2D用户，与其建立边的D2D用户的可用颜色列表里去除该蜂窝用户的颜色，直到蜂窝用户所受的总干扰满足阈值要求；

4)定义将颜色k分配给D2D用户对i使用的代价函数c(i,k)为c(i,k)＝|neigh_i,k|，其中|neigh_i,k|为集合neigh_i,k的元素个数，表示可用颜色k的其它D2D用户与D2D用户对i之间存在边的总条数；此外，定义D2D用户对i加入簇k(cluster_k)带来的效用u_i,k为其中表示D2D用户对i加入簇k所获得的速率；在效用的基础上为D2D用户分簇，具体过程如下：

4-1)初始化：颜色k＝1；

4-2)集合用于存放最终使用颜色k的D2D用户集；集合B为所有可用颜色列表中含颜色k的D2D用户集；

4-3)若B为空，则转4-4)，否则计算集合B中D2D用户添加到第k簇的效用，选取带来效用最大的用户，若有多个则随机选择一个加入集合A并从集合B中移除；集合B中删除干扰图中与加入集合A的用户之间有边的D2D用户；重复4-3)；

4-4)第k簇的D2D用户cluster_k＝A；计算所有D2D用户的满意度，置空满意度为1的D2D用户的可用颜色列表；

4-5)若k≤M，k＝k+1，转4-2)；

4-6)位于同一簇内的D2D用户复用相应的蜂窝用户信道。