CN108391317B - 一种蜂窝网络中d2d通信的资源分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信网络领域，公开了一种蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法及系统,根据蜂窝用户和D2D用户的数量决定是否分簇，若需要分簇则应用基于距离的分簇方式；依次选择D2D用户作为主D2D用户与蜂窝用户执行基于干扰最小的资源分配方式；最后进行簇的更新，将不满足干扰条件的D2D用户从簇中除去，使用正交资源进行通信，并计算选择吞吐量最大的匹配方式。本发明在每次迭代中始终为D2D用户选择干扰最小的蜂窝用户，并选择吞吐量最大的匹配组合，不仅减小了系统干扰，而且提高了用户吞吐量和接入的数量；多对D2D用户复用一个蜂窝用户，大大提高了频谱利用率。

Description

一种蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信网络领域，尤其涉及一种蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法及系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

由于蜂窝网络中能容纳的用户数有限，在人口密集的场所用户通信的过程中极易发生无法通信或者通信中断的情况。传统的蜂窝网络下，两个通信用户要想建立连接必须经过基站作为中继，这样不仅会增加基站的负载，而且会降低通信质量，为了能够满足更多用户的通信需求，终端直连得到广泛发展。

D2D通信技术，也称为终端直连技术，作为一种短距离无线通信技术，它具有提高频谱效率、提升小区覆盖率以及近距离增益等优势。相比于WiFi、蓝牙等短距离无线通信，D2D通信作为一种工作在授权频段的近邻设备终端直连技术，可以通过控制其干扰来提高用户的服务质量，因为D2D通信使用的发射功率和时频资源都受到基站的管理，并且D2D通信可以很大程度上降低基站所承受的负载，显著提升系统吞吐量。同时，使终端设备具备多种接入选择模式，为设备的零延迟通信、移动终端的海量接入及数据传输开辟了新的途径。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术中，D2D用户复用蜂窝用户相互干扰，没有通过将距离较远的D2D用户分簇，并将每一个簇复用不同的蜂窝用户资源，不能显著提高系统吞吐量，降低系统干扰，并且多对一的分配方式系统中存在较为复杂的干扰。

(2)现有技术中，由于多对一的资源分配方式过于复杂，大部分研究都集中一对D2D用户复用一个蜂窝用户资源的复用方式。这种分配方式只适用于网络中有较少的D2D通信用户，一旦D2D通信用户增多到一定程度将会有大量D2D用户无法接入到蜂窝系统中。

(3)现有技术中，多对一的资源分配方法没有在复杂度和系统性能方面做一个很好的权衡。往往为了提高系统性能而导致复杂度较高，或者为了降低复杂度而导致系统性能变差。

(4)现有技术中，D2D通信的资源分配算法没有同时保证D2D用户和蜂窝用户的服务质量。往往优先保证蜂窝用户的通信质量，这样会导致D2D用户的接入率下降，通信质量变差。

解决上述技术问题的难度和意义：

D2D资源分配方法的难点在于D2D用户与蜂窝用户共用一个信道资源，目前在蜂窝系统中多个用户共用同一频段的技术还不成熟，因为会导致较为严重的同频干扰。而多对一的资源分配方法不仅会有蜂窝用户与D2D用户互相产生的干扰，还会产生同一个簇内D2D用户的干扰，如何最大可能的控制用户之间的干扰干扰同时提高系统性能，是研究的重点和难点。D2D通信不需要基站作为中继，不仅极大的降低了基站负载，而且减小了通信时延。而多对一的资源分配方式极大的提高了频谱效率，在保证接入用户正常通信的同时让尽可能多的用户接入到蜂窝系统，极大的提高了用户的接入率。例如在人口密集的场所往往会因为基站承载能力有限而导致大量用户无法通信，而D2D通信技术的引入可以极大的改变这一现状。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法及系统。

本发明是这样实现的，一种蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法，包括：

a.根据蜂窝用户(CU)和D2D用户(DU)的数量决定是否分簇，若需要分簇则应用基于距离的分簇方式；

b.依次选择D2D用户作为主D2D用户(MDU)与蜂窝用户执行基于干扰最小的资源分配方式；

c.最后进行簇的更新，将不满足干扰条件的D2D用户从簇中除去，使用正交资源进行通信，并计算选择吞吐量最大的匹配方式。

本发明基于香农公式将总体吞吐量最大作为目标函数：

表示为CU和DU的信干噪比，B为系统带宽，G_CB表示CU到基站的信道增益，

为DU的发射端到基站的干扰增益，o_i表示簇内DU对的数量。

为DU的信道增益

同理

表示CU到DU接收端的干扰增益，

表示簇内DU之间的干扰增益，γ代表快衰落和μ代表慢衰落，λ和χ表示路径损失常数和路径损失指数，

为DU发射端到接受端的距离，

表示第j个CU的发射功率，

表示第i个DU的发射功率，N₀表示高斯白噪声。公式(4)表示一对DU最多只能复用一个CU的信道资源，ρ_ij是复用指示矩阵，如果第i个MDU复用第j个CU，令ρ_ij＝1。

表示CU和DU的最大发射功率，而本发明始终取最大发射功率。

步骤a的具体过程如下：

a1.当M≥N时，不需要分簇，因为分簇必然会带来簇内干扰；当M＜N，执行基于距离的分簇方式，将距离较大的DU之间分配到一个簇内。

a2.DU的信干噪比可表示为

将o_i换成N可以得到信干噪比的一个取值范围

定义

为DU的最小信干噪比，根据

计算DU之间可以容忍的最大距离d_0i，

DU之间的距离可以表示为以下矩阵

a3.DU之间的距离d_ij大于d_0i，就可以将DU分到同一个簇中，这样保证了DU之间的干扰，每一个簇内的DU复用同一个CU资源。

步骤b的具体过程如下：

b1.令簇中的DU依次作为MDU，其余DU为SDU。

b2.将所有的MDU按优先级大小排序，假设δ(D_s)＞δ(D_t)…δ(D_o)＞δ(D_p)，按照优先级顺序为DU分配资源。

b3.当为第s个MDU分配资源时，计算S_sj，j的取值为1到M，取出最小的干扰和，即minS_sj。如果I_sa+I′_as最小，则计算是否满足

并且I′_as≤I^D，如果成立，令ρ_sa＝1，否则选择次小的S_sj，以此类推，直到矩阵ρ_ij的第s行有一个值为1，成功后此CU将不再参与后续的运算。其中I_ij表示MDU到CU的干扰，I′_ji表示CU到MDU的干扰，S_ij是MDU到CU和CU到MDU干扰之和。

和I^D分别表示CU和DU所能承受的最大干扰，

G_CB表示为CU到基站的链路信道增益。

b4.直到矩阵ρ_ij的所有行都出现1为止，即所有的MDU都找到所有的CU。

b5.将分配完的MDU复用的CU两两交换，判断交换后吞吐量是否增大，若是交换复用的CU。

步骤c的具体过程如下：

c1.计算每一个簇中SDU对CU的干扰I_ij和CU对SDU的干扰I′_ji。

c2.若

或者I′_ij＜I^D，则将SDU从簇中除去，在每一个簇中除去的DU形成一个新簇，此时将会形成F个新簇，F≤N_clu，将这F个新簇去使用正交的蜂窝系统中的正交资源。

c3.计算这F个新簇中的DU的优先级之和，F个新簇将会有F个优先级，将这F个优先级按大小排序，假设δ(Clu_u)＞δ(Clu_v)…＞δ(Clu_f)，按照优先级大小依次为F个新簇分配正交资源，先将第u个新簇复用第一个正交资源，再将第u个新簇复用第二个正交资源，直到所有未被CU使用的信道全部被D2D新簇占用为止。

c4.为DU分配完资源之后计算系统总的吞吐量T_i，在簇中所有的DU都作为MDU之后，在吞吐量集合{T₁，T₂…T_i…T_t}中选择吞吐量最大的匹配组合。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法。

本发明的另一目的在于提供一种蜂窝网络中D2D通信系统包括：

基于距离的分簇模块，根据蜂窝用户和D2D用户的数量决定是否应用基于距离的分簇方式分簇；

基于干扰最小的资源分配模块，依次选择D2D用户作为主D2D用户与蜂窝用户执行基于干扰最小的资源分配方式；

簇更新模块，进行簇的更新，将不满足干扰条件的D2D用户从簇中除去，使用正交资源进行通信；并计算选择吞吐量最大的匹配方式。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述蜂窝网络中D2D通信系统的信息数据处理终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明考虑的是多对一的资源分配方法，即多对D2D用户复用一个蜂窝用户，大大提高了频谱利用率。针对多对一的分配方式系统中存在复杂的干扰问题，包括CU对DU的干扰，DU对基站的干扰以及簇内DU之间的干扰。本发明提出基于距离的分簇方式并进行簇的更新，除去对CU干扰过大的DU，因此同时保证了CU和DU的QoS(Quality of Service)。本发明按照DU的优先级为DU选择干扰最小的CU，并选择吞吐量最大的匹配组合，不仅减小了系统干扰，而且提高了系统吞吐量和DU的接入率。

本发明与最优方法、匈牙利方法、随机方法进行比较，最优方法是寻找资源分配的所有可能方式并选择性能最优的匹配组合，这种方式虽然可以保证系统性能最优，但是复杂度极高，随着用户数量的增加复杂度增长迅速，在实际通信中不可行；匈牙利算法是基于图论的一种匹配方法，此方法并没有考虑系统干扰，不能保证通信用户的QoS，因此系统性能较低；随机方法是随机选择一种组合方式，虽然这种方法没有什么复杂度，但是性能是最差。而本发明所采用的方法可以保证系统性能的前提下使得计算复杂度尽可能的低，以更好的应用于实际网络中。

算法	吞吐量	接入率	干扰大小	复杂度
					最优方法	最高	最高	最低	极高
本发明方法	较高	较高	较低	低
					匈牙利方法	较低	较低	较高	低
随机方法	最低	最低	最高	极低

。

附图说明

图1是本发明实施例提供的蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法流程图。

图2是本发明实施例提供的D2D用户的分簇过程图。

图3是本发明实施例提供的基于干扰最小的资源分配图。

图4是本发明实施例提供的二分图匹配图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法，包括：

首先根据蜂窝用户和D2D用户的数量决定是否分簇，若需要分簇则应用基于距离的分簇方式；然后依次选择D2D用户作为主D2D用户与蜂窝用户执行基于干扰最小的资源分配方式；最后进行簇的更新，将不满足干扰条件的D2D用户从簇中除去，使用正交资源进行通信，并计算选择吞吐量最大的匹配方式。该方法保证了蜂窝用户和D2D用户的QoS需求，最小化系统干扰，最大化系统吞吐量。

本发明基于香农公式将总体吞吐量最大作为目标函数：

表示为CU和DU的信干噪比，B为系统带宽，G_CB表示CU到基站的信道增益，

为DU的发射端到基站的干扰增益，o_i表示簇内DU对的数量。

为DU的信道增益

同理

表示CU到DU接收端的干扰增益，

表示簇内DU之间的干扰增益，γ代表快衰落和μ代表慢衰落，λ和χ表示路径损失常数和路径损失指数，

为DU发射端到接受端的距离，

表示第j个CU的发射功率，

表示第i个DU的发射功率，N₀表示高斯白噪声。公式(4)表示一对DU最多只能复用一个CU的信道资源，ρ_ij是复用指示矩阵，如果第i个MDU复用第j个CU，令ρ_ij＝1。

表示CU和DU的最大发射功率，而本发明始终取最大发射功率。

如图1所示，本发明提供了一种蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法，具体步骤如下所示：

步骤a根据CU和DU的数量决定是否分簇，若需要分簇则应用基于距离的分簇方式，如图2所示，有三对DU，以DU发射端为圆心，d_o1、d_o2、d_o3为半径画圆，D₁的接收端不在D₂的圆内，并且D₂的接收端不在D₁的圆内，即d₁₂≥d₀₁，d₂₁≥d₀₂，所以D₁和D₂可以形成一个簇。但对于D₃的接收端在D₂的圆内，即d₂₃＜d₀₂，所以D₃不能与D₁和D₂形成一个簇。步骤a的具体过程如下：

a1.当M≥N时，不需要分簇，因为分簇必然会带来簇内干扰；当M＜N，执行基于距离的分簇方式，将距离较大的DU之间分配到一个簇内。

a2.DU的信干噪比可表示为

将o_i换成N可以得到信干噪比的一个取值范围

定义

为DU的最小信干噪比，根据

计算DU之间可以容忍的最大距离d_0i，

DU之间的距离可以表示为以下矩阵

a3.DU之间的距离d_ij大于d_0i，就可以将DU分到同一个簇中，这样保证了DU之间的干扰，每一个簇内的DU复用同一个CU资源。

步骤b依次选择DU作为MDU与CU执行基于干扰最小的资源分配方式，如图3所示。步骤b的具体过程如下：

b1.令簇中的DU依次作为MDU，其余DU为SDU。

b2.将所有的MDU按优先级大小排序，假设δ(D_s)＞δ(D_t)…δ(D_o)＞δ(D_p)，按照优先级顺序为DU分配资源。

b3.当为第s个MDU分配资源时，计算S_sj，j的取值为1到M，取出最小的干扰和，即minS_sj。如果I_sa+I′_as最小，则计算是否满足

并且I′_as≤I^D，如果成立，令ρ_sa＝1，否则选择次小的S_sj，以此类推，直到矩阵ρ_ij的第s行有一个值为1，成功后此CU将不再参与后续的运算。其中I_ij表示MDU到CU的干扰，I′_ji表示CU到MDU的干扰，S_ij是MDU到CU和CU到MDU干扰之和。

和I^D分别表示CU和DU所能承受的最大干扰，

G_CB表示为CU到基站的链路信道增益。

b4.直到矩阵ρ_ij的所有行都出现1为止，即所有的MDU都找到所有的CU。

b5.将分配完的MDU复用的CU两两交换，判断交换后吞吐量是否增大，若是交换复用的CU。

步骤c最后进行簇的更新，将不满足干扰条件的DU从簇中除去，使用正交资源进行通信，并计算选择吞吐量最大的匹配方式。步骤c的具体过程如下：

c1.计算每一个簇中SDU对CU的干扰I_ij和CU对SDU的干扰I′_ji。

c2.若

或者I′_ji＜I^D，则将SDU从簇中除去，在每一个簇中除去的DU形成一个新簇，此时将会形成F个新簇，F≤N_clu，将这F个新簇去使用正交的蜂窝系统中的正交资源。

c3.计算这F个新簇中的DU的优先级之和，F个新簇将会有F个优先级，将这F个优先级按大小排序，假设δ(Clu_u)＞δ(Cl_v)…＞δ(Clu_f)，按照优先级大小依次为F个新簇分配正交资源，先将第u个新簇复用第一个正交资源，再将第u个新簇复用第二个正交资源，直到所有未被CU使用的信道全部被D2D新簇占用为止。

c4.为DU分配完资源之后计算系统总的吞吐量T_i，在簇中所有的DU都作为MDU之后，在吞吐量集合{T₁，T₂…T_i…T_t}中选择吞吐量最大的匹配组合。

如图4所示，顶点C₁…C_M表示CU，顶点

表示DU。CU和DU之间的连线表示为S_ij＝I_ij+(I′_ji)^T，即MDU到CU和CU到MDU干扰之和。未被占用的信道定义为顶点V₁…V_L，分布在图的上边，在簇的更新中得到的新簇定义为顶点clu_u…clu_L…clu_f，若L＜F，则取出优先级最高的前L个新簇复用未被CU占用的信道。若L≥F，则新簇可以全部复用未被CU占用的信道。V与clu的连线表示该新簇占用该信道通信。

本发明提供一种蜂窝网络中D2D通信系统包括：

基于距离的分簇模块，根据蜂窝用户和D2D用户的数量决定是否应用基于距离的分簇方式分簇；

基于干扰最小的资源分配模块，依次选择D2D用户作为主D2D用户与蜂窝用户执行基于干扰最小的资源分配方式；

簇更新模块，进行簇的更新，将不满足干扰条件的D2D用户从簇中除去，使用正交资源进行通信；并计算选择吞吐量最大的匹配方式。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法，其特征在于，所述蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法为：

首先根据蜂窝用户CU和D2D用户DU的数量决定是否应用基于距离的分簇方式分簇；

然后依次选择D2D用户作为主D2D用户MDU与蜂窝用户执行基于干扰最小的资源分配方式；

最后进行簇的更新，将不满足干扰条件的D2D用户从簇中除去，使用正交资源进行通信；并计算选择吞吐量最大的匹配方式；

所述依次选择D2D用户作为主D2D用户与蜂窝用户执行基于干扰最小的资源分配方式，包括：

一)令簇中的DU依次作为MDU，其余D2D用户为次D2D用户(SDU)；

二)将所有的MDU按优先级大小排序，

按照优先级顺序为DU分配资源；

三)为第s个MDU分配资源时，计算S_sj，j的取值为1到M，取出最小的干扰和minS_si；

若I_sa+I′_as最小，计算是否满足

并且

如果成立，设置ρ_sa＝1，否则选择次小的S_sj，直到矩阵ρ_ij的第s行有一个值为1，成功后对应的CU不再参与后续的运算；其中I_ij表示第i个MDU到第j个CU的干扰，I′_ji表示第j个CU到第i个MDU的干扰，S_ij是第i个MDU到第j个CU和第j个CU到第i个MDU干扰之和，ρ_ij是复用指示矩阵，若第i个MDU复用第j个CU，令ρ_ij＝1；

和I^D分别表示CU和DU所能承受的最大干扰，

G_CB表示为CU到基站的链路信道增益；M表示CU个数；

表示为CU的最小信干噪比；G_SR为DU的信道增益；

表示第j个CU的发射功率；N₀表示高斯白噪声；P_i ^D表示第i个DU的发射功率，

为DU的最小信干噪比；

四)直到矩阵ρ_ij的所有行都出现1为止，所有的MDU都找到所有的CU；

五)将分配完的MDU复用的CU两两交换，判断交换后吞吐量是否增大，若是交换复用的CU。

2.如权利要求1所述的蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法，其特征在于，所述蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法基于香农公式将总体吞吐量最大作为目标函数：

表示为第j个CU和第i个DU的信干噪比，B为系统带宽，

为第i个DU的发射端到基站的干扰增益，o_i表示簇内DU对的数量；

为第i个DU的信道增益

表示CU到第i个DU接收端的干扰增益，

表示簇内第i个DU之间的干扰增益，

代表第i个DU发射端到接收端的快衰落和

代表第i个DU发射端到接收端的慢衰落，λ和χ表示路径损失常数和路径损失指数，

为第i个DU发射端到接收端的距离，

表示第j个CU的发射功率，P_i ^D表示第i个DU的发射功率，

表示第z个DU的发射功率，N₀表示高斯白噪声；

公式(4)表示一对DU最多只能复用一个CU的信道资源，ρ_ij是复用指示矩阵，第i个MDU复用第j个CU，令ρ_ij＝1；

表示CU和DU的最大发射功率，始终取最大发射功率。

3.如权利要求2所述的蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法，其特征在于，所述根据D2D用户和蜂窝用户的数量决定是否应用基于距离的分簇方式分簇，具体包括：

1)当M≥N时，不分簇；当M＜N，执行基于距离的分簇方式，将距离大的DU分配到一个簇内；其中，N为D2D用户的数量；

2)DU的信干噪比表示为

将o_i换成N，得到信干噪比的一个取值范围

为DU的最小信干噪比，根据

计算DU之间可以容忍的最大距离d_0i，

DU之间的距离表示为以下矩阵

3)DU之间的距离d_ij大于d_0i，将DU分到同一个簇中，每一个簇内的DU复用同一个CU资源。

4.如权利要求1所述的蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法，其特征在于，所述进行簇的更新，将不满足干扰条件的D2D用户从簇中除去，使用正交资源进行通信；并计算选择吞吐量最大的匹配方式，包括：

第一步，计算每一个簇中SDU对CU的干扰I_ij和CU对SDU的干扰I′_ji；

第二步，若

或者I′_ji＜I^D，则将SDU从簇中除去，在每一个簇中除去的DU形成一个新簇，形成F个新簇；F≤N_clu时，F个新簇去使用正交的蜂窝系统中的正交资源；N_clu表示簇的个数；

第三步，计算F个新簇中的DU的优先级之和，F个新簇有F个优先级，将F个优先级按大小排序；按照优先级大小依次为F个新簇分配正交资源，直到所有未被CU使用的信道全部被D2D新簇占用为止；

第四步，为DU分配完资源之后计算系统总的吞吐量T_i，在簇中所有的DU都作为MDU之后，在吞吐量集合中选择吞吐量最大的匹配组合。

5.一种如权利要求1所述蜂窝网络中D2D通信的资源分配方法的蜂窝网络中D2D通信装置，其特征在于，所述蜂窝网络中D2D通信装置包括：

基于距离的分簇模块，根据蜂窝用户和D2D用户的数量决定是否应用基于距离的分簇方式分簇；

基于干扰最小的资源分配模块，依次选择D2D用户作为主D2D用户与蜂窝用户执行基于干扰最小的资源分配方式；

簇更新模块，进行簇的更新，将不满足干扰条件的D2D用户从簇中除去，使用正交资源进行通信；并计算选择吞吐量最大的匹配方式。

6.一种搭载权利要求5所述蜂窝网络中D2D通信装置的信息数据处理终端。

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