一种基于图论的d2d多播通信资源分配方法
【专利摘要】本发明公开了，一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，主要包括以下步骤：(1)基于最大化利用资源而进行最小化簇头数目的多播分簇；(2)为了提升系统吞吐量，使用多播簇接收端再选择算法为多播簇接收端重新找到合适的簇头；(3)使用图论着色理论把D2D多播簇用户分成不相交的集合；(4)在保证蜂窝用户QoS的条件下，以最大化系统吞吐量为目标，使用图论中的KM算法为D2D多播簇用户分配资源，使得多个D2D多播簇用户复用同一蜂窝用户的无线资源。
【专利说明】
-种基于图论的D2D多播通信资源分配方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种移动通信领域，尤其设及一种D2D多播通信的资源分配方法。
【背景技术】
[0002] 就目前而言，随着移动通信技术不断发展，W及多媒体业务的需求的急剧增长，移 动通信传输速率不足和频谱资源的稀缺成为目前移动通信领域面临的主要挑战，为此， LTE-A蜂窝小区引入了终端直通技术。
[0003] 而D2D通信技术与多媒体组播技术结合即D2D多播技术能够进一步提升系统的性 能，首先，D2D多播技术能够通过中继终端进行数据的转发，从而提升整个系统的数据传输 速率，其次，D2D多播技术能够通过D2D通信距离较短的优势，增强边缘用户的性能，从而大 大提升用户体验，最后，D2D多播用户在通信时复用蜂窝用户的资源能够极大地节省频谱资 源，提升频谱效率;进而提升系统吞吐量，减羟基站的负载。
[0004] 图1所示为D2D多播通信的场景模型;如图所示，基站eNB向运些用户设备发送多播 数据;此时，由于边缘用户设备信道条件太差，导致一部分用户很难甚至无法接收到eNB发 送的数据；由于多播通信的数据传输速率取决于信道质量最差的用户，为了提高多播组的 整体数据传输速率，eNB可W在ACK用户中选择一些终端设备作为簇头，运些簇头和一些 NACK用户组成D2D多播簇，W此进行多播数据的转发；因此，如何对D2D多播用户进行合理的 分簇成为一个研究的问题；当D2D多播簇用户复用蜂窝用户的资源进行通信时，D2D多播簇 用户必定对基站接收蜂窝用户的信号产生干扰，同时蜂窝用户通信时，也会对多播簇用户 接收端产生干扰;所有运些干扰都会降低小区的频谱效率;因此如何合理的为D2D多播簇用 户分配资源成为研究的重点。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，W此 来解决边缘用户由于信道质量差而导致无法与基站进行多播通信的问题，同时解决如何在 保证蜂窝用户QoS的前提下，进一步提升系统频谱效率的问题；
[0006] 该D2D多播通信方法包括根据最小化簇头数目进行多播用户分簇;基于图的着色 理论把D2D多播用户簇划分为若干复用相同蜂窝用户无线资源的集合;保证蜂窝用户QoS的 条件下，W最大化系统吞吐量为目标，使用图论中的KM算法为D2D多播簇用户集合分配资 源。
[0007] 本发明通过W下技术手段解决上述技术问题：
[000引为了实现上述一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其中，W最小化多播簇 头为目标为多播用户分簇;具体包括：
[0009]根据所述的NKs选择AKr作为簇头时的SINR即丫 r,S来确定ACK用户与NACK用户的连 接关系：
[0010]
[001 U 其中丫 r,S是NACK用户NKs选择ACK用户AKr作为簇头时的SINR; 丫 th是确保D2D多播 簇正常通信的最小SINR;巧。y是AKr的最大发射功率，hr,S是NKs和AKr间的信道增益;I是经过 长期观测的干扰平均值，为固定的常数；
[001^ 计算NKs和AKr间的丫 r,s，当丫 丫化时，NKs和AK巧W建立连接关系，即Cr,S=I, 否则Cr, S = 0;从而得至IjACK用户和NACK用户的连接矩阵：
[0013]
[0014] 根据Clink矩阵每一行之和的大小来确定簇头，矩阵Clink第r行元素之和表示AKr做 为簇头从NACK用户中选择所能匹配的接收端的数目；计算矩阵Ciink每一行元素之和，然后 找出数值最大的一行对应的^馬*作为簇头，并把r请入簇头集合R%然后把所有冷*，, = 1所 对应的NACK用户均被选为簇头r^勺接收端;并存入簇头r^多播簇接收端集合*5；：;然后删除 矩阵Clink中第巧于，和CVv二1所对应的列；重新得到连接矩阵Clink，重复上述步骤，直到所 有的NACK用户都选择了簇头，或者ACK用户被全部选择做簇头;把接收端S作片对应的簇头存 入集合巧、'，并把对应2个及W上簇头的接收端存入S*。
[0015] 为了实现上述一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其中，W提升系统吞吐 量为目标，对能够匹配多个簇头的多播簇接收端进行调整;包括W下内容：
[0016] W提升系统吞吐量为目标选择簇头，根据簇头在选择公式进行选择：
[0017]
[0018] 当S*不满足
上式时，把r'从集合巧 删除即iT'-r，重新计算上式;重复上述步骤 直到r二0或者乃馬足上式；当乃馬足上式时，把S*从。2M,,接收端调整为〇21^妾收端， 并存入集合当巧=0时，勺接收端即为。。重复上述步骤直到所有满足上式 的S皆巧皮调节完毕，此时簇头集合为护，簇头r气4应的接收端集合为，D2D多播分簇完毕， 簇头集合护即为多播簇的集合D=U，2,3, . . .，M};簇头r气4应的接收端集合为即为D2Mi 接收端集合为Ri= U，2,... ,Ni}。
[0019] 为了实现上述一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其中，使用图论着色 理论把D2D多播簇用户分成不相交的集合，具体包括：
[0020] 根据SINR口限来构建D2D多播簇干扰图，多播簇用户集合的划分必须满足W下条 件：
[0021]
[0022] 当丫 i< 丫 / th时，去除对多播簇D2Mi干扰最大的多播簇D2Mm，并把D2Mm的编号m放入 D2Mi的不可容忍干扰集合INFi;并且标记ei,m= 1，表示D2Mm和D2Mi存在不可容忍的干扰，不 能划分到一个多播簇用户集合;重复上述过程，直到丫 1>丫 为止;并据此构建D2D多播簇 之间的干扰图；
[0023] 根据图论中的着色理论划分多播簇用户集合;我们首先选择边最多的多播簇着 色，然后选择边次多的多播簇着色，依次类推，直到所有的多播簇节点着色完毕；即得到共 用相同无线资源的多播簇用户的集合划分;运样就D2D多播簇集合D=U，2,3,. . .，M}划分 为T个多播簇用户集合，每一个多播簇用户集合用DSt表示。
[0024] 为了实现上述一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其中，使用KM算法为 DSt分配复用资源的蜂窝用户，具体包括：
[0025] 依据SINR口限值选择D2D多播用户簇集合潜在复用蜂窝用户，潜在复用蜂窝用户 必须满足：
[0026]
[0027] CUi被选择的蜂窝用户必须满足上式，即CUi被多播簇用户集合DSt选择为资源共享 蜂窝用户，那么它必须在DSt中所有多播簇用户W最大功率传输信号时，保证CUi的?大于 满足CUi正常通信的最小SINR即六;。。。；
[002引根据KM算法为DSt分配复用资源的蜂窝用户，二分图的权重值为CUi对DSt的干扰之 和确定：
[0029]
[0030] 其中hi,i是CUi到D2Mi簇头的信道增益，Ii,t为CU谢DSt的干扰之和；W此得到D2D多 播簇用户集合与蜂窝用户的匹配二分图；使用图论中的KM算法给每一个DSt确定共享资源 的蜂窝用户。
[0031] 如上所述，本发明的的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，具有W下有益 效果：
[0032] (1)对D2D多播用户进行合理分簇；
[0033] (2)在保证蜂窝用户QoS的条件下，提升系统频谱效率。
【附图说明】
[0034] 图I是本发明的D2D多播通信场景模型；
[0035] 图2是本发明的D2D多播簇干扰连接图；
[0036] 图3是本发明的D2D多播集合与蜂窝用户匹配二分图；
[0037] 图4是本发明的D2D多播用户分簇流程图；
[0038] 图5是本发明的D2D多播簇用户资源分配流程图。
【具体实施方式】
[0039] W下将结合附图对本发明进行详细说明：
[0040] 如图1~5所示：
[0041] 本发明提供了一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，该方法如图1所示，包 括：
[0042] 该系统为LTE-A单小区蜂窝系统，蜂窝小区内随机分布着一些用户设备，基站eNB 向运些用户设备发送多播数据;例如在紧急情况下的应急通信、商家发送促销信息、政府部 口发送宣传教育的信息、大型集会时发送相关的信息等;此时，由于边缘用户设备信道条件 太差，导致一部分用户很难甚至无法接收到eNB发送的数据;运一部分用户被称为NACK用 户，如图巧色圆圈所示;接收到eNB数据的用户被称为ACK用户，如图1黑色圆圈所示；由于 多播通信的数据传输速率取决于信道质量最差的用户，所W如果要想基站一次性把多播数 据发送完，必然会造成系统吞吐量的大幅度下降；为了提高多播组的整体数据传输速率， eNB可W放弃向NACK用户传输数据，而是在ACK用户中选择一些终端设备作为簇头，运些簇 头和一些NACK用户组成D2D多播簇，W此进行多播数据的转发；
[0043] 在运种传输场景下，数据传输可W分为两个阶段：（1)基站向ACK用户发送数据； (2 )ACK用户中的簇头和一些NACK用户组成D2D多播簇，并在多播簇内向NACK用户发送数据； 由于第一阶段是eNB向ACK用户传输数据，场景简单，故只对第二阶段进行研究。
[0044] 如图4所示，一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，具体包括：
[0045] Sl 1、根据NKs选择AKr作为簇头时的SINR即丫 r,S来确定ACK用户与NACK用户的连接 关系，并生成连接矩阵Clink ;
[0046] S12、计算矩阵Clink每一行元素之和，然后找出数值最大的一行对应的/!A：,..:,作为簇 头，并把r*存入簇头集合护；
[0047] S13、删除矩阵Ciink中第r*行，和所对应的列；重新得到连接矩阵Clink,重复 上述步骤，直到所有的NACK用户都选择了簇头，或者ACK用户被全部选择做簇头；
[004引S14、把接收端S作片对应的簇头存入集合gyi，把对应2个及W上簇头的接收端存入 S*;
[0049] S15、根据公3
为接收端3^重新选择簇头，具体包括：
[0化0] S151、判断s*是否满，
[0051 ] S152、当S气馬足上式时，把人02A//,4妾收端调整为D2Mr'接收端，并存入集合S:; 不满足时，把r '从集合点S'删除即發*_ r，重新计算上式;重复上述步骤直到化S*二0或者S* 满足上式；当/?、'二0财，从S*中删除S*;
[0052] S153、重复上述步骤直到S*中每一个接收端都选择到合适的簇头。
[0053] 如图5所示，一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，具体包括：
[0054] S21、构建D2D多播簇之间的干扰连接图，具体包括：
[0055] S211、初始化D2D多播簇集合D，选定D2D多播簇D2Mi，初始化D2Mi的不可容忍干扰集 合 INFj. = 0 \
[0化6] S212、当丫 i< 丫 / th时，去除对多播簇D2Mi干扰最大的多播簇D2Mm，并把D2Mm的编号m 放入D2Mi的不可容忍干扰集合INFi;并且标记ei,m= 1;
[0化7] S213、重复上述步骤直到丫 丫 / th为止，并据此构建D2D多播簇之间的干扰连接 图，如图2所示；
[005引S22、选择边最多的多播簇着色，然后选择边次多的多播簇着色，依次类推，直到所 有的多播簇节点着色完毕；
[0059] S23、依据SINR 口限值判决条f
'选择D2D多播用
户簇集合潜在复用蜂窝K曰-
[0060] 524、根据公；1^ 计算CUi对DSt的干扰之和，W 作为权重值；
[0061 ] S25、得到D2D多播簇用户集合与蜂窝用户的匹配二分图，如图3所示；使用图论中 的KM算法给每一个DSt确定共享资源的蜂窝用户。
[0062] W上实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发 明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可W对本发明的技术方案进行修改 或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。
【主权项】
1. 一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所述方法由基站控制用户 设备完成，包括W下步骤： (1) W最小化多播簇头为目标为多播用户分簇； (2) W提升系统吞吐量为目标，对能够匹配多个簇头的多播簇接收端进行调整，选择最 适合的簇头给多播簇接收端； (3) 使用图论着色理论把D2D多播簇用户分成不相交的集合； (4) 在保证蜂窝用户QoS的条件下，W最大化系统吞吐量为目标，使用图论中KM算法D2D 多播簇用户分配资源，使得多个D2D多播簇用户复用同一蜂窝用户的无线资源。2. 根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，本 发明方法适用于如下场景： D2D多播用户复用蜂窝用户上行无线资源的LTE及LTE-A蜂窝小区系统。3. 根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所 述步骤(1)包含W下内容： (3.1) 确定ACK用户与NACK用户的连接关系：其中丫 r,s是NACK用户Ms选择ACK用户AKr作为簇头时的SINR，丫 th是确保D2D多播簇正常 通信的最小SINR，巧;gx是AKr的最大发射功率，hr,s是Ms和AKr间的信道增益J是经过长期观 测的干扰平均值，为固定的常数，当满足上述公式时，Ms和AKr可W建立连接关系，即Cr,s = 1，否则Cr, S = 0;从而得I^ACK用户和NACK用户的连接矩阵：(3.2) 从40(用户选择簇头： 矩阵Clink第r行元素之和表示AKr做为簇头从NACK用户中选择所能匹配的接收端的数 目，计算矩阵打1。1<每一行元素之和，然后找出数值最大的一行对应的分^^*作为簇头，并把'^ 存入簇头集合R*; (3.3) 选择簇头所对应的接收端： 把所有％,^1所对应的NACK用户均被选为簇头r嘴接收端，并存入簇头r聲播簇接收 端集合5'；，然后删除矩阵Clink中第r勺于，和CV*，, = 1所对应的列，重新得到连接矩阵Clink，重 复上述步骤，直到所有的NACK用户都选择了簇头，或者ACK用户被全部选择做簇头。4. 根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所 述步骤(2)包含W下内容： (4.1 )找到接收端3^可^连接的簇头，可由下式确定：然后把接收端3^可^连接的簇头存入集合巧^' ； (4.2) 根据下式为3?^择最合适的簇头：当3^不满足上式时，把重'从集合巧。''删除即巧|<' - r，重新计算上式；重复上述步骤直到 巧4''=:0或者S*满足上式；当S*满足上式时，把S*从02/V/,,巧收端调整为D2Mr'接收端，并存 入集合;当衣s' = 0:时，S*的接收端即为02M,.*。重复上述步骤直到所有满足上式的S* 都被调节完毕，此时簇头集合为护，簇头r勺?应的接收端集合为S；：; D2D多播分簇完毕，簇头集合护即为多播簇的集合D=U，2,3, . . .，Μ}，簇头r气?应的接 收端集合为没^即为〇211接收端集合为把={1，2,...，Ni}。5.根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所 述步骤(3)包含W下内容： 巧.1 )D2D多播簇干扰图的构建： 多播簇用户集合的划分必须满足W下条件：上式用来判定D2Mi在和其他多播用户共用无线资源时，是否收到其他多播用户不可容 忍的干扰； 当丫 i< 丫 / th时，去除对多播簇D2Mi干扰最大的多播簇D2Mm，并把D2Mm的编号m放入D2Mi的 不可容忍干扰集合INFi，并且标记ei,m=l，表示D2Mm和D2Mi存在不可容忍的干扰，不能划分 到一个多播簇用户集合，重复上述过程，直到丫 1 > 丫 / th为止;并据此构建D2D多播簇之间的 干扰图； (5.2) 根据图论中的着色理论划分多播簇用户集合：根据图论中的着色理论，我们依据上式首先选择边最多的多播簇着色，然后选择边次 多的多播簇着色，依次类推，直到所有的多播簇节点着色完毕，即得到共用相同无线资源的 多播簇用户的集合划分，运样就D2D多播簇集合D=U，2,3,. . .，M}划分为T个多播簇用户集 合，每一个多播簇用户集合用DSt表不。6.根据权利要求1所述的一种基于图论的D2D多播通信资源分配方法，其特征在于，所 述步骤(4)包含W下内容： (6.1) 选择D2D多播用户簇集合潜在复用蜂窝用户：OJi被选择的蜂窝用户必须满足上式，即Oil被多播簇用户集合DSt选择为资源共享蜂窝 用户，那么它必须在DSt中所有多播簇用户W最大功率传输信号时，保证CUi的:大于满足 CUi正常通信的最小SINR即片胃； (6.2) 使用KM算法为DSt分配复用资源的蜂窝用户： 权重值由CUi对DSt的干扰之和确定：根据上式得到D2D多播簇用户集合与蜂窝用户的匹配二分图，使用图论中的KM算法给 每一个DSt确定共享资源的蜂窝用户。
【文档编号】H04W72/08GK105979586SQ201610272670
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】文凯, 卢彦博, 杨晏川, 董宏成
【申请人】重庆信科设计有限公司