CN112188635A - 一种改进图着色的d2d通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，包括以下步骤，S1：计算蜂窝用户和D2D用户的信干噪比；S2：推算D2D用户之间的安全距离d_i；S3：判定D2D用户可以复用同一信道的D2D用户合集；S4：构建D2D用户复用关系图；S5：根据改进图着色原理并结合D2D用户之间的累积干扰为D2D用户分组；S6：利用匈牙利算法为每个复用组分配信道资源；本发明提高了蜂窝系统的吞吐量和D2D用户的接入率，有效优化资源利用率，同时可以减小D2D用户之间的干扰，保证D2D通信的服务质量。

Description

一种改进图着色的D2D通信资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域,涉及一种终端直连(Device-to-Device：D2D)通信资源分配方法,尤其是一种改进图着色的终端直连(Device-to-Device：D2D)通信资源分配方法。

背景技术

随着5G移动通信和网络数据服务的飞速发展，大规模智能终端不断涌现，无线频谱资源日趋紧张，频谱资源匮乏已经成为未来无线通信发展的制约因素。为了提高用户的通信质量，解决频谱资源不足的问题，同时也为了提高移动蜂窝系统的吞吐量和接入率，人们提出了终端直连(Device-to-Device：D2D)通信。D2D通信技术允许临近的移动终端使用运营商授权频谱直接进行点对点的数据传输，它兼具传统蜂窝通信技术和短距离无线通信技术的优点，不需要建设额外的基础设施就可以实现本地业务的网中升级，可以显著降低高负载的蜂窝网络的承载压力，提高频谱利用率。但在蜂窝网络中引入D2D通信，复用蜂窝用户信道会造成严重干扰，导致系统性能下降，影响用户端设备电池使用寿命，因此，D2D资源分配问题引起了社会的广泛关注。

目前,D2D用户与蜂窝用户上行链路资源复用,从而大幅度提高网络频谱利用率,但同时也会造成严重的网络层间干扰问题,随着用户终端的进一步增长,必将产生D2D用户数大于蜂窝用户的网络场景,由此会造成D2D用户频谱资源紧缺问题,传统的资源分配方法不能有效解决D2D用户频谱资源缺乏和用户干扰严重的问题，此为现有技术的不足之处。

因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供设计一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，以解决现有技术中存在的问题，是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于，针对蜂窝用户与D2D用户复用同一信道时干扰严重的缺陷，提供设计一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，以解决上述技术问题，减小组内D2D用户之间的干扰，提高了蜂窝系统的吞吐量和D2D用户的接入率。

为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：

一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，包括以下步骤:

S1：计算蜂窝用户和D2D用户的信干噪比；

S2：D2D用户之间相互干扰，复用同一信道资源的D2D用户必须满足最小信干噪比要求才能保证通信质量，根据最小信干噪比要求确定复用同一信道资源的D2D用户之间干扰值要求，进而推算得到复用同一信道资源的D2D用户之间需要满足的安全距离d_i；

S3：依次判断D2D用户与其他D2D用户之间的距离是否满足安全距离的要求，满足要求则认为D2D用户复用同一信道资源，否则不复用同一信道资源；

S4：构建D2D用户复用关系图，经过判定D2D用户复用同一信道资源，则D2D用户之间进行连线并计算连线的D2D用户之间干扰大小；

S5：根据改进图着色的原理并结合D2D用户之间的累加干扰，依次为D2D用户着色，颜色相同的D2D用户分到一个组中，使用同一蜂窝信道资源，将所有的D2D用户进行分组并结合实际蜂窝用户数目进行分组优化，形成最终的D2D用户复用组；

S6：执行匈牙利算法为D2D用户复用组分配蜂窝信道资源。

作为优选，所述步骤S1中蜂窝用户和D2D用户的信干噪比计算步骤如下：

其中，

表示蜂窝用户k的信干噪比，

表示D2D用户i的信干噪比；

分别表示蜂窝用户和D2D用户的最小信干噪比门限；

为蜂窝用户k的发射功率，

的大小介于蜂窝用户最大发射功率和蜂窝用户最小发射功率之间，P_i ^D为D2D用户i的发射功率，P_j ^D为D2D用户j的发射功率，P_i ^D和P_j ^D的大小介于D2D用户最大发射功率和D2D用户最小发射功率之间；G_CB为蜂窝用户到基站的链路信道增益，G_SB为D2D用户发送端到基站的信道增益，G_SR为D2D用户的链路信道增益，G_CR为蜂窝用户到D2D用户接收端的信道增益，N为同一信道D2D用户的数量，N₀为信道的噪声功率；当D2D用户对蜂窝用户的干扰为零时，蜂窝用户取得最小发射功率，当蜂窝用户对D2D用户的干扰为零时，D2D用户取得最小发射功率。

作为优选，所述步骤S2中安全距离d_i的计算步骤如下：

首先为D2D用户i匹配复用的蜂窝信道，此时D2D用户受到的干扰为蜂窝用户干扰，D2D用户之间的干扰为零，计算D2D用户和蜂窝用户的信干噪比是否分别满足其最小信干噪比要求，满足要求则D2D用户复用该蜂窝信道，否则不能复用该蜂窝信道；

D2D用户i匹配蜂窝信道后寻找复用同一信道的其他D2D用户；由D2D用户的信干噪比计算步骤可得，令D2D用户i的信干噪比为最小信干噪比得到D2D用户之间的最大干扰值I_MAX；

D2D用户之间的最大干扰值I_MAX还可以由以下公式计算得到：

公式(3)中包含有两种不同的D2D用户，公式中加号的前边表示为当前信道已经存在的o_i对D2D用户，公式中加号的后边表示为还没有得到复用信道资源的Re对D2D用户；定义信道衰落模型由快衰落γ和慢衰落μ组成，则信道增益模型为G＝λγμd^-χ，λ代表路径损耗常数，χ代表路径损耗指数，d代表发送端和接收端的距离，进而得到公式(4)；

根据公式(2)、(4)求得复用同一信道资源的D2D用户之间需要满足的安全距离d_i。

作为优选，所述步骤S3中，定义一个距离矩阵d_ij表示D2D用户之间的距离，其中d_ij表示D2D用户D_i与D_j之间的距离,同一对D2D用户不存在距离，所以d_ii＝0；当d_ij≥d_i且d_ji≥d_j时，判定D_i与D_j复用同一个信道资源，否则判定D_i与D_j不复用同一个信道资源。

作为优选，所述步骤S4中，对D₁进行判定，D₁与D_i复用同一信道，所以D₁与D_i连线，与其他不复用的D2D用户不连线，同理依次对D₂、D₃至D_N进行判定和连线，最后得到蜂窝系统内所有D2D用户的复用关系，从而得到D2D用户的复用关系图；

设置蜂窝系统中有D2D用户分别为D₁至D₇，经过判定，D₁与D₂、D₄、D₇复用同一信道，所以D₁连线D₂、D₄、D₇，其他D₃、D₅、D₆不与D₁连线；同理，D₂与D₁、D₆连线，D₃与D₄、D₅、D₆、D₇连线，D₄与D₁、D₃、D₅连线，D₅与D₃、D₄、D₆连线，D₆与D₂、D₃、D₅连线，D₇与D₁、D₃连线，最终得到D₁至D₇的复用关系图。

作为优选，所述步骤S5中，根据D2D用户复用关系图，为一个D2D用户着色时，该D2D用户与连线的D2D用户复用同一信道，此时考虑该D2D用户与连线D2D用户之间的干扰大小，选择干扰较小的D2D用户填充相同的颜色而且相同颜色的D2D用户累加干扰需要满足其最小信干噪比要求，没有连线的D2D用户之间必须填充不同的颜色，依次为所有D2D用户着色，最后颜色相同的D2D用户分配为一组复用同一信道，有多少种颜色就有多少个分组；

设置D2D用户复用关系图中有D₁至D₇用户，首先为D₁着色，D₁着001号色；再为D₂着色，D₂与D₁、D₆连线，D₂可以与D₁分配在同一信道，D₂也可以与D₆分配在同一信道，此时考虑D₂与D₁、D₆之间的干扰大小，判断D₂与D₁之间干扰较小，所以D₂与D₁填充相同的001号色；再为D₃着色，D₃不与D₁、D₂连线，因此选择新的颜色为D₃着色，D₃填充002号色；以此类推，依次比较连线D2D用户之间的干扰大小，D₄与D₅之间干扰较小，D₄与D₅填充相同的003号色；D₆与D₃之间干扰较小，D₆与D₃填充相同的002号色；D₇与D₁之间干扰较小，D₇与D₁与填充相同的001号色；最终根据颜色得到分配方案为{D₁、D₂、D₇}，{D₃、D₆}，{D₄、D₅}。

作为优选，所述步骤S5分组完成后，结合分组情况和实际蜂窝数目进行优化调整，当蜂窝用户的个数远远大于分组的个数时，D2D链路会集中复用几个蜂窝用户的资源，资源分配不均，此时根据组内D2D链路的个数将组进行拆分，拆分后分组个数等于蜂窝用户的个数，达到蜂窝系统的均衡；当分组的个数大于蜂窝用户的个数时，有多个组不能接入网络，此时重新分组，按照尽可能少的分组执行改进图着色算法，若重新分组后仍然出现分组的个数大于蜂窝用户的个数的情况，则为D2D用户设置优先级，根据分组的优先级、组内用户的个数和总体吞吐量，判断优先接入网络的分组。

作为优选，所述步骤S6进行分配信道之前首先需要为每个D2D用户复用组找到其可以复用的蜂窝用户资源，并计算每种匹配方式的吞吐量。

本发明的有益效果在于，首先判断系统中蜂窝用户和D2D用户的相互干扰情况，根据最小信干噪比的要求计算复用同一信道的D2D用户的安全距离，依据安全距离的要求判断D2D用户可以复用的D2D用户集合并建立D2D用户干扰图，进一步通过改进图着色的D2D分组方式，结合组内D2D用户的累积干扰，利用图着色原理为D2D用户分组，最后利用匈牙利算法为每个分组分配信道资源；本发明中多对D2D用户复用一个蜂窝用户资源，提高了蜂窝系统的吞吐量和D2D用户的接入率，有效优化资源利用率，同时可以减小D2D用户之间的干扰，保证D2D通信的服务质量。此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的流程示意图。

图2为D2D用户的复用关系图。

图3为D2D用户的改进着色图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。

如图1所示，本发明提供的一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，包括以下步骤:

S1：计算蜂窝用户和D2D用户的信干噪比，计算步骤如下：

其中，

表示蜂窝用户k的信干噪比，

表示D2D用户i的信干噪比；

分别表示蜂窝用户和D2D用户的最小信干噪比门限；

为蜂窝用户k的发射功率，

的大小介于蜂窝用户最大发射功率和蜂窝用户最小发射功率之间，P_i ^D为D2D用户i的发射功率，P_j ^D为D2D用户j的发射功率，P_i ^D和P_j ^D的大小介于D2D用户最大发射功率和D2D用户最小发射功率之间；G_CB为蜂窝用户到基站的链路信道增益，G_SB为D2D用户发送端到基站的信道增益，G_SR为D2D用户的链路信道增益，G_CR为蜂窝用户到D2D用户接收端的信道增益，N₀为信道的噪声功率，N为同一信道D2D用户的数量；当D2D用户对蜂窝用户的干扰为零时，蜂窝用户取得最小发射功率，当蜂窝用户对D2D用户的干扰为零时，D2D用户取得最小发射功率。

S2：D2D用户之间相互干扰，复用同一信道资源的D2D用户必须满足最小信干噪比要求才能保证通信质量，根据最小信干噪比要求确定复用同一信道资源的D2D用户之间干扰值要求，进而推算得到复用同一信道资源的D2D用户之间需要满足的安全距离d_i；

D2D用户之间安全距离d_i的计算步骤如下：

首先为D2D用户i匹配复用的蜂窝信道，此时D2D用户受到的干扰为蜂窝用户干扰，D2D用户之间的干扰为零，计算D2D用户和蜂窝用户的信干噪比是否分别满足其最小信干噪比要求，满足要求则D2D用户复用该蜂窝信道，否则不能复用该蜂窝信道；

D2D用户i匹配蜂窝信道后寻找复用同一信道的其他D2D用户；由D2D用户的信干噪比计算步骤可得，令D2D用户i的信干噪比为最小信干噪比得到D2D用户之间的最大干扰值I_MAX；

D2D用户之间的最大干扰值I_MAX还可以由以下公式计算得到：

公式(3)中包含有两种不同的D2D用户，公式中加号的前边表示为当前信道已经存在的o_i对D2D用户，公式中加号的后边表示为还没有得到复用信道资源的Re对D2D用户；定义信道衰落模型由快衰落γ和慢衰落μ组成，则信道增益模型为G＝λγμd^-χ，λ代表路径损耗常数，χ代表路径损耗指数，d代表发送端和接收端的距离，进而得到公式(4)；

根据公式(2)、(4)求得复用同一信道资源的D2D用户之间需要满足的安全距离d_i。

S3：依次判断D2D用户与其他D2D用户之间的距离是否满足安全距离的要求，满足要求则认为D2D用户复用同一信道资源，否则不复用同一信道资源；

定义一个距离矩阵d_ij表示D2D用户之间的距离，其中d_ij表示D2D用户D_i与D_j之间的距离,同一对D2D用户不存在距离，所以d_ii＝0；当d_ij≥d_0i且d_ji≥d_0j时，判定D_i与D_j复用同一个信道资源，否则D_i与D_j不复用同一个信道资源。

S4：构建D2D用户复用关系图，经过判定D2D用户复用同一信道资源，则D2D用户之间进行连线并计算连线的D2D用户之间干扰大小；

在系统中，首先对D₁进行判定，D₁与D_i复用同一信道，所以D₁与D_i连线，与其他不复用的D2D用户不连线，同理依次对D₂、D₃至D_N进行判定和连线，最后得到蜂窝系统内所有D2D用户的复用关系，从而得到D2D用户的复用关系图；

如图2所示，蜂窝系统中有D2D用户分别为D₁至D₇，经过判定，D₁与D₂、D₄、D₇复用同一信道，所以D₁连线D₂、D₄、D₇，其他D₃、D₅、D₆不与D₁连线；同理，D₂与D₁、D₆连线，D₃与D₄、D₅、D₆、D₇连线，D₄与D₁、D₃、D₅连线，D₅与D₃、D₄、D₆连线，D₆与D₂、D₃、D₅连线，D₇与D₁、D₃连线，最终得到D₁至D₇的复用关系图。

S5：根据改进图着色的原理并结合D2D用户之间的累加干扰，依次为D2D用户着色，颜色相同的D2D用户分到一个组中，使用同一蜂窝信道资源，将所有的D2D用户进行分组并结合实际蜂窝用户数目进行分组优化，形成最终的D2D用户复用组；

根据D2D用户复用关系图，为一个D2D用户着色时，该D2D用户与连线的D2D用户复用同一信道，此时考虑该D2D用户与连线D2D用户之间的干扰大小，选择干扰较小的D2D用户填充相同的颜色而且相同颜色的D2D用户累加干扰需要满足其最小信干噪比要求，没有连线的D2D用户之间必须填充不同的颜色，依次为所有D2D用户着色，最后颜色相同的D2D用户分配为一组复用同一信道，有多少种颜色就有多少个分组；

如图3所示，设置D2D用户复用关系图中有D₁至D₇用户，首先为D₁着色，D₁着001号色；再为D₂着色，D₂与D₁、D₆连线，D₂可以与D₁分配在同一信道，D₂也可以与D₆分配在同一信道，此时考虑D₂与D₁、D₆之间的干扰大小，判断D₂与D₁之间干扰较小，所以D₂与D₁填充相同的001号色；再为D₃着色，D₃不与D₁、D₂连线，因此选择新的颜色为D₃着色，D₃填充002号色；以此类推，依次比较连线D2D用户之间的干扰大小，D₄与D₅之间干扰较小，D₄与D₅填充相同的003号色；D₆与D₃之间干扰较小，D₆与D₃填充相同的002号色；D₇与D₁之间干扰较小，D₇与D₁与填充相同的001号色；最终根据颜色得到分配方案为{D₁、D₂、D₇}，{D₃、D₆}，{D₄、D₅}。

分组完成后，结合分组情况和实际蜂窝数目进行优化调整，当蜂窝用户的个数远远大于分组的个数时，D2D链路会集中复用几个蜂窝用户的资源，资源分配不均，此时根据组内D2D链路的个数将组进行拆分，拆分后分组个数等于蜂窝用户的个数，达到蜂窝系统的均衡；当分组的个数大于蜂窝用户的个数时，有多个组不能接入网络，此时重新分组，按照尽可能少的分组执行改进图着色算法，若重新分组后仍然出现分组的个数大于蜂窝用户的个数的情况，则为D2D用户设置优先级，根据分组的优先级、组内用户的个数和总体吞吐量，判断优先接入网络的分组。

S6：执行匈牙利算法为D2D用户复用组分配信道资源。

进行分配信道之前首先需要为每个D2D用户复用组找到其可以复用的蜂窝用户资源，并计算每种匹配方式的吞吐量。

以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1：计算蜂窝用户和D2D用户的信干噪比；

S2：D2D用户之间相互干扰，复用同一信道资源的D2D用户必须满足最小信干噪比要求才能保证通信质量，根据最小信干噪比要求确定复用同一信道资源的D2D用户之间干扰值要求，进而推算得到复用同一信道资源的D2D用户之间需要满足的安全距离d_i；

S3：依次判断D2D用户与其他D2D用户之间的距离是否满足安全距离的要求，满足要求则认为D2D用户复用同一信道资源，否则不复用同一信道资源；

S4：构建D2D用户复用关系图，经过判定D2D用户复用同一信道资源，则D2D用户之间进行连线并计算连线的D2D用户之间干扰大小；

S5：根据改进图着色的原理并结合D2D用户之间的累加干扰，依次为D2D用户着色，颜色相同的D2D用户分到一个组中，使用同一蜂窝信道资源，将所有的D2D用户进行分组并结合实际蜂窝用户数目进行分组优化，形成最终的D2D用户复用组；

S6：执行匈牙利算法为D2D用户复用组分配蜂窝信道资源。

2.根据权利要求1所述的一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1中蜂窝用户和D2D用户的信干噪比计算步骤如下：

其中，

表示蜂窝用户k的信干噪比，

表示D2D用户i的信干噪比；

分别表示蜂窝用户和D2D用户的最小信干噪比门限；

为蜂窝用户k的发射功率，

的大小介于蜂窝用户最大发射功率和蜂窝用户最小发射功率之间，P_i ^D为D2D用户i的发射功率，P_j ^D为D2D用户j的发射功率，P_i ^D和P_j ^D的大小介于D2D用户最大发射功率和D2D用户最小发射功率之间；G_CB为蜂窝用户到基站的链路信道增益，G_SB为D2D用户发送端到基站的信道增益，G_SR为D2D用户的链路信道增益，G_CR为蜂窝用户到D2D用户接收端的信道增益，N为同一信道D2D用户的数量，N₀为信道的噪声功率；当D2D用户对蜂窝用户的干扰为零时，蜂窝用户取得最小发射功率，当蜂窝用户对D2D用户的干扰为零时，D2D用户取得最小发射功率。

3.根据权利要求2所述的一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤S2中安全距离d_i的计算步骤如下：

首先为D2D用户i匹配复用的蜂窝信道，此时D2D用户受到的干扰为蜂窝用户干扰，D2D用户之间的干扰为零，计算D2D用户和蜂窝用户的信干噪比是否分别满足其最小信干噪比要求，满足要求则D2D用户复用该蜂窝信道，否则不能复用该蜂窝信道；

D2D用户i匹配蜂窝信道后寻找复用同一信道的其他D2D用户；由D2D用户的信干噪比计算步骤可得，令D2D用户i的信干噪比为最小信干噪比得到D2D用户之间的最大干扰值I_MAX；

D2D用户之间的最大干扰值I_MAX还可以由以下公式计算得到：

公式(3)中包含有两种不同的D2D用户，公式中加号的前边表示为当前信道已经存在的o_i对D2D用户，公式中加号的后边表示为还没有得到复用信道资源的Re对D2D用户；定义信道衰落模型由快衰落γ和慢衰落μ组成，则信道增益模型为G＝λγμd^-χ，λ代表路径损耗常数，χ代表路径损耗指数，d代表发送端和接收端的距离，进而得到公式(4)；

根据公式(2)、(4)求得复用同一信道资源的D2D用户之间需要满足的安全距离d_i。

4.根据权利要求3所述的一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3中，定义一个距离矩阵d_ij表示D2D用户之间的距离，其中d_ij表示D2D用户D_i与D_j之间的距离,同一对D2D用户不存在距离，所以d_ii＝0；当d_ij≥d_i且d_ji≥d_j时，判定D_i与D_j复用同一个信道资源，否则判定D_i与D_j不复用同一个信道资源。

5.根据权利要求4所述的一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤S4中，对D₁进行判定，D₁与D_i复用同一信道，所以D₁与D_i连线，与其他不复用的D2D用户不连线，同理依次对D₂、D₃至D_N进行判定和连线，最后得到蜂窝系统内所有D2D用户的复用关系，从而得到D2D用户的复用关系图。

6.根据权利要求5所述的一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据D2D用户复用关系图，为一个D2D用户着色时，该D2D用户与连线的D2D用户复用同一信道，此时考虑该D2D用户与连线D2D用户之间的干扰大小，选择干扰较小的D2D用户填充相同的颜色而且相同颜色的D2D用户累加干扰需要满足其最小信干噪比要求，没有连线的D2D用户之间必须填充不同的颜色，依次为所有D2D用户着色，最后颜色相同的D2D用户分配为一组复用同一信道，有多少种颜色就有多少个分组。

7.根据权利要求6所述的一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤S5分组完成后，结合分组情况和实际蜂窝数目进行优化调整，当蜂窝用户的个数远远大于分组的个数时，D2D链路会集中复用几个蜂窝用户的资源，资源分配不均，此时根据组内D2D链路的个数将组进行拆分，拆分后分组个数等于蜂窝用户的个数，达到蜂窝系统的均衡，当分组的个数大于蜂窝用户的个数时，有多个组不能接入网络，此时重新分组，按照尽可能少的分组执行改进图着色算法，若重新分组后仍然出现分组的个数大于蜂窝用户的个数的情况，则为D2D用户设置优先级，根据分组的优先级、组内用户的个数和总体吞吐量，判断优先接入网络的分组。

8.根据权利要求7所述的一种改进图着色的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述步骤S6进行分配信道之前首先需要为每个D2D用户复用组找到其可以复用的蜂窝用户资源，并计算每种匹配方式的吞吐量。

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