CN112752309A - 一种基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法，包括以下步骤：1、将上行用户和下行用户分别作为两个独立集U和D，构建这两个独立集的完全二分图，二分图中的每条边对应一个用户对(u_i,d_j),u_i∈U,d_j∈D；2、排除不能同时满足上行用户和下行用户业务请求所需的最小速率的用户对，得到独立集U和D的可行图；3、通过匈牙利算法寻找可行图中的增广路径，直到找不到增广路径或可行图中一侧的顶点遍历完为止。本发明充分考虑匹配用户需同时满足上下行业务请求所需的最小传输速率，在此基础上实现最大化系统满意用户对数目；提供的用户匹配算法简单易懂、通用性强，可适用于传统的全双工网络，具备多项式级复杂度，可极大减轻通信系统中硬件设备的负荷。

Description

一种基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体是一种基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法。

背景技术

作为6G通信系统的关键技术之一，全双工赋予了通信设备同时同频发射和接收的能力，从而在理论上可使得网络容量翻倍。然而，受困于发射电路至接收电路间严重的自干扰问题，全双工技术难以在实际场景中广泛应用。

近年来，随着信号处理技术的飞速发展，各类自干扰消除方法层出不穷。目前，最先进的自干扰消除技术已经可以在实际场景中提供高达100dB的自干扰消除能力。可以预见，随着自干扰消除技术的日趋成熟，全双工通信设备将逐步得到应用。在基于全双工基站的蜂窝小区中，当若干个上行和若干个下行用户同时进行业务请求时，如何进行小区内干扰管理变得十分关键。现有研究方向考虑了全双工蜂窝网络中保障频谱效率和公平性的上下行用户匹配及信道分配等问题，但皆未考虑用户的QoS需求；与此同时，现有技术求得最优解的算法皆具有极高的复杂度(阶乘复杂度)。

发明内容

针对现有全双工蜂窝网络用户匹配算法存在的不足，本发明提供一种基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法，在考虑蜂窝小区中用户的QoS需求的前提下，最大化系统满意用户对数目。

一种基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法，包括以下步骤：

步骤1，将上行用户和下行用户分别作为两个独立集U和D，构建这两个独立集的完全二分图，二分图中的每条边对应一个用户对(u_i,d_j),u_i∈U,d_j∈D；

步骤2，对于每个相连的用户对(u_i,d_j)，验证其可否通过设置用户发射功率使干扰处于可接受范围验证，排除不能同时满足上行用户和下行用户业务请求所需的最小速率的用户对，得到独立集U和D的可行图；

步骤3，通过匈牙利算法寻找可行图中的增广路径，直到找不到增广路径或可行图中一侧的顶点遍历完为止。

进一步的，所述步骤2中的排除方法包括以下步骤：

步骤2.1，对不等式

进行求解，得出P_i的范围

其中，

为上行链路用户u_i的QoS需求，即满足用户u_i业务请求所需的最小传输速率。

步骤2.2，对不等式

进行求解，得出P_i的范围

其中，

为下行链路用户d_j的QoS需求，即满足用户d_j业务请求所需的最小传输速率。

步骤2.3，若

满足以下条件：

其中P_max为用户最大发射功率

则说明在发射功率设置合理的条件下，(u_i,d_j)可成为满意用户对，此时保留二分图中用户对(u_i,d_j)之间的对应边e_i,j；反之，删除完全二分图中的对应边e_i,j。

本发明充分考虑匹配用户需同时满足上下行业务请求所需的最小传输速率，在此基础上实现最大化系统满意用户对数目；提供的用户匹配算法简单易懂、通用性强，可适用于传统的全双工网络，具备多项式级复杂度，可极大减轻通信系统中硬件设备的负荷。

附图说明

图1为全双工蜂窝系统示例图；

图2为本发明用户匹配算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

实施例1

考虑一个典型的基于OFDMA技术的蜂窝小区，如图1所示，包括N个上行用户U＝{u₁,u₂,...,u_N}、N个下行用户D＝{d₁,d₂,...,d_N}和一个全双工基站。基站配备接收天线r和发送天线t，可于同一子信道上，同时服务一个上行用户和一个下行用户。上行用户和下行用户之间具有一一匹配关系，此匹配关系极大地影响着小区内的干扰构成，因此，如何建立这样的一一匹配关系至关重要。

现有的信号处理技术已经能够较为完美地解决基站上全双工通信设备的自干扰，但对于下行用户，仍无法避免来自同一小区内上行用户的信号干扰，这是影响全双工蜂窝系统性能的主要因素。

给定任意用户对(u_i,d_j),u_i∈U,d_j∈D，该用户对之间存在一条上行链路(u_i,r)和一条下行链路(t,d_j)，两条链路的传输速率分别表示为

计算公式分别为

其中，B为每个子信道的带宽，P_i为用户u_i在每个子信道上的发射功率，P₀为基站在每个子信道上的发射功率，P₀为恒定值，

分别表示上行用户u_i至基站接收天线r和至下行用户d_j的信道增益，G_r,t、

分别表示基站发射天线t至基站接收天线r和至下行用户d_j的信道增益，N₀表示信道噪声功率，η表示自干扰消除系数且0＜η＜1。

从两条链路的传输速率计算公式可以看出，下行用户d_j匹配不同的上行用户，获得的下行链路传输速率也不同。为了保证较好的链路服务质量，本发明提供一种基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法，考虑蜂窝小区中用户的QoS需求，在满足用户业务请求所需的最小传输速率的前提下，最大化系统满意用户对数目，具体方法(参照图2)如下：

一、构造完全二分图

建立2N个顶点，分别对应N个上行用户和N个下行用户，将所有上行用户和下行用户对应的顶点两两相连，得到一个完全二分图＝(,)。

二、构造可行图

对于每个相连的用户对(u_i,d_j)，验证其可否通过设置用户发射功率使干扰处于可接受范围。

1、对不等式

进行求解，得出P_i的范围

其中，

为上行链路用户u_i的QoS需求，即满足用户u_i业务请求所需的最小传输速率。

2、对不等式

进行求解，得出P_i的范围

其中，

为下行链路用户d_j的QoS需求，即满足用户d_j业务请求所需的最小传输速率。

3、若

满足以下条件：

其中P_max为用户最大发射功率则说明在发射功率设置合理的条件下，(u_i,d_j)可成为满意用户对，此时保留二分图中用户对(u_i,d_j)之间的对应边e_i,j；反之，删除完全二分图中的对应边e_i,j。

4、对网络中N²个用户对执行以上步骤1-3，排除所有不满意用户对的二分图，得到可行图。在可行图中，任意两个相连的顶点所组成的用户对，在发射功率设置合理的条件下皆能成为满意用户对。

三、寻找最大匹配

本发明中满意用户对的最大数量等同于可行图最大匹配中边的数量，因此，求最大化满意用户对的数目可转化为寻找可行图中的最大匹配。本发明通过匈牙利算法不停寻找可行图中的增广路径，直到找不到增广路径或可行图中一侧的顶点遍历完为止。利用匈牙利算法寻找二分图的最大匹配属于现有技术，在此不再赘述。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将上行用户和下行用户分别作为两个独立集U和D，构建这两个独立集的完全二分图，二分图中的每条边对应一个用户对(u_i,d_j),u_i∈U,d_j∈D；

步骤2，对于每个相连的用户对(u_i,d_j)，验证其可否通过设置用户发射功率使干扰处于可接受范围验证，排除不能同时满足上行用户和下行用户业务请求所需的最小速率的用户对，得到独立集U和D的可行图；

步骤3，通过匈牙利算法寻找可行图中的增广路径，直到找不到增广路径或可行图中一侧的顶点遍历完为止。

2.根据权利要求1所述的基于图论的全双工蜂窝系统用户匹配算法，其特征在于，所述步骤2中的排除方法包括以下步骤：

步骤2.1，对不等式

进行求解，得出P_i的范围

其中，

为上行链路用户u_i的QoS需求，即满足用户u_i业务请求所需的最小传输速率。

步骤2.2，对不等式

进行求解，得出P_i的范围

其中，

为下行链路用户d_j的QoS需求，即满足用户d_j业务请求所需的最小传输速率。

步骤2.3，若

满足以下条件：

其中P_max为用户最大发射功率

则说明在发射功率设置合理的条件下，(u_i,d_j)可成为满意用户对，此时保留二分图中用户对(u_i,d_j)之间的对应边e_i,j；反之，删除完全二分图中的对应边e_i,j。

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