一种频谱资源分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种频谱资源分配方法，属于无线网络资源分配技术领域，该方法是应用于移动通信网络下行方向异种通信模式共存情况下的频谱资源分配方法，包括如下步骤：(1)蜂窝用户侧频谱分配；(2)利用匈牙利算法进行用户配对；(3)D2D用户侧频谱资源分配；上述三个步骤依次循环直至所有频谱资源分配完毕；并通过仿真结果，可以看出相对于传统频频分配方法，本发明专利技术中所提出算法给系统频谱效率带来了一定的增益。

A spectrum resource allocation method

The invention discloses a spectrum resource allocation method which belongs to the technical field of wireless network resource allocation. The method is a spectrum resource allocation method applied in the case of the coexistence of heterogeneous communication modes in the downstream direction of mobile communication network. The method comprises the following steps: (1) spectrum allocation on the cellular user side; (2) spectrum allocation using the Hungarian algorithm. Household pairing; (3) D2D user-side spectrum resource allocation; the above three steps in turn until all spectrum resources are allocated; and through the simulation results, it can be seen that the proposed algorithm has brought a certain gain to the system spectral efficiency compared with the traditional frequency allocation method.

【技术实现步骤摘要】
一种频谱资源分配方法
本专利技术涉及一种频谱资源分配方法，属于无线网络资源分配

技术介绍
随着移动互联网业务的快速发展和智能手机的大力普及，人们对数据传输能力的要求不断增加，然而，有限的资源不能满足这一要求。因此，为了提高资源利用率、网络的整体性能及用户体验，基于点对点直接通信的终端直连(Device-to-Device，D2D)技术被应用到第五代通信系统之中。D2D技术的使用一方面可以降低传统基站载荷同时在一些应用场景下为用户提供高速数据服务，另一方面可以利用终端的中继通信能力在一定程度上解决系统的覆盖黑洞问题。作为第五代移动通信系统的关键技术之一，D2D技术具备以下的优势：(1)D2D用户之间数据传输不再由基站中转，从而减少了系统的传输时延，提高了用户体验；(2)由于直接链路传输距离相对较短，用户可以在较小的发送功率下获得较高的传输速率,同时延长了电池的使用时间，进而提高了系统传输的能源效率；(3)D2D通信可以利用现有移动通信系统频谱，提高了频谱的利用率；(4)D2D技术由于其点对点对等通信的特点，可以实现无架构快速组网，在面对自然灾害，如地震火灾等基础被破坏的情况下，仍可以提供服务，从而提高了整个网络的鲁棒性。但由于D2D技术的引入，传统移动通信系统的干扰环境将更加复杂，因此，如何寻找系统效率与干扰之间的最佳平衡是5G通信系统资源分配策略亟待解决的问题之一。目前针对D2D场景下资源分配策略的研究，国内外的诸多学者均提出了一些解决方案。例如现有技术中，(1)从功率控制及频谱资源共享模式如非正交共享与正交资源共享等方面探讨了传统蜂窝用户传输模式与D2D模式共存情况下的资源分配问题，但未详细阐述两种类型用户的频谱资源分配问题；(2)提出了基于裕度因子的功率分配算法来保障小区内用户的QoS需求，基站通过功率裕度因子补偿蜂窝用户受到D2D用户干扰造成的SINR下降，D2D用户通过调整发射功率来满足QoS需求，然而在实际的网络中，功率裕度因子是很难选取的，若取值过大，能满足该功率裕度因子的蜂窝用户数量将会很少，若取值过小，D2D用户的QoS需求很难得到满足。为了减少蜂窝用户对D2D用户的干扰，(3)设计了基站重传干扰协调机制，即在两种传统接收模式的基础上引入新的接收模式，以不降低蜂窝用户设备功率前提下提高D2D通信在上行链路中的可靠性，把三种模式下D2D用户的最小中断概率作为模式选择的依据，分别处理不同强度的干扰；(4)提出了D2D通信距离受限的资源共享标准，用于D2D链路对蜂窝用户选择，通过保持蜂窝用户与D2D用户之间的最小距离来控制蜂窝用户对D2D用户的干扰，提高D2D通信的质量。然而这些并未同时实现降低D2D用户与蜂窝用户之间的干扰，上述这些方法往往只从蜂窝用户性能或者D2D系统用户性能角度考虑，同时并未考虑算法所带来的公平性牺牲。为了解决上述算法中存在的问题，本文以系统总体吞吐量最大化为目标同时兼顾用户间的公平性问题，利用图论及优化理论着手解决D2D用户及蜂窝用户之间的匹配及信道分配问题，同时将用户位置、信道衰减情况及干扰情况考虑到所提出算法之中，以实现系统效率、干扰与公平性之间的最佳折衷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种应用于移动通信网络下行方向异种通信模式共存情况下的频谱资源分配方法；本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：本专利技术中所提出算法首先利用贪婪算法对蜂窝用户进行频谱资源分配以求最大化系统吞吐率，因为蜂窝用户的频谱资源分配结果不会对D2D用户侧干扰情况造成显著影响，反之则不同；然后基于蜂窝用户与D2D用户的有用信号及干扰信号传输路径对蜂窝用户及D2D用户进行资源占用一对一匹配(即寻找在同一频谱资源上进行信号传输的蜂窝用户与D2D用户对)，最后根据蜂窝用户资源占用情况及配对情况使用贪婪算法对D2D用户进行频谱资源分配。此外，为了保证用户之间的公平性，所提出算法使用round-robin算法对待分配用户进行了预选，以防止个别用户占用系统的全部资源。包括如下步骤：(1)蜂窝用户侧频谱分配；(2)利用匈牙利算法进行用户配对；(3)D2D用户侧频谱资源分配；上述三个步骤依次循环直至所有频谱资源分配完毕。所述步骤(1)具体为利用贪婪算法对蜂窝用户进行频谱资源分配以求最大化系统吞吐率。所述步骤(2)所述匈牙利算法的基本流程为：a、开始；b、系数矩阵减去最小值且保证每一列至少一个0；c、对独立0元素画圈并划去同行或者同列其他0；d、判断独立元素的个数是否为N；e、如果步骤d的结论是肯定的，则进行步骤f；如果步骤d的结论是否定的，则回到步骤c,再依次往下进行；f、得到最优解矩阵；g、结束。所述步骤(3)是具体涉及根据蜂窝用户资源占用情况及配对情况使用贪婪算法对D2D用户进行频谱资源分配。该方法使用round-robin算法对待分配用户进行了预选，以防止个别用户占用系统的全部资源。传统蜂窝用户与D2D用户共存的资源分配问题建模；首先是系统模型，由于D2D模式的引入，未来移动通信系统的干扰环境更加复杂，传统蜂窝用户将遭受来自D2D用户的额外干扰(即D2D用户与传统蜂窝用户均位于系统覆盖范围内)，而D2D用户也将遭受来自基站或用户的干扰，本文主要围绕移动通信网络下行场景开展研究，在此场景下系统内干扰源主要来自D2D用户发射端及基站，其干扰强度及影响远远大于上行场景，因此相对于上行场景具有较高的研究意义。为简化计算及分析，本专利技术基于单基站场景建立了资源分配问题模型，但相关模型及算法可以直接应用到多基站场景下。图1展示了本文中所考虑场景的示意简图，在此场景下假设基站覆盖下存在N个蜂窝用户设备，C表示蜂窝用户集合，即C＝{1,2,...,N}，M个D2D用户设备，S表示D2D用户集合,即S＝{1,2,...,M}，在同一通信模式(传统基站中继传输模式或D2D通信传输模式)下，下行链路的频谱资源只能由一个用户占用，同时系统资源负载及链路资源共享率均为100％，即蜂窝用户和D2D用户共享全部频谱资源，系统未向蜂窝用户或者D2D用户分配独享频谱资源。本文主要考虑由D2D模式引入所带来的资源分配问题，但与资源分配相关的用户调度、信道测量及上报问题未在本文范围之内。其中，HB,i表示第i个蜂窝用户和基站之间的有用信号信道功率增益；Hj表示第j对D2D通信链路的有用信号信道功率增益。gB,j表示基站对第j个D2D接收端干扰信号的信道功率增益。gj,i表示第j个D2D用户发射端对第i个蜂窝用户接收端的干扰信号信道功率增益。资源分配问题建模；D2D模式的使系统频谱资源可以同时被传统蜂窝用户及D2D用户复用，因此本文建立了如式(1)所示的优化问题，以最大化系统整体的吞吐量。约束条件：qf*,i·wf*,j＝1,则ρi,j＝1(6)其中：在该优化问题中，式(1)为优化目标，其中第一项为蜂窝用户的吞吐量，第二项为D2D用户的吞吐量，式(2)为约束条件，为了保障一个蜂窝用户的资源最多只能由一对D2D用户所复用，类似的，式子(3)用于保障一个D2D用户最多只能与一个蜂窝用户共享系统资源。式子(4)表示若存在一个f，蜂窝用户占用该信道资源块的情况，式子(5)与式子(4)相类似，表示D2D用户对该信道资源块的占用情况(qf本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种频谱资源分配方法，其特征在于，该方法是应用于移动通信网络下行方向异种通信模式共存情况下的频谱资源分配方法，包括如下步骤：(1)蜂窝用户侧频谱分配；(2)利用匈牙利算法进行用户配对；(3)D2D用户侧频谱资源分配；上述三个步骤依次循环直至所有频谱资源分配完毕。

【技术特征摘要】
1.一种频谱资源分配方法，其特征在于，该方法是应用于移动通信网络下行方向异种通信模式共存情况下的频谱资源分配方法，包括如下步骤：(1)蜂窝用户侧频谱分配；(2)利用匈牙利算法进行用户配对；(3)D2D用户侧频谱资源分配；上述三个步骤依次循环直至所有频谱资源分配完毕。2.根据权利要求1所述的一种频谱资源分配方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为利用贪婪算法对蜂窝用户进行频谱资源分配以求最大化系统吞吐率。3.根据权利要求1所述的一种频谱资源分配方法，其特征在于，所述步骤(2)所述匈牙利算法的基本流程为：a、开始；b、系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇鹏，何丽，刘田龙，李玉峰，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21