CN113938950B - 一种基于二分图的d2d通信资源分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二分图的D2D通信资源分配方法及系统，方法包括：基于蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户对构建二分图结构；利用二分图结构，采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果；根据最优匹配结果计算蜂窝小区内所有D2D用户对的优先级并以降序排列，获得优先级队列集合；根据优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集；根据优先级队列集合和蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配。本发明在确保蜂窝用户最低通信需求下，最大化D2D用户对接入数目的同时降低对原有蜂窝用户的干扰，有效提高蜂窝网络性能、吞吐量、频谱资源利用率。

Description

一种基于二分图的D2D通信资源分配方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种基于二分图的D2D通信资源分配方法及系统。

背景技术

随着5G和物联网(InternetofThings，IoT)时代的到来，各种智能终端设备数量的暴增，网络中通信数据量也随之急剧增加。因此，更快的数据传输速率、更高的系统吞吐量以及资源利用率是蜂窝网络的发展方向。设备到设备(Device-to-Device，简称D2D)通信技术是LTE-A(LTE-Advanced是LTE技术的后续演进)为卸载蜂窝基站流量而提出的设备间直接通信技术，5G也将其作为关键技术之一。D2D通信技术允许短距离通信设备复用蜂窝用户资源建立连接，以此对蜂窝通信进行补充，实现超高数量的终端连接、更高的频谱效率和更大的系统吞吐量。将D2D通信技术引入蜂窝网络中，在复用蜂窝用户资源的模式下能有效提升网络吞吐量、提高资源利用率，同时，也会对网络中原有蜂窝用户造成严重的同频干扰，因此，合理的资源分配方法是解决上述问题的关键。

现有技术研究中，采用复用模式下的D2D通信资源分配方法较多，但由于多对多复用模式下的资源分配方法过于复杂，大部分研究方法都集中于一对一的复用方式下，即一对D2D用户复用一个蜂窝用户资源的形式，这种资源分配方式不适合大量D2D用户接入到蜂窝网络中。除此之外，现有技术中，D2D通信的资源分配算法是优先考虑保证蜂窝用户的服务质量，没有同时从D2D用户角度考虑，会导致D2D用户的接入率下降，通信质量变差。以及在算法复杂度方面，多对一的资源分配方法没有在复杂度和性能方面做出较好的权衡，往往为了提高网络性能而导致复杂度较高，或者为了降低复杂度而导致性能变差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于二分图的D2D通信资源分配方法及系统，以实现最大化D2D用户对接入数目的同时提高蜂窝网络性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于二分图的D2D通信资源分配方法，所述方法包括：

步骤S1：基于蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户对构建二分图结构；

步骤S2：利用二分图结构，采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果；

步骤S3：根据所述最优匹配结果计算蜂窝小区内所有D2D用户对的优先级，并以降序排列，获得优先级队列集合；

步骤S4：根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集；所述蜂窝用户候选集包括所有D2D用户对对应的候选池；

步骤S5：根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配。

可选地，所述根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集，具体包括：

步骤S41：令j＝1；

步骤S42：令i＝1；

步骤S43：计算蜂窝用户ci的数据传输速率R′_ci；

步骤S44：判断R′_ci是否大于或等于第一速率阈值；如果R′_ci大于或等于第一速率阈值，则将蜂窝用户ci添加至D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中，令i＝i+1，并执行“步骤S45”；如果R′_ci小于第一速率阈值，则舍弃蜂窝用户ci，并令i＝i+1，并执行“步骤S45”；

步骤S45：判断i是否小于或等于蜂窝用户的总个数M；如果i小于或等于M，则返回“步骤S43”；如果i大于M，则令j＝j+1，并执行“步骤S46”；

步骤S46：判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则返回“步骤S42”；如果j大于N，则结束。

可选地，所述根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配，具体包括：

步骤S51：令j＝1；

步骤S52：按照所述优先级队列集合中D2D用户对的排序选取D2D用户对dj；

步骤S53：从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择第一个蜂窝用户对应的资源块进行复用；

步骤S54：计算蜂窝用户的总数据传输速R_ci；并判断R_ci是否大于或等于第二速率阈值；如果R_ci大于或等于第二速率阈值，则计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj；如果R_ci小于第二速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中剔除蜂窝用户，从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“步骤S54”；

步骤S55：判断R_dj是否大于或等于第三速率阈值；如果R_dj大于或等于第三速率阈值，则将资源矩阵Ω中对应的ω_l,j值更新置为1，并令j＝j+1，并执行“步骤S56”；如果R_dj小于第三速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“步骤S54”；ω_l,_j＝1表示资源块RB_l被D2D用户对dj使用；

步骤S56：判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则令j＝j+1，并返回“步骤S52”；如果j大于N，则资源分配结束。

可选地，所述计算蜂窝用户的数据传输速率R′_ci的具体公式为：

其中，R'_ci表示蜂窝用户ci的数据传输速率，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，gB,ci表示基站BS与蜂窝用户ci之间的链路增益，g_B,dj表示基站BS与D2D用户对dj的发射端之间的链路增益，N₀表示噪声，*表示乘号。

可选地，述计算蜂窝用户的总数据传输速率R_ci的具体公式为：

其中，γ_ci表示蜂窝用户ci的信干噪比，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，gB,ci表示基站BS与蜂窝用户ci之间的链路增益，g_B,dj表示基站BS与D2D用户对dj的发射端之间的链路增益，ω_l,j表示资源块RB_l是否被D2D用户对dj使用，n表示每个蜂窝用户所分配资源块数目，i表示蜂窝用户ci的序号，N表示D2D用户对的总个数，N₀表示噪声。

可选地，所述计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj的具体公式为：

其中，γ_dj表示D2D用户dj的信干噪比，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，gd,d表示D2D用户对之间的链路增益，g_ci,dj表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj的接收端之间的链路增益，ω_l,j表示资源块RB_l是否被D2D用户对dj使用，n表示每个蜂窝用户所分配资源块数目，M表示蜂窝用户的总个数，N₀表示噪声。

本发明还提供一种基于二分图的D2D通信资源分配系统，所述系统包括：

二分图结构构建模块，用于基于蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户对构建二分图结构；

最优匹配结果计算模块，用于利用二分图结构，采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果；

优先级队列集合确定模块，用于根据所述最优匹配结果计算蜂窝小区内所有D2D用户对的优先级，并以降序排列，获得优先级队列集合；

蜂窝用户候选集确定模块，用于根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集；所述蜂窝用户候选集包括所有D2D用户对对应的候选池；

频谱资源分配模块，用于根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配。

可选地，所述蜂窝用户候选集确定模块，具体包括：

第一赋值单元，用于令j＝1；

第二赋值单元，用于令i＝1；

第一数据传输速率计算单元，用于计算蜂窝用户ci的数据传输速率R′_ci；

第一判断单元，用于判断R′_ci是否大于或等于第一速率阈值；如果R′_ci大于或等于第一速率阈值，则将蜂窝用户ci添加至D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中，令i＝i+1，并执行“第二判断单元”；如果R′_ci小于第一速率阈值，则舍弃蜂窝用户ci，并令i＝i+1，并执行“第二判断单元”；

第二判断单元，用于判断i是否小于或等于蜂窝用户的总个数M；如果i小于或等于M，则返回“第一数据传输速率计算单元”；如果i大于M，则令j＝j+1，并执行“第三判断单元”；

第三判断单元，用于判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则返回“第二赋值单元”；如果j大于N，则结束。

可选地，所述频谱资源分配模块，具体包括：

第三赋值单元，用于令j＝1；

第一选取单元，用于按照所述优先级队列集合中D2D用户对的排序选取D2D用户对dj；

第二选取单元，用于从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择第一个蜂窝用户对应的资源块进行复用；

第二数据传输速率计算单元，用于计算蜂窝用户的总数据传输速率R_ci；并判断R_ci是否大于或等于第二速率阈值；如果R_ci大于或等于第二速率阈值，则计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj；如果R_ci小于第二速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中剔除蜂窝用户，从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“第二数据传输速率计算单元”；

第四判断单元，用于判断R_dj是否大于或等于第三速率阈值；如果R_dj大于或等于第三速率阈值，则将资源矩阵Ω中对应的ω_l,j值更新置为1，并令j＝j+1，并执行“第五判断单元”；如果R_dj小于第三速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“第二数据传输速率计算单元”；ω_l,j＝1表示资源块RB_l被D2D用户对dj使用；

第五判断单元，用于判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则令j＝j+1，并返回“第一选取单元”；如果j大于N，则资源分配结束。

可选地，所述计算蜂窝用户的数据传输速率R′_ci的具体公式为：

其中，R'_ci表示蜂窝用户ci的数据传输速率，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，gB,ci表示基站BS与蜂窝用户ci之间的链路增益，g_B,dj表示基站BS与D2D用户对dj的发射端之间的链路增益，N₀表示噪声，*表示乘号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的方案在确保蜂窝用户最低通信需求下，最大化D2D用户对接入数目的同时降低对原有蜂窝用户的干扰，有效提高蜂窝网络性能、吞吐量、频谱资源利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于二分图的D2D通信资源分配方法流程图；

图2为本发明单小区场景模型图；

图3为本发明带权二分图与其完备匹配示意图；

图4为本发明建立备选池流程框图；

图5为本发明资源分配流程框图；

图6为本发明基于二分图的D2D通信资源分配系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于二分图的D2D通信资源分配方法及系统，以实现最大化D2D用户对接入数目的同时提高蜂窝网络性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

实施例1

如图1所示，本发明公开一种基于二分图的D2D通信资源分配方法，所述方法包括：

步骤S1：基于蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户对构建二分图结构。

步骤S2：利用二分图结构，采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果。

步骤S3：根据所述最优匹配结果计算蜂窝小区内所有D2D用户对的优先级，并以降序排列，获得优先级队列集合。

步骤S4：根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集；所述蜂窝用户候选集包括所有D2D用户对对应的候选池。

步骤S5：根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配。

下面对各个步骤进行详细论述：

下述公式中，*和×均表示乘号的意思，如果是两个不同字母相乘，则省略了乘号。

当蜂窝网络中一个资源块同时被蜂窝用户ci和D2D用户对dj占用时，根据香农公式计算蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的数据传输速率，具体公式为：

其中，R'ci表示蜂窝用户ci的数据传输速率，R'dj表示D2D用户对dj的数据传输速率，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，gB,ci表示基站BS与蜂窝用户ci之间的链路增益，g_B,dj表示基站BS与D2D用户对dj的发射端之间的链路增益，gd,d表示D2D用户对之间的链路增益，g_ci,dj表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj的接收端之间的链路增益，N₀表示噪声。

其中，κ为路径损耗常数，α路径损耗指数，为服从指数分布的快衰落因子，ξ为服从对数分布的慢衰落因子，d_B,ci为蜂窝用户ci与基站BC间的距离，d_B,dj为基站BC与D2D用户对dj的发射端D_T间的距离，d_d,d为D2D用户对之间距离，d_ci,dj为蜂窝用户与D2D用户对dj的接收端D_R之间的距离。

引入一个代表频谱资源的分配矩阵Ω＝[ω_l,j]_(n*M)×N，l＝1,2,3,...n*M，其中，n表示每个蜂窝用户所分配资源块数目，M表示蜂窝用户的总个数，ω_l,j的数值及其约束条件如下：

(i-1)*n+1≤l≤i*n(5)；

其中，N表示D2D用户对的总个数，i表示蜂窝用户ci，ω_l,j表示资源块RB_l是否被D2D用户对dj使用。

约束条件(4)表示蜂窝用户的一个资源块只能被一个D2D用户对复用，但是一个D2D用户对可复用的蜂窝用户对应的资源块数目并无限制，这与D2D用户对传输需求有关。约束条件(5)表示蜂窝用户所分配到的资源块编号。

根据所述分配矩阵和数据传输速率计算蜂窝网络中蜂窝用户ci和D2D用户对dj的总数据传输速率，具体公式为：

其中，γ_ci表示蜂窝用户ci的信干噪比，γ_dj表示D2D用户dj的信干噪比，R_ci表示蜂窝网络中蜂窝用户ci的总数据传输速率，R_dj表示蜂窝网络中D2D用户对dj的总数据传输速率。

根据M个蜂窝用户和N个D2D用户对各自的总数据传输速率计算蜂窝网络中总吞吐量，具体公式为：

其中，R表示蜂窝网络中总吞吐量，R_ci表示蜂窝网络中蜂窝用户ci的总数据传输速率，R_dj表示蜂窝网络中D2D用户对dj的总数据传输速率。

构建优化目标函数和约束条件；本发明要构建的优化目标问题包括以下两点：蜂窝网络内满足信干噪比阈值要求的D2D用户对数目尽可能最大化的同时，蜂窝小区内用户整体的吞吐量也尽可能达到最大。

目标函数为：

约束条件为：

其中，NQ表示满足信干噪比要求的D2D用户对数目，R表示蜂窝网络中总吞吐量，Ω表示频谱资源的分配矩阵，Ω＝[ω_l,j](_n*M)×N，n表示每个蜂窝用户所分配资源块数目，M表示蜂窝用户的总个数，N表示D2D用户对的总个数，ω_l,j表示资源块RB_l是否被D2D用户对dj使用，γ_ci表示蜂窝用户ci的信干噪比，γ_dj表示D2D用户dj的信干噪比，表示蜂窝用户对应的正常通信的信干噪比阈值，/>表示D2D用户对对应的正常通信的信干噪比阈值。

公式(10)表示满足阈值要求的D2D用户对数目N_Q最大化，公式(11)表示蜂窝用户的一个RB只能被一D2D用户对复用，公式(12)和(13)则保证蜂窝用户和D2D用户对的信干噪比大于正常通信的阈值。

以上描述的分配问题是一个NP-hard问题，在有限时间内无法得到一个解析解，因此，采用本发明公开的方法对该问题进行求解，实现D2D通信资源分配。

步骤S1：基于蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户对构建二分图结构，具体的，将蜂窝网络中两类终端用户(即蜂窝用户和D2D用户对)抽象为二分图结构中不同集合的顶点，将蜂窝用户与D2D用户对的接收端之间的干扰链路的链路增益作为二分图结构各边的权重值；D2D用户对包括发送端和接收端。

单小区模型图如图2所示，单蜂窝小区内有M个蜂窝用户和N对D2D用户对，用集合C＝{1,2,…M}和D＝{1,2,…N}表示两类用户的索引集合，蜂窝用户可用CU表示，D2D用户对可用DU表示。同时，D_T和D_R分别表示D2D用户对的发射端和接收端。基站(BaseStation,BS)可获得所有通信链路的信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)。D2D用户对与蜂窝用户共享上行频谱资源。蜂窝用户和D2D用户对随机分布在小区内。信道模型采用基于距离的路径损耗，以及多径传输导致的快衰落和阴影效应导致的慢衰落。信道增益公式为其中，κ和α为路径损耗常数和路径损耗指数，d为用户间的距离，/>为多径传输导致的快衰落因子，ξ为阴影效应导致的慢衰落因子。仅考虑小区内用户之间产生的干扰，不考虑区间干扰。由于D2D用户对共享蜂窝用户的上行频谱资源，基站在受到D2D用户对发端D_T干扰，与此同时D2D用户对的收端D_R受到蜂窝用户的干扰。小区内的频谱资源以资源块(Resource Block，RB)的形式呈现，假设小区内每个蜂窝用户占用RB的数目相同，用n表示，但本算法不限于每个蜂窝用户占有相同RB数目，也适用于每个蜂窝用户可占用不同数目的RB资源块的情况。设定一个RB最多只能被一个蜂窝用户和一个D2D用户对同时占用，但一个D2D用户对可以占用多个不同的RB资源。此外，为保证小区内用户最低通信服务需求，设定信干噪比阈值，用/>和/>表示。

在图2所示的小区模型图中，所有的蜂窝用户在初始时均有被复用的潜在可能，对于所有D2D用户对的接收端与所有蜂窝用户之间则会存在干扰链路，将模型图中两类用户之间的干扰关系抽象为图论中的二分图结构，如图3中(a)所示。将潜在复用关系的用户之间的连线作为图的边，边的权值则为此干扰链路的链路功率增益，此时的二分图为带权二分图。

步骤S2：利用二分图结构，采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果。

所提KM算法是一种计算机算法，其功能是求完备匹配下的最佳匹配。给出有关匹配的定义，匹配：给定一个二分图G，在G的一个子图M中，M的边集{E}中的任意两条边都不依附于同一个顶点，则称M是一个匹配；极大匹配：指在当前已完成的匹配下，无法再通过增加未完成匹配的边的方式来增加匹配的边数；最大匹配：所有极大匹配当中边数最大的一个匹配；完备匹配：如果一个匹配中，图中的每个顶点都和图中某条边相关联，则称此匹配为完全匹配，也称作完备匹配。KM算法是一种求解带权二分图最优匹配的算法，最优匹配则是要使匹配后网络中D2D用户对整体干扰链路增益最小化，即在混合网络中D2D用户对复用蜂窝用户资源时，对于整个网络中D2D用户部分，其中所有D2D用户对的收端整体受到所复用的蜂窝用户的干扰是最小的。使用KM算法求解带权二分图的最佳匹配时，将二分图中边的权重值设置为干扰链路增益，边的权值使用g表示，其含义为链路增益。求解后得到的匹配结果，其含义是在混合蜂窝网络中所有D2D收端用户受到的干扰和为最小情况下的完备匹配。

采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果，如图3中(b)所示。在前文提到，经过KM算法后得到的匹配是一个完备匹配，对于D2D用户对数目少于蜂窝数目的情况下，每一D2D用户对dj都会被匹配到一个潜在复用搭档ci。将最优匹配结果对应的蜂窝用户ci添加至D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中，构成蜂窝用户候选集，例如，⊙_d1＝{c₂}，⊙_d2＝{c_M}，⊙_d3＝{c₃}，...，⊙_dn＝{c₁}，作为候选池中首要复用成员。蜂窝用户候选集Θ＝{⊙_d1,⊙_d2,…,⊙_dn}。

步骤S3：根据所述最优匹配结果计算蜂窝小区内所有D2D用户对的优先级，并以降序排列，获得优先级队列集合。

D2D用户对优先级使用λ_j表示，定义为D2D用户对dj的最大信干噪比与给定阈值的比值。在计算λ_j时，D2D用户对dj使用的信干噪比是在步骤S2中得到的最优匹配下的信干噪比，此时的D2D用户对的接收端与蜂窝用户之间的链路干扰增益是最小的。使用Γ_d＝{λ₁,λ₂,...λ_j...,λ_N}表示优先级的集合，λ_j数值越高的D2D用户对在占用一个蜂窝用户资源块时，所能达到的速率越高，满足速率要求时所需要的资源块数目越少，有利于后续D2D用户对获得蜂窝用户的资源。

步骤S4：根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集，具体包括：

步骤S41：令j＝1。

步骤S42：令i＝1。

步骤S43：计算蜂窝用户ci的数据传输速率R′_ci。

步骤S44：判断R′_ci是否大于或等于第一速率阈值；如果R′_ci大于或等于第一速率阈值，则将蜂窝用户ci添加至D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中，令i＝i+1，并执行“步骤S45”；如果R′_ci小于第一速率阈值，则舍弃蜂窝用户ci，并令i＝i+1，并执行“步骤S45”。

步骤S45：判断i是否小于或等于蜂窝用户的总个数M；如果i小于或等于M，则返回“步骤S43”；如果i大于M，则令j＝j+1，并执行“步骤S46”。

步骤S46：判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则返回“步骤S42”；如果j大于N，则结束。

按照上述步骤得到的所述优先级队列集合内优先级排序，为每一个D2D用户对建立候选池，具体流程如图4所示。根据公式(1)计算当蜂窝用户ci(即CUi)和D2D用户对dj(即DUj)同时占用一个资源块RB时，蜂窝用户ci的数据传输速率R′_ci，且与第一速率阈值(即图4中阈值)进行比较，若符合阈值要求(即大于或等于阈值)，则将蜂窝用户ci添加至D2D用户对dj对应的备选池⊙_dj中，对于加入的候选池的蜂窝用户ci，在入池的同时会将其按照信干噪比的大小进行排序；若不符合阈值要求，则不将此蜂窝用户ci加入备选池中，继续遍历其他蜂窝用户，直至所有的D2D用户对均建立完其对应的备选池。需要注意的是，在步骤S2中已经加入了首要复用搭档，故在此步骤中，对每一对DU进行候选池中成员添加判断时，需要将首要搭档排除在外。

步骤S5：根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配，具体包括：

步骤S51：令j＝1。

步骤S52：按照所述优先级队列集合中D2D用户对的排序选取D2D用户对dj(即DU_j)。

步骤S53：从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择第一个蜂窝用户对应的资源块进行复用。

步骤S54：计算蜂窝用户的总数据传输速率R_ci；并判断R_ci(即CU_i速率)是否大于或等于第二速率阈值；如果R_ci大于或等于第二速率阈值，则计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj；如果R_ci小于第二速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中剔除蜂窝用户，从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“步骤S54”；本实施例是利用公式(6)来计算蜂窝用户的总数据传输速率R_ci，利用公式(7)来计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj。第二速率阈值与第一速率阈值相等。

步骤S55：判断R_dj(即DU_j速率)是否大于或等于第三速率阈值；如果R_dj大于或等于第三速率阈值，则将资源矩阵Ω中对应的ω_l,j值更新置为1，并令j＝j+1，并执行“步骤S56”；如果R_dj小于第三速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“步骤S54”。

步骤S56：判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则令j＝j+1，并返回“步骤S52”；如果j大于N，则资源分配结束。

在步骤S5中，结合已经建立的备选池⊙_dj以及排序后的优先级Γ_dj，按照优先级顺序，对D2D用户对，进行资源分配，流程如图5所示。在资源分配过程中，对优先级较高的D2D用户对优先进行频谱资源分配。为了保证最大化接入尽可能多的D2D用户对，备选池中需要保留至少一个可复用蜂窝用户作为复用搭档，即在步骤S2中产生的首要备选用户作为基础复用搭档。步骤S5根据优先级对N个D2D用户对进行降序排序，按照排序后的D2D用户对顺序，对D2D用户对进行频谱资源分配；重复上述步骤S52-步骤S56，直到所有D2D用户对均已被指派得到蜂窝用户的资源块完成正常通信需求。

本发明所提创新点包括以下几点：1、从减少混合网络中D2D通信系统所受干扰的角度考虑，将干扰链路以及系统中的用户终端抽象为二分图的中的点和边，使用KM算法获得混合网络中D2D收端所受到干扰和最小的最优匹配，作为初次分配结果；2、优先级的作用，在特定速率要求下，优先级较高的用户会使用较少的资源块即可完成基本通信需求，对于优先级较低的用户来说，可选择的资源块机会增大；3、备选池是在一对一复用的基础上，使得D2D用户有更多可选择的复用搭档，在有数据量较大的传输需要时可使用备选池内多个复用搭档的资源进行复用，以满足通信需求。

本发明的有益效果：在确保蜂窝用户最低通信需求下，最大化D2D用户对接入数目的同时降低对原有蜂窝用户的干扰，有效提高蜂窝网络性能、吞吐量、频谱资源利用率。

实施例2

如图6所示，本发明还公开一种基于二分图的D2D通信资源分配系统，所述系统包括：

二分图结构构建模块601，用于基于蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户对构建二分图结构；

最优匹配结果计算模块602，用于利用二分图结构，采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果；

优先级队列集合确定模块603，用于根据所述最优匹配结果计算蜂窝小区内所有D2D用户对的优先级，并以降序排列，获得优先级队列集合；

蜂窝用户候选集确定模块604，用于根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集；所述蜂窝用户候选集包括所有D2D用户对对应的候选池；

频谱资源分配模块605，用于根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配。

作为一种可选的实施方式，本发明所述蜂窝用户候选集确定模块604，具体包括：

第一赋值单元，用于令j＝1。

第二赋值单元，用于令i＝1。

第一数据传输速率计算单元，用于计算蜂窝用户ci的数据传输速率R′_ci。

第一判断单元，用于判断R′_ci是否大于或等于第一速率阈值；如果R′_ci大于或等于第一速率阈值，则将蜂窝用户ci添加至D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中，令i＝i+1，并执行“第二判断单元”；如果R′_ci小于第一速率阈值，则舍弃蜂窝用户ci，并令i＝i+1，并执行“第二判断单元”。

第二判断单元，用于判断i是否小于或等于蜂窝用户的总个数M；如果i小于或等于M，则返回“第一数据传输速率计算单元”；如果i大于M，则令j＝j+1，并执行“第三判断单元”。

第三判断单元，用于判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则返回“第二赋值单元”；如果j大于N，则结束。

作为一种可选的实施方式，本发明所述频谱资源分配模块605，具体包括：

第三赋值单元，用于令j＝1。

第一选取单元，用于按照所述优先级队列集合中D2D用户对的排序选取D2D用户对dj。

第二选取单元，用于从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择第一个蜂窝用户对应的资源块进行复用。

第二数据传输速率计算单元，用于计算蜂窝用户的总数据传输速率R_ci；并判断R_ci是否大于或等于第二速率阈值；如果R_ci大于或等于第二速率阈值，则计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj；如果R_ci小于第二速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中剔除蜂窝用户，从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“第二数据传输速率计算单元”。

第四判断单元，用于判断R_dj是否大于或等于第三速率阈值；如果R_dj大于或等于第三速率阈值，则将资源矩阵Ω中对应的ω_l,j值更新置为1，并令j＝j+1，并执行“第五判断单元”；如果R_dj小于第三速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“第二数据传输速率计算单元”；ω_l,j＝1表示资源块RB_l被D2D用户对dj使用。

第五判断单元，用于判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则令j＝j+1，并返回“第一选取单元”；如果j大于N，则资源分配结束。

与实施例1相同的部分参见实施例1.

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于二分图的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：基于蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户对构建二分图结构；

步骤S2：利用二分图结构，采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果；

步骤S3：根据所述最优匹配结果计算蜂窝小区内所有D2D用户对的优先级，并以降序排列，获得优先级队列集合；

步骤S4：根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集；所述蜂窝用户候选集包括所有D2D用户对对应的候选池；

步骤S5：根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配；

所述根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集，具体包括：

步骤S41：令j＝1；

步骤S42：令i＝1；

步骤S43：计算蜂窝用户ci的数据传输速率R′_ci；

步骤S44：判断R′_ci是否大于或等于第一速率阈值；如果R′_ci大于或等于第一速率阈值，则将蜂窝用户ci添加至D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中，令i＝i+1，并执行“步骤S45”；如果R′_ci小于第一速率阈值，则舍弃蜂窝用户ci，并令i＝i+1，并执行“步骤S45”；

步骤S45：判断i是否小于或等于蜂窝用户的总个数M；如果i小于或等于M，则返回“步骤S43”；如果i大于M，则令j＝j+1，并执行“步骤S46”；

步骤S46：判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则返回“步骤S42”；如果j大于N，则结束；

所述根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配，具体包括：

步骤S51：令j＝1；

步骤S52：按照所述优先级队列集合中D2D用户对的排序选取D2D用户对dj；

步骤S53：从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择第一个蜂窝用户对应的资源块进行复用；

步骤S54：计算蜂窝用户的总数据传输速R_ci；并判断R_ci是否大于或等于第二速率阈值；如果R_ci大于或等于第二速率阈值，则计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj；如果R_ci小于第二速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中剔除蜂窝用户，从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“步骤S54”；

步骤S55：判断R_dj是否大于或等于第三速率阈值；如果R_dj大于或等于第三速率阈值，则将资源矩阵Ω中对应的ω_l,j值更新置为1，并令j＝j+1，并执行“步骤S56”；如果R_dj小于第三速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“步骤S54”；ω_l,j＝1表示资源块RB_l被D2D用户对dj使用；

步骤S56：判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则令j＝j+1，并返回“步骤S52”；如果j大于N，则资源分配结束。

2.根据权利要求1所述的基于二分图的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述计算蜂窝用户的数据传输速率R′_ci的具体公式为：

其中，R'_ci表示蜂窝用户ci的数据传输速率，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，gB,ci表示基站BS与蜂窝用户ci之间的链路增益，g_B,dj表示基站BS与D2D用户对dj的发射端之间的链路增益，N₀表示噪声，*表示乘号。

3.根据权利要求1所述的基于二分图的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述计算蜂窝用户的总数据传输速率R_ci的具体公式为：

其中，γ_ci表示蜂窝用户ci的信干噪比，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，gB,ci表示基站BS与蜂窝用户ci之间的链路增益，g_B,dj表示基站BS与D2D用户对dj的发射端之间的链路增益，ω_l,j表示资源块RB_l是否被D2D用户对dj使用，n表示每个蜂窝用户所分配资源块数目，i表示蜂窝用户ci的序号，N表示D2D用户对的总个数，N₀表示噪声。

4.根据权利要求1所述的基于二分图的D2D通信资源分配方法，其特征在于，所述计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj的具体公式为：

其中，γ_dj表示D2D用户dj的信干噪比，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，g_d,d表示D2D用户对之间的链路增益，g_ci,dj表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj的接收端之间的链路增益，ω_l,j表示资源块RB_l是否被D2D用户对dj使用，n表示每个蜂窝用户所分配资源块数目，M表示蜂窝用户的总个数，N₀表示噪声。

5.一种基于二分图的D2D通信资源分配系统，其特征在于，所述系统包括：

二分图结构构建模块，用于基于蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户对构建二分图结构；

最优匹配结果计算模块，用于利用二分图结构，采用KM算法计算整个蜂窝网络中D2D用户对的接收端受到总干扰最小的最优匹配结果；

优先级队列集合确定模块，用于根据所述最优匹配结果计算蜂窝小区内所有D2D用户对的优先级，并以降序排列，获得优先级队列集合；

蜂窝用户候选集确定模块，用于根据所述优先级队列集合内优先级排序为蜂窝小区内各D2D用户对建立蜂窝用户候选集；所述蜂窝用户候选集包括所有D2D用户对对应的候选池；

频谱资源分配模块，用于根据所述优先级队列集合和所述蜂窝用户候选集对蜂窝小区内D2D用户对进行频谱资源分配；

所述蜂窝用户候选集确定模块，具体包括：

第一赋值单元，用于令j＝1；

第二赋值单元，用于令i＝1；

第一数据传输速率计算单元，用于计算蜂窝用户ci的数据传输速率R′_ci；

第一判断单元，用于判断R′_ci是否大于或等于第一速率阈值；如果R′_ci大于或等于第一速率阈值，则将蜂窝用户ci添加至D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中，令i＝i+1，并执行“第二判断单元”；如果R′_ci小于第一速率阈值，则舍弃蜂窝用户ci，并令i＝i+1，并执行“第二判断单元”；

第二判断单元，用于判断i是否小于或等于蜂窝用户的总个数M；如果i小于或等于M，则返回“第一数据传输速率计算单元”；如果i大于M，则令j＝j+1，并执行“第三判断单元”；

第三判断单元，用于判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则返回“第二赋值单元”；如果j大于N，则结束；

所述频谱资源分配模块，具体包括：

第三赋值单元，用于令j＝1；

第一选取单元，用于按照所述优先级队列集合中D2D用户对的排序选取D2D用户对dj；

第二选取单元，用于从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择第一个蜂窝用户对应的资源块进行复用；

第二数据传输速率计算单元，用于计算蜂窝用户的总数据传输速率R_ci；并判断R_ci是否大于或等于第二速率阈值；如果R_ci大于或等于第二速率阈值，则计算D2D用户对dj的总数据传输速率R_dj；如果R_ci小于第二速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中剔除蜂窝用户，从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“第二数据传输速率计算单元”；

第四判断单元，用于判断R_dj是否大于或等于第三速率阈值；如果R_dj大于或等于第三速率阈值，则将资源矩阵Ω中对应的ω_l,j值更新置为1，并令j＝j+1，并执行“第五判断单元”；如果R_dj小于第三速率阈值，则从D2D用户对dj对应的候选池⊙_dj中选择下一个蜂窝用户对应的资源块进行复用，并返回至“第二数据传输速率计算单元”；ω_l,j＝1表示资源块RB_l被D2D用户对dj使用；

第五判断单元，用于判断j是否小于或等于D2D用户对的总个数N；如果j小于或等于N，则令j＝j+1，并返回“第一选取单元”；如果j大于N，则资源分配结束。

6.根据权利要求5所述的基于二分图的D2D通信资源分配系统，其特征在于，所述计算蜂窝用户的数据传输速率R′_ci的具体公式为：

其中，R'_ci表示蜂窝用户ci的数据传输速率，B表示传输带宽，P_ci和P_dj分别表示蜂窝用户ci和D2D用户对dj各自的发射功率，g_B,ci表示基站BS与蜂窝用户ci之间的链路增益，g_B,dj表示基站BS与D2D用户对dj的发射端之间的链路增益，N₀表示噪声，*表示乘号。