一種基于圖論的d2d多播通信資源分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了，一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，主要包括以下步驟：(1)基于最大化利用資源而進行最小化簇頭數(shù)目的多播分簇；(2)為了提升系統(tǒng)吞吐量，使用多播簇接收端再選擇算法為多播簇接收端重新找到合適的簇頭；(3)使用圖論著色理論把D2D多播簇用戶分成不相交的集合；(4)在保證蜂窩用戶QoS的條件下，以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標，使用圖論中的KM算法為D2D多播簇用戶分配資源，使得多個D2D多播簇用戶復用同一蜂窩用戶的無線資源。
【專利說明】
-種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設及一種移動通信領(lǐng)域，尤其設及一種D2D多播通信的資源分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 就目前而言，隨著移動通信技術(shù)不斷發(fā)展，W及多媒體業(yè)務的需求的急劇增長，移 動通信傳輸速率不足和頻譜資源的稀缺成為目前移動通信領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)，為此， LTE-A蜂窩小區(qū)引入了終端直通技術(shù)。
[0003] 而D2D通信技術(shù)與多媒體組播技術(shù)結(jié)合即D2D多播技術(shù)能夠進一步提升系統(tǒng)的性 能，首先，D2D多播技術(shù)能夠通過中繼終端進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而提升整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸 速率，其次，D2D多播技術(shù)能夠通過D2D通信距離較短的優(yōu)勢，增強邊緣用戶的性能，從而大 大提升用戶體驗，最后，D2D多播用戶在通信時復用蜂窩用戶的資源能夠極大地節(jié)省頻譜資 源，提升頻譜效率;進而提升系統(tǒng)吞吐量，減羥基站的負載。
[0004] 圖1所示為D2D多播通信的場景模型;如圖所示，基站eNB向運些用戶設備發(fā)送多播 數(shù)據(jù);此時，由于邊緣用戶設備信道條件太差，導致一部分用戶很難甚至無法接收到eNB發(fā) 送的數(shù)據(jù)；由于多播通信的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于信道質(zhì)量最差的用戶，為了提高多播組的 整體數(shù)據(jù)傳輸速率，eNB可W在ACK用戶中選擇一些終端設備作為簇頭，運些簇頭和一些 NACK用戶組成D2D多播簇，W此進行多播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；因此，如何對D2D多播用戶進行合理的 分簇成為一個研究的問題；當D2D多播簇用戶復用蜂窩用戶的資源進行通信時，D2D多播簇 用戶必定對基站接收蜂窩用戶的信號產(chǎn)生干擾，同時蜂窩用戶通信時，也會對多播簇用戶 接收端產(chǎn)生干擾;所有運些干擾都會降低小區(qū)的頻譜效率;因此如何合理的為D2D多播簇用 戶分配資源成為研究的重點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，W此 來解決邊緣用戶由于信道質(zhì)量差而導致無法與基站進行多播通信的問題，同時解決如何在 保證蜂窩用戶QoS的前提下，進一步提升系統(tǒng)頻譜效率的問題；
[0006] 該D2D多播通信方法包括根據(jù)最小化簇頭數(shù)目進行多播用戶分簇;基于圖的著色 理論把D2D多播用戶簇劃分為若干復用相同蜂窩用戶無線資源的集合;保證蜂窩用戶QoS的 條件下，W最大化系統(tǒng)吞吐量為目標，使用圖論中的KM算法為D2D多播簇用戶集合分配資 源。
[0007] 本發(fā)明通過W下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問題：
[000引為了實現(xiàn)上述一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其中，W最小化多播簇 頭為目標為多播用戶分簇;具體包括：
[0009]根據(jù)所述的NKs選擇AKr作為簇頭時的SINR即丫 r,S來確定ACK用戶與NACK用戶的連 接關(guān)系：
[0010]
[001 U 其中丫 r,S是NACK用戶NKs選擇ACK用戶AKr作為簇頭時的SINR; 丫 th是確保D2D多播 簇正常通信的最小SINR;巧。y是AKr的最大發(fā)射功率，hr,S是NKs和AKr間的信道增益;I是經(jīng)過 長期觀測的干擾平均值，為固定的常數(shù)；
[001^ 計算NKs和AKr間的丫 r,s，當丫 丫化時，NKs和AK巧W建立連接關(guān)系，即Cr,S=I, 否則Cr, S = 0;從而得至IjACK用戶和NACK用戶的連接矩陣：
[0013]
[0014] 根據(jù)Clink矩陣每一行之和的大小來確定簇頭，矩陣Clink第r行元素之和表示AKr做 為簇頭從NACK用戶中選擇所能匹配的接收端的數(shù)目；計算矩陣Ciink每一行元素之和，然后 找出數(shù)值最大的一行對應的^馬*作為簇頭，并把r請入簇頭集合R%然后把所有冷*，, = 1所 對應的NACK用戶均被選為簇頭r^勺接收端;并存入簇頭r^多播簇接收端集合*5；：;然后刪除 矩陣Clink中第巧于，和CVv二1所對應的列；重新得到連接矩陣Clink，重復上述步驟，直到所 有的NACK用戶都選擇了簇頭，或者ACK用戶被全部選擇做簇頭;把接收端S作片對應的簇頭存 入集合巧、'，并把對應2個及W上簇頭的接收端存入S*。
[0015] 為了實現(xiàn)上述一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其中，W提升系統(tǒng)吞吐 量為目標，對能夠匹配多個簇頭的多播簇接收端進行調(diào)整;包括W下內(nèi)容：
[0016] W提升系統(tǒng)吞吐量為目標選擇簇頭，根據(jù)簇頭在選擇公式進行選擇：
[0017]
[0018] 當S*不滿足
上式時，把r'從集合巧 刪除即iT'-r，重新計算上式;重復上述步驟 直到r二0或者乃馬足上式；當乃馬足上式時，把S*從。2M,,接收端調(diào)整為〇21^妾收端， 并存入集合當巧=0時，勺接收端即為。。重復上述步驟直到所有滿足上式 的S皆巧皮調(diào)節(jié)完畢，此時簇頭集合為護，簇頭r氣4應的接收端集合為，D2D多播分簇完畢， 簇頭集合護即為多播簇的集合D=U，2,3, . . .，M};簇頭r氣4應的接收端集合為即為D2Mi 接收端集合為Ri= U，2,... ,Ni}。
[0019] 為了實現(xiàn)上述一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其中，使用圖論著色 理論把D2D多播簇用戶分成不相交的集合，具體包括：
[0020] 根據(jù)SINR口限來構(gòu)建D2D多播簇干擾圖，多播簇用戶集合的劃分必須滿足W下條 件：
[0021]
[0022] 當丫 i< 丫 / th時，去除對多播簇D2Mi干擾最大的多播簇D2Mm，并把D2Mm的編號m放入 D2Mi的不可容忍干擾集合INFi;并且標記ei,m= 1，表示D2Mm和D2Mi存在不可容忍的干擾，不 能劃分到一個多播簇用戶集合;重復上述過程，直到丫 1>丫 為止;并據(jù)此構(gòu)建D2D多播簇 之間的干擾圖；
[0023] 根據(jù)圖論中的著色理論劃分多播簇用戶集合;我們首先選擇邊最多的多播簇著 色，然后選擇邊次多的多播簇著色，依次類推，直到所有的多播簇節(jié)點著色完畢；即得到共 用相同無線資源的多播簇用戶的集合劃分;運樣就D2D多播簇集合D=U，2,3,. . .，M}劃分 為T個多播簇用戶集合，每一個多播簇用戶集合用DSt表示。
[0024] 為了實現(xiàn)上述一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其中，使用KM算法為 DSt分配復用資源的蜂窩用戶，具體包括：
[0025] 依據(jù)SINR口限值選擇D2D多播用戶簇集合潛在復用蜂窩用戶，潛在復用蜂窩用戶 必須滿足：
[0026]
[0027] CUi被選擇的蜂窩用戶必須滿足上式，即CUi被多播簇用戶集合DSt選擇為資源共享 蜂窩用戶，那么它必須在DSt中所有多播簇用戶W最大功率傳輸信號時，保證CUi的?大于 滿足CUi正常通信的最小SINR即六;。。。；
[002引根據(jù)KM算法為DSt分配復用資源的蜂窩用戶，二分圖的權(quán)重值為CUi對DSt的干擾之 和確定：
[0029]
[0030] 其中hi,i是CUi到D2Mi簇頭的信道增益，Ii,t為CU謝DSt的干擾之和；W此得到D2D多 播簇用戶集合與蜂窩用戶的匹配二分圖；使用圖論中的KM算法給每一個DSt確定共享資源 的蜂窩用戶。
[0031] 如上所述，本發(fā)明的的一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，具有W下有益 效果：
[0032] (1)對D2D多播用戶進行合理分簇；
[0033] (2)在保證蜂窩用戶QoS的條件下，提升系統(tǒng)頻譜效率。
【附圖說明】
[0034] 圖I是本發(fā)明的D2D多播通信場景模型；
[0035] 圖2是本發(fā)明的D2D多播簇干擾連接圖；
[0036] 圖3是本發(fā)明的D2D多播集合與蜂窩用戶匹配二分圖；
[0037] 圖4是本發(fā)明的D2D多播用戶分簇流程圖；
[0038] 圖5是本發(fā)明的D2D多播簇用戶資源分配流程圖。
【具體實施方式】
[0039] W下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：
[0040] 如圖1~5所示：
[0041] 本發(fā)明提供了一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，該方法如圖1所示，包 括：
[0042] 該系統(tǒng)為LTE-A單小區(qū)蜂窩系統(tǒng)，蜂窩小區(qū)內(nèi)隨機分布著一些用戶設備，基站eNB 向運些用戶設備發(fā)送多播數(shù)據(jù);例如在緊急情況下的應急通信、商家發(fā)送促銷信息、政府部 口發(fā)送宣傳教育的信息、大型集會時發(fā)送相關(guān)的信息等;此時，由于邊緣用戶設備信道條件 太差，導致一部分用戶很難甚至無法接收到eNB發(fā)送的數(shù)據(jù);運一部分用戶被稱為NACK用 戶，如圖巧色圓圈所示;接收到eNB數(shù)據(jù)的用戶被稱為ACK用戶，如圖1黑色圓圈所示；由于 多播通信的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于信道質(zhì)量最差的用戶，所W如果要想基站一次性把多播數(shù) 據(jù)發(fā)送完，必然會造成系統(tǒng)吞吐量的大幅度下降；為了提高多播組的整體數(shù)據(jù)傳輸速率， eNB可W放棄向NACK用戶傳輸數(shù)據(jù)，而是在ACK用戶中選擇一些終端設備作為簇頭，運些簇 頭和一些NACK用戶組成D2D多播簇，W此進行多播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；
[0043] 在運種傳輸場景下，數(shù)據(jù)傳輸可W分為兩個階段：（1)基站向ACK用戶發(fā)送數(shù)據(jù)； (2 )ACK用戶中的簇頭和一些NACK用戶組成D2D多播簇，并在多播簇內(nèi)向NACK用戶發(fā)送數(shù)據(jù)； 由于第一階段是eNB向ACK用戶傳輸數(shù)據(jù)，場景簡單，故只對第二階段進行研究。
[0044] 如圖4所示，一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，具體包括：
[0045] Sl 1、根據(jù)NKs選擇AKr作為簇頭時的SINR即丫 r,S來確定ACK用戶與NACK用戶的連接 關(guān)系，并生成連接矩陣Clink ;
[0046] S12、計算矩陣Clink每一行元素之和，然后找出數(shù)值最大的一行對應的/!A：,..:,作為簇 頭，并把r*存入簇頭集合護；
[0047] S13、刪除矩陣Ciink中第r*行，和所對應的列；重新得到連接矩陣Clink,重復 上述步驟，直到所有的NACK用戶都選擇了簇頭，或者ACK用戶被全部選擇做簇頭；
[004引S14、把接收端S作片對應的簇頭存入集合gyi，把對應2個及W上簇頭的接收端存入 S*;
[0049] S15、根據(jù)公3
為接收端3^重新選擇簇頭，具體包括：
[0化0] S151、判斷s*是否滿，
[0051 ] S152、當S氣馬足上式時，把人02A//,4妾收端調(diào)整為D2Mr'接收端，并存入集合S:; 不滿足時，把r '從集合點S'刪除即發(fā)*_ r，重新計算上式;重復上述步驟直到化S*二0或者S* 滿足上式；當/?、'二0財，從S*中刪除S*;
[0052] S153、重復上述步驟直到S*中每一個接收端都選擇到合適的簇頭。
[0053] 如圖5所示，一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，具體包括：
[0054] S21、構(gòu)建D2D多播簇之間的干擾連接圖，具體包括：
[0055] S211、初始化D2D多播簇集合D，選定D2D多播簇D2Mi，初始化D2Mi的不可容忍干擾集 合 INFj. = 0 \
[0化6] S212、當丫 i< 丫 / th時，去除對多播簇D2Mi干擾最大的多播簇D2Mm，并把D2Mm的編號m 放入D2Mi的不可容忍干擾集合INFi;并且標記ei,m= 1;
[0化7] S213、重復上述步驟直到丫 丫 / th為止，并據(jù)此構(gòu)建D2D多播簇之間的干擾連接 圖，如圖2所示；
[005引S22、選擇邊最多的多播簇著色，然后選擇邊次多的多播簇著色，依次類推，直到所 有的多播簇節(jié)點著色完畢；
[0059] S23、依據(jù)SINR 口限值判決條f
'選擇D2D多播用
戶簇集合潛在復用蜂窩K曰-
[0060] 524、根據(jù)公；1^ 計算CUi對DSt的干擾之和，W 作為權(quán)重值；
[0061 ] S25、得到D2D多播簇用戶集合與蜂窩用戶的匹配二分圖，如圖3所示；使用圖論中 的KM算法給每一個DSt確定共享資源的蜂窩用戶。
[0062] W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā) 明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，可W對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改 或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求 范圍當中。
【主權(quán)項】
1. 一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其特征在于，所述方法由基站控制用戶 設備完成，包括W下步驟： (1) W最小化多播簇頭為目標為多播用戶分簇； (2) W提升系統(tǒng)吞吐量為目標，對能夠匹配多個簇頭的多播簇接收端進行調(diào)整，選擇最 適合的簇頭給多播簇接收端； (3) 使用圖論著色理論把D2D多播簇用戶分成不相交的集合； (4) 在保證蜂窩用戶QoS的條件下，W最大化系統(tǒng)吞吐量為目標，使用圖論中KM算法D2D 多播簇用戶分配資源，使得多個D2D多播簇用戶復用同一蜂窩用戶的無線資源。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其特征在于，本 發(fā)明方法適用于如下場景： D2D多播用戶復用蜂窩用戶上行無線資源的LTE及LTE-A蜂窩小區(qū)系統(tǒng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其特征在于，所 述步驟(1)包含W下內(nèi)容： (3.1) 確定ACK用戶與NACK用戶的連接關(guān)系：其中丫 r,s是NACK用戶Ms選擇ACK用戶AKr作為簇頭時的SINR，丫 th是確保D2D多播簇正常 通信的最小SINR，巧;gx是AKr的最大發(fā)射功率，hr,s是Ms和AKr間的信道增益J是經(jīng)過長期觀 測的干擾平均值，為固定的常數(shù)，當滿足上述公式時，Ms和AKr可W建立連接關(guān)系，即Cr,s = 1，否則Cr, S = 0;從而得I^ACK用戶和NACK用戶的連接矩陣：(3.2) 從40(用戶選擇簇頭： 矩陣Clink第r行元素之和表示AKr做為簇頭從NACK用戶中選擇所能匹配的接收端的數(shù) 目，計算矩陣打1。1<每一行元素之和，然后找出數(shù)值最大的一行對應的分^^*作為簇頭，并把'^ 存入簇頭集合R*; (3.3) 選擇簇頭所對應的接收端： 把所有％,^1所對應的NACK用戶均被選為簇頭r嘴接收端，并存入簇頭r聲播簇接收 端集合5'；，然后刪除矩陣Clink中第r勺于，和CV*，, = 1所對應的列，重新得到連接矩陣Clink，重 復上述步驟，直到所有的NACK用戶都選擇了簇頭，或者ACK用戶被全部選擇做簇頭。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其特征在于，所 述步驟(2)包含W下內(nèi)容： (4.1 )找到接收端3^可^連接的簇頭，可由下式確定：然后把接收端3^可^連接的簇頭存入集合巧^' ； (4.2) 根據(jù)下式為3?^擇最合適的簇頭：當3^不滿足上式時，把重'從集合巧。''刪除即巧|<' - r，重新計算上式；重復上述步驟直到 巧4''=:0或者S*滿足上式；當S*滿足上式時，把S*從02/V/,,巧收端調(diào)整為D2Mr'接收端，并存 入集合;當衣s' = 0:時，S*的接收端即為02M,.*。重復上述步驟直到所有滿足上式的S* 都被調(diào)節(jié)完畢，此時簇頭集合為護，簇頭r勺?應的接收端集合為S；：; D2D多播分簇完畢，簇頭集合護即為多播簇的集合D=U，2,3, . . .，Μ}，簇頭r氣?應的接 收端集合為沒^即為〇211接收端集合為把={1，2,...，Ni}。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其特征在于，所 述步驟(3)包含W下內(nèi)容： 巧.1 )D2D多播簇干擾圖的構(gòu)建： 多播簇用戶集合的劃分必須滿足W下條件：上式用來判定D2Mi在和其他多播用戶共用無線資源時，是否收到其他多播用戶不可容 忍的干擾； 當丫 i< 丫 / th時，去除對多播簇D2Mi干擾最大的多播簇D2Mm，并把D2Mm的編號m放入D2Mi的 不可容忍干擾集合INFi，并且標記ei,m=l，表示D2Mm和D2Mi存在不可容忍的干擾，不能劃分 到一個多播簇用戶集合，重復上述過程，直到丫 1 > 丫 / th為止;并據(jù)此構(gòu)建D2D多播簇之間的 干擾圖； (5.2) 根據(jù)圖論中的著色理論劃分多播簇用戶集合：根據(jù)圖論中的著色理論，我們依據(jù)上式首先選擇邊最多的多播簇著色，然后選擇邊次 多的多播簇著色，依次類推，直到所有的多播簇節(jié)點著色完畢，即得到共用相同無線資源的 多播簇用戶的集合劃分，運樣就D2D多播簇集合D=U，2,3,. . .，M}劃分為T個多播簇用戶集 合，每一個多播簇用戶集合用DSt表不。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于圖論的D2D多播通信資源分配方法，其特征在于，所 述步驟(4)包含W下內(nèi)容： (6.1) 選擇D2D多播用戶簇集合潛在復用蜂窩用戶：OJi被選擇的蜂窩用戶必須滿足上式，即Oil被多播簇用戶集合DSt選擇為資源共享蜂窩 用戶，那么它必須在DSt中所有多播簇用戶W最大功率傳輸信號時，保證CUi的:大于滿足 CUi正常通信的最小SINR即片胃； (6.2) 使用KM算法為DSt分配復用資源的蜂窩用戶： 權(quán)重值由CUi對DSt的干擾之和確定：根據(jù)上式得到D2D多播簇用戶集合與蜂窩用戶的匹配二分圖，使用圖論中的KM算法給 每一個DSt確定共享資源的蜂窩用戶。
【文檔編號】H04W72/08GK105979586SQ201610272670
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】文凱, 盧彥博, 楊晏川, 董宏成
【申請人】重慶信科設計有限公司