CN111586697B - 一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法，包括：根据NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络的干扰情况、资源复用特点和允许接入的通信链路的服务质量需求建立带约束条件的信道资源分配模型，然后根据信道资源分配模型构建有向超图，顶点为蜂窝用户和D2D簇，有向边表示通信链路之间的干扰；最后对构建的有向超图进行有序贪心着色，采用不同的颜色代表不同的信道资源，着色结果即为信道资源分配结果。本发明通过建立信道资源分配模型，将信道资源分配问题转换为求最大化系统容量的最优化问题，构建的有向超图更加全面和具体的表征链路间的累积干扰和非对称干扰，采用有序贪心着色，减少了着色的复杂度，能够实现更准确、更简单的分配信道资源。

Description

一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法。

背景技术

随着5G时代移动智能终端数量的激增、大数据量交互业务的日益丰富，无线通信网络的容量需求快速增长，人们对高速数据交互的要求越来越高，蜂窝通信网络中基站的负载也越来越大。然而，蜂窝网络通信能够使用的频谱资源十分有限，当前的空口技术也难以进一步提升资源利用率，无线资源的日益匮乏使得无线通信网络容量的增长需要新的无线网络架构来支持。传统的蜂窝网络架构以基站为中心，所有通信链路均需要经过基站转发，造成了严重的基站超负荷、频谱利用率低等问题，难以应对5G时代超高流量密度和超高连接数等技术挑战。基于此，5G通信系统引入终端直连(D2D)技术作为传统蜂窝通信的补充机制，通过允许D2D链路复用蜂窝链路的频谱资源进行直接数据传输来提高资源利用率、降低基站负载。

D2D通信指两个距离较近并且具备D2D通信功能的用户进行通信时，数据绕过基站或者接入点直接在设备之间进行传输的通信方式。D2D通信可以卸载基站流量，分担蜂窝小区基站的负荷，也可以作为中继节点为小区边缘用户提供质量保障，扩展网络覆盖范围。此外，D2D通信链路收发端距离较近，可以显著提升能量效率减少传输时延，提供良好的用户体验。

将D2D技术引入现有的蜂窝网络架构虽然能带来多方面的性能提升，但也面临着严重的同频复用干扰问题，包括D2D链路和蜂窝链路之间的跨层干扰以及D2D链路之间的同层干扰。如果不采用合理的干扰协调技术进行缓解，干扰引起的速率损失甚至会超过D2D带来的复用增益。合理的资源分配方法可以缓解同频干扰，减小用户因干扰导致的数据损失，从而提升系统容量、提高总体效率以及用户满意度。

除了利用D2D技术提升无线网络的频谱效率之外，新型多址接入技术——非正交多址接入(NOMA)被视为5G时代有效解决海量设备连接和提升频谱效率的重要手段。与传统的正交多址接入(OMA)技术不同，NOMA技术可以利用不同的功率水平来支持多个用户共享相同的资源，即允许在单个正交的资源块上承载多个用户的数据，通过并发传输来显著增加设备的连接数量。在蜂窝和D2D异构网络中结合NOMA技术将进一步提高频谱利用率，增加网络容量，为5G网络的发展带来新的机遇，但相应地也为异构网络中的资源调度问题带来了新的挑战。面向NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络场景，如何进行合理的资源分配和干扰管理，以实现在保障准入用户的服务质量(QoS)的前提下减少链路间的同频复用干扰、提高系统吞吐量和频谱利用率成为亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络场景，如何进行合理的资源分配和干扰管理的问题，提供一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法，包括：

S1、根据NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络的干扰情况、资源复用特点和允许接入的通信链路的服务质量需求，建立带约束条件的信道资源分配模型；

S2、根据所述信道资源分配模型构建出信道资源分配有向超图，所述信道资源分配有向超图将蜂窝用户和D2D簇建模为顶点；所述信道资源分配有向超图的有向边表示通信链路之间的干扰，所述有向边的头部顶点表示不受干扰的顶点，尾部顶点表示受干扰的顶点；

S3、对所述信道资源分配有向超图进行有序贪心着色，用k种不同颜色表示k个正交的信道资源，着色的结果即为信道资源的分配结果。

作为本发明的优选方案，所述信道资源分配模型以香农容量作为系统容量，将最大化系统容量作为优化目标，将信道资源的复用特点和保障允许接入的蜂窝用户和D2D链路的服务质量需求作为所述约束条件。

作为本发明的优选方案，若NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络由基站BS、M个蜂窝上行用户和N个D2D簇组成，网络中的频谱资源被均分为K个正交的子信道，用集合K＝{1,2,...,k,...,K}表示；M个蜂窝用户C＝{C₁,C₂,...,C_m,...C_M}与基站BS以传统的蜂窝模式通信，N个D2D簇D＝{D₁,D₂,...,D_n,...,D_N}以underlay模式复用K中的频谱资源；在第n个D2D簇中，D2D发送机DT_n利用NOMA传输协议向一组L_n个D2D接收机

同时发送数据；

则所述步骤S1中带约束条件的信道资源分配模型为：

其中，

为蜂窝链路C_m的传输速率；

为D2D簇D_n的传输速率；α_m,k为蜂窝用户C_m与信道资源k的匹配情况，若信道资源k分配给蜂窝用户C_m，则α_m,k＝1，否则α_m,k＝0；β_n,k为D2D簇D_n与信道资源k的匹配情况，若信道资源k分配给D2D簇D_n，则β_n,k＝1，否则β_n,k＝0；

和

分别为蜂窝通信链路C_m和D2D链路达到服务质量所需的最小接收SINR门限；

为D2D簇D_n中第i个接收机DR_n,i在子信道k上受到的SINR；约束条件C1和C2分别代表对允许接入的蜂窝链路和D2D链路的QoS保障；约束条件C3和C4说明蜂窝和D2D簇的资源分配变量α_m,k和β_n,k均为二元决策变量，只能取值0或1；约束条件C5表明每个子信道资源最多只能同时分配给一个蜂窝用户，即小区中的蜂窝用户正交使用信道资源，蜂窝链路之间不存在同频复用干扰；约束条件C6保证蜂窝用户有且只能被分配一个信道资源；约束条件C7确保每个D2D簇最多被分配一个信道资源。

作为本发明的优选方案，所述步骤S2中，所述信道资源分配有向超图的有向边表示的通信链路之间的干扰包括：

非对称独立干扰：建模单个蜂窝链路或者单个D2D簇对目标链路的强烈干扰，用有向2元边表征，有向2元边指包含两个顶点的边；

非对称累积干扰：建模多个蜂窝和D2D干扰源带来的累积干扰效应，用有向超边表征，超边指包含多于两个顶点的边。

作为本发明的优选方案，构建所述非对称独立干扰的有向2元边包括：

为蜂窝用户识别强烈独立干扰源：将任意蜂窝用户C_m均视为其他蜂窝用户的强烈干扰源，将蜂窝用户两两连为以虚拟顶点0作为头部集合的2元有向边；

如果蜂窝用户C_m和D2D簇D_n使用相同的信道资源，满足以下条件：

将蜂窝用户C_m添加到由D2D簇D_n和蜂窝用户C_m组成的2元有向边的尾部集合；其中，P_c为蜂窝用户的固定发射功率，P_d为D2D发送机的固定发射功率，G_m,b为蜂窝用户C_m到基站的信道增益，

为D2D发送机DT_n到基站的干扰信号的信道增益，

为蜂窝通信链路C_m达到服务质量所需的最小接收SINR门限；

为每个D2D簇寻找强烈独立干扰源：如果D2D簇D_n和蜂窝用户C_m使用相同资源使得该D2D簇中任一D2D接收机所获得的接收信号与干扰噪声比低于一定门限，即满足：

将D2D簇D_n添加到由蜂窝用户C_m和D2D簇D_n组成的2元有向边的尾部集合；其中，L_n为D2D簇D_n中的接收机个数，

为D2D簇D_n中的发送机DT_n到接收机DR_n,i信道增益，

为蜂窝用户C_m到接收机DR_n,i的干扰信号的信道增益，

为采用NOMA技术时D2D发送机DT_n发往簇内第i个接收机DR_n,i的功率占发送机总发送功率的比例；

如果D2D簇D_n和另一D2D簇D_n'使用相同资源使得D2D簇D_n中任一D2D接收机所获得的接收信号与干扰噪声比低于一定门限，即满足：

将D2D簇D_n添加到由D2D簇D_n′和D2D簇D_n组成的2元有向边的尾部集合；其中，

为D2D簇D_n′中的发送机DT_n′到接收机DR_n,i的信道增益，

为D2D链路达到服务质量所需的最小接收SINR门限，

为D2D发送机DT_n发往簇内第i个接收机DR_n,i的功率占发送机总发送功率的比例。

作为本发明的优选方案，构建所述非对称累积干扰的有向超边：

选择Q个顶点，包括蜂窝顶点和D2D簇顶点，然后把每个顶点受到的累积干扰与其获得的信号强度进行对比决定其是否形成超边且获得其在该超边中的受干扰状态，以形成对应的有向超边模式；

对于蜂窝链路C_m，如果满足：

则该蜂窝链路对应的顶点在与累积干扰源形成的有向超边中作为干扰节点，添加到该有向超边的尾部集合；

其中，P_c为蜂窝用户的固定发射功率，P_d为D2D发送机的固定发射功率，G_m,b为蜂窝用户C_m到基站的信道增益，G_nt,b为D2D发送机DT_n到基站的干扰信号的信道增益，

为蜂窝通信链路C_m达到服务质量所需的最小接收SINR门限；

对于D2D簇D_n，若其包含的任一D2D链路满足：

则将该D2D簇D_n添加到对应有向超边尾部集合，标记该D2D簇D_n的受干扰状态；

其中，

为D2D发送机DT_n发往簇内第i个接收机DR_n,i的功率占发送机总发送功率的比例，F_n和Z_n分别为有向超边中蜂窝和D2D干扰源的数量，满足F_n+Z_n＝Q-1，

为D2D簇D_n中的发送机DT_n到接收机DR_n,i信道增益，

为D2D链路达到服务质量所需的最小接收SINR门限，

为F_n个蜂窝干扰源中的蜂窝用户C_l到接收机DR_n,i的干扰信号的信道增益，

为Z_n个D2D干扰源中的D2D簇D_j中的发送机DT_j到接收机DR_n,i信道增益。

作为本发明的优选方案，所述步骤S3中的对所述有向超图进行有序贪心着色包括：

S31、初始化：给所述有向超图的每个顶点一个候选颜色集合，用于表征每个顶点可以使用的颜色，每个顶点初始化的候选颜色集合为颜色全集；

S32、排序：将所述有向超图的每个顶点按照出度的降序进行排列，出度指顶点所处有向边中头部集合的个数；

S33、着色：从着色点的候选颜色集中选择当前可以获得最小干扰的颜色进行着色，该着色点完成着色后，遍历包含该着色点的所有有向边，找到关联的顶点集中只剩一个顶点未着色的有向边，若该有向边中其他顶点均被着相同的颜色，则从该有向边中未着色顶点的候选颜色集中删除对应颜色，最后从所述有向超图中删除该有向边；

按照步骤S32中的排序将所述有向超图中的每个顶点依次作为着色点进行着色，重复步骤S33，直到所有顶点被着色或者未着色顶点候选颜色集为空集时，信道资源分配完成；

其中，若顶点的候选颜色集为空，则保持未着色状态，即不分配信道资源。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、根据异构网络的干扰情况、资源复用特点和允许接入的通信链路的服务质量需求建立信道资源分配模型，将信道资源分配问题转换为最优化问题，再构建有向超图，并对有向超图进行着色，以较小的时间复杂度求取资源分配模型的次优解。

2、构建有向超图模型，有向超图的顶点表示蜂窝用户和D2D簇，有向边建模通信链路间的干扰，解决了传统无向图不能同时建模密集异构网络中累积干扰和非对称干扰的问题，其较传统无向图模型更为精确，可以模拟出更接近实际的干扰环境。

3、着色时，对具有最大出度的顶点优先着色，即首先为生成最大干扰的通信链路分配信道资源，随后其他通信链路可以利用其他信道来避免干扰，以这种方法，更多的通信链路可以获得信道，因此提高资源利用率，同时带来系统容量的提升。另外，着色阶段通过避免处于同一边的顶点着相同颜色可以确保分配到资源的通信链路满足服务质量需求。

4、D2D簇和蜂窝用户在着色过程中，即在资源分配过程中拥有相同的优先级，当D2D簇具有更好的信道条件时，D2D簇将代替蜂窝用户被分配信道资源，由此可进一步增大系统容量。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明建立的NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络模型图。

图3为NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络的干扰模型。

图4为由两个蜂窝用户和六个D2D簇构造的有向超图示例。

图5为本发明有向超图着色步骤示例。

图6为应用本发明对简单异构网络的着色结果示意图。

图7为本发明与穷尽搜索、传统图着色、超图着色方法获得的系统容量对比图。

图8为本发明与穷尽搜索、传统图着色、超图着色方法能接纳的D2D簇个数的对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参照图1，为本发明的方法流程图，一种蜂窝和D2D异构网络的信道资源分配方法，包括：

S1、建立带约束条件的信道资源分配模型

参照图2，本实施例的NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络由基站BS、M个蜂窝上行用户和N个D2D簇组成，网络中的频谱资源被均分为K个正交的子信道，用集合K＝{1,2,...,k,...,K}表示。M个蜂窝用户用集合C＝{C₁,C₂,...,C_m,...C_M}表示，它们与基站BS以传统的蜂窝模式通信，N个D2D簇D＝{D₁,D₂,...,D_n,...,D_N}以underlay模式(Underlay即D2D通信的带内复用模式，表示D2D链路和蜂窝链路同时使用相同的频段进行工作)复用K中的频谱资源。与传统的D2D通信对不同，在第n个D2D簇中，D2D发送机DT_n利用NOMA传输协议向一组L_n个D2D接收机，即

同时发送数据，因此一个D2D簇至多只会占用集合K中的一个子信道。假设每个D2D簇中发送机的发射功率固定为P_d，蜂窝用户发射功率固定为P_c，由基站协调蜂窝用户和D2D簇之间的资源分配。

参照图3，蜂窝用户采用OFDMA技术，每个蜂窝用户占用一个子信道并必须被分配正交的资源，此外允许多个D2D簇同时复用一个蜂窝用户的信道资源。故在该模型中，蜂窝用户将受到使用相同资源的D2D发射机带来的干扰；而D2D接收机将受到三种类型的同频复用干扰，分别为采用NOMA技术的发送机在发送线性叠加信号时引入的簇内干扰、复用相同信道资源的其他D2D簇发送机带来的簇间干扰和使用相同信道资源的蜂窝上行链路引入的蜂窝干扰。

根据干扰分析，可以获得蜂窝链路C_m在子信道k上的接收信号与干扰加噪声比(SINR)为：

其中，P_c为蜂窝用户的固定发射功率，P_d为D2D发送机的固定发射功率，G_m,b为蜂窝用户C_m到基站的信道增益，

为D2D发送机DT_n到基站的干扰信号的信道增益。矩阵β＝(β_n,k)_N×K为D2D簇的资源分配矩阵，表征D2D簇D_n与信道资源k的匹配情况，若信道资源k分配给D2D簇D_n，则β_n,k＝1，否则β_n,k＝0。σ²为加性高斯白噪声的功率谱密度。

SINR：信号与干扰加噪声比(Signalto InterferenceplusNoise Ratio)是指接收到的有用信号的强度与接收到的干扰信号(噪声和干扰)的强度的比值。

假设D2D簇内的接收机按照信道条件的升序进行编号，采用NOMA技术的发送机DT_n能顺利进行信号的线性叠加，且接收端也能很好地对信号执行串行干扰消除，故接收机DR_n,i可以按序解调接收机DR_n,p(p＜i)的信号，然后从接收到的总信号中除去已解调的信号，最后将发送给信道条件更好的用户DR_n,q(q＞i)的信号视为干扰解码自身信号。故D2D簇D_n中第i(i＜L_n)个接收机DR_n,i在子信道k上受到的SINR为：

其中，矩阵

表示采用NOMA技术时D2D发送机的功率分配系数，即发往簇内各个接收机的功率占发送机总发送功率的比例，满足条件

并且

表示D2D簇D_n中的发送机DT_n到接收机DR_n,i信道增益。

表示簇内干扰，

表示簇间干扰，

表示蜂窝干扰，具体表示为：

其中α＝(α_m,k)_M×K为蜂窝用户的资源分配矩阵，表征蜂窝用户C_m与信道资源k的匹配情况，若信道资源k分配给蜂窝用户C_m，则α_m,k＝1，否则α_m,k＝0。

和

分别表示D2D簇D_n′中的发送机DT_n′到接收机DR_n,i，蜂窝用户C_m到接收机DR_n,i的干扰信号的信道增益。值得注意的是，D2D簇D_n中第L_n个接收机

可以通过串行干扰消除依次除去线性叠加信号中的干扰部分，故其不会受到簇内干扰，因此其SINR表示为：

根据香农容量公式可以进一步得到蜂窝链路C_m和D2D簇D_n可获得的传输率分别为：

以香农容量作为系统容量，将最大化系统容量作为优化目标，将信道资源的复用特点和保障允许接入的蜂窝用户和D2D链路的服务质量需求作为约束条件，可以将NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络的资源分配问题建模为如下最优化问题：

其中

和

分别为蜂窝通信链路C_m和D2D链路达到服务质量所需的最小接收SINR门限，因此，约束条件C1和C2分别代表对允许接入的蜂窝链路和D2D链路的QoS(服务质量)保障。约束条件C3和C4说明蜂窝和D2D簇的资源分配变量α_m,k和β_n,k均为二元决策变量，只能取值0或1。约束条件C5表明每个子信道资源最多只能同时分配给一个蜂窝用户，即小区中的蜂窝用户正交使用信道资源，蜂窝链路之间不存在同频复用干扰。约束条件C6保证蜂窝用户有且只能被分配一个信道资源；约束条件C7确保每个D2D簇最多被分配一个信道资源。

QoS(Quality ofService，服务质量)，本实施例的QoS指通信链路成功解调并达到特定速率指标所需要满足的信噪比需求。

S2、根据信道资源分配模型构建有向超图

一个有向超图DH为具有有向边的超图，其由二元组(V,E)表征，其中V＝{v₁,v₂,…,v_n}为一个有限的顶点集合，E＝{e₁,e₂,…,e_m}为DH的有向边集合，有向边e_i＝(X,Y)由两组不相交的有序顶点子集(其一可以为空集)表征，其中X为有向边e_i的头部集合，Y为有向边e_i的尾部集合。后文用符号H(e_i)和T(e_i)分别表示有向边e_i的头部集合和尾部集合。为了将有向超图模型应用于无线网络中的干扰模型，将H(e_i)中的顶点表示当e_i包含的所有顶点发生同频传输时不受干扰的顶点，而T(e_i)中的顶点表示受干扰的顶点，若e_i中所有顶点均受到来自其他顶点的干扰，则在相应的有向超边的头部集合中引入一个虚拟顶点0来避免头部设置为空而毫无意义。

在上述理论基础上，将M个蜂窝链路和N个D2D簇分别建模为M个蜂窝顶点和N个D2D簇顶点。然后构造两种类型的干扰：非对称独立干扰和非对称累积干扰。非对称独立干扰用来建模单个蜂窝链路或者单个D2D簇对目标链路的强烈干扰，用2元有向边表征，2元边指包含两个顶点的边；而非对称累积干扰用于建模多个微弱蜂窝和D2D干扰源带来的累积干扰效应，用有向超边表征，超边指包含多于两个顶点的边。非对称用于刻画异构网络中由于信号链路与干扰链路的收发位置差异导致的不同干扰状态，明确区分原始无向边中所包含顶点的受干扰情形。有向超图的具体构造步骤如下：

(1)非对称独立干扰识别：首先分别为蜂窝用户和D2D簇识别强烈独立干扰源。对蜂窝用户而言，首先由于不允许蜂窝链路之间复用频谱资源，所以任意蜂窝用户均视为其他蜂窝用户的强烈干扰源，不分配同一信道资源，故将其两两连为以虚拟顶点0作为头部集合的2元有向边。

如图4中由两个蜂窝用户和六个D2D簇组成的简单异构网络的有向超图示意图，蜂窝用户C₁、C₂之间形成有向边e₁。其次，为蜂窝用户识别独立的D2D干扰源，如果蜂窝用户C_m和D2D簇D_n使用相同资源使得

将蜂窝用户C_m添加到由D2D簇D_n和蜂窝用户C_m组成的2元有向边的尾部集合。如图4中，蜂窝用户C₂和D2D簇D₃之间形成的有向边e₂。

接下来，为每个D2D簇寻找独立干扰源，如果D2D簇D_n和蜂窝用户C_m使用相同资源使得该D2D簇中任一D2D接收机所获得的接收信号与干扰噪声比低于一定门限，即满足

时，将D2D簇D_n添加到由蜂窝用户C_m和D2D簇D_n组成的2元有向边的尾部集合。相似的，如果D2D簇D_n和另一D2D簇D_n'使用相同资源使得D2D簇D_n中任一D2D接收机所获得的接收信号与干扰噪声比低于一定门限，即满足

时，将D2D簇D_n添加到由D2D簇D_n'和D2D簇D_n组成的2元有向边的尾部集合。如图4中，蜂窝用户C₁和D2D簇D₂之间形成的有向边e₃以及D2D簇D₁和D₃之间形成的有向边e₄。

(2)非对称累积干扰识别：确定了所有的强烈独立干扰后，为蜂窝用户和D2D簇识别累积干扰，以形成有向超边。累积干扰源包括除独立干扰源以外的多条通信链路。选中一组通信链路，逐个将其他链路带来的累积干扰与干扰门限作对比，以验证该组通信链路复用资源时是否受到强烈的累积干扰以形成相应的有向超边。选择Q个顶点，包括蜂窝顶点和D2D簇顶点，然后将累积干扰与其获得的信号强度进行对比决定其是否形成超边且获得其在该超边中的受干扰状态，以形成对应的有向超边模式。对于蜂窝链路C_m，如果满足

则该蜂窝链路对应的顶点在与累积干扰源形成的有向超边中作为干扰节点，添加到该有向超边的尾部集合，相应地，对于D2D簇D_n，若其包含的任一D2D链路满足

则将该D2D簇D_n添加到对应有向超边尾部集合，标记其受干扰状态。式中F_n和Z_n分别为有向超边中蜂窝和D2D干扰源的数量，满足F_n+Z_n＝Q-1。在图4的示例中，蜂窝用户C₁和D2D簇D₄、D₅形成有向超边e₅，且D2D簇D₄、D₅处于受干扰状态，C₁不受干扰。另外D2D簇D₂、D₅、D₆形成有向超边e₆，此时D2D簇D₅、D₆受干扰。

S3、对有向超图进行有序贪心着色

有向超图构造完成后，进入着色阶段。着色阶段，将信道资源建模为K种不同的颜色，对顶点着色相当于为顶点所代表的蜂窝链路或D2D簇分配指定的信道资源，包含于相同有向超边中的所有顶点不能同时着相同的颜色以缓解超边尾部集合中的顶点受到的累积干扰。该阶段基于贪心着色思想，设计一个启发式算法来完成对有向超图的着色，减少着色的复杂度。

每个顶点拥有一个候选颜色集合，用于表征该顶点可以使用的颜色，初始化设置为颜色全集。首先将顶点按照出度的降序进行排列，然后按序对每个顶点进行着色，顶点的出度定义为其所属有向超边头部集合的个数，以图4给出的有向超图为例，所有顶点的出度分别为：2,0,0,1,1,0,0,0，故将顶点按出度降序排列可获得顶点着色顺序为：C₁,D₂,D₃,C₂,D₁,D₄,D₅,D₆。着色时，从该顶点候选颜色集中选择当前可以获得最小干扰的颜色，若候选颜色集为空，该顶点保持未着色状态，即不分配信道资源。完成着色后，遍历包含该顶点的所有有向边，找到关联的顶点集中只剩一个顶点未着色的有向边e，若该有向边中其他顶点均被着相同的颜色，则从e中未着色顶点的候选颜色集中删除对应颜色，最后从原始图中删除有向边e。接着使用相同步骤遍历下一个顶点，直到所有顶点被着色或者未着色顶点候选颜色集为空集时信道资源分配完成。根据以上步骤，对图4示出的有向超图着色，假设系统中存在3个信道资源，分别用颜色#1、#2和#3表征，然后将所有顶点的候选颜色集均初始化为{#1、#2、#3}。图5中总结了按序遍历每个顶点的着色过程，并在图6中给出了最后的着色结果。着色结果即为信道资源分配结果

将本发明基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法与穷尽搜索方法和基于传统图、无向超图的方法进行仿真对比。在蜂窝小区半径为500m，每个D2D簇中收发端最小距离为15m、最大距离为50m，信道模型同时建模小尺度衰落和与距离相关的路径损耗，其中路径损失指数为4，噪声功率谱密度为-174dBm/Hz，P_c＝23dBm、P_d＝13dBm、

M＝3、K＝3、L_n＝2且功率分配系数为a₁＝0.6,a₂＝0.4时，系统容量和允许接入的D2D簇数量随系统中D2D簇的变化情况如图7和图8所示。起初，D2D簇的增加使得满足服务质量需求的可访问链路数增加，进而带来系统容量的提升，但随着D2D簇数量的进一步增大，越来越多的链路需要复用相同的信道资源，导致用户SINR随同频干扰的增强而减小，此时，为了保障接入链路的性能不得不拒绝部分链路的访问，故允许接入的D2D簇数量慢慢趋于饱和。本文所提基于有向超图贪心着色的资源分配方法引入有向超边来同时建模通信链路的非对称干扰和累积干扰，在提高链路SINR的同时，让通信链路可以根据自身受干扰情况来更新候选颜色集，增加了顶点被着色的机会，进而可接纳更多D2D簇，获得更大的系统容量。由此可见，本发明相较于传统图着色方法更能逼近最优解结果。

本发明具有较强的可扩展性，若需要优先保障蜂窝链路的质量需求，可以通过优先为蜂窝用户着色来简单调整该方法。

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 (5)

1.一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法，其特征在于，包括：

S1、根据NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络的干扰情况、资源复用特点和允许接入的通信链路的服务质量需求，建立带约束条件的信道资源分配模型；

其中，假设NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络由基站BS、M个蜂窝上行用户和N个D2D簇组成，网络中的频谱资源被均分为K个正交的子信道，用集合K＝{1,2,...,k,...,K}表示；M个蜂窝用户C＝{C₁,C₂,...,C_m,...C_M}与基站BS以传统的蜂窝模式通信，N个D2D簇D＝{D₁,D₂,...,D_n,...,D_N}以underlay模式复用K中的频谱资源；在第n个D2D簇中，D2D发送机DT_n利用NOMA传输协议向一组L_n个D2D接收机

同时发送数据；

则所述S1中带约束条件的信道资源分配模型为：

C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

C6:

C7:

其中，

为蜂窝链路C_m的传输速率；

为D2D簇D_n的传输速率；α_m,k为蜂窝用户C_m与信道资源k的匹配情况，若信道资源k分配给蜂窝用户C_m，则α_m,k＝1，否则α_m,k＝0；β_n,k为D2D簇D_n与信道资源k的匹配情况，若信道资源k分配给D2D簇D_n，则β_n,k＝1，否则β_n,k＝0；

和

分别为蜂窝通信链路C_m和D2D链路达到服务质量所需的最小接收SINR门限；

为D2D簇D_n中第i个接收机DR_n,i在子信道k上受到的SINR；约束条件C1和C2分别代表对允许接入的蜂窝链路和D2D链路的QoS保障；约束条件C3和C4说明蜂窝和D2D簇的资源分配变量α_m,k和β_n,k均为二元决策变量，只能取值0或1；约束条件C5表明每个子信道资源最多只能同时分配给一个蜂窝用户，即小区中的蜂窝用户正交使用信道资源，蜂窝链路之间不存在同频复用干扰；约束条件C6保证蜂窝用户有且只能被分配一个信道资源；约束条件C7确保每个D2D簇最多被分配一个信道资源；

S2、根据所述信道资源分配模型构建出信道资源分配有向超图，所述信道资源分配有向超图将蜂窝用户和D2D簇建模为顶点；所述信道资源分配有向超图的有向边表示通信链路之间的干扰，所述有向边的头部顶点表示不受干扰的顶点，尾部顶点表示受干扰的顶点；

S3、对所述信道资源分配有向超图进行有序贪心着色，用k种不同颜色表示k个正交的信道资源，着色的结果即为信道资源的分配结果；

所述S3中的对所述有向超图进行有序贪心着色包括：

S31、初始化：给所述有向超图的每个顶点一个候选颜色集合，用于表征每个顶点可以使用的颜色，每个顶点初始化的候选颜色集合为颜色全集；

S32、排序：将所述有向超图的每个顶点按照出度的降序进行排列，出度指顶点所处有向边中头部集合的个数；

S33、着色：从着色点的候选颜色集中选择当前可以获得最小干扰的颜色进行着色，该着色点完成着色后，遍历包含该着色点的所有有向边，找到关联的顶点集中只剩一个顶点未着色的有向边，若该有向边中其他顶点均被着相同的颜色，则从该有向边中未着色顶点的候选颜色集中删除对应颜色，最后从所述有向超图中删除该有向边；

按照步骤S32中的排序将所述有向超图中的每个顶点依次作为着色点进行着色，重复步骤S33，直到所有顶点被着色或者未着色顶点候选颜色集为空集时，信道资源分配完成；

其中，若顶点的候选颜色集为空，则保持未着色状态，即不分配信道资源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信道资源分配模型以香农容量作为系统容量，将最大化系统容量作为优化目标，将信道资源的复用特点和保障允许接入的蜂窝用户和D2D链路的服务质量需求作为所述约束条件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中，所述信道资源分配有向超图的有向边表示的通信链路之间的干扰包括：

非对称独立干扰：建模单个蜂窝链路或者单个D2D簇对目标链路的强烈干扰，用有向2元边表征，有向2元边指包含两个顶点的边；

非对称累积干扰：建模多个蜂窝和D2D干扰源带来的累积干扰效应，用有向超边表征，超边指包含多于两个顶点的边。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，构建所述非对称独立干扰的有向2元边包括：

为蜂窝用户识别强烈独立干扰源：将任意蜂窝用户C_m均视为其他蜂窝用户的强烈干扰源，将蜂窝用户两两连为以虚拟顶点0作为头部集合的2元有向边；

如果蜂窝用户C_m和D2D簇D_n使用相同的信道资源，满足以下条件：

将蜂窝用户C_m添加到由D2D簇D_n和蜂窝用户C_m组成的2元有向边的尾部集合；其中，P_c为蜂窝用户的固定发射功率，P_d为D2D发送机的固定发射功率，G_m,b为蜂窝用户C_m到基站的信道增益，G_nt,b为D2D发送机DT_n到基站的干扰信号的信道增益，

为蜂窝通信链路C_m达到服务质量所需的最小接收SINR门限；

为每个D2D簇寻找强烈独立干扰源：如果D2D簇D_n和蜂窝用户C_m使用相同资源使得该D2D簇中任一D2D接收机所获得的接收信号与干扰噪声比低于一定门限，即满足：

将D2D簇D_n添加到由蜂窝用户C_m和D2D簇D_n组成的2元有向边的尾部集合；其中，L_n为D2D簇D_n中的接收机个数，

为D2D簇D_n中的发送机DT_n到接收机DR_n,i信道增益，

为蜂窝用户C_m到接收机DR_n,i的干扰信号的信道增益，

为采用NOMA技术时D2D发送机DT_n发往簇内第i个接收机DR_n,i的功率占发送机总发送功率的比例；

如果D2D簇D_n和另一D2D簇D_n′使用相同资源使得D2D簇D_n中任一D2D接收机所获得的接收信号与干扰噪声比低于一定门限，即满足：

将D2D簇D_n添加到由D2D簇D_n′和D2D簇D_n组成的2元有向边的尾部集合；其中，

为D2D簇D_n′中的发送机DT_n′到接收机DR_n,i的信道增益，

为D2D链路达到服务质量所需的最小接收SINR门限，

为D2D发送机DT_n发往簇内第i个接收机DR_n,i的功率占发送机总发送功率的比例。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，构建所述非对称累积干扰的有向超边：

选择Q个顶点，包括蜂窝顶点和D2D簇顶点，然后把每个顶点受到的累积干扰与其获得的信号强度进行对比决定其是否形成超边且获得其在该超边中的受干扰状态，以形成对应的有向超边模式；

对于蜂窝链路C_m，如果满足：

则该蜂窝链路对应的顶点在与累积干扰源形成的有向超边中作为干扰节点，添加到该有向超边的尾部集合；

其中，P_c为蜂窝用户的固定发射功率，P_d为D2D发送机的固定发射功率，G_m,b为蜂窝用户C_m到基站的信道增益，

为D2D发送机DT_n到基站的干扰信号的信道增益，

为蜂窝通信链路C_m达到服务质量所需的最小接收SINR门限；

对于D2D簇D_n，若其包含的任一D2D链路满足：

则将该D2D簇D_n添加到对应有向超边尾部集合，标记该D2D簇D_n的受干扰状态；

其中，

为D2D发送机DT_n发往簇内第i个接收机DR_n,i的功率占发送机总发送功率的比例，F_n和Z_n分别为有向超边中蜂窝和D2D干扰源的数量，满足F_n+Z_n＝Q-1，

为D2D簇D_n中的发送机DT_n到接收机DR_n,i信道增益，

为D2D链路达到服务质量所需的最小接收SINR门限，

为F_n个蜂窝干扰源中的蜂窝用户C_l到接收机DR_n,i的干扰信号的信道增益，

为Z_n个D2D干扰源中的D2D簇D_j中的发送机DT_j到接收机DR_n,i信道增益。

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