一种基于终端直通中继通信的资源分配方法

摘要

一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，在单个小区中LTE‑Advanced蜂窝网络与D2D系统构成混合网络，蜂窝网络的双工方式为时分双工，D2D以复用的模式利用小区内蜂窝通信的上行资源，包括与基站的交互、资源记录表的更新、资源的申请与分配、中继节点的选取过程；首先根据轮询准则，保证通信质量为前提，将系统资源分配给活跃蜂窝用户，然后根据最大化资源利用率准则，利用遗传算法来为小区中的D2D用户选择最合适的资源进行复用，目标是最小化资源分配失败的概率，在保证蜂窝用户正常通信的基础上，使更多的D2D用户可以进行通信。

主权项

一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，其特征在于：在单个小区中LTE‑Advanced蜂窝网络与D2D系统构成混合网络，蜂窝网络的双工方式为时分双工，D2D以复用的模式利用小区内蜂窝通信的上行资源，包括与基站的交互、资源记录表的更新、资源的申请与分配、中继节点的选取过程；首先根据轮询准则，保证通信质量为前提，将系统资源分配给活跃蜂窝用户，然后根据最大化资源利用率准则，利用遗传算法来为小区中的D2D用户选择最合适的资源进行复用，目标是最小化资源分配失败的概率，在保证蜂窝用户正常通信的基础上，使更多的D2D用户可以进行通信；包括以下步骤：步骤1:假设所有的蜂窝用户以固定功率P_CO进行通信，而所有的D2D用户的发送功率则固定为P_SO，所有的用户终端UE，包括活跃的、空闲的蜂窝用户和D2D用户都一直与基站保持着连接并周期地与基站交换信息，即使是正在进行D2D通信的用户，仍然要受基站控制；步骤2:上行蜂窝信道集合记为所有的无线资源分配和调度都由基站完成，基站维持着一个本小区资源分配实时状况的信道记录表，记作ChnTable，用于记录各信道的使用情况，只要资源分配信息发生了变化，基站就会对其进行更新，一个信道内最多同时共存一个蜂窝用户和一对基于移动中继的D2D用户；步骤3:N个蜂窝用户C_UEs使用N个不同的上行蜂窝信道与基站进行通信，彼此之间没有干扰，资源分配工作由基站完成，并在ChnTable中记录更新；步骤4:当有潜在的D2D通信可能时，D2D发送用户S_UE和接收用户D_UE分别将它们的位置信息报告给基站，这一过程利用内置的全球定位系统GPS或者北斗卫星导航系统BDS模块来完成，并根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的信号干扰噪声比SINR计算，由基站来决定是否准许进行D2D尝试，如果不合适的话，该对D2D用户会被基站拒绝并进入等待队列；首先由基站检查ChnTable，去除已经饱和即一个蜂窝用户和一对D2D用户共存的信道，剩余信道集合记为如果其不为空的话，分别对其中的各个信道进行进一步分析，看能否容纳下该对D2D用户使得该信道下所有用户都能满足通信要求，筛选出的合格信道即蜂窝用户SINR达到蜂窝用户的目标SINRγ_C‑target，D2D用户SINR达到D2D用户的目标SINRγ_D‑target，组成集合并根据改进的遗传算法从中选出目标信道供该D2D对复用，遗传算法的进化目标选取的是最小化资源分配失败的概率；如果没有找到可行信道，则该对D2D用户将被拒绝并进入等待队列；步骤5:进行移动中继的选择，以D2D用户对收发端连线为直径构成的圆形区域中总 有若干空闲用户可供选取作为移动中继，从中为每对D2D用户选取m个空闲用户作为候选中继集合，一个空闲用户只会出现在一对D2D用户的候选中继集合中，同一时刻一个空闲用户只能为一对D2D用户服务，一对D2D用户只能选择一个空闲用户作为移动中继；依据D2D中继系统SINR最优原则，并根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的SINR计算，从候选移动中继集合中选取出移动中继，使得该D2D中继通信可以获得最大的SINR；若某个空闲用户电量不足或不适合用于移动中继，则从候选中继集合中去除该空闲用户；步骤6:利用步骤4选出的信道和步骤5选出的移动中继，开始进行D2D测试通信，如果实际测试表明该信道内蜂窝通信和D2D中继通信都能够得到保障，则允许进行正式的D2D中继通信并且基站更新ChnTable的信息记录；否则，返回步骤4重新进行信道选择，直到通过测试；步骤7:一旦有用户完成了自己的通信，或者出现可利用的信道资源，ChnTable中的信息将会被立即更新并依次序重新对等待队列中的D2D用户执行步骤4；为了保证持续可靠的通信过程，基站会周期对ChnTable中记录的用户所进行的通信进行监视；所述的遗传算法包括如下步骤：步骤一:对基因进行实数编码；染色体长度为蜂窝信道数N，共含有N个基因，对基因进行实数编码，一个信道最多只能被一对D2D用户复用，一对D2D用户最多只能复用一个信道，某个基因值为0表示该信道没有被D2D用户复用，第i个基因的数值A_i表示第A_i对D2D用户复用的是第i个信道，因而基因型A＝A₁A₂…A_N所对应的表现型为x＝(x₁,x₂,…,x_N)^H；即：A_i＝x_i显然，A_i＝0表示该信道没有被任何一对D2D用户复用，而对于如果A_i≠0且A_j≠0，有A_i≠A_j；步骤二:对当前代数的种群进行选择操作；由于进化目标选取的是最小化资源分配失败的概率，因此用D2D用户的资源分配成功率来评价个体的适应度，如下式，用于选择操作，其中表示第l代群体中第i个个体；依据基于上限的确定式采样，降低因选择的偶然性而造成退化的可能，确保选择出最优异的个体；群体个数用Q来表示：(1)计算个体在下一代群体中的期望生存数目，用Q_i来表示，如下式：(2)确定各对应个体在下一代群体中的准生存数目，向上取整，从而得到准下一代群体的个体个；(3)从准下一代群体中删去适应度最低的个个体，从而得到Q个经过选择的个体；步骤三:对经过选择操作的种群进行行内交叉；采用行内交叉的操作，对经过选择操作的种群进行行内交叉，确保生成的新个体仍是有效的信道排列，能够作为一种信道分配方案；先依从交叉概率p_c对经过选择操作后的群体随机选取出要交叉的个体，但是不再对其进行两两配对，而是对每个选出来的待交叉个体，在1到N之间随机生成两个随机数i、j(i≠j)，并交换A_i和A_j的数值，如果新产生的个体满足可行解要求，新个体则予以保留，若不满足取值要求，则删除该个体，并继续通过交叉操作产生新个体直到满足可行解要求为止；步骤四:对经过交叉操作的种群进行均匀变异，确保能够生成新的信道分配方案；先依从变异概率p_m从经过交叉后的群体中随机选出需要进行变异的个体，对每一个需要进行变异的个体，在1到N之间随机生成一个随机数k，对基因A_k进行变异操作，从{1,…,N}‑{A_i|i＝1,…,N}这个差集中随机选出一个元素，将其赋给A_k作为突变，若这个差集为空，则将其置为0，若新产生个体满足解空间的参数取值要求，新个体将予以保留，若不满足解空间参数取值要求，则删除该个体，并继续通过变异产生新个体直到满足参数取值要求为止；步骤五:重复步骤二‑步骤四，直到进化到最终代数T，从中选取出适应度最高的个体作为资源分配方案。