异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法组成比例

本发明专利技术涉及通信资源分配技术领域，提供一种异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法。首先构建不影响CUE正常通信条件下满足D2D通信速率之和最大化的优化模型；然后基于差分进化算法进行初步优化：初始化信道分配、功率分配并计算当前群体中个体适应度值，对适应度值为负的个体执行功率修复并重新计算适应度值，构造新群体并将新群体与原有群体进行适应度比对，留存适应度强的个体；最后对优化模型进行逼近转换，固定差分进化得到的最优信道分配、D2D功率分配，结合初步最优CUE功率分配，基于逐次凸逼近算法对功率分配进行优化。本发明专利技术考虑了最优SIC解码次序，能够有效提升网络性能及资源利用效率，计算简单且效率高。

Resource allocation method of integrating noma and D2D communication in heterogeneous networks

【技术实现步骤摘要】
异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法
本专利技术涉及通信资源分配
，特别是涉及一种异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法。
技术介绍
移动通信网络的高速发展与移动通信业务的剧增，给现有的无线资源带来巨大的挑战。为了减少传统单cell覆盖范围中热点区域的接入压力，传统单基站的扁平部署方式正朝着多层次异构方向发展。这种多层次异构网络除了包含传统的宏基站外，其覆盖范围内还包括大量的微基站、微微基站及其它接入节点，这些接入节点与宏蜂窝基站使用相同的通信信道，从而有效提升了频谱资源的利用率。需要注意的是，由于资源的复用，用户处于多层次异构网络架构的覆盖范围时，其信息传输还受到部署区域内其它使用相同信道的通信之间的干扰，如何为用户关联合适的基站，并在此基础上选择合适的通信功率与传输信道，成为多层次异构蜂窝网络的研究关键性基础问题。近年来，为了进一步提高频谱资源利用率，非正交多址接入(Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA)技术允许多个用户以功率复用方式占用相同信道，吸引了产业界及学术界的广泛关注。与此同时，D2D(Device-to-Device)技术允许短距离的用户可以不经过基站节点的中转，而直接通信，从而降低了基站的通信压力，提高了资源的利用效率。为了极大化频谱资源利用率，D2D通信一般需要使用与蜂窝通信(即基站与传统手机终端用户之间的通信)相同的频谱资源，且D2D通信要求不能对已有的蜂窝通信产生干扰。如何为D2D通信对之间分配合适的通信功率与频谱资源成为研究的难点问题。进一步，当蜂窝通信采用NOMA的通信方式后，同一基站可以在同一个信道上与多个手机终端用户CUE(CellularUserEquipment)进行同时通信。此时，CUE之间可以基于串行干扰消除(SerialInterferenceCancellation，SIC)解码次序来逐渐恢复接收数据。然而，当引入D2D通信后，通信与多层次蜂窝网络架构后，会导致CUE之间的SIC关系同时受到D2D通信及网络内其它基站关联用户的干扰，无法通过与基站的传输距离进行简单判别，如何选择为NOMA通信组选择合适的SIC关系，成为研究的难点问题。现有融合NOMA与D2D通信的资源分配方法均计算复杂、效率低，且都没有考虑最优SIC解码次序，导致优化后的网络性能较低，使得优化后的网络资源利用率较低。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法，考虑了最优SIC解码次序，能够有效提升网络的性能，极大化网络的资源利用效率，且计算简单、计算效率高。本专利技术的技术方案为：一种异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1：构建不影响CUE正常通信的条件下满足D2D通信速率之和最大化的优化模型；步骤2：基于差分进化算法对信道分配与功率分配进行初步优化求解：步骤2.1：分别基于信道编码方式、功率编码方式随机初始化用户群体中每个个体的用户的信道分配、功率分配，并计算基站与用户间、用户与用户间的信道增益；步骤2.2：计算当前群体中每个个体能够获得的所有的D2D通信速率之和，将个体能够获得的所有的D2D通信速率之和作为该个体的适应度值；步骤2.3：对当前群体中当前适应度值为负的个体执行功率修复；步骤2.4：根据当前群体中每个个体的修复后的功率重新计算当前群体中每个个体的适应度值；步骤2.5：构造新群体：步骤2.5.1：从原有群体中随机抽取三个个体，并计算第i个个体的缩放因子、变异因子及交叉概率；其中，i的初始值为1；步骤2.5.2：利用交叉概率进行相关基因的互换，原有群体中的第i个个体随机生成0到1之间的随机数，当该随机数大于第i个个体的交叉概率时将变异因子的对应基因加入到第i个个体中，形成第i个新个体；步骤2.5.3：基于新个体的功率分配，计算新个体的适应度值并将新个体的适应度值存入新集合中，形成新群体；步骤2.5.4：采用与步骤2.3中相同的功率修复方法，对新群体中适应度值为负的个体执行功率修复；步骤2.5.5：根据新群体中个体的修复后的功率重新计算新群体中个体的适应度值，并用重新计算的适应度值替代新集合中对应的适应度值；步骤2.6：判断新群体的规模是否达到预设的群体规模：若新群体的规模未达到预设的群体规模，则令i＝i+1，返回步骤2.5.1，进行下一个新个体的构造；若新群体的规模达到预设的群体规模，则将新群体与原有群体进行适应度比对，将适应度强的个体留存下来，形成留存群体，进入步骤2.7；其中，预设的群体规模为原有群体的规模；步骤2.7：判断是否达到预设的迭代次数：若迭代次数未达到预设的迭代次数，则返回步骤2.5；若迭代次数达到预设的迭代次数，则保存初步优化结果；所述初步优化结果包括最优信道分配、最优D2D功率分配、初步最优CUE功率分配；步骤3：基于逐次凸逼近算法对功率分配进行进一步优化求解：步骤3.1：对所述优化模型进行逼近转换，得到转换后的优化模型；步骤3.2：将步骤2得到的最优信道分配、最优D2D功率分配作为固定值，将步骤2得到的初步最优CUE功率分配作为CUE功率分配的初始值；步骤3.3：结合信道分配、D2D功率分配、CUE功率分配计算当前目标函数适应度值Y(1)、原目标函数适应度值，并基于逐次凸逼近算法求解转换后的优化模型；步骤3.4：使用转换后的目标函数的最优适应度值对应的功率值求解原目标函数的适应度值。所述步骤1中，所述不影响CUE正常通信的条件下满足D2D通信速率之和最大化的优化模型为其中，为网络中的基站集合，B为网络中的基站总数；为网络中每个基站可用的信道集合，M为网络中每个基站的信道总数；为CUE用户集合，N为网络中的CUE用户总数；为D2D用户对集合，D为网络中的D2D用户对总数；v为当前所有用户的信道分配，p为当前所有用户的功率分配；为第b个基站上第n个CUE用户在第m个信道上的分配功率，为第b个基站所能给出的最大功率；表示第n个CUE用户是否在接收第b个基站的情况下占用第m个信道，表示第d个D2D用户对占用第m个信道的情况，当时第n个CUE用户与第b个基站在第m个信道上通信，当时第n个CUE用户与第b个基站未在第m个信道上通信，当时第d个D2D用户对占用第m个信道，当时第d个D2D用户对未占用第m个信道；为第d个D2D用户对使用第m个信道通信时能够获得的SINR值，其中，hd为第d个D2D用户对自身的增益，pd为第d个D2D用户对的功率，hj，d为和当前D2D用户对在同一信道上的CUE用户所在基站对D2D用户对的增益，为同一信道上的CUE用户的功率值，是同一信道的其它D2D用户对的增益，σ2为白噪声干扰；为第n个CUE用户与第b个基站在第m个信道上通信时能够获得的SINR值，rn为第n个CUE用户的门限值，其中，为当前第n个CUE用户受到第b个基站的增益，为同一信道的D2D用户对对当前CUE用户的增益；为第n个CUE用户与第k个CUE用户能否执行干扰消除的判断条件，当时第n个CUE用户不能通过串行干扰消除的方式消除第k个CUE用户的干扰，当时第n个CUE用户可以通过串行干扰消除的方式消除第k个CUE用户的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1：构建不影响CUE正常通信的条件下满足D2D通信速率之和最大化的优化模型；步骤2：基于差分进化算法对信道分配与功率分配进行初步优化求解：步骤2.1：分别基于信道编码方式、功率编码方式随机初始化用户群体中每个个体的用户的信道分配、功率分配，并计算基站与用户间、用户与用户间的信道增益；步骤2.2：计算当前群体中每个个体能够获得的所有的D2D通信速率之和，将个体能够获得的所有的D2D通信速率之和作为该个体的适应度值；步骤2.3：对当前群体中当前适应度值为负的个体执行功率修复；步骤2.4：根据当前群体中每个个体的修复后的功率重新计算当前群体中每个个体的适应度值；步骤2.5：构造新群体：步骤2.5.1：从原有群体中随机抽取三个个体，并计算第i个个体的缩放因子、变异因子及交叉概率；其中，i的初始值为1；步骤2.5.2：利用交叉概率进行相关基因的互换，原有群体中的第i个个体随机生成0到1之间的随机数，当该随机数大于第i个个体的交叉概率时将变异因子的对应基因加入到第i个个体中，形成第i个新个体；步骤2.5.3：基于新个体的功率分配，计算新个体的适应度值并将新个体的适应度值存入新集合中，形成新群体；步骤2.5.4：采用与步骤2.3中相同的功率修复方法，对新群体中适应度值为负的个体执行功率修复；步骤2.5.5：根据新群体中个体的修复后的功率重新计算新群体中个体的适应度值，并用重新计算的适应度值替代新集合中对应的适应度值；步骤2.6：判断新群体的规模是否达到预设的群体规模：若新群体的规模未达到预设的群体规模，则令i＝i+1，返回步骤2.5.1，进行下一个新个体的构造；若新群体的规模达到预设的群体规模，则将新群体与原有群体进行适应度比对，将适应度强的个体留存下来，形成留存群体，进入步骤2.7；其中，预设的群体规模为原有群体的规模；步骤2.7：判断是否达到预设的迭代次数：若迭代次数未达到预设的迭代次数，则返回步骤2.5；若迭代次数达到预设的迭代次数，则保存初步优化结果；所述初步优化结果包括最优信道分配、最优D2D功率分配、初步最优CUE功率分配；步骤3：基于逐次凸逼近算法对功率分配进行进一步优化求解：步骤3.1：对所述优化模型进行逼近转换，得到转换后的优化模型；步骤3.2：将步骤2得到的最优信道分配、最优D2D功率分配作为固定值，将步骤2得到的初步最优CUE功率分配作为CUE功率分配的初始值；步骤3.3：结合信道分配、D2D功率分配、CUE功率分配计算当前目标函数适应度值Y(1)、原目标函数适应度值，并基于逐次凸逼近算法求解转换后的优化模型；步骤3.4：使用转换后的目标函数的最优适应度值对应的功率值求解原目标函数的适应度值。...

【技术特征摘要】
1.一种异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1：构建不影响CUE正常通信的条件下满足D2D通信速率之和最大化的优化模型；步骤2：基于差分进化算法对信道分配与功率分配进行初步优化求解：步骤2.1：分别基于信道编码方式、功率编码方式随机初始化用户群体中每个个体的用户的信道分配、功率分配，并计算基站与用户间、用户与用户间的信道增益；步骤2.2：计算当前群体中每个个体能够获得的所有的D2D通信速率之和，将个体能够获得的所有的D2D通信速率之和作为该个体的适应度值；步骤2.3：对当前群体中当前适应度值为负的个体执行功率修复；步骤2.4：根据当前群体中每个个体的修复后的功率重新计算当前群体中每个个体的适应度值；步骤2.5：构造新群体：步骤2.5.1：从原有群体中随机抽取三个个体，并计算第i个个体的缩放因子、变异因子及交叉概率；其中，i的初始值为1；步骤2.5.2：利用交叉概率进行相关基因的互换，原有群体中的第i个个体随机生成0到1之间的随机数，当该随机数大于第i个个体的交叉概率时将变异因子的对应基因加入到第i个个体中，形成第i个新个体；步骤2.5.3：基于新个体的功率分配，计算新个体的适应度值并将新个体的适应度值存入新集合中，形成新群体；步骤2.5.4：采用与步骤2.3中相同的功率修复方法，对新群体中适应度值为负的个体执行功率修复；步骤2.5.5：根据新群体中个体的修复后的功率重新计算新群体中个体的适应度值，并用重新计算的适应度值替代新集合中对应的适应度值；步骤2.6：判断新群体的规模是否达到预设的群体规模：若新群体的规模未达到预设的群体规模，则令i＝i+1，返回步骤2.5.1，进行下一个新个体的构造；若新群体的规模达到预设的群体规模，则将新群体与原有群体进行适应度比对，将适应度强的个体留存下来，形成留存群体，进入步骤2.7；其中，预设的群体规模为原有群体的规模；步骤2.7：判断是否达到预设的迭代次数：若迭代次数未达到预设的迭代次数，则返回步骤2.5；若迭代次数达到预设的迭代次数，则保存初步优化结果；所述初步优化结果包括最优信道分配、最优D2D功率分配、初步最优CUE功率分配；步骤3：基于逐次凸逼近算法对功率分配进行进一步优化求解：步骤3.1：对所述优化模型进行逼近转换，得到转换后的优化模型；步骤3.2：将步骤2得到的最优信道分配、最优D2D功率分配作为固定值，将步骤2得到的初步最优CUE功率分配作为CUE功率分配的初始值；步骤3.3：结合信道分配、D2D功率分配、CUE功率分配计算当前目标函数适应度值Y(1)、原目标函数适应度值，并基于逐次凸逼近算法求解转换后的优化模型；步骤3.4：使用转换后的目标函数的最优适应度值对应的功率值求解原目标函数的适应度值。2.根据权利要求1所述的异构网络中融合NOMA与D2D通信的资源分配方法，其特征在于，所述步骤1中，所述不影响CUE正常通信的条件下满足D2D通信速率之和最大化的优化模型为其中，为网络中的基站集合，B为网络中的基站总数；为网络中每个基站可用的信道集合，M为网络中每个基站的信道总数；为CUE用户集合，N为网络中的CUE用户总数；为D2D用户对集合，D为网络中的D2D用户对总数；v为当前所有用户的信道分配，p为当前所有用户的功率分配；为第b个基站上第n个CUE用户在第m个信道上的分配功率，为第b个基站所能给出的最大功率；表示第n个CUE用户是否在接收第b个基站的情况下占用第m个信道，表示第d个D2D用户对占用第m个信道的情况，当时第n个CUE用户与第b个基站在第m个信道上通信，当时第n个CUE用户与第b个基站未在第m个信道上通信，当时第d个D2D用户对占用第m个信道，当时第d个D2D用户对未占用第m个信道；为第d个D2D用户对使用第m个信道通信时能够获得的SINR值，其中，hd为第d个D2D用户对自身的增益，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾杰，郭亮，陈剑，王兴伟，吉鹏硕，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21