本發(fā)明涉及一種d2d復(fù)用模式下基于qos的分簇信道分配方法，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，3gpp(thirdgenerationpartnershipproject)組織已經(jīng)把d2d(device-to-device)通信技術(shù)列為第五代移動(dòng)通信(5g,5-generation)的關(guān)鍵技術(shù)之一。d2d通信是一種在基站或核心網(wǎng)的控制下，允許近距離的用戶終端之間通過專用頻譜或復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜直接通信的新技術(shù)。由于d2d通信不經(jīng)過基站中繼，有利于節(jié)省設(shè)備功率、卸載蜂窩流量從而減小基站的負(fù)擔(dān)。與工作在非許可頻段的其它無(wú)線通信技術(shù)(如wifi、藍(lán)牙、zigbee)相比，d2d通信工作在許可頻段，可以避免非許可頻段存在的不確定因素，提供更可靠的服務(wù)。

在d2d通信中，用戶可以采用專用模式(dedicatedmode)、復(fù)用模式(reusingmode)和蜂窩模式(cellularmode)進(jìn)行通信。其中，復(fù)用模式因其高頻譜效率的特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。采用復(fù)用模式時(shí)，如果用戶間的干擾不能得到有效控制，d2d通信可能會(huì)損害其他用戶的通信質(zhì)量從而降低系統(tǒng)性能。因此，有效的干擾管理機(jī)制是發(fā)揮d2d通信優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。此外，d2d通信可支持多種本地傳輸業(yè)務(wù)如文件共享、視頻播放等，由于使用不同業(yè)務(wù)的用戶對(duì)速率的需求不同，考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，資源的分配應(yīng)當(dāng)與d2d用戶的業(yè)務(wù)需求相結(jié)合，以防出現(xiàn)為低速率需求的用戶分配過多資源而為高速率需求的用戶分配資源不足的情況。本發(fā)明以用戶滿意度為主要度量值，在保證蜂窩用戶qos需求的情況下，采用圖論著色方法為qos需求各異的d2d用戶分簇以共享蜂窩用戶信道，能更好的滿足用戶的業(yè)務(wù)速率需求并兼顧系統(tǒng)公平性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是在d2d復(fù)用模式下提供一種基于qos的分簇信道分配方法，d2d用戶通過合理的復(fù)用蜂窩用戶的信道，以更好的滿足自身的業(yè)務(wù)速率需求同時(shí)有較好的系統(tǒng)公平性。

技術(shù)方案：本發(fā)明的d2d通信系統(tǒng)中的一種基于qos的分簇信道分配方法，包括以下步驟：

1)蜂窩用戶和子信道總數(shù)均為m，ck表示蜂窩用戶k，每個(gè)蜂窩用戶占用一個(gè)子信道，即ck使用子信道k；di表示d2d用戶對(duì)i，d2d用戶總數(shù)為n；gb,k為基站和ck之間的信道增益；gi為di直通鏈路的信道增益；hb,i為基站到di的接收機(jī)的信道增益；hi,k為di的發(fā)射機(jī)到ck的信道增益；hi,j為di的發(fā)射機(jī)到dj的接收機(jī)的信道增益；n0為所有用戶接收端噪聲功率，定義d2d用戶i的滿意度為其中demi為di的數(shù)據(jù)需求速率，為di的傳輸速率；

2)根據(jù)系統(tǒng)中d2d用戶間的干擾情況，建立干擾圖g＝(v,e)：點(diǎn)集v代表d2d用戶對(duì)；邊集e表示任兩對(duì)d2d用戶之間的干擾情況，若d2d用戶對(duì)i與d2d用戶對(duì)j滿足：

則二者不可共享信道，并建立邊，式中pb為基站的總發(fā)射功率，均勻分配給蜂窩用戶；d2d用戶可以占用多個(gè)子信道并且在每個(gè)子信道上的發(fā)射功率相同，均為w為子信道的帶寬；參數(shù)β的取值范圍在0.5到0.6之間；

3)建立d2d用戶的可用顏色列表，每種顏色對(duì)應(yīng)其可使用的蜂窩用戶的信道，初始時(shí)d2d用戶可以使用全部顏色；對(duì)每個(gè)蜂窩用戶，為保證其qos需求，首先根據(jù)其最低速率需求計(jì)算出其所能承受的干擾上限然后通過不斷添加邊來(lái)去除對(duì)其干擾最大的d2d用戶，與其建立邊的d2d用戶的可用顏色列表里去除該蜂窩用戶的顏色，直到蜂窩用戶所受的總干擾滿足閾值要求；

4)定義將顏色k分配給d2d用戶對(duì)i使用的代價(jià)函數(shù)c(i,k)為c(i,k)＝|neighi,k|，其中|neighi,k|為集合neighi,k的元素個(gè)數(shù)，表示可用顏色k的其它d2d用戶與d2d用戶對(duì)i之間存在邊的總條數(shù)；此外，定義d2d用戶對(duì)i加入簇k(cluster_k)帶來(lái)的效用ui,k為其中表示d2d用戶對(duì)i加入簇k所獲得的速率；在效用的基礎(chǔ)上為d2d用戶分簇，具體過程如下：

4-1)初始化：顏色k＝1；

4-2)集合用于存放最終使用顏色k的d2d用戶集；集合b為所有可用顏色列表中含顏色k的d2d用戶集；

4-3)若b為空，則轉(zhuǎn)4-4)，否則計(jì)算集合b中d2d用戶添加到第k簇的效用，選取帶來(lái)效用最大的用戶，若有多個(gè)則隨機(jī)選擇一個(gè)加入集合a并從集合b中移除；集合b中刪除干擾圖中與加入集合a的用戶之間有邊的d2d用戶；重復(fù)4-3)；

4-4)第k簇的d2d用戶cluster_k＝a；計(jì)算所有d2d用戶的滿意度，置空滿意度為1的d2d用戶的可用顏色列表；

4-5)若k≤m，k＝k+1，轉(zhuǎn)4-2)；

4-6)位于同一簇內(nèi)的d2d用戶復(fù)用相應(yīng)的蜂窩用戶信道。

有益效果

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明在有效保證蜂窩用戶最低速率需求的情況下將d2d用戶信道分配轉(zhuǎn)化為圖的頂點(diǎn)著色的問題，更簡(jiǎn)單、方便的解決了信道分配。

2.本發(fā)明以用戶滿意度為度量值，根據(jù)d2d用戶自身業(yè)務(wù)速率需求為其分配信道，能夠有效提高d2d用戶的滿意度，避免了傳統(tǒng)的資源分配方法可能帶來(lái)的為低速率需求的用戶分配過多資源而為高速率需求的用戶分配資源不足的情況，更好的滿足了用戶需求。

3.本發(fā)明在信道分配的過程中，照顧到速率需求高、更難滿足的d2d用戶，保證了資源分配的公平性，更合理的利用系統(tǒng)資源。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明方法的系統(tǒng)模型示意圖。

圖3為不同資源分配方案下的蜂窩用戶中斷概率比較圖。

圖4為不同資源分配方案下d2d用戶的平均滿意度比較圖。

圖5為不同資源分配方案下d2d用戶滿意度的方差比較圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

本發(fā)明的系統(tǒng)模型如附圖2所示，考慮單小區(qū)場(chǎng)景，小區(qū)半徑為r，基站位于小區(qū)的中心，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布著m個(gè)蜂窩用戶和n對(duì)d2d用戶，ck和di分別表示蜂窩用戶k和d2d用戶對(duì)i。m個(gè)蜂窩用戶使用m個(gè)獨(dú)立正交的子信道且子信道已分配完畢，不失一般性，認(rèn)為蜂窩用戶k使用第k個(gè)子信道，d2d用戶復(fù)用蜂窩用戶的下行鏈路資源進(jìn)行通信?？紤]密集d2d通信場(chǎng)景，d2d用戶數(shù)大于蜂窩用戶數(shù)。本發(fā)明允許一個(gè)蜂窩用戶的信道被多對(duì)d2d用戶使用，一對(duì)d2d用戶使用多個(gè)蜂窩用戶的信道。此外，不考慮功率控制，蜂窩用戶和d2d用戶均以固定功率發(fā)射，pb表示基站的總發(fā)射功率；所有d2d用戶在所有子信道上的發(fā)射功率相同，用表示。

小區(qū)內(nèi)所有用戶的大尺度衰落模型采用單斜率路徑損耗模型，即pr＝κptd^-α，其中κ和α分別是路徑損耗常數(shù)和路徑損耗指數(shù)，d表示收發(fā)雙方的距離；小尺度衰落為瑞利衰落。用gb,k表示基站和ck之間的信道功率增益；gi表示di直通鏈路的信道功率增益；hb,i表示基站到di的接收機(jī)的信道功率增益；hi,k表示di的發(fā)射機(jī)到ck的信道功率增益；hi,j表示di的發(fā)射機(jī)到dj的接收機(jī)的信道功率增益。w表示子信道的帶寬；n0表示所有用戶接收的噪聲功率；ρi,k∈{0,1}為信道分配的指示變量，若di復(fù)用ck的信道，則ρi,k＝1，反之ρi,k＝0。

假設(shè)基站平均分配在每個(gè)子信道上的發(fā)射功率，蜂窩用戶受到來(lái)自復(fù)用其信道的d2d用戶的干擾，因此ck接收的信干噪比為：

di復(fù)用ck的信道時(shí)，受到來(lái)自基站和與其使用相同信道的其它d2d用戶的干擾，其接收的信干噪比為：

根據(jù)香農(nóng)公式得二者的速率(bit/s)為：

其中表示di在子信道k上的傳輸速率?？紤]到每個(gè)d2d用戶的qos需求不同，其數(shù)據(jù)速率的需求向量為：dem＝{dem1,dem2,…,demi,…,demn}，定義d2d用戶的滿意度為：

本發(fā)明在保障保障蜂窩用戶最低速率需求即：

的情況下盡可能地提高d2d用戶的滿意度，但是因?yàn)樗俾市枨蟮偷挠脩艨梢哉加幂^少的頻譜資源而達(dá)到較高的滿意度，如果一味地追求系統(tǒng)中d2d用戶的總滿意度最大，可能會(huì)導(dǎo)致其優(yōu)先得到有限的頻譜資源而速率需求高的用戶分配不到信道，資源分配地極不公平。為了解決公平性問題，本發(fā)明采用用戶滿意度的方差：

來(lái)衡量信道分配的公平性，var越小，系統(tǒng)公平性越好。

根據(jù)系統(tǒng)中d2d用戶間的干擾情況，建立干擾圖g＝(v,e)：點(diǎn)集v＝{v1,v2,…,vn}，代表d2d用戶對(duì)；邊集e＝{ei,j}n×n，表示di與dj之間的干擾情況，若二者干擾嚴(yán)重不可共享信道，則連接頂點(diǎn)vi和vj，建立邊：ei,j＝1；ej,i＝1，否則，ei,j＝0；ej,i＝0。

一方面，從d2d用戶的角度講，其速率需求越高，就越希望得到高的接收信干噪比或使用更多的信道，所以不能以固定的信干噪比作為判斷d2d用戶間是否存在嚴(yán)重干擾的依據(jù)。另一方面，從系統(tǒng)的角度講，資源復(fù)用可以帶來(lái)吞吐量的增益。當(dāng)資源嚴(yán)重不足時(shí)，即使用戶之間的干擾略大、復(fù)用帶來(lái)的吞吐量增益較小，但允許更多的用戶接入會(huì)讓資源分配地更公平合理。所以本發(fā)明采用下式作為判斷di與dj之間是否存在邊的依據(jù)：

若滿足該式，則二者不可共享信道，并建立邊。其中參數(shù)β反映了系統(tǒng)對(duì)d2d用戶間干擾的容忍程度，β越大，對(duì)用戶間的干擾限制得越嚴(yán)格，干擾圖中邊的數(shù)目就越多，實(shí)際應(yīng)用中參數(shù)β的取值范圍應(yīng)在0.5到0.6之間。

每對(duì)d2d用戶都擁有一個(gè)顏色列表，每種顏色對(duì)應(yīng)其可使用的蜂窩用戶的信道，初始時(shí)d2d用戶可以使用全部顏色。當(dāng)d2d用戶對(duì)蜂窩用戶干擾較大時(shí)，若此d2d用戶不著該蜂窩用戶的顏色，就可以有效提高蜂窩用戶的通信質(zhì)量。定義蜂窩用戶的中斷概率為：其中，pr(t)為滿足條件t的概率。

為保證蜂窩用戶的中斷概率為0，本發(fā)明對(duì)每個(gè)蜂窩用戶，首先根據(jù)其最低速率需求計(jì)算出其所能承受的干擾上限：然后通過不斷添加邊來(lái)去除對(duì)其干擾最大的d2d用戶，直到其所受的總干擾滿足閾值要求。此外，為了添加較少的邊使d2d用戶有更多的可用顏色，應(yīng)按從大到小的順序?qū)Ω蓴_進(jìn)行移除。

對(duì)于任意顏色k，只要沒有分配給di的相鄰頂點(diǎn)就可以供di使用。將顏色k分配給di使用的代價(jià)函數(shù)c(i,k)定義如下：

c(i，k)＝|neighi,k|(9)

其中|neighi,k|為集合neighi,k的元素個(gè)數(shù)，表示可用顏色k的其它d2d用戶與di之間存在邊的總條數(shù)。代價(jià)函數(shù)反映了di使用顏色k后對(duì)其他用戶的影響。代價(jià)越大，則顏色k分配給di使用后，系統(tǒng)中就有越多可用顏色k的其它d2d用戶無(wú)法使用該顏色，頻譜利用率就越低。此外，定義di加入簇k(cluster_k)帶來(lái)的效用ui,k為：

其中：

表示di加入簇k所獲得的速率。該效用具有以下幾個(gè)特性：

(1)對(duì)于未達(dá)到速率需求的d2d用戶，加入某簇獲得的速率ri,k越高，其滿意度越高，就越優(yōu)先加入該簇；

(2)分子中的(1-satisi)考慮了用戶間的公平性：d2d用戶的滿意度越小，就越優(yōu)先使用該顏色，以減小和其它用戶滿意度的差距；

(3)分母中代價(jià)函數(shù)加上常數(shù)避免了分母為零的可能，同時(shí)它是協(xié)作式的，考慮了di使用顏色k后對(duì)其他用戶和系統(tǒng)頻譜利用率的影響。

在式(10)的基礎(chǔ)上，對(duì)d2d用戶分簇。因?yàn)槊總€(gè)d2d用戶可以使用多種顏色，所以一個(gè)d2d用戶可以屬于多個(gè)簇。初始時(shí)，簇k的候選成員為所有可用顏色列表中含顏色k的d2d用戶。分簇的基本思想為：對(duì)某種顏色，每次從其對(duì)應(yīng)簇的候選成員集中選擇一個(gè)候選成員加入到簇中，同時(shí)將與添加的用戶有邊的候選成員從候選成員集中移除，進(jìn)入到下一輪選擇，直到候選成員集為空。每次選擇添加到簇中的用戶的依據(jù)是優(yōu)先選取添加到該簇帶來(lái)效用最大的候選成員，若有多個(gè)則隨機(jī)選擇一個(gè)。值得注意的是，每輪選擇結(jié)束后，由于簇內(nèi)干擾變化導(dǎo)致候選成員的效用改變，因此在進(jìn)入到下輪選擇前都應(yīng)更新其效用。同時(shí)，在信道分配的過程中，一旦用戶達(dá)到需要的速率，即使仍有其它可用信道，也將可用顏色列表置空，不參與這些顏色的分配。因?yàn)檫M(jìn)一步提升速率不會(huì)帶來(lái)滿意度的增加還可能會(huì)占用其它有需要的用戶的資源。

本發(fā)明的基于qos的分簇信道分配方法的具體流程如附圖1所示。

綜上所述，本發(fā)明在考慮蜂窩用戶qos要求的條件下，以提高d2d用戶的滿意度為目標(biāo)，同時(shí)兼顧用戶間的公平性，為d2d用戶合理的分配信道。如附圖3所示是本發(fā)明提出的信道分配方法與其他資源分配方法的蜂窩用戶中斷概率對(duì)比圖，從圖中可以看出本發(fā)明方法可以有效保障蜂窩用戶的qos要求。如附圖4和附圖5所示是本發(fā)明提出的方法與其他資源分配方法相比隨著d2d用戶數(shù)增加時(shí)d2d用戶的平均滿意度和d2d用戶滿意度的方差的效果圖，從圖中可以看出本方法可以效提高d2d用戶的滿意度和系統(tǒng)公平性。