一種基于遺傳算法的d2d通信系統(tǒng)的資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，D2D通信系統(tǒng)的終端包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)終端(CUE)和D2D移動終端(DUE)，其中包括N個CUE和M個DUE，方法包括：(1)設(shè)定染色體的編碼方式；(2)初始化種群；(3)求解系統(tǒng)的信道容量，并設(shè)置其為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)；(4)對種群進(jìn)行繁殖過程，每繁殖一代包括選擇、交叉、變異、修正四個步驟；(5)當(dāng)繁殖代數(shù)迭代到滿足終止條件后算法停止。本發(fā)明在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下能有效降低移動終端的發(fā)送功率，增加系統(tǒng)的信道容量。
【專利說明】
-種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及D2D通信領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著5G技術(shù)的研究進(jìn)一步深入，移動通信技術(shù)對大速率、大容量有了更進(jìn)一步的 要求。高速無線數(shù)據(jù)服務(wù)的需求也急劇增加，需要下一代無線網(wǎng)絡(luò)提高系統(tǒng)吞吐量。因此， 需要研究出合理的方法W增加系統(tǒng)容量，從而適應(yīng)日益增加的語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。傳統(tǒng)的無 線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信過程需要基站轉(zhuǎn)接，其分為2個階段:發(fā)射機到基站，即上行鏈路;基站到 接收機，即下行鏈路。運種集中式工作方式便于對資源和干擾的管理與控制，但資源利用效 率低。設(shè)備到設(shè)備(D2D)通信能有效改善蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。為了提高頻譜利用效率， 2008年高通公司首次提出D2D通信技術(shù):D2D通信是一種在蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制下，允許終端用戶 通過共享傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源進(jìn)行直接通信的新技術(shù)。基于蜂窩系統(tǒng)控制的D2D通信資源 分配的方式有W下兩種:第一種是D2D用戶采用專用的頻譜資源，D2D用戶和蜂窩用戶之間 沒有相互的干擾，但面臨著頻譜資源有限的情況;第二種是D2D用戶在蜂窩網(wǎng)路集中控制下 共享蜂窩用戶的資源。蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過引入D2D通信技術(shù)，可W減羥基站負(fù)擔(dān)，減小通信時延， 與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，D2D通信可W共享蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源，可W大大提高系統(tǒng)容量。因此， D2D通信已成為未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 但D2D引入帶來了一系列的挑戰(zhàn)，小區(qū)中的不同終端復(fù)用相同的信道資源，會對小 區(qū)中的其他終端產(chǎn)生同頻干擾。因此，我們需要設(shè)計合理的資源分配算法，在滿足用戶服務(wù) 質(zhì)量的前提下有效的進(jìn)行資源分配。針對出現(xiàn)的運些問題，本發(fā)明提出一種基于遺傳算法 的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，高效地利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源，提高頻譜效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的:本發(fā)明目的是針對D2D通信系統(tǒng)的資源分配問題，提供一種基于遺傳算 法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，快速有效地進(jìn)行資源分配的優(yōu)化，有效提高網(wǎng)絡(luò)容量。
[0005] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，所述D2D通信系統(tǒng)的終端包括 蜂窩網(wǎng)絡(luò)終端(OJE)和D2D移動終端化肥），一對D肥包括D2D發(fā)射移動終端(DT肥)和D2D接收 移動終端(DRUE)，其中有Μ對DUE和N個CUE共享上行鏈路資源，Μ和N為大于0的整數(shù)，其特征 在于，所述方法包括W下步驟：
[0007] (1)初始化系統(tǒng)參數(shù)，所述參數(shù)包括信噪比闊值、D2D發(fā)射終端的功率、移動終端數(shù) 量W及終端間的距離；
[000引（2)將資源分配方案進(jìn)行染色體編碼，編碼方式為G = (gi，…，&，…，gM)，每個染色 體共有Μ個基因位，每個基因位gj的取值為1…N;
[0009] (3)隨機產(chǎn)生一定規(guī)模的染色體作為初始種群；
[0010] (4) W最大化系統(tǒng)的信道容量為目標(biāo)，計算每個染色體對應(yīng)的信道容量值，并作為 遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)值；
[0011] (5)對種群進(jìn)行繁殖，每繁殖一代包括選擇、交叉、變異和修正過程；
[0012] (6)重復(fù)繁殖過程直到滿足迭代終止條件，根據(jù)種群中適應(yīng)度函數(shù)值最大的個體 進(jìn)行資源的分配。
[0013] 作為優(yōu)選，所述步驟(4)中第X個染色體Ux對應(yīng)的資源分配方式下系統(tǒng)的信道容量 C(Ux)的計算公式為：
[0014]
[001引其中，B為子信道帶寬，SINRc功OJEi接收到的SINR，SINRdj為D抓Ej接收到的SINR， 計算公式分別為：
[0016]
[0017] 其中，P功OJE i的發(fā)射功率，ri為OJE巧日基站之間的距離，Ρτ為DT肥的發(fā)射功率， dk,i為DT肥k和OJE i之間的距離，α為路徑損耗指數(shù)，No為噪聲功率，9?為第i個子信道對應(yīng) 的終端集.
[001 引
[0019] 其中，Ij為DTUE j和DRUE j之間的距離，Pm為CUE m的發(fā)射功率，dm,j為CUE m和DRUE j之間的距離，為第m個子信道對應(yīng)的終端集。
[0020] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方 法，能夠有效提高系統(tǒng)容量，降低發(fā)射功率，其性能優(yōu)越，且易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是基于遺傳算法的D2D通信資源分配方法實現(xiàn)的具體流程圖；
[0022] 圖2是D2D通信系統(tǒng)的應(yīng)用場景圖；
[0023] 圖3是基于遺傳算法的D2D通信資源的分配例圖；
[0024] 圖4是采用遺傳算法和其他算法所得的D2D通信信道容量圖；
[0025] 圖5是采用遺傳算法和其他算法所得的D2D通信系統(tǒng)的CUE平均發(fā)射功率圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解運些實施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各 種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0027] 場景的選擇直接影響了資源分配方法的性能，下面詳細(xì)分析一下場景的設(shè)定與參 數(shù)的設(shè)置。
[0028] 1.移動終端的分類與數(shù)量
[0029] 在D2D通信系統(tǒng)中，終端分為兩類：傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)移動終端CUE和D2D移動終端DUE。 D肥是W成對形式存在的，一對DUE包括D2D發(fā)射移動終端DT肥和D2D接收移動終端DR肥。在 FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)中，一個子信道分配給一個OJE，而多個DUE對可W同時共享CUE所使用的信道 資源。在本專利中，我們N個OJE和Μ對D肥共享所有的信道資源。圖2為D2D通信系統(tǒng)的應(yīng)用場 景圖，其中Ν個CUE和Μ個DTUE均勻分布在一個半徑為R的小區(qū)內(nèi)，DRUE分布在W其對應(yīng)的 DT肥為圓屯、，L為半徑的圓內(nèi)。本發(fā)明專利即為基于此場景提出的基于遺傳算法的D2D通信 系統(tǒng)的資源分配方法。
[0030] 2.信道模型的建立
[0031] 在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，CUE采用嚴(yán)的功率控制方式。然而在D2D通信中，D2D發(fā)射終端 DTUE通常采用相同的發(fā)射功率，記作Ρτ。我們假設(shè)發(fā)射終端和接收終端之間的信道模型為 自由空間衰減模型，即?νΡ*=1/Λ其中Pr是接收終端接收到的功率，Pt是發(fā)送終端的發(fā)射 功率，r為終端之間的距離，α是路徑損耗因子。
[0032] 3.資源分配方法
[0033] 因為在抑D-LTE網(wǎng)絡(luò)中，一個子信道只能分給一個CUE,而多個D肥可W共享一個子 信道，所WN個CUE和Μ對DUE共享信道資源至少需要N個子信道。在本專利中，我們假設(shè)系統(tǒng) 有N個子信道，則每個OJE分配對應(yīng)一個子信道，其他D肥共享所有子信道。因此，對應(yīng)每個子 信道可W容納一個C肥和y個D肥(7 = 1···Μ)，我們把每個子信道的終端集記作瑪。
[0034] 4.容量定義
[0035] 蜂窩網(wǎng)終端C肥i接收到的SINR(信號干擾噪聲比)可W表示為：
[0036]
[0037] 同樣地，D2D接收終端DR肥接收到的SINR可W表示為 [00；3 引
[0039] 顯然，D2D通信系統(tǒng)的容量包含兩部分:CUE終端的容量和D肥終端對的容量。根據(jù) 其SINR公式，CUE i的容量可W表示為：
[0040] Cci = Blog2(l+SINRci)
[0041 ] 同理，D肥j的容量可W表示為：
[0042] Cdj = Blog2(l+SINRdj)
[0043] 最終，總的系統(tǒng)容量記作：
[0044]
[0045] 基于上述理論基礎(chǔ)，對本發(fā)明的基于遺傳算法的D2D通信資源分配方法進(jìn)行設(shè)計。
[0046] 首先對本發(fā)明使用的符號或參數(shù)說明如下：
[0047] CUE:傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)移動終端；
[004引 D肥:D2D移動終端；
[0049] DT肥:D2D移動終端對中的發(fā)射移動終端；
[(K)加]DRUE: D2D移動終端對中的接收移動終端；
[0051 ] Μ:小區(qū)內(nèi)D2D移動終端對的數(shù)量；
[0052] Ν:小區(qū)內(nèi)CUE移動終端的數(shù)量；
[0化3] R:小區(qū)半徑；
[0化4] BS:基站；
[0化5] L -對D肥中DR肥和DT肥之間的最大距離；
[0056] Pi:CUE i的發(fā)射功率；
[0化7] ri:CUE i和基站之間的距離；
[0化引 Pt:DTUE k的發(fā)射功率；
[0化9] dk,i:DT肥k和CUE i之間的距離；
[0060] α:路徑損耗指數(shù)；
[OOW] No:噪聲功率；
[0062] lj:DTUE j和DRUE j之間的距離；
[0063] dm,j:CUE m和DRUE j之間的距離；
[0064] dk,j:DT肥k和DR肥j之間的距離；
[00化]B:子信道帶寬；
[0066] 第i個子信道對應(yīng)的終端集；
[0067] Po:交叉概率；
[006引 Pi:變異概率。
[0069] 如圖1所示，本發(fā)明實施例公開的一種基于遺傳算法的D2D通信資源分配方法，包 括W下步驟：
[0070] (1)初始化：
[0071] 1)初始化系統(tǒng)參數(shù)，所述參數(shù)包括信噪比闊值、D2D發(fā)射終端的功率；
[0072] 2)獲取網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信移動終端的數(shù)量M、OJE移動終端的數(shù)量NW及各種距離變 量dk,i、dmj和dM的值;各距離信息可W基于檢測信號進(jìn)行估計得到或者基于各終端向基站 報告的位置信息計算得到，仿真環(huán)境中可W直接初始化各設(shè)備所在位置信息；
[0073] 3)對每個C肥來說，其僅并且只占用一個信道，不失一般性，我們假設(shè)分配給第1個 信道的C肥終端的編號記作1，依次列推，即分配給第i個信道的C肥終端的編號記作i。
[0074] (2)設(shè)定染色體的編碼為G = (gi，…，gj，…，gM)，每個染色體共有Μ個基因位，代表Μ 對DUE終端，每個基因位g北勺取值為1···Ν，其取值代表著DUE共享信道資源的序號。
[0075] (3)初始化種群，種群規(guī)模越大越可能找到全局解，但運行時間也相對較長。本實 例中我們總共隨機產(chǎn)生l〇*N個染色體形成種群，具體應(yīng)用中可W根據(jù)終端數(shù)的規(guī)模和算法 的效率要求適當(dāng)調(diào)整，每個染色體的基因位也是隨機產(chǎn)生的，取值為1···Ν，其概率為1/N;
[0076] (4)求解系統(tǒng)的信道容量C(Ux)，并設(shè)置其為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，其中Ux為第X 個染色體，其中信道容量C(Ux)的求解過程如下：
[0077] 根據(jù)蜂窩網(wǎng)基礎(chǔ)理論，蜂窩網(wǎng)終端OJEi接收到的SINR(信號干擾噪聲比）可W表示 為：
[007引
[0079 ]同樣地，D2D接收終端DR肥接收到的SINR可W表示為 [0080]
[0081 ]顯然，D2D通信系統(tǒng)的容量包含兩部分:CUE終端的容量和D肥終端對的容量。根據(jù) 其SINR公式，CUE i的容量可W表示為：
[0082] Cci = Blog2(l+SINRci)
[0083] 同理，D肥j的容量可W表示為：
[0084] Cdj = Blog2(l+SINRdj)
[00化]最終，總的系統(tǒng)容量記作：
[0086]
[0087] (5)對種群進(jìn)行繁殖過程，每繁殖一代包括選擇、交叉、變異、修正四個步驟：
[008引 1)選擇
[0089] 本專利中，我們采用經(jīng)典的輪盤賭選擇方法從種群中選擇染色體，第X個染色體Ux 被選擇的概率為：
[0090] 2)交叉
[0091] 交叉的作用是為了得到更好的下一代，我們采用單點交叉模式，交叉點隨機選擇， 然后兩個染色體基于交叉點左右部分進(jìn)行互換。我們設(shè)定交叉概率為Po,交叉算法如下：
[0092]
[0093] 3)變異
[0094] 變異就是在種群中按照變異概率Pi任選若干基因位改變其位值，在本專利中，基 因位的取值為1···Ν，所W基因變異后的值為其值的補集。
[0095] 4)修正
[0096] 為保證每個終端的服務(wù)質(zhì)量QoS,其SINR必須高于SINR的口限值，但有的時候在種 群初始化、交叉、變異過程中所產(chǎn)生的染色體對應(yīng)的信道分配狀態(tài)并不滿足每個終端的 SINR都高于一定的口限值，因此需要修正的過程。在本專利中，我們采用簡單的過程重復(fù) (重新從父輩進(jìn)行一次選擇、交叉、變異的過程)來進(jìn)行修正。
[0097] (6)當(dāng)繁殖代數(shù)迭代到設(shè)定的最大數(shù)量Num后或者滿足找到較優(yōu)的染色體、各染色 體的適應(yīng)度函數(shù)值趨于穩(wěn)定等其他收斂條件時算法停止。最后計算最終的目標(biāo)函數(shù)值，根 據(jù)適應(yīng)度函數(shù)值最大的個體進(jìn)行資源的分配。
[0098] 圖3是本發(fā)明實施例的具體示例基于遺傳算法的D2D通信資源的分配例圖，WM = 8，N= 3為例，對應(yīng)的染色體為（1，2，1，3，2，3，1，3)，即:D肥終端對1，3，7與CUE 1共享信道資 源1、D肥終端對2,5與C肥2共享信道資源2、D肥終端對4,6,8與C肥3共享信道資源3。
[0099] 圖4詳細(xì)比較了采用遺傳算法和其他算法所得的D2D通信信道容量。為驗證本發(fā)明 方法比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢，本發(fā)明設(shè)定如下仿真參數(shù):小區(qū)半徑R為600m，D肥終端對的最大距 離L為20m，D肥終端對的數(shù)量是10,OJE終端的數(shù)量為3,OJE的最大發(fā)射功率為2W，D肥的發(fā)射 功率為0.001W，噪聲功率No為-105dBm，信道中路徑損耗系數(shù)為4，迭代次數(shù)為50，SINR的口 限值為6地。從圖中可W看出，窮舉算法所尋找出的資源分配方法其信道容量最大，但窮舉 法是將所有可行的分配方案列出并進(jìn)行計算，計算量大，耗時長，尋找最優(yōu)值非常困難。基 于隨機算法得到的資源分配方法雖然簡單，但其得到的結(jié)果不甚理想。相比前兩種方法，本 發(fā)明中采用的基于遺傳算法的資源方法計算量小，耗時短，收斂快，其結(jié)果接近于窮舉算法 所得最優(yōu)結(jié)果。
[0100] 圖5比較了采用遺傳算法和其他算法所得的D2D通信系統(tǒng)的CUE平均發(fā)射功率。從 圖中可W看出，所提基于基因算法的資源分配方法的CUE平均功率更低，因為在我們所提基 因算法中CUE仍然采用功率控制，能夠有效降低其發(fā)射功率，高效提高網(wǎng)絡(luò)容量。
【主權(quán)項】
1. 一種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，所述D2D通信系統(tǒng)的終端包括蜂 窩網(wǎng)絡(luò)終端(CUE)和D2D移動終端(DUE)，一對DUE包括D2D發(fā)射移動終端(DTUE)和D2D接收移 動終端(DRUE)，其中有Μ對DUE和N個CUE共享上行鏈路資源，Μ和N為大于0的整數(shù)，其特征在 于，所述方法包括以下步驟： (1) 初始化系統(tǒng)參數(shù)，所述參數(shù)包括信噪比閾值、D2D發(fā)射終端的功率、移動終端數(shù)量以 及終端間的距離； (2) 將資源分配方案進(jìn)行染色體編碼，編碼方式為G = (gl，…，，…，gM)，每個染色體共 有Μ個基因位，每個基因位gj的取值為1…N; (3) 隨機產(chǎn)生一定規(guī)模的染色體作為初始種群； (4) 以最大化系統(tǒng)的信道容量為目標(biāo)，計算每個染色體對應(yīng)的信道容量值，并作為遺傳 算法的適應(yīng)度函數(shù)值； (5) 對種群進(jìn)行繁殖，每繁殖一代包括選擇、交叉、變異和修正過程； (6) 重復(fù)繁殖過程直到滿足迭代終止條件，根據(jù)種群中適應(yīng)度函數(shù)值最大的個體進(jìn)行 資源的分配。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，其特征在 于，所述步驟(4)中第X個染色體Ux對應(yīng)的資源分配方式下系統(tǒng)的信道容量C(U X)的計算公式 為：其中，B為子信道帶寬，SINRCi為CUEi接收到的SINR，SINRdj為DRUEj接收到的SINR，計算 公式分別為：其中，Pi為CUE i的發(fā)射功率，η為CUE i和基站之間的距離，Ρτ為DTUE的發(fā)射功率，dk,i 為DTUE k和⑶E i之間的距離，α為路徑損耗指數(shù)，No為噪聲功率，界為第i個子信道對應(yīng)的 終端集；其中，lj為DTUE j和DRUE j之間的距離，PmSCUE m的發(fā)射功率，dm,j為CUE m和DRUE j之 間的距離，為第m個子信道對應(yīng)的終端集。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，其特征在 于，所述步驟(3)中隨機產(chǎn)生10*N個染色體，每個染色體的基因位也是隨機產(chǎn)生的，其概率 為 1/N。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，其特征在 于，所述步驟(5)中種群繁殖時采用經(jīng)典的輪盤賭選擇方法從種群中選擇染色體，第X個染 色體ux被選擇的概率為：為一代種群中染色體的個數(shù)，C (Uk)為1對應(yīng)的 資源分配方式下系統(tǒng)的信道容量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，其特征在 于，所述步驟(5)中種群繁殖時采用單點交叉模式，交叉點隨機選擇。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于遺傳算法的D2D通信系統(tǒng)的資源分配方法，其特征在 于，所述步驟(5)中種群繁殖時，以所產(chǎn)生的染色體對應(yīng)的信道分配狀態(tài)下每個終端的SINR 都高于設(shè)定的信噪比閾值為條件進(jìn)行修正。
【文檔編號】H04W72/08GK105873214SQ201610173554
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】李旭杰, 陳星 , 孫穎, 花思洋, 顧燕, 譚國平, 胡吉明, 郭潔, 呂勇, 李建霓
【申請人】河海大學(xué)