一种上下行时隙资源与频率资源二维联合分配方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种上下行时隙资源与频率资源二维联合分配方法，包括：S1：上传用户终端位置信息以及天线波束配置信息；S2：通过遗传算法的上下行时隙资源分配初始化；S3：通过特定时隙分配结果进行频率资源分配；S4：通过对遗传算法的适应度计算、交叉、变异、迭代收敛过程；S5：输出最优结果并下发上下行时隙资源以及频率资源分配结果。本发明通过用户位置信息以及天线配置信息，进行上下行时隙资源、以及频率通信资源二维联合分配，相比传统仅仅针对频率资源的一维资源分配，该策略能更大程度地实现系统容量最大化。且遗传算法的采用，能够大大降低分配过程的运算复杂度。本发明还公开了一种上下行时隙资源与频率资源二维联合分配装置。
【专利说明】一种上下行时隙资源与频率资源二维联合分配方法与装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信【技术领域】，尤其涉及一种上下行时隙与频率资源的二维联合 分配方法与装置。
【背景技术】
[0002] 随着智能手机和电子平板电脑数量的不断增加，高速率的无线多媒体业务将呈 现指数式的增长。然而由于頂T-Advanced系统以基站为中心的小区覆盖和业务提供方 式本身所存在的局限性，其仍存在小区覆盖，系统容量等方面的问题。此外，当前日益增 长的本地数据共享业务需求给頂T-Advanced系统的容量和覆盖以及服务灵活性提出了 较高要求，以基站为中心的小区业务提供模式在适应本地业务的发展方面有明显的局限 性。为了缓解移动业务的持续增长和提高本地业务的灵活性给基础设备建设带来的压力， Device-t〇-Device(D2D)通信已经被认为是3GPP LTE-A中的关键技术。
[0003] D2D(Device-t〇-De Vice)，即终端直通技术，是指邻近的终端可以在近距离范围内 通过直连链路进行数据传输的方式，而不需要通过中心节点（即基站）进行转发。D2D技术 本身的短距离通信特点和直接通信方式使其具有如下优势：
[0004] 1.终端近距离直接通信方式可实现较高的数据速率、较低的延迟和较低的功耗， 并且对基站进彳丁业务卸载；
[0005] 2.利用网络中广泛分布的用户终端以及D2D通信链路的短距离特点，可以实现频 谱资源的有效利用，获得资源空分复用增益；
[0006] 3. D2D的直接通信方式能够适应如无线P2P等业务的本地数据共享需求，提供具 有灵活适应能力的数据服务；
[0007] 4. D2D直接通信能够利用网络中数量庞大且分布广泛的通信终端以拓展网络的覆 盖范围。
[0008] D2D模式下有若干种资源复用的方式。一种典型的资源复用方式为：在蜂窝用户 和D2D用户共存的场景下，所有D2D用户复用整个频带资源来通过直连的方式进行通信。在 这种复用方式下，D2D用户之间的干扰将会严重影响到系统的吞吐量。尤其在数据传输高峰 时期，当D2D用户对比例急剧增加时，如何有效地对系统的时频资源进行分配，降低D2D用 户之间的干扰，最大限度的提升系统的容量，成为非常有实际指导意义的一个问题。
[0009] D2D模式也是60GHz室内短距离无线通信中的经典场景。60GHz的室内通信一般 采用IEEE 802. 15协议，其中也存在如何给各个终端分配时隙/资源的问题。IEEE 802. 15 协议中经典的纯TDMA的多址/时隙分配方式，对资源有极大的浪费。因此，找寻在可接受 的复杂度范围内使得系统通信容量最大化的方法显得非常必要。
【发明内容】
[0010] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，如何提供一种针对Device to Device模式下的上下行时隙资源与频率资源的二维联合分配方案，在可接受的复杂度 范围内，相比传统的资源分配方式，实现D2D通信系统容量的最大化的关键问题。
[0011] 为此目的，本发明提出了一种上下行时隙与频率资源二维联合分配方法，包括具 体以下步骤：
[0012] S1 :上传用户终端位置信息以及天线波束配置信息；
[0013] S2 :通过遗传算法的上下行时隙资源分配初始化；
[0014]S3 :通过特定时隙分配结果进行频率资源分配；
[0015] S4 :通过对遗传算法的适应度计算、交叉、变异、迭代收敛过程；
[0016] S5 :输出最优结果并下发上下行时隙资源以及频率资源分配结果。
[0017] 进一步地，所述步骤S1还包括：用户终端根据GPS定位系统、基站辅助定位系统和 /或Wifi定位系统获取自身的位置，以及通过上行信令信道将信息反馈给基站。
[0018] 进一步地，所述步骤S1还包括：用户终端对自身的天线波束配置信息进行量化编 码，以及将量化编码通过上行信令信道反馈给基站。
[0019] 进一步地，所述步骤S2还包括：基站依据遗传算法准则进行初始化上下行时隙资 源分配，初始化过程将生成大小为P的种群，其中，所述种群包括P个二进制编码序列，P大 于等于1。
[0020] 具体地，生成的所述P个二进制编码序列编码内容均不相同。
[0021] 进一步地，所述步骤S3还包括：基站对P种二进制编码序列中的每一种确定的上 下行时隙分配情况，构建P个干扰图，以及进行P种对应的频率资源分配。
[0022] 进一步地，所述构建干扰图后，通过贪婪算法准则进行干扰图着色，其中，着色过 程分为两次着色过程。
[0023] 具体地，所述着色过程为：首次着色过程为每一个节点至少有一种颜色和/或资 源分配，第二次着色为每一个节点有预设值的种类颜色和/或资源分配，其中，每一个节点 最终着色大于等于一种颜色。
[0024] 为此目的，本发明还提出了一种上下行时隙与频率资源二维联合分配装置，包 括：
[0025] 上传模块，用于上传用户终端位置信息以及天线波束配置信息；
[0026] 初始化模块，用于通过遗传算法的上下行时隙资源分配初始化；
[0027] 分配模块，用于通过特定时隙分配结果进行频率资源分配；
[0028] 处理模块，用于通过对遗传算法的适应度计算、交叉、变异、迭代收敛过程；
[0029] 输出模块，用于输出最优结果并下发上下行时隙资源以及频率资源分配结果。
[0030] 进一步地，所述上传模块还包括：
[0031] 获取单元，用于用户终端根据GPS定位系统、基站辅助定位系统和/或Wifi定位 系统获取自身的位置；
[0032] 第一反馈单元，用于通过上行信令信道将信息反馈给基站。
[0033] 进一步地，所述上传模块还包括：
[0034] 编码单元，用于用户终端对自身的天线波束配置信息进行量化编码；
[0035] 第二反馈模块，用于将量化编码通过上行信令信道反馈给基站。
[0036] 进一步地，所述初始化模块还包括：
[0037] 生成单元，用于基站依据遗传算法准则进行初始化上下行时隙资源分配，初始化 过程将生成大小为P的种群，其中，所述种群包括P个二进制编码序列，P大于等于1。
[0038] 具体地，生成的所述P个二进制编码序列编码内容均不相同。
[0039] 进一步地，所述分配模块还包括：
[0040] 构建单元，用于基站对P种二进制编码序列中的每一种确定的上下行时隙分配情 况，构建P个干扰图，以及进行P种对应的频率资源分配。
[0041 ] 进一步地，所述分配模块还包括：
[0042] 着色单元，用于构建干扰图后，通过贪婪算法准则进行干扰图着色，其中，着色过 程分为两次着色过程。
[0043] 具体地，所述着色过程为：首次着色过程为每一个节点至少有一种颜色和/或资 源分配，第二次着色为每一个节点有预设值的种类颜色和/或资源分配，其中，每一个节点 最终着色大于等于一种颜色。
[0044] 本发明所公开一种上下行时隙资源与频率资源二维联合分配方法，首先采用二进 制编码方案对小区中所有的通信个体进行上下行时隙初始化分配即编码。并依据遗传算法 的原则，提供多个编码个体作为初始化种群，进一步地，用户将自身的位置信息以及天线波 束配置信息上报给基站/接入点，更进一步地，基站/接入点依据用户的二进制编码方案对 应的上下行时隙分配情况，以及位置信息，构建通信网络的干扰图，对种群中的每一个编码 个体对应的干扰图进行贪婪着色即资源分配，并评估得出对应的分配方案的系统容量，将 得到的系统容量作为每一个个体的适应度。最后，依据遗传算法及分配方案的适应度，进行 交叉、变异迭代操作，直到连续N次迭代的输出结果中的最大值与最小值变化范围小于阈 值W，输出迭代收敛中的最优结果。本发明还公开了一种上下行时隙资源与频率资源二维联 合分配装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0045] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理 解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0046] 图1示出了本发明实施例中的一种上下行时隙与频率资源二维联合分配方法的 步骤流程图；
[0047] 图2示出了本发明实施例中的一种上下行时隙与频率资源二维联合分配方法中 涉及到的端到端通信的传输场景图；
[0048] 图3示出了本发明实施例中的一种上下行时隙与频率资源二维联合分配方法中 涉及到的端到端通信中上下行时隙不同分配策略所产生干扰示意图；
[0049] 图4(a)示出了实施例1对应的未经着色（资源分配）的干扰示意图；
[0050] 图4(b)示出了实施例1对应的经过着色（资源分配）的干扰示意图；
[0051] 图5示出了本发明实施例中的一种上下行时隙与频率资源二维联合分配装置的 结构示意图。
【具体实施方式】
[0052] 下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
[0053] 如图1所示，本发明提供了一种上下行时隙与频率资源二维联合分配方法，包括 具体以下步骤：
[0054] 步骤S1 :上传用户终端位置信息以及天线波束配置信息。
[0055] 具体地，步骤S1还包括：用户终端根据GPS定位系统、基站辅助定位系统和/或 Wifi定位系统获取自身的位置，以及通过上行信令信道将信息反馈给基站。进一步地，步 骤S1还包括：用户终端对自身的天线波束配置信息进行量化编码，以及将量化编码通过上 行信令信道反馈给基站。
[0056] 进一步地，每一对D2D用户组将自身发射机、接收机的位置信息，以及发射机的天 线配置，尤其是波束宽度信息通过上行数据共享信道反馈给基站/接入点；基站/接入点接 收、解码并存储M对D2D用户中每一对的发射机、接收机位置信息，以及发射机的天线配置， 尤其是波束宽度信息。
[0057] 步骤S2 :通过遗传算法的上下行时隙资源分配初始化。
[0058] 具体地，步骤S2还包括：基站依据遗传算法准则进行初始化上下行时隙资源分 配，初始化过程将生成大小为P的种群，其中，所述种群包括P个二进制编码序列，P大于等 于1。且生成的P个二进制编码序列编码内容均不相同。
[0059] 进一步地，基站对通信用户的上下行时隙进行编码，编码规则为二进制编码：上行 为〇,则下行为1 ;或上行为1，则下行为〇,编码之后，种群中P个二进制编码个体中每一个 个体的编码位数等于D2D用户对数M。且每一个通信用户对应一位二进制数，而所有M个 D2D用户对应一个位数为M的二进制编码序列，基站依据生成的P个二进制编码序列内容确 定对应的每一个D2D用户组的上下行时隙分配。且共有P种分配可能，基站对P种二进制 编码序列中的每一种确定的上下行时隙分配情况，进行频率资源分配。
[0060] 步骤S3 :通过特定时隙分配结果进行频率资源分配。
[0061] 具体地，步骤S3还包括：基站对P种二进制编码序列中的每一种确定的上下行时 隙分配情况，构建P个干扰图，以及进行P种对应的频率资源分配。进一步地，构建干扰图 后，依据经典着色法的原则，即有链路连接的节点不可以分配以相同的颜色进行资源分配， 通过贪婪算法准则进行干扰图着色，其中，着色过程分为两次着色过程。
[0062] 具体地，干扰图的构建过程为：具体地，不失一般性，对于端到端通信用户对叫与 m2，首先判定用户对!11 2是否处于用户对m :的发射波束覆盖范围内，若不处于覆盖范围内，则 判定两者的干扰标志位为〇,若用户对1112处于用户对^的发射波束覆盖范围内，则进一步判 断两者距离是否处于安全距离外，若两者距离大于安全距离，则判定两者的干扰标志位为 〇,若用户对111 2处于用户对^的发射波束覆盖范围内，则进一步判断两者距离是否处于安全 距离外，若两者距离小于安全距离，则判定两者的干扰标志位为1。
[0063] 进一步地，基站对于所有M个D2D用户组构建干扰图，每一个D2D用户组视为图中 的一个节点，若D2D用户对叫与m 2之间的干扰标志位为1，则两者之间有链路连接，若D2D 用户对叫与!!^之间的干扰标志位为0,则两者之间无链路连接，M个D2D用户组两两之间均 需要遍历，若干扰图中某两个节点之间有链路连接，则代表相关节点不可以被分配给相同 的频率资源进行通信。
[0064] 具体地，着色过程为：首次着色过程为每一个节点至少有一种颜色和/或资源分 配，第二次着色为每一个节点有预设值的种类颜色和/或资源分配，其中，每一个节点最终 着色大于等于一种颜色。
[0065] 进一步地，首次着色过程中，节点选择顺序为随机选择，第二次着色过程中，节点 选择顺序为从权重大的点到权重小的点进行遍历。节点权重的计算结果大小与该节点所代 表的端到端通信用户对的速率、相互之间距离、路损衰落成比例。
[0066] 更进一步地，完成对P个初始化种群个体进行干扰图建立以及资源分配之后，每 一个种群个体均进行适应度计算，每一个种群个体的适应度与其对应的上下行时隙分配方 式、频率资源分配方式成比例，其交叉、变异操作针对对象为上一代的，经过了适应度计算 的种群个体。算法需要经过若干次迭代操作，迭代收敛的判定标准为连续N次迭代中最优 个体的适应度值变化范围小于阈值W，迭代收敛之后，输出最优个体的值作为最终结果，并 将其对应的上下行时隙资源分配、频率资源分配方式通过下行信道告知相关用户终端。
[0067] 步骤S4 :通过对遗传算法的适应度计算、交叉、变异、迭代收敛过程。
[0068] 具体地，基站根据存储的M对D2D用户组进行初始化上下行时隙分配，采用的编码 规则为二进制编码，若〇代表上行时隙，则1代表下行时隙；若〇代表下行时隙，则1代表上 行时隙，则每一个初始化时隙分配编码序列为包含M个二进制比特的序列，其中每一个比 特代表第m(l << m << M)个D2D用户组的时隙分配。
[0069] 进一步地，基站随机产生I个二进制编码序列，每个编码序列包含M个二进制比 特，生成的I个二进制编码序列中，两两之间的编码序列内容均不相同。
[0070] 进一步地，基站依据初始化生成的I个编码序列初始化生成其对应I个的干扰图。 其具体步骤为：对于第i个编码序列，其中（1 << i << I)，基站依据其编码序列内容对 M个D2D用户组进行上下行时隙分配，并生成M个D2D用户组的信号发射波束场景图Fi;发 射波束场景图Fi包含了确定的M个D2D用户组上下行时隙通信状况，确定的波束覆盖情况。 因此基站针对发射波束场景图匕，如图2所示，对其中包含的M个D2D用户进行干扰图生 成；基站/接入点建立一个M行M列的干扰矩阵，并将值全部初始化为0 ;基站/接入点以 先行后列或先列后行的方式，进行M*M次循环计算，以更新用户干扰矩阵的值；当基站运算 到第ml行m2列时，其判定意义为：判定第ml组D2D用户组中的发射机对第m2组D2D用户 组中的接收机的干扰情况。其判定过程为：判定m2组D2D用户对的接收机是否处于ml组 D2D用户对发射机的波束覆盖范围内，若不处于，则干扰标志位置为0,相应干扰矩阵的ml 行m2列也赋值为0,若m2组D2D用户对的接收机处于ml组D2D用户对发射机的波束覆盖 范围内，则判定两者的距离Lml，m2是否大于安全距离Lsafe。若Lml，m2>>Lsafe，则干扰标志位 置为0,相应干扰矩阵的ml行m2列也赋值为0,若Lml，m2< Lsafe，则干扰标志位置为1，相应 干扰矩阵的ml行m2列也赋值为1 ;经过上述操作后，干扰矩阵即生成，则对应的干扰图也 生成完成，如图3所示。
[0071] 更进一步地，对生成的干扰图进行贪婪着色：具体地，首先保证每一个节点均有一 种颜色，即保证每一对D2D用户组均有资源进行通信。对于干扰图中的M个节点，循环M次， 每次随机选择一个节点m进行着色，假设着色资源池为RP all，节点m相邻所有节点当前着色 的资源池为RPMghbOT，m，则节点m的着色内容为从资源池RP m*随机选择的任一资源。其中 RPm= RPall-RPMghb"，m;其次，对每一个节点尽可能地着色以最多的颜色数目（即实现系统容 量最大化）。具体过程为，一次遍历所有的M个节点用户组，遍历顺序为从节点权重值最大 的节点开始到权重值最小的节点结束。每次迭代过程中，假设着色资源池为RP all，节点m相 邻所有节点当前着色的资源池为RPMghb?，m，则节点m的着色内容为资源池RP m中的所有资 源。其中 RPm - RP all_RPNeighbor,m°
[0072] 具体地，节点m的权重值确定方式依据公式:Wm =
【权利要求】
1. 一种上下行时隙与频率资源二维联合分配方法，其特征在于，包括具体w下步骤： S1;上传用户终端位置信息W及天线波束配置信息； 52 ;通过遗传算法的上下行时隙资源分配初始化； 53 ;通过特定时隙分配结果进行频率资源分配； 54 ;通过对遗传算法的适应度计算、交叉、变异、迭代收敛过程； 55 ;输出最优结果并下发上下行时隙资源W及频率资源分配结果。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括；用户终端根据GI^定 位系统、基站辅助定位系统和/或Wifi定位系统获取自身的位置，W及通过上行信令信道 将信息反馈给基站。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括；用户终端对自身的天 线波束配置信息进行量化编码，W及将量化编码通过上行信令信道反馈给基站。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括；基站依据遗传算法准 则进行初始化上下行时隙资源分配，初始化过程将生成大小为P的种群，其中，所述种群包 括P个二进制编码序列，P大于等于1。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，生成的所述P个二进制编码序列编码内容均 不相同。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括；基站对P种二进制编 码序列中的每一种确定的上下行时隙分配情况，构建P个干扰图，W及进行P种对应的频率 资源分配。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述构建干扰图后，通过贪婪算法准则进行 干扰图着色，其中，着色过程分为两次着色过程。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述着色过程为；首次着色过程为每一个节 点至少有一种颜色和/或资源分配，第二次着色为每一个节点有预设值的种类颜色和/或 资源分配，其中，每一个节点最终着色大于等于一种颜色。
9. 一种上下行时隙资源与频率资源二维联合分配装置，其特征在于，包括： 上传模块，用于上传用户终端位置信息W及天线波束配置信息； 初始化模块，用于通过遗传算法的上下行时隙资源分配初始化； 分配模块，用于通过特定时隙分配结果进行频率资源分配； 处理模块，用于通过对遗传算法的适应度计算、交叉、变异、迭代收敛过程； 输出模块，用于输出最优结果并下发上下行时隙资源W及频率资源分配结果。
10. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述上传模块还包括： 获取单元，用于用户终端根据GI^定位系统、基站辅助定位系统和/或Wifi定位系统 获取自身的位置； 第一反馈单元，用于通过上行信令信道将信息反馈给基站。
11. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述上传模块还包括： 编码单元，用于用户终端对自身的天线波束配置信息进行量化编码； 第二反馈模块，用于将量化编码通过上行信令信道反馈给基站。
12. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述初始化模块还包括： 生成单元，用于基站依据遗传算法准则进行初始化上下行时隙资源分配，初始化过程 将生成大小为p的种群，其中，所述种群包括p个二进制编码序列，p大于等于1。
13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，生成的所述P个二进制编码序列编码内容 均不相同。
14. 如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述分配模块还包括： 构建单元，用于基站对P种二进制编码序列中的每一种确定的上下行时隙分配情况， 构建P个干扰图，W及进行P种对应的频率资源分配。
15. 如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述分配模块还包括： 着色单元，用于构建干扰图后，通过贪婪算法准则进行干扰图着色，其中，着色过程分 为两次着色过程。
16. 如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述着色过程为；首次着色过程为每一个 节点至少有一种颜色和/或资源分配，第二次着色为每一个节点有预设值的种类颜色和/ 或资源分配，其中，每一个节点最终着色大于等于一种颜色。
【文档编号】H04W16/06GK104469780SQ201410648473
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】崔琪楣, 陶小峰, 刘银钧, 韩江 申请人:北京邮电大学