CN109982437B - 一种基于位置感知加权图的d2d通信频谱分配方法 - Google Patents

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CN109982437B CN201910237470.2A CN201910237470A CN109982437B CN 109982437 B CN109982437 B CN 109982437B CN 201910237470 A CN201910237470 A CN 201910237470A CN 109982437 B CN109982437 B CN 109982437B
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Abstract

本发明公开了一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，属于无线通信领域。首先构建蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型，建立D2D接收用户的信干噪比SINR以及蜂窝用户的SINR；然后利用蜂窝用户的SINR以及D2D接收用户的SINR分别计算蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率；利用蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率计算系统容量，并将最大化系统容量为优化目标，以蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限和D2D链路频谱分配约束为优化条件，构建异构网络中的D2D资源分配优化模型；构建位置感知加权图对D2D资源分配优化模型进行优化，得到各个D2D通信对的资源分配方案。本发明大幅提高了系统总容量，实现了对蜂窝用户通信质量的保护。

Description

一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及异构蜂窝网络系统，具体是一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法。
背景技术
智能终端的普及以及移动互联网业务的井喷式发展，对无线通信网络的数据传输能力提出了更高的要求。在当前的大趋势下，现有的蜂窝网络存在频谱资源短缺以及基站负载过重等问题，不能满足未来无线网络的传输需求。
设备到设备(D2D，Device-to-Device)通信允许邻近用户建立直接通信链路进行通信，因为其具有提升频谱效率、节约能耗和卸载基站负载等优势，成为了未来无线通信网络中一种很有潜力的技术。
在蜂窝网络中引入D2D通信，一方面可以节约能耗、改善边缘用户的性能，另一方面D2D通信共享蜂窝用户的频谱可以极大的提升频谱利用率。然而，D2D通信复用蜂窝网络的频谱会对蜂窝通信链路造成跨层干扰，蜂窝用户作为蜂窝频段的主用户，通信质量应该得到保证，同时在D2D通信密集部署的情况下，多个D2D通信链路复用相同的频谱会造成彼此之间的同层干扰，所以蜂窝网络与D2D通信共存时的干扰管理问题是一个亟待解决的问题。无线网络频谱分配旨在通过合理的资源配置来缓解干扰，提升频谱资源利用效率，是解决上述干扰管理问题的有效途径。
现有的对于蜂窝网络中D2D通信频谱分配的研究主要分为三类：博弈论方法、图论方法和空域隔离方法。博弈论方法将D2D用户建模为博弈玩家进行竞争博弈，直到纳什均衡状态，但是求解纳什均衡状态需要用户间大量的信息交换，而且需要大量的迭代才能收敛。图论方法使用图建模用户间的干扰关系，利用图着色等方法分配频谱，但是不能有效保证蜂窝用户的通信质量。空域隔离方法通过为蜂窝用户建立干扰限制区域，能够有效的保护蜂窝用户的通信质量，但是空域隔离是非常粗粒度的优化，没有充分地利用频谱资源。
因此，需要研究一种既能保证蜂窝用户通信质量，又能合理建模用户密集部署时复杂的干扰关系，从而充分利用频谱提升系统容量的频谱分配方法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，结合图论和用户的地理位置，提供了一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，应用于蜂窝网络与D2D通信共存的异构网络中。
具体步骤包括：
步骤一、构建蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型；
异构网络模型包括蜂窝基站BS、M个蜂窝下行用户以及N个D2D通信对。
设定第m个蜂窝用户为Cm，其中1≤m≤M；第n个D2D通信对为Dn，其中1≤n≤N。D2D通信对Dn中的发射用户和接收用户分别用
Figure BDA00020086424000000220
和
Figure BDA00020086424000000221
表示。
蜂窝下行通信链路和D2D链路通信都采用正交频分复用技术，每个蜂窝用户占用一个通信资源块RB，任意两个蜂窝链路之间没有干扰；同时允许一个蜂窝用户与多个D2D用户共享相同的RB，由D2D用户自主选择通信资源块RB和传输功率。
步骤二、基于异构网络模型中存在的干扰，建立D2D接收用户的信干噪比SINR以及蜂窝用户的SINR；
干扰包括三种类型：1)蜂窝用户受到的来自共享相同RB的每个D2D通信对中的发射用户的干扰；2)每个D2D通信对中的接收用户受到的来自基站的干扰；3)每个D2D通信对中的接收用户受到的来自其他所有共享相同RB的D2D通信对中发射用户的干扰。
蜂窝用户Cm接收到的来自基站的第k个通信资源块RB上的信号SINR为：
Figure BDA0002008642400000021
PB表示基站的固定发射功率；
Figure BDA0002008642400000022
为基站到蜂窝用户Cm的下行目标链路的信道增益；Dk代表共享第k个RB的所有D2D通信对组成的集合；
Figure BDA0002008642400000023
表示D2D通信对Dn中发射用户的发射功率；
Figure BDA0002008642400000024
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dn中发射用户
Figure BDA0002008642400000025
到蜂窝用户Cm的干扰链路的信道增益；N0代表加性高斯白噪声的功率谱密度。
D2D通信对Dn的接收用户在第k个RB上的接收信号的SINR为：
Figure BDA0002008642400000026
Figure BDA0002008642400000027
为D2D通信对Dn的发射用户
Figure BDA0002008642400000028
到接收用户
Figure BDA0002008642400000029
的D2D目标链路的信道增益；
Figure BDA00020086424000000210
为当多个链路共享RB时，基站到D2D通信对Dn的接收用户
Figure BDA00020086424000000211
的干扰链路的信道增益；
Figure BDA00020086424000000212
表示D2D通信对Di中发射用户的发射功率；
Figure BDA00020086424000000213
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Di中发射用户
Figure BDA00020086424000000214
到接收用户
Figure BDA00020086424000000215
的干扰链路的信道增益；
步骤三、利用蜂窝用户的SINR以及D2D接收用户的SINR分别计算蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率；
蜂窝链路的单位带宽通信速率
Figure BDA00020086424000000222
计算公式为：
Figure BDA00020086424000000217
D2D链路的单位带宽通信速率
Figure BDA00020086424000000223
计算公式为：
Figure BDA00020086424000000219
步骤四、利用蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率计算系统容量，并将最大化系统容量为优化目标，以蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限和D2D链路频谱分配约束为优化条件，构建异构网络中的D2D资源分配优化模型；
优化模型如下：
Figure BDA0002008642400000031
Figure BDA0002008642400000032
Figure BDA0002008642400000033
BN×K＝[bn,k]为D2D通信对的通信资源块RB的分配矩阵，bn,k为D2D通信对Dn的RB选择参数。
约束条件C1表示蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限；
Figure BDA0002008642400000034
代表蜂窝用户接收SINR的最小门限，ε代表了蜂窝通信链路中断概率的最大门限。
约束条件C2表征D2D链路频谱分配约束条件，每个D2D用户对最多只能分配一个通信资源块RB。
步骤五、构建位置感知加权图对D2D资源分配优化模型进行优化，得到各个D2D通信对的资源分配方案。
资源分配方案包括选取合适的通信资源块RB和传输功率。
具体优化过程为：
步骤501、初始设定每个蜂窝用户各着一个颜色，且颜色各不相同；每个D2D通信对为一个节点，每个RB对应一个颜色；任意两个D2D通信对之间相连一条边。
针对每个D2D通信对节点，初始该节点对应的若干RB包含所有颜色集合；
步骤502、根据蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限的约束条件，计算以某蜂窝用户Cm为中心，不同半径的圆形感知区域；
针对圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000035
对应半径
Figure BDA0002008642400000036
的计算公式为:
Figure BDA0002008642400000037
PD为D2D通信对中发射用户的发射功率，α是D2D通信链路的大尺度衰落因子。
针对圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000038
对应半径
Figure BDA0002008642400000039
的计算公式为:
Figure BDA00020086424000000310
针对圆形感知区域
Figure BDA00020086424000000311
对应半径
Figure BDA00020086424000000312
的计算公式为:
Figure BDA00020086424000000313
以此类推：
圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000041
对应半径
Figure BDA0002008642400000042
的计算公式为:
Figure BDA0002008642400000043
步骤503、针对每个蜂窝用户，不同半径的圆形感知区域内，根据不能与Cm共享RB的原则，构建各个圆形感知区域内的每个D2D通信对对应的候选颜色集合；
即：对于圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000044
中的每个节点，需要从各节点的候选RB的颜色集合中删除Cm所着的颜色，从而完成各节点的候选颜色集合构建。
对于圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000045
只允许有一个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；
对于圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000046
中，只允许有两个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；
以此类推，对于圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000047
中，只允许有q个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色。
步骤504、针对每条边，根据干扰功率与目标信号功率计算各边的权重。
针对D2D通信对Di和Dj对应的节点分别为vi和vj，节点vi和vj之间的边的权重eij为干扰功率与目标信号功率的比值，公式如下：
Figure BDA0002008642400000048
Figure BDA0002008642400000049
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dj中发射用户
Figure BDA00020086424000000410
到D2D通信对Di的接收用户
Figure BDA00020086424000000411
的干扰链路的信道增益；
Figure BDA00020086424000000412
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Di中发射用户
Figure BDA00020086424000000413
到接收用户
Figure BDA00020086424000000414
的干扰链路的信道增益；
步骤505、针对每个节点，根据该节点所有连边的权重之和，计算该节点的度。
节点vn的度ρn计算公式为：
Figure BDA00020086424000000415
enl为节点vn的第l条连边的权重；L为节点vn的边的总数。
步骤506、将所有节点按照度排序，将度最大的节点标注优先级为1，在加权图中删除该节点和相邻的边，重新对剩余的节点计算各自的度，再次选择度最大的节点标注优先级为2，同理删除该节点和相邻的边，依次类推，直至将所有节点都标注优先级。
步骤507、依次按照优先级选择各节点，计算当前节点候选颜色集合中各颜色的优先级，并选择优先级最高的颜色赋给当前节点；
颜色优先级的计算方法如下：
针对当前节点vn，候选颜色集合中颜色s的优先级用系统容量增益Sn,s表示；
计算公式为：
Sn,s＝log2(1+SINRn,s)
SINRn,s是节点vn分配颜色s时代表的D2D通信链路的SINR；
通过计算候选颜色集合中每种颜色的系统容量增益，选择系统容量增益最大值对应的颜色作为最高优先级赋给节点vn。
步骤508、当前节点着色后，更新所有未着色节点的候选颜色集合，返回步骤507，为每个未着色节点赋与优先级最高的颜色；
更新具体过程为：
当蜂窝用户Cm所分配的颜色为s1时，圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000051
中的每个节点，候选颜色集合中删除颜色s1；
圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000052
中，只能有一个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
同理，圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000053
中，只能有两个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
以此类推，圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000054
中，允许同时存在q个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
同时，当节点vm赋予颜色s1后，判断与节点vm相连边的权重是否大于等于门限ηD，如果是，将节点vm的候选颜色集合中删除颜色s1，否则，节点vm的候选颜色集合中保留颜色s1。
ηD是用于决定目标D2D链路受到的干扰是否严重的判决门限。
步骤509、当颜色为空集后，或对所有的节点都选择出对应的颜色后，即每个D2D通信对都各自分配了一个对应的RB，分配频谱结束。
本发明的优点在于：
(1)一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，在不影响蜂窝用户通信质量的前提下，使D2D通信对与蜂窝用户共享频谱资源，大幅提高了系统总容量；
(2)一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，基于用户位置构建节点的候选颜色集合控制D2D用户与蜂窝用户的频谱共享，实现了对蜂窝用户通信质量的保护；
(3)一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，引入加权图理论建模D2D链路间的干扰关系，在此基础上设计了加权图着色算法缓解多个D2D链路间的干扰，从而提高了系统容量；
(4)一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，为D2D通信对分配频谱，实现了系统容量的最大化，同时保证了蜂窝用户的通信质量。
附图说明
图1为本发明构建的蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型示意图；
图2为本发明一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法流程图；
图3为本发明构建位置感知加权图对各个D2D通信对分配资源的方法流程图；
图4为本发明实施例所构建的位置感知加权图示意图；
图5为本发明实施例所构建的位置感知区域示意图；
图6为本发明与传统图着色方法和干扰限制区域方法的蜂窝用户中断概率对比图；
图7为本发明与传统图着色方法和干扰限制区域方法的D2D用户链路中断概率对比图；
图8为本发明与传统图着色方法和干扰限制区域方法的系统容量对比图。
具体实施方式
为了使本发明能够更加清楚地理解其技术原理，下面结合附图具体、详细地阐述本发明实施例。
本发明涉及蜂窝网络与D2D通信共存的异构网络中的D2D资源分配方法，具体是一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，(LAWG，Location-Aware Weighted GraphBased Spectrum Allocation for D2D Communication)。
如图2所示，具体步骤包括：
步骤一、构建蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型；
如图1所示，异构网络模型包括一个蜂窝基站(BS,Base Station)，M个蜂窝下行用户以及N个D2D通信对。
设定第m个蜂窝用户为Cm，其中1≤m≤M；第n个D2D通信对为Dn，其中1≤n≤N。D2D通信对Dn中的发射用户和接收用户分别用
Figure BDA0002008642400000061
和
Figure BDA0002008642400000062
表示。
蜂窝下行通信链路和D2D链路通信都采用正交频分复用技术，每个蜂窝用户占用一个物理资源块(RB，Resource Block)，任意两个蜂窝链路之间没有干扰；同时允许一个蜂窝用户与多个D2D用户共享相同的RB，由D2D用户自主选择通信资源块RB和传输功率。
步骤二、基于异构网络模型中存在的干扰，建立D2D接收用户的信干噪比SINR以及蜂窝用户的SINR；
干扰包括三种类型：1)蜂窝用户受到的来自共享相同RB的每个D2D通信对中的发射用户的干扰；2)每个D2D通信对中的接收用户受到的来自基站的干扰；3)每个D2D通信对中的接收用户受到的来自其他所有共享相同RB的D2D通信对中发射用户的干扰。
蜂窝用户Cm接收到的来自基站的第k个通信资源块RB上的信号SINR为：
Figure BDA0002008642400000071
PB表示基站的固定发射功率；
Figure BDA0002008642400000072
为基站到蜂窝用户Cm的下行目标链路的信道增益；Dk代表共享第k个RB的所有D2D通信对组成的集合；
Figure BDA0002008642400000073
表示D2D通信对Dn中发射用户的发射功率；
Figure BDA0002008642400000074
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dn中发射用户
Figure BDA0002008642400000075
到蜂窝用户Cm的干扰链路的信道增益；N0代表加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)的功率谱密度。
D2D通信对Dn的接收用户在第k个RB上的接收信号的信干噪比(SINR，Signal toInterference plus Noise Ratio)为：
Figure BDA0002008642400000076
Figure BDA0002008642400000077
为D2D通信对Dn的发射用户
Figure BDA0002008642400000078
到接收用户
Figure BDA0002008642400000079
的D2D目标链路的信道增益；
Figure BDA00020086424000000710
为当多个链路共享RB时，基站到D2D通信对Dn的接收用户
Figure BDA00020086424000000711
的干扰链路的信道增益；
Figure BDA00020086424000000712
表示D2D通信对Di中发射用户的发射功率；
Figure BDA00020086424000000713
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Di中发射用户
Figure BDA00020086424000000714
到接收用户
Figure BDA00020086424000000715
的干扰链路的信道增益；
步骤三、利用蜂窝用户的SINR以及D2D接收用户的SINR分别计算蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率；
蜂窝链路的单位带宽通信速率
Figure BDA00020086424000000724
计算公式为：
Figure BDA00020086424000000717
D2D链路的单位带宽通信速率
Figure BDA00020086424000000725
计算公式为：
Figure BDA00020086424000000719
步骤四、利用蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率计算系统容量，并将最大化系统容量为优化目标，以蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限和D2D链路频谱分配约束为优化条件，构建异构网络中的D2D资源分配优化模型；
本发明的频谱分配方法目的是在保障蜂窝用户通信质量的前提下，使系统容量最大化，因此以蜂窝用户链路中断率为限制条件以系统容量为目标函数建立优化问题，优化模型如下：
Figure BDA00020086424000000720
Figure BDA00020086424000000721
Figure BDA00020086424000000722
BN×K＝[bn,k]为D2D通信对的通信资源块RB的分配矩阵，bn,k为D2D通信对Dn的RB选择参数。
约束条件C1表示蜂窝用户中断率，即蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限；
Figure BDA00020086424000000723
代表蜂窝用户接收SINR的最小门限，ε代表了蜂窝通信链路中断概率的最大门限。
约束条件C2表征D2D链路频谱分配约束条件，每个D2D用户对最多只能分配一个通信资源块RB。
步骤五、构建位置感知加权图对D2D资源分配优化模型进行优化，得到各个D2D通信对的资源分配方案。
资源分配方案包括选取合适的通信资源块RB和传输功率。
如图3所示，具体优化过程为：
步骤501、初始设定每个蜂窝用户各着一个颜色，且颜色各不相同；每个D2D通信对为一个节点，每个RB对应一个颜色；任意两个D2D通信对之间相连一条边。
针对每个D2D通信对节点，初始该节点对应的若干RB包含所有颜色集合；
本发明所构建的位置感知加权图如图4所示，其中所有的蜂窝用户已经着色，一个节点代表一个D2D通信对，一种颜色代表一个RB；每一个节点都有一个候选颜色集合，代表了可以分配给该节点相对应的D2D通信对的所有RB的集合；一个蜂窝小区中所有D2D通信对的干扰关系为一个加权图G(V,E,L)，其中V＝{vn,n＝1,2,...,N}是加权图中所有节点的集合，vn代表了小区中的一个D2D通信对；E＝{eij,i≠j,i,j＝1,2,...,N}是加权图中所有边的集合，eij是一条边的权重，代表了D2D通信对之间可能存在的干扰的严重程度；L＝{ln,s}是一个着色矩阵，ln,s＝1代表了颜色s可以分配给节点vn，颜色s对应的RB可以分配给D2D通信对Dn。
步骤502、根据蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限的约束条件，计算以某蜂窝用户Cm为中心，不同半径的圆形感知区域；
如果蜂窝用户Cm和一个D2D通信对距离很近，当它们共享频谱时，D2D通信对会对Cm造成很严重的干扰；所以为了保证Cm的通信质量，需要建立一组干扰感知区域
Figure BDA0002008642400000081
q∈{1,...,Q}，
Figure BDA0002008642400000082
是一个以Cm的地理位置为中心的外半径为
Figure BDA0002008642400000083
内半径为
Figure BDA0002008642400000084
的环形区域，如图5所示。
圆形位置感知区域
Figure BDA0002008642400000085
中的D2D通信对不能与蜂窝用户Cm共享RB。
一个蜂窝通信链路的可靠传输需要满足：
Figure BDA0002008642400000086
一个D2D发射用户对蜂窝通信链路造成的干扰的数学期望表示为：
Figure BDA0002008642400000087
PD为D2D通信对中发射用户的发射功率，
Figure BDA0002008642400000088
是区域
Figure BDA0002008642400000089
的半径，α是D2D通信链路的大尺度衰落因子。结合马尔可夫不等式可以得到：
Figure BDA00020086424000000810
进一步可以推出
Figure BDA00020086424000000811
的表达式：
Figure BDA00020086424000000812
针对圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000091
对应半径
Figure BDA0002008642400000092
的计算公式为:
Figure BDA0002008642400000093
针对圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000094
对应半径
Figure BDA0002008642400000095
的计算公式为:
Figure BDA0002008642400000096
以此类推：在区域
Figure BDA0002008642400000097
中，只允许q个D2D通信对与蜂窝用户Cm共享RB。假定有q+1个D2D通信对分布在区域
Figure BDA0002008642400000098
的外半径上，则q个D2D发射用户对蜂窝通信链路造成的累积干扰的数学期望表示为:
Figure BDA0002008642400000099
使用马尔可夫不等式可以得到：
Figure BDA00020086424000000910
步骤503、针对每个某蜂窝用户，不同半径的圆形感知区域内，根据不能与Cm共享RB的原则，构建各个圆形感知区域内的每个D2D通信对对应的候选颜色集合；
初始状态每一个节点的候选颜色集合是所有的颜色，对于圆形感知区域
Figure BDA00020086424000000911
中的每个节点，需要从各节点的候选RB的颜色集合中删除Cm所着的颜色，从而完成各节点的候选颜色集合构建。
对于圆形感知区域
Figure BDA00020086424000000912
只允许有一个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；
对于圆形感知区域
Figure BDA00020086424000000913
中，只允许有两个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；
以此类推，对于圆形感知区域
Figure BDA00020086424000000914
中，只允许有q个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色。
步骤504、针对每条边，根据干扰功率与目标信号功率计算各边的权重。
针对D2D通信对Di和Dj对应的节点分别为vi和vj共享相同的频谱，节点vi和vj之间的边的权重eij为干扰功率与目标信号功率的比值，公式如下：
Figure BDA00020086424000000915
Figure BDA00020086424000000916
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dj中发射用户
Figure BDA00020086424000000917
到D2D通信对Di的接收用户
Figure BDA00020086424000000918
的干扰链路的信道增益；
Figure BDA00020086424000000919
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Di中发射用户
Figure BDA00020086424000000922
到接收用户
Figure BDA00020086424000000921
的干扰链路的信道增益；
步骤505、针对每个节点，根据该节点所有连边的权重之和，计算该节点的度。
节点vn的度ρn计算公式为：
Figure BDA0002008642400000101
enl为节点vn的第l条连边的权重；L为节点vn的边的总数。
步骤506、将所有节点按照度排序，将度最大的节点标注优先级为1，在加权图中删除该节点和相邻的边，重新对剩余的节点计算各自的度，再次选择度最大的节点标注优先级为2，同理删除该节点和相邻的边，依次类推，直至将所有节点都标注优先级。
步骤507、在所有未着色节点中依次按照优先级选择各节点，计算当前节点候选颜色集合中各颜色的优先级，并选择优先级最高的颜色赋给当前节点；
令节点度最大的节点，即受到干扰最多的节点具有最高的着色优先级。着色时，需要从节点的候选颜色集合中选取一种颜色，这就需要定义候选颜色集合中每个颜色的优先级。
颜色优先级的计算方法如下：
针对当前节点vn，候选颜色集合中颜色s的优先级用D2D通信对Dn所能带来的系统容量增益Sn,s表示；
计算公式为：
Sn,s＝log2(1+SINRn,s)
SINRn,s是节点vn分配颜色s时代表的D2D通信链路的SINR；
通过计算候选颜色集合中每种颜色的系统容量增益，选择系统容量增益最大值对应的颜色作为最高优先级赋给节点vn。
步骤508、当前节点着色后，更新所有未着色节点的候选颜色集合，返回步骤507，为每个未着色节点赋与优先级最高的颜色；
假设某次着色过程中节点vn着色k，如果存在节点与vn相连的边的权重大于ηD，则需要在该节点的候选颜色集合中删除k，规避D2D通信链路之间的同层干扰。
假设某次着色过程中节点vn着色k，其中k是蜂窝用户Cm所分配的颜色，如果存在q个已着色k的节点在区域
Figure BDA0002008642400000102
中，则需要在区域
Figure BDA0002008642400000103
中未着色节点的候选颜色集合中删除k，这样可以规避D2D通信链路对蜂窝用户的跨层干扰。
更新具体过程为：
当蜂窝用户Cm所分配的颜色为s1时，圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000104
中的每个节点，候选颜色集合中删除颜色s1；
圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000105
中，只能有一个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
同理，圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000106
中，只能有两个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
以此类推，圆形感知区域
Figure BDA0002008642400000111
中，允许同时存在q个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
同时，当节点vm赋予颜色s1后，判断与节点vm相连边的权重是否大于等于门限ηD，如果是，这条边相连的两个节点不能着相同的颜色，即两个D2D通信对不能使用相同的RB，将节点vm的候选颜色集合中删除颜色s1，否则，节点vm的候选颜色集合中保留颜色s1。
ηD是用于决定目标D2D链路受到的干扰是否严重的判决门限。
步骤509、当颜色为空集后，或对所有的节点都选择出对应的颜色后，即每个D2D通信对都各自分配了一个对应的RB，分配频谱结束。
本发明的基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法LAWG与传统图着色算法Graph，以及能够有效保护蜂窝用户通信质量的干扰限制区域方法ILA相比：
蜂窝用户中断概率可以反映出一个通信链路的传输质量。如图6所示，随着D2D通信对数量的增长，使用传统图着色算法Graph的蜂窝用户中断概率大幅度增长，而本发明所提算法的LAWG中断概率一直保持在很低的水平。这是因为本发明的位置感知区域对蜂窝用户的通信质量提供的很好的保护。
三种算法所实现的D2D用户中断概率对比图如图7所示，由图可知，使用本发明所提算法的D2D用户中断概率比使用图着色算法要高一到两个百分点，但是明显优于使用干扰限制区域方法。这是因为为了保证蜂窝用户的通信质量，本发明所提算法牺牲了一小部分D2D通信链路的传输质量，为蜂窝链路的传输质量带来了巨大的提升，但是并没有对D2D用户的通信质量造成很大的损失。
三种算法所能实现的系统容量如图8所示，由图可知，随着D2D通信对数量的增长，本发明所提算法的系统容量是这三种方法中最高的。这是因为本发明所提出的方法既考虑了最大化D2D通信对所能带来的系统容量增益，又考虑到了抑制多个D2D通信对之间的干扰。
综上所述，通过实施本发明实施例的一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，通过构建位置感知加权图，根据D2D通信对的位置构建加权图中节点的候选颜色集合，根据D2D通信对之间的干扰功率构建加权边；根据加权图着色算法为每个节点着色，分配蜂窝频谱，可以实现D2D用户与蜂窝用户共享频谱，在保证蜂窝用户通信质量的前提下能够极大提高系统总容量。
以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤一、构建蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型；
异构网络模型包括蜂窝基站BS、M个蜂窝下行用户以及N个D2D通信对；
设定第m个蜂窝用户为Cm，其中1≤m≤M；第n个D2D通信对为Dn，其中1≤n≤N；D2D通信对Dn中的发射用户和接收用户分别用
Figure FDA0002812632280000011
和
Figure FDA0002812632280000012
表示；
步骤二、基于异构网络模型中存在的干扰，建立D2D接收用户的信干噪比SINR以及蜂窝用户的SINR；
蜂窝用户Cm接收到的来自基站的第k个通信资源块RB上的信号SINR为：
Figure FDA0002812632280000013
PB表示基站的固定发射功率；
Figure FDA0002812632280000014
为基站到蜂窝用户Cm的下行目标链路的信道增益；Dk代表共享第k个RB的所有D2D通信对组成的集合；
Figure FDA0002812632280000015
表示D2D通信对Dn中发射用户的发射功率；
Figure FDA0002812632280000016
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dn中发射用户
Figure FDA0002812632280000017
到蜂窝用户Cm的干扰链路的信道增益；N0代表加性高斯白噪声的功率谱密度；
D2D通信对Dn的接收用户在第k个RB上的接收信号的SINR为：
Figure FDA0002812632280000018
Figure FDA0002812632280000019
为D2D通信对Dn的发射用户
Figure FDA00028126322800000110
到接收用户
Figure FDA00028126322800000111
的D2D目标链路的信道增益；
Figure FDA00028126322800000112
为当多个链路共享RB时，基站到D2D通信对Dn的接收用户
Figure FDA00028126322800000113
的干扰链路的信道增益；
Figure FDA00028126322800000114
表示D2D通信对Di中发射用户的发射功率；
Figure FDA00028126322800000115
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Di中发射用户
Figure FDA00028126322800000116
到接收用户
Figure FDA00028126322800000117
的干扰链路的信道增益；
步骤三、利用蜂窝用户的SINR以及D2D接收用户的SINR分别计算蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率；
蜂窝链路的单位带宽通信速率
Figure FDA00028126322800000118
计算公式为：
Figure FDA00028126322800000123
D2D链路的单位带宽通信速率
Figure FDA00028126322800000120
计算公式为：
Figure FDA00028126322800000124
步骤四、利用蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率计算系统容量，并将最大化系统容量为优化目标，以蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限和D2D链路频谱分配约束为优化条件，构建异构网络中的D2D资源分配优化模型；
优化模型如下：
Figure FDA00028126322800000122
Figure FDA0002812632280000021
Figure FDA0002812632280000022
BN×K＝[bn,k]为D2D通信对的通信资源块RB的分配矩阵，bn,k为D2D通信对Dn对第k个RB的选择参数；K为通信资源块RB的个数；
约束条件C1表示蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限；
Figure FDA0002812632280000023
代表蜂窝用户接收SINR的最小门限，ε代表了蜂窝通信链路中断概率的最大门限；
约束条件C2表征D2D链路频谱分配约束条件，每个D2D用户对最多只能分配一个通信资源块RB；
步骤五、构建位置感知加权图对D2D资源分配优化模型进行优化，得到各个D2D通信对的资源分配方案；
资源分配方案包括选取合适的通信资源块RB和传输功率；
具体优化过程为：
步骤501、初始设定每个蜂窝用户各着一个颜色，且颜色各不相同；每个D2D通信对为一个节点，每个RB对应一个颜色；任意两个D2D通信对之间相连一条边；
针对每个D2D通信对节点，初始该节点对应的若干RB包含所有颜色集合；
步骤502、根据蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限的约束条件，计算以某蜂窝用户Cm为中心，半径为
Figure FDA0002812632280000024
的圆形感知区域，并建立一组干扰感知区域
Figure FDA0002812632280000025
q∈{1,...,Q}，
Figure FDA0002812632280000026
是一个以Cm的地理位置为中心的外半径为
Figure FDA0002812632280000027
内半径为
Figure FDA0002812632280000028
的环形区域；
针对圆形感知区域
Figure FDA0002812632280000029
对应半径
Figure FDA00028126322800000210
的计算公式为:
Figure FDA00028126322800000211
PD为D2D通信对中发射用户的发射功率，α是D2D通信链路的大尺度衰落因子；
针对环形感知区域
Figure FDA00028126322800000212
对应外半径
Figure FDA00028126322800000213
的计算公式为:
Figure FDA00028126322800000214
针对环形感知区域
Figure FDA00028126322800000215
对应外半径
Figure FDA00028126322800000216
的计算公式为:
Figure FDA00028126322800000217
以此类推：
环形感知区域
Figure FDA00028126322800000218
对应外半径
Figure FDA00028126322800000219
的计算公式为:
Figure FDA00028126322800000220
步骤503、针对每个某蜂窝用户，不同的感知区域内，根据不能与Cm共享RB的原则，构建各个感知区域内的每个D2D通信对对应的候选颜色集合；
对于圆形感知区域
Figure FDA00028126322800000221
中的每个节点，需要从各节点的候选RB的颜色集合中删除Cm所着的颜色，从而完成各节点的候选颜色集合构建；
对于环形感知区域
Figure FDA0002812632280000031
只允许有一个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；
对于环形感知区域
Figure FDA0002812632280000032
中，只允许有两个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；
以此类推，对于环形感知区域
Figure FDA0002812632280000033
中，只允许有q个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；
步骤504、针对每条边，根据干扰功率与目标信号功率计算各边的权重；
针对D2D通信对Di和Dj对应的节点分别为vi和vj，节点vi和vj之间的边的权重eij为干扰功率与目标信号功率的比值，公式如下：
Figure FDA0002812632280000034
Figure FDA0002812632280000035
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dj中发射用户
Figure FDA0002812632280000036
到D2D通信对Di的接收用户
Figure FDA0002812632280000037
的干扰链路的信道增益；
Figure FDA0002812632280000038
为当多个链路共享RB时，D2D通信对Di中发射用户
Figure FDA0002812632280000039
到接收用户
Figure FDA00028126322800000310
的干扰链路的信道增益；
步骤505、针对每个节点，根据该节点所有连边的权重之和，计算该节点的度；
节点vn的度ρn计算公式为：
Figure FDA00028126322800000311
enl为节点vn的第l条连边的权重；L为节点vn的边的总数；
步骤506、将所有节点按照度排序，将度最大的节点标注优先级为1，在加权图中删除该节点和相邻的边，重新对剩余的节点计算各自的度，再次选择度最大的节点标注优先级为2，同理删除该节点和相邻的边，依次类推，直至将所有节点都标注优先级；
步骤507、依次按照优先级选择各节点，计算当前节点候选颜色集合中各颜色的优先级，并选择优先级最高的颜色赋给当前节点；
步骤508、当前节点着色后，更新所有未着色节点的候选颜色集合，返回步骤507，为每个未着色节点赋与优先级最高的颜色；
步骤509、当颜色为空集后，或对所有的节点都选择出对应的颜色后，即每个D2D通信对都各自分配了一个对应的RB，分配频谱结束。
2.如权利要求1所述的一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，其特征在于，所述的步骤一中，蜂窝下行通信链路和D2D链路通信都采用正交频分复用技术，每个蜂窝用户占用一个通信资源块RB，任意两个蜂窝链路之间没有干扰；同时允许一个蜂窝用户与多个D2D用户共享相同的RB，由D2D用户自主选择通信资源块RB和传输功率。
3.如权利要求1所述的一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，其特征在于，步骤二中所述的干扰包括三种类型：1)蜂窝用户受到的来自共享相同RB的每个D2D通信对中的发射用户的干扰；2)每个D2D通信对中的接收用户受到的来自基站的干扰；3)每个D2D通信对中的接收用户受到的来自其他所有共享相同RB的D2D通信对中发射用户的干扰。
4.如权利要求1所述的一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，其特征在于，步骤507中所述颜色的优先级的计算方法如下：
针对当前节点vn，候选颜色集合中颜色s的优先级用系统容量增益Sn,s表示；
计算公式为：
Sn,s＝log2(1+SINRn,s)
SINRn,s是节点vn分配颜色s时代表的D2D通信链路的SINR；
通过计算候选颜色集合中每种颜色的优先级，选择优先级最高的颜色赋给当前节点vn。
5.如权利要求1所述的一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，其特征在于，步骤508中所述的更新具体过程为：
当蜂窝用户Cm所分配的颜色为s1时，圆形感知区域
Figure FDA0002812632280000041
中的每个节点，候选颜色集合中删除颜色s1；
环形感知区域
Figure FDA0002812632280000042
中，只能有一个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
同理，环形感知区域
Figure FDA0002812632280000043
中，只能有两个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
以此类推，感知区域
Figure FDA0002812632280000044
中，允许同时存在q个节点赋予颜色s1，其余所有未着色节点的候选颜色集合中删除颜色s1；
同时，当节点vm赋予颜色s1后，判断与节点vm相连边的权重是否大于等于门限ηD，如果是，将节点vm的候选颜色集合中删除颜色s1，否则，节点vm的候选颜色集合中保留颜色s1；
ηD是用于决定目标D2D链路受到的干扰是否严重的判决门限。
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Location-Aware Hypergraph Coloring Based Spectrum Allocation for D2D Communication;zhengli;《2018 15th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS)》;20180831;全文 *
含D2D通信模式的异构网络无线资源管理技术研究;郑东;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;20170315(第3期);全文 *

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CN109982437A (zh) 2019-07-05

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