[發明專利]一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法有效
| 申請號： | 201310654633.X | 申請日： | 2013-12-06 |
| 公開（公告）號： | CN103796317B | 公開（公告）日： | 2017-01-11 |
| 發明（設計）人： | 孫君;陶宇;邵世祥 | 申請（專利權）人： | 南京郵電大學 |
| 主分類號： | H04W72/04 | 分類號： | H04W72/04 |
| 代理公司： | 南京經緯專利商標代理有限公司32200 | 代理人： | 奚幼堅 |
| 地址： | 210003 江蘇*** | 國省代碼： | 江蘇;32 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 基于 終端 直通 中繼 通信 資源 分配 方法 | ||
1.一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法，其特征在于：在單個小區中LTE-Advanced蜂窩網絡與D2D系統構成混合網絡，蜂窩網絡的雙工方式為時分雙工，D2D以復用的模式利用小區內蜂窩通信的上行資源，包括與基站的交互、資源記錄表的更新、資源的申請與分配、中繼節點的選取過程；首先根據輪詢準則，保證通信質量為前提，將系統資源分配給活躍蜂窩用戶，然后根據最大化資源利用率準則，利用遺傳算法來為小區中的D2D用戶選擇最合適的資源進行復用，目標是最小化資源分配失敗的概率，在保證蜂窩用戶正常通信的基礎上，使更多的D2D用戶可以進行通信；包括以下步驟：
步驟1:假設所有的蜂窩用戶以固定功率PCO進行通信，而所有的D2D用戶的發送功率則固定為PSO，所有的用戶終端UE，包括活躍的、空閑的蜂窩用戶和D2D用戶都一直與基站保持著連接并周期地與基站交換信息，即使是正在進行D2D通信的用戶，仍然要受基站控制；
步驟2:上行蜂窩信道集合記為，所有的無線資源分配和調度都由基站完成，基站維持著一個本小區資源分配實時狀況的信道記錄表，記作ChnTable，用于記錄各信道的使用情況，只要資源分配信息發生了變化，基站就會對其進行更新，一個信道內最多同時共存一個蜂窩用戶和一對基于移動中繼的D2D用戶；
步驟3:N個蜂窩用戶C_UEs使用N個不同的上行蜂窩信道與基站進行通信，彼此之間沒有干擾，資源分配工作由基站完成，并在ChnTable中記錄更新；
步驟4:當有潛在的D2D通信可能時，D2D發送用戶S_UE和接收用戶D_UE分別將它們的位置信息報告給基站，這一過程利用內置的全球定位系統GPS或者北斗衛星導航系統BDS模塊來完成，并根據干擾模型來進行蜂窩用戶和D2D用戶的信號干擾噪聲比SINR計算，由基站來決定是否準許進行D2D嘗試，如果不合適的話，該對D2D用戶會被基站拒絕并進入等待隊列；
首先由基站檢查ChnTable，去除已經飽和即一個蜂窩用戶和一對D2D用戶共存的信道，剩余信道集合記為，如果其不為空的話，分別對其中的各個信道進行進一步分析，看能否容納下該對D2D用戶使得該信道下所有用戶都能滿足通信要求，篩選出的合格信道即蜂窩用戶SINR達到蜂窩用戶的目標SINRγC-target，D2D用戶SINR達到D2D用戶的目標SINRγD-target，組成集合，并根據改進的遺傳算法從中選出目標信道供該D2D對復用，遺傳算法的進化目標選取的是最小化資源分配失敗的概率；
如果沒有找到可行信道，則該隊D2D用戶將被拒絕并進入等待隊列；
步驟5:進行移動中繼的選擇，以D2D用戶對收發端連線為直徑構成的圓形區域中總有若干空閑用戶可供選取作為移動中繼，從中為每對D2D用戶選取m個空閑用戶作為候選中繼集合，一個空閑用戶只會出現在一對D2D用戶的候選中繼集合中，同一時刻一個空閑用戶只能為一對D2D用戶服務，一對D2D用戶只能選擇一個空閑用戶作為移動中繼；依據D2D中繼系統SINR最優原則，并根據干擾模型來進行蜂窩用戶和D2D用戶的SINR計算，從候選移動中繼集合中選取出移動中繼，使得該D2D中繼通信可以獲得最大的SINR；若某個空閑用戶電量不足或不適合用于移動中繼，則從候選中繼集合中去除該空閑用戶；
步驟6:利用步驟4選出的信道和步驟5選出的移動中繼，開始進行D2D測試通信，如果實際測試表明該信道內蜂窩通信和D2D中繼通信都能夠得到保障，則允許進行正式的D2D中繼通信并且基站更新ChnTable的信息記錄；否則，返回步驟4重新進行信道選擇，直到通過測試；
步驟7:一旦有用戶完成了自己的通信，或者出現可利用的信道資源，ChnTable中的信息將會被立即更新并依次序重新對等待隊列中的D2D用戶執行步驟4；為了保證持續可靠的通信過程，基站會周期對ChnTable中記錄的用戶所進行的通信進行監視。
所述的遺傳算法包括如下步驟：
步驟一:對基因進行實數編碼；染色體長度為蜂窩信道數N，共含有N個基因，對基因進行實數編碼，一個信道最多只能被一對D2D用戶復用，一對D2D用戶最多只能復用一個信道，某個基因值為0表示該信道沒有被D2D用戶復用，第i個基因的數值Ai表示第Ai對D2D用戶復用的是第i個信道，因而基因型A＝A1A2…AN所對應的表現型為x＝(x1,x2，…,xN)H；即：
Ai＝xi
顯然，Ai＝0表示該信道沒有被任何一對D2D用戶復用，而對于，如果Ai≠0且Aj≠0，有Ai≠Aj；
步驟二:對當前代數的種群進行選擇操作；由于進化目標選取的是最小化資源分配失敗的概率，因此用D2D用戶的資源分配成功率來評價個體的適應度，如下式，用于選擇操作，其中表示第l代群體中第i個個體；
依據基于上限的確定式采樣，降低因選擇的偶然性而造成退化的可能，確保選擇出最優異的個體；群體個數用Q來表示：
(1)計算個體在下一代群體中的期望生存數目，用Qi來表示，如下式：
(2)確定各對應個體在下一代群體中的準生存數目，向上取整，從而得到準下一代群體的個體個；
(3)從準下一代群體中刪去適應度最低的個個體，從而得到Q個經過選擇的個體；
步驟三:對經過選擇操作的種群進行行內交叉；采用行內交叉的操作，對經過選擇操作的種群進行行內交叉，確保生成的新個體仍是有效的信道排列，能夠作為一種信道分配方案；
先依從交叉概率pc對經過選擇操作后的群體隨機選取出要交叉的個體，但是不再對其進行兩兩配對，而是對每個選出來的待交叉個體，都由1到N之間隨機生成兩個隨機數i、j(i≠j)，并交換Ai和Aj的數值，如果新產生的個體滿足可行解要求，新個體則予以保留，若不滿足取值要求，則刪除該個體，并繼續通過交叉操作產生新個體直到滿足可行解要求為止；
步驟四:對經過交叉操作的種群進行均勻變異，確保能夠生成新的信道分配方案；
先依從變異概率pm從經過交叉后的群體中隨機選出需要進行變異的個體，對每一個需要進行變異的個體，由1到N之間隨機生成一個隨機數k，對基因Ak進行變異操作，從{1,…,N}-{Ai|i＝1,...,N}這個差集中隨機選出一個元素，將其賦給Ak作為突變，若這個差集為空，則將其置為0。若新產生個體滿足解空間的參數取值要求，新個體將予以保留，若不滿足解空間參數取值要求，則刪除該個體，并繼續通過變異產生新個體直到滿足參數取值要求為止；
步驟五:重復步驟2-步驟4，直到進化到最終代數T，從中選取出適應度最高的個體作為資源分配方案。
2.根據權利要求書1所述的一種基于終端直通中繼通信的資源分配方法，其特征在于，所述步驟4和步驟5中根據干擾模型來進行蜂窩用戶和D2D用戶的SINR計算，包括如下步驟：
步驟A:D2D中繼通信模型中，蜂窩用戶C正在與基站B進行上行通信，S-R-D是一個D2D中繼通信系統，復用的是C占用的無線資源，S表示D2D發送用戶，R表示移動中繼，D表示D2D接收用戶。有R、D、B三處接收到的混合信號分別為：
xS、xR、xC分別為對應的發送信號，PS、PR、PC為對應的發送功率，nR、nD、nB代表對應的加性高斯白噪聲AWGN，相應的噪聲功率分別為NR、ND、NB，α表示路徑損耗指數；另外，hXY、dXY分別用于表示X-Y鏈路的信道系數、通信距離。
步驟B:兩種中繼模式，AF和DF模式，兩者的區別在這里主要體現在xR表示式的不同，根據不同的中繼模式來計算D2D用戶的SINR：
AF模式下，R僅僅是將接收到的信號進行放大轉發，并不進行信息解碼。
其中，k代表放大增益，GXY用來表示X-Y鏈路的信道增益，即對xR進行歸一化得到：
最終得到R處的接收信號、SINR表達式分別為：
DF模式下，R處涉及到一個能否正確解碼的問題：
這里假設R處總可以正確解碼出xS，從而D處接收信號，以及R、D處各自的SINR為：
步驟C:最大比合并MSC；對于D2D接收端的最終信號接收，采用基于最大比的分集合并方式，在D處進行兩個支路信號的最大比合并，并且分析可知最大比合并后的總的SINR為各支路SINR之和：
其中，表示直接鏈路的SINR，表示中繼鏈路的SINR：
步驟D:計算蜂窩用戶的SINR；上面的分析都是針對D2D系統，而對于蜂窩用戶來說，蜂窩用戶的SINR表達式為：
當S向R發送信號時；
當R向D發送信號時。
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