一种基于多种群遗传算法的D2D通信资源优化方法技术

一种基于多种群遗传算法的D2D通信资源优化方法，涉及LTE网络中的D2D通信频谱资源分配的技术领域。本发明专利技术分别建立系统模型和信道模型，采用的资源分配方法包括：（1）设定染色体的编码方式；（2）初始化种群；（3）求解场景变换后小区中正常通信的D2D用户数量，并设置其为遗传算法的适应度函数；（4）对种群进行繁殖过程，每繁殖一代包括选择、交叉、变异、修正四个步骤；（5）引入移民算子，将各种群在进化过程中的最优个体定期的引入到其他种群；（6）引入精华种群；（7）当繁殖代数迭代到满足终止条件即达到最优个体最少保持代数后算法停止。本发明专利技术在满足用户服务质量的前提下能有效降低移动终端的发射功率，实现快速的场景变化。

A D2D communication resource optimization method based on multi population genetic algorithm

The invention relates to a D2D communication resource optimization method based on a multi group genetic algorithm, which relates to the technical field of D2D communication spectrum resource allocation in LTE networks. System model and channel model was established by the invention, including resource allocation methods: (1) the set of chromosome encoding; (2) to initialize the population; (3) the number of D2D users for normal communication scene after transformation in the District, and set the adaptive genetic algorithm for function; (4) to the process of breeding populations, each breeding generation including selection, crossover and mutation, correction four steps; (5) the introduction of immigration operator, will be the best individuals of each population in the evolutionary process of the regular into other populations; (6) the introduction of the essence of population; (7) when the propagation to algebraic iterative termination condition is satisfied that to stop at least keep the best individual after algebra algorithm. The invention can effectively reduce the transmitting power of the mobile terminal and realize rapid scene change under the premise of satisfying the service quality of the user.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多种群遗传算法的D2D通信资源优化方法
本专利技术涉及LTE网络中的D2D通信频谱资源分配问题的研究，具体涉及一种基于多种群遗传算法的D2D通信系统的资源分配方法。
技术介绍
随着现代通信技术的快速发展，人们对无线数据的需求急速增加。无线通信所用的频段属于一种宝贵的稀缺资源，而用于通信的较高的频段日趋紧张，D2D技术应运而生，通过复用授权频段下的蜂窝用户的频谱资源，可以有效提高频谱利用率。授权频段下的D2D通信使得通信质量更好，更加稳定、安全。D2D通信的会话建立有两种模式，一种是集中式，这种方法通过基站介入，基站可以通过良好的功率控制，资源分配等方式控制链路间的干扰，实现合理优化。另一种是分布式的，D2D之间自主连接，但此方式需要较高复杂度的D2D设备才能实现D2D之间的发现和连接，可以实现一些基站覆盖不全面地区通信，弥补蜂窝用户通过基站转接在这些区域的不足。但D2D引入带来了一系列的挑战，小区中的不同终端复用相同的信道资源，会对小区中的其他终端产生同频干扰。大多数的专利技术都是研究如何提高系统总的吞吐量。而忽略了用户可正常通信数目。考虑到小区中用户信息传输速率要求并不是一成不变的，当CUE用户以较高速率传输时，此蜂窝用户下的D2D通信就会受到影响。因此，我们需要设计合理的多种群资源分配算法，在满足所有用户服务质量的前提下有效的进行资源分配。针对出现的这些问题，本专利技术提出一种场景快速变化下的基于多种群遗传算法的D2D通信系统的资源分配方法，高效地利用蜂窝网络的频谱资源，提高频谱效率。
技术实现思路
本专利技术目的是针对场景切换情况下，D2D正常通信数目发生变化，提供一种基于多种群遗传算法的D2D通信资源优化方法，快速有效地进行资源分配的优化，有效保证场景切换后正常通信的D2D用户数量。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于多种群遗传算法的D2D通信资源优化方法，所述D2D通信系统的终端包括蜂窝网络终端(CUE)和D2D移动终端(DUE)，一对DUE包括D2D发射移动终端(DTUE)和D2D接收移动终端(DRUE)，其中有M对DUE和N个CUE共享上行链路资源，M和N为大于0的整数，所述方法包括以下步骤：(1)初始化系统参数，所述参数包括信噪比阈值、D2D发射终端的功率、移动终端数量以及终端间的距离；(2)将资源分配进行染色体编码，编码方式为G＝(g1,…,gj,…,gM)，每个染色体共有M个基因位，每个基因位gj的取值为1…N；(3)随机产生一定规模的种群，每个种群包含一定数量的染色体；(4)以场景切换情况下的D2D用户正常通信数量最多为目标，计算场景切换后即N-m个子信道中正常通信的D2D用户的数量C(Ux)，并作为多种群遗传算法的适应度函数值；(5)对种群进行繁殖，每繁殖一代包括选择、交叉、变异和修正过程；(6)引入移民算子，将各种群在进化过程中的最优个体定期的引入到其他种群；(7)引入精华种群，在进化的每一代，通过人工选择算子选择出其他种群最优个体放入精华种群加以保存。(8)重复繁殖过程直到满足迭代终止条件即迭代次数达到最优个体最少保持代数，停止繁殖。信噪比的阈值需要满足以下条件：即CUE和DUE信噪比大于等于信噪比阈值。信噪比的计算公式分别为：其中，SINRci为CUEi接收到的SINR，SINRdj为DRUEj接收到的SINR，其中，Pi为CUEi为第i个CUE的发射功率，ri为CUEi和基站之间的距离，PT为DTUE的发射功率，dk,i为DTUEk和BS之间的距离，α为路径损耗指数，N0为噪声功率，为第i个子信道对应的终端集；其中，lj为DTUEj和DRUEj之间的距离，Pm为CUEm的发射功率，dm,j为CUEm和DRUEj之间的距离，为第m个子信道对应的终端集。根据香农公式可计算出蜂窝用户和D2D用户的传输速率：当信息传输速率变高，在通信频带带宽一定的情况下就需要更高的信噪比，而信噪比与接入的D2D对基站的干扰有关，数量越多的D2D用户对会增加对基站的累积干扰。高速率的用户数据传输将会导致此频带下的D2D用户不可复用。根据上述信息传输速率公式，我们可以计算出由于高速率通信目前不能接入的D2D用户数目，然后进行资源再分配。本专利技术的优点如下：与现有技术相比，本专利技术的场景快速变化下的基于多种群遗传算法的D2D通信系统的资源分配方法，能够有效实现场景的变换后所有用户的正常通信，收敛速度快，同时降低发射功率，其性能优越，且易于实现。附图说明图1是本专利技术的优化方法流程图。图2是D2D通信系统的初始场景图。图3是D2D通信系统中CUE用户高速率通信要求下切换后的场景图。图4是D2D通信系统中初始通信资源分配图。图5是基于多种群遗传算法的D2D通信资源的分配例图。图6是采用多种群遗传算法和遗传算法所得的D2D通信场景变化过程中小区中可正常通信的D2D用户数量。图7是采用多种群遗传算法和其他算法所得的D2D通信系统的CUE平均发射功率图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。场景切换后不能正常通信的D2D用户资源复用的选择直接影响了资源分配的性能，下面详细分析一下场景的设定与参数的设置。1.系统模型的阐述在D2D通信系统中，移动终端分为两类：传统蜂窝网移动终端CUE和D2D移动终端DUE。DUE是以成对形式存在的，一对DUE包括D2D发射移动终端DTUE和D2D接收移动终端DRUE。在FDD-LTE网络中，一个子信道分配给一个CUE，而多个DUE对可以同时共享某个子信道资源。在本专利技术中，N个CUE和M对DUE共享所有的信道资源。图2为D2D通信系统的初始场景图，其中N个CUE和M个DTUE均匀分布在一个半径为R的小区内，DRUE分布在以其对应的DTUE为圆心，L为半径的圆内。图中颜色相同代表使用的是相同子信道的频谱资源。本专利技术专利技术即为基于此场景切换提出的基于多种群遗传算法的D2D通信系统的资源分配方法。2.信道模型的建立在传统蜂窝网络中，CUE采用严格的功率控制方式。然而在D2D通信中，D2D发射终端DTUE通常采用相同的发射功率，记作PT。我们假设发射终端和接收终端之间的信道模型为自由空间衰减模型，即Pr/Pt＝1/rα,其中Pr是接收终端接收到的功率，Pt是发送终端的发射功率，r为终端之间的距离，α是路径损耗因子。3.资源分配方法在场景切换的分析中，在通信系统中，用户所需数据速率的增加以及对语音质量的要求或视频通话的需求导致通信资源需要进行快速、准确的再分配。如图3所示，当CUE4由于高速率的信息传输需求，DTUE7和DRUE7这一对复用CUE4频谱资源的D2D用户对将被挤出。DTUE4向基站发出通信请求，基站对这一对DUE重新分配可复用的其他子信道资源。但由于CUE1、CUE2和CUE3的频谱下已经复用了多个DUE对。非最优化的分配方式会使得这些蜂窝用户及其频谱资源下的D2D用户不能全部正常通信，利用多种群遗传算法的方法，目前小区内由于部分蜂窝用户高质量通信无法接入的D2D用户将复用其他无高质量要求的蜂窝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多种群遗传算法的D2D通信资源优化方法，所述D2D通信系统场景模型中包括M对DUE和N个CUE，它们共享上行链路资源；其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：(1)初始化系统参数，所述参数包括信噪比阈值、D2D发射终端的功率、移动终端数量、终端间的距离；(2)将资源分配方案进行染色体编码，采用实数编码方式，G＝(g

【技术特征摘要】
1.一种基于多种群遗传算法的D2D通信资源优化方法，所述D2D通信系统场景模型中包括M对DUE和N个CUE，它们共享上行链路资源；其特征在于，所述优化方法包括以下步骤：(1)初始化系统参数，所述参数包括信噪比阈值、D2D发射终端的功率、移动终端数量、终端间的距离；(2)将资源分配方案进行染色体编码，采用实数编码方式，G＝(g1,…,gj,…,gM)，每个染色体共有M个基因位，每个基因位gj的取值为1…N；(3)随机产生一定规模的初始种群数目，每个种群包含一定数量的染色体；(4)以场景切换情况下的D2D用户正常通信数量最多为目标，计算场景切换后即N-m个子信道中正常通信的D2D用户的数量C(Ux)，并作为多种群遗传算法的适应度函数值；(5)对种群进行繁殖，每繁殖一代包括选择、交叉、变异和修正过程；(6)引入移民算子，将各种群在进化过程中的最优个体定期的引入到其他种群；(7)引入精华种群，在进化的每一代，通过人工选择算子选择出其他种群最优个体放入精华种群加以保存。(8)重复繁殖过程直到满足迭代终止条件即迭代次数达到最优个体最少保持代数，停止繁殖。2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旭杰，陈星，孙颖，顾燕，胡居荣，胡吉明，郭洁，谭国平，李建霓，李黎，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32