异构网络中混合多址接入的资源管理方法与流程

本发明属于无线通信
技术领域：
，具体是一种混合多址接入的资源管理方法，可用于异构网络中。
背景技术：
：随着移动和可穿戴设备的快速增加，用户对于无线通信资源的需求也在急剧增长，尤其是在即将到来的用户密度更高，传输速率更快的5G网络中，传统的蜂窝网络已经无法满足用户的各种速率需求。因此无线通信技术需要进一步发展以提高整个网络的系统性能，其中在蜂窝网络中引入端到端D2D通信技术成为一种新兴的发展趋势。D2D通信即在地理位置上邻近的用户无需经过基站可直接进行通信，具有提高系统吞吐量，提高频谱利用率，分担基站负载和减少终端电源消耗等优势。传统的异构网络主要由蜂窝用户和D2D通信用户构成，蜂窝用户需要通过基站中继来发送数据，而D2D用户无需通过基站中继可以直接进行通信，两种不同的通信方式能够满足不同网络场景下用户之间的数据传输，以适应复杂多变的无线网络系统。传统的使用单一多址接入异构网络存在以下缺点：(1)传统异构网络资源管理方法都是在单一多址接入机制下设计的，这些方法不适用于混合多址接入异构网络，不能有效的管理混合多址接入异构网络的系统资源，导致系统能耗高。(2)传统的单一多址接入异构网络主要使用正交频分复用多址接入机制OFDMA作为多址接入技术，但是其不能很好的适应即将到来的高用户密度，高传输速率的5G网络，不能充分利用有限的频谱资源；最近，稀疏码分多址接入机制SCMA作为一种新的多址接入技术被提出来，但是，SCMA不能很好的支持D2D用户，SCMA的联合译码对于能量和性能受限的D2D设备来说过于复杂。技术实现要素：本发明的目的在于针对上述异构网络的不足，提供一种混合多址接入的资源管理方法，以增加频谱效率，减小了译码复杂度，降低系统能耗。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：(1)为蜂窝用户分配SCMA码本,并为D2D用户分配OFDMA子载波：(1a)根据发送用户的类型，接收发送数据：对蜂窝用户发送数据，则由基站接收该发送数据，对D2D用户发送数据，则由该D2D用户对应的接收端接收该发送数据；(1b)初始化K≥4，2≤L<K，M≥0,N≥0，其中K表示总子载波数目，L表示每个码本所占子载波数目，J表示总的码本数目，df表示占用同一子载波的码本数，M表示总的蜂窝用户数目，N表示总的D2D用户数目，PC表示蜂窝用户的发送功率，PD表示D2D用户发送端的发送功率；(1c)根据基站获取用户的链路增益，构建干扰图G＝(V,E)，其中,V表示干扰图G中的顶点集合，由所有的蜂窝和D2D用户组成；E表示干扰图G中的边集合，边集合E中每条边都有一个边权W表示这条边所连接的两个顶点之间潜在的互干扰矩阵；(1d)计算顶点集合V中所有顶点的属性{α，β，θ}，其中，α表示最小干扰值，即某顶点与其它所有顶点互干扰的和在所有资源上的最小值；β表示最大信噪比，即某顶点在其最小干扰值α所对应的资源上的最大信噪比值；θ表示最期望得到的资源，即某顶点的最大信噪比β所对应的资源；(1e)比较顶点集合V中所有顶点的α值，获取α最小的顶点集合V*，比较该顶点集合V*中所有顶点的β值，得到β值最大的顶点V**,并为该最大的顶点V**分配其自己最期望得到的资源θ(V**)，如果V**是蜂窝用户，则θ(V**)表示SCMA码本，如果V**是D2D用户，则θ(V**)表示OFDMA子载波；(1f)从顶点集合V中去掉β值最大的顶点V**；(1g)重复执行步骤(1d)-(1f)，直至顶点集合V为空集；(2)采用迭代功率控制方法优化蜂窝用户和D2D用户的发射功率：(2a)初始化用户的服务质量要求QoS，即初始化t>0，ε>0，其中表示蜂窝用户速率约束，表示D2D用户速率约束，表示蜂窝用户的最大发射功率，表示D2D用户的最大发射功率，t表示迭代次数，ε表示功率迭代门限；(2b)根据D2D用户Dn的发射功率求蜂窝用户Cm的发射功率(2c)根据蜂窝用户Cm的发射功率求D2D用户Dn的发射功率(2d)判断蜂窝和D2D用户的发射功率是否满足如下条件：Σm=1M(PCmt+1-PCmt)+Σn=1N(PDnt+1-PDnt)<ϵ,]]>若满足，则结束循环，得到蜂窝和D2D用户的最优发射功率；否则，令t＝t+1，重复执行步骤(2b)-(2c)。本发明相比于传统使用单一多址接入异构网络资源管理方法，具有如下优点：1)本发明由于蜂窝用户采用更为高效的稀疏码分多址接入机制SCMA，提高了系统用户容量和频谱利用率，这是因为稀疏码分多址接入机制SCMA具有高负载增益，高效的资源利用率等特点；2)本发明由于D2D用户采用解码复杂度低的正交频分复用多址接入机制OFDMA，降低D2D设备的解码复杂度。3)本发明采用基于干扰图的资源管理方法，有效的协调了混合多址接入系统层交叉干扰，降低了系统能耗。4)本发明对用户的服务质量要求QoS进行可靠的约束，所以能够保证用户正常通信而不受干扰，进一步降低了系统能耗。附图说明图1是本发明使用的网络场景图；图2是本发明中用户、码本和子载波之间的映射关系；图3是本发明的实现总流程图；图4是本发明中为蜂窝用户分配SCMA码本并为D2D用户分配OFDMA子载波的子流程图；图5是本发明中采用迭代功率控制方法优化蜂窝用户和D2D用户的子流程图；图6是本发明构建的干扰图；图7是对本发明中用户发射功率收敛性仿真图；图8是采用本发明资源分配方法，随机分配方法，两端匹配方法在不同的蜂窝用户数目M和D2D用户数目N下的总发送功率仿真图；图9是采用本发明资源分配方法，随机分配方法，两端匹配方法在不同子载波数目K下的总发送功率和总干扰仿真图。具体实施方式下面将结合附图对本发明实施方式和效果做进一步详细描述。参照图1，本发明使用的网络场景为蜂窝上行与D2D异构网络，其中蜂窝用户使用稀疏码分多址接入技术SCMA而D2D用户使用正交频分复用多址接入技术OFDMA。本异构网络主要由基站、蜂窝用户和D2D用户构成，其中D2D用户由D2D发射端和D2D接收端组成。在该图中，BS0表示基站，C1，C2和C3表示蜂窝用户，DT1和DT2表示D2D用户的发射端，DR1和DR2表示D2D用户的接收端。参照图2，每个用户将分配一个通信资源发送数据，例如，每个蜂窝用户分配一个SCMA码本，每个D2D用户分配一个OFDMA子载波。参照图3，本发明的实现步骤如下：步骤1：为用户分配资源参照图4，本步骤具体实现如下：(1a)根据发送用户的类型，接收发送数据：蜂窝用户发送数据，由基站接收该发送数据，D2D用户发送数据，由该D2D用户对应的接收端接收该发送数据；(1b)初始化K≥4，2≤L<K，M≥0,N≥0，其中K表示总子载波数目，L表示每个码本所占子载波数目，J表示总的码本数目，df表示占用同一子载波的码本数，M表示总的蜂窝用户数目，N表示总的D2D用户数目，PC表示蜂窝用户的发送功率，PD表示D2D用户发送端的发送功率；(1c)根据基站获取用户的链路增益，构建干扰图G＝(V,E)：(1c1)将每一个蜂窝用户或者D2D用户表示为一个顶点，所有的蜂窝用户和D2D用户组成干扰图G的顶点集合V；(1c2)将干扰图G中的所有顶点进行两两连线，构成干扰图G的边集合E；(1c3)基站获取顶点集合V中所有顶点之间的信道增益；(1c4)按照如下等式得到第i个顶点Vi与第j个顶点Vj之间的边权WVi,Vj=WVi,Vj1,1...WVi,Vj1,y.........WVi,Vjx,1...WVi,Vjx,y.........---<1>]]>其中，表示第i个顶点Vi使用资源x与第j个顶点Vj使用资源y的互干扰，按如下方式计算：WVi,Vjx,y=IVi,Vjx,y+IVj,Viy,x---<2>]]>其中，表示第i个顶点Vi使用资源x对第j个顶点Vj使用资源y的干扰，表示第j个顶点Vj使用资源y对第i个顶点Vi使用资源x的干扰：IVi,Vjx,y=1(·),Vi∈C,Vj∈Cfx,y1LPCGVi,Vj,ry,Vi∈C,Vj∈Dfy,xPDGVi,t,BSx,Vi∈D,Vj∈C1(·),Vi∈D,Vj∈D,---<3>]]>IVj,Viy,x=1(·),Vi∈C,Vj∈Cfx,yPDGVj,t,BSy,Vi∈C,Vj∈Dfy,x1LPCGVj,Vi,rx,Vi∈D,Vj∈C1(·),Vi∈D,Vj∈D,---<4>]]>其中，C表示蜂窝用户的集合，D表示D2D用户的集合；式<3>和<4>有4种情况，分别如下：第一种：对于Vi∈C，Vj∈C的情况，x，y均表示SCMA码本，1(·)表示指示函数，若x＝y，则1(·)＝∞，否则，1(·)＝0；第二种：对于Vi∈C，Vj∈D的情况，x表示SCMA码本，y表示OFDMA子载波，PC表示蜂窝用户通信时在一个码本上的发射功率，这里每个码本的发射功率被平均分配到它所占用的子载波上；PD表示D2D用户通信时在一个子载波上的发射功率；fx,y表示码本x与子载波y的对应关系，若码本x占用子载波y，则fx,y＝1，否则，fx,y＝0；表示从第i个顶点Vi到第j个顶点Vj的接收端在子载波y上的信道增益，表示从第j个顶点Vj的发送端到基站在子载波y上的信道增益；第三种：对于Vi∈D，Vj∈C的情况，x表示OFDMA子载波，y表示SCMA码本，PC表示蜂窝用户通信时在一个码本上的发射功率，这里每个码本的发射功率被平均分配到它所占用的子载波上；PD表示D2D用户通信时在一个子载波上的发射功率；fy,x表示码本y与子载波x的对应关系，若码本y占用子载波x，则fy,x＝1，否则，fy,x＝0；表示从第i个顶点Vi的发送端到基站在子载波x上的信道增益，表示从第j个顶点Vj到第i个顶点Vi的接收端在子载波x上的信道增益；第四种：对于Vi∈D，Vj∈D的情况，x，y均表示OFDMA码本，1(·)表示指示函数，若x＝y，则1(·)＝∞，否则，1(·)＝0；(1c5)由步骤(1c1)-(1c4)得到干扰图G＝(V,E)的拓扑结构。(1d)计算顶点集合V中所有顶点的属性{α，β，θ}：(1d1)计算第i个顶点Vi的最小干扰值α(Vi)，α(Vi)=minx=1...Jψ(Vi,x),∀Vi∈Cminx=1...Kψ(Vi,x),∀Vi∈D,---<5>]]>ψ(Vi,x)=ΣVj∈CSVi,xWVi,Vjx,x+ΣVj∈DΣy=1KXVj,yfx,yWVi,Vjx,y,ifVi∈CΣVj∈CΣy=1JSVj,yfy,xWVj,Viy,x+ΣVj∈DSVi,xWVi,Vjx,x,ifVi∈D,---<6>]]>其中，C表示蜂窝用户的集合，D表示D2D用户的集合；ψ(Vi,x)表示顶点Vi所表示的用户在资源x上与其它蜂窝和D2D用户的互干扰之和。式<6>有2种情况，分别如下：第一种：对于Vi∈C的情况，x表示SCMA码本，y表示OFDMA子载波，且表示第i个顶点Vi是否占用码本x，若占用码本x，则否则，fx,y表示码本x与子载波y的对应关系，若码本x占用子载波y，则fx,y＝1，否则，fx,y＝0；表示第j个顶点Vj是否占用子载波y，若占用子载波y，则否则，第二种：对于Vi∈D的情况，x表示OFDMA子载波，y表示SCMA码本，且表示第j个顶点Vj是否占用码本y，若占用码本y，则否则，fy,x表示码本y与子载波x的对应关系，若码本y占用子载波x，则fy,x＝1，否则，fy,x＝0；表示第i个顶点Vi是否占用子载波x，若占用子载波x，则否则，(1d2)计算第i个顶点Vi的最大信噪比β(Vi)，β(Vi)=maxx∈Ω(Vi)SNR(Vi,x),---<7>]]>其中，SNR(Vi,x)表示第i个顶点Vi在资源x上的信噪比，Ω(Vi)表示第i个顶点Vi的最小干扰值α(Vi)所对应的资源集合：SNR(Vi,x)=ψ(Vi,x)=Σk=1KPCfx,kGVi,BSkLσ0B0,ifVi∈CPDGVi,tVi,rxσ0B0,ifVi∈D,---<8>]]>Ω(Vi)=argminx=1...Jψ(Vi,x),∀Vi∈Cargminx=1...Kψ(Vi,x),∀Vi∈D,---<9>]]>其中，ψ(Vi,x)表示顶点Vi在资源x上与其它顶点的互干扰之和，由式子<6>计算得到，C表示蜂窝用户的集合，D表示D2D用户的集合，σ0表示噪声功率谱密度，B0表示子载波带宽；式<8>分2种情况，分别如下：第一种：对于Vi∈C的情况，x表示SCMA码本，PC表示蜂窝用户通信时在一个码本上的发射功率，这里每个码本的发射功率被平均分配到它所占用的子载波上；表示第i个顶点Vi到基站在子载波k上的信道增益；fx,k表示码本x与子载波k的对应关系，若码本x占用子载波k，则fx,k＝1，否则，fx,k＝0；第二种：对于Vi∈D的情况，x表示OFDMA子载波，PD表示D2D用户通信时在一个子载波上的发射功率；表示第i个顶点Vi发射端到其对应的接收端在子载波x上的信道增益；(1d3)计算第i个顶点Vi最期望得到的资源θ(Vi)：θ(Vi)=argmaxx∈Ω(Vi)SNR(Vi,x),---<10>]]>其中，SNR(Vi,x)表示第i个顶点Vi在资源x上的信噪比，由式子<8>计算得到；(1d4)重复执行步骤(1d1)-(1d3)，依次计算出顶点集合V中所有顶点的属性{α，β，θ}。根据步骤(1c)和(1d)得到干扰图如图6所示：其中，顶点C1，C2，C3，D1和D2是干扰图G＝(V,E)顶点集合V中的顶点，顶点C1表示第1个蜂窝用户，顶点C2表示第2个蜂窝用户，顶点C3表示第3个蜂窝用户，顶点D1表示第1个D2D用户，顶点D2表示第2个D2D用户，{α(C1)，β(C1)，θ(C1)}是顶点C1的属性，{α(C2)，β(C2)，θ(C2)}是顶点C2的属性，{α(C3)，β(C3)，θ(C3)}是顶点C3的属性，{α(D1)，β(D1)，θ(D1)}是顶点D1的属性，{α(D2)，β(D2)，θ(D2)}是顶点D2的属性，边(C1,C2)，(C1,C3)，(C2,C3)，(C1,D1)，(C1,D2)，(C2,D1)，(C2,D2)，(C3,D1)，(C3,D2)和(D1,D2)是干扰图G＝(V,E)边集合E中的干扰边，和分别是这些边的边权；(1e)比较顶点集合V中所有顶点的α值，获取α最小的顶点集合V*，比较该顶点集合V*中所有顶点的β值，得到β值最大的顶点V**,并为该最大的顶点V**分配其自己最期望得到的资源θ(V**)，如果V**是蜂窝用户，则θ(V**)表示SCMA码本，如果V**是D2D用户，则θ(V**)表示OFDMA子载波；(1f)从顶点集合V中去掉β值最大的顶点V**；(1g)重复执行步骤(1d)-(1f)，直至顶点集合V为空集。步骤2：采用迭代功率控制方法优化蜂窝用户和D2D用户的发射功率。参照图5，本步骤的具体实现如下：(2a)初始化用户的服务质量要求QoS，即初始化t>0，ε>0，其中表示蜂窝用户速率约束，表示D2D用户速率约束，表示蜂窝用户的最大发射功率，表示D2D用户的最大发射功率，t表示迭代次数，ε表示功率迭代门限；(2b)根据D2D用户Dn的发射功率求蜂窝用户Cm的发射功率PCmt+1=min{PCmax,Σj=1JSCm,j*L(2RCreqB-1)Σk=1Kfj,kGCm,BSkΣn=1NXDn,k*PDntGDn,t,BSk+σ0B0},---<11>]]>其中，σ0表示噪声功率谱密度；B0表示子载波带宽；表示蜂窝用户Cm是否占用码本j，若蜂窝用户Cm占用码本j，则否则，表示D2D用户Dn是否占用子载波k，若D2D用户Dn占用子载波k，则否则，表示蜂窝用户Cm到基站在子载波k上的新到增益；表示D2D用户Dn发射端到基站在子载波k上的信道增益；表示D2D用户Dn的发射功率；(2c)根据蜂窝用户Cm的发射功率求D2D用户Dn的发射功率PDnt+1={PDmax,Σk=1KXDn,k*(2RDreqB-1)Σm=1MΣj=1JSCm,j*fj,kPCmtGGm,Dn,rk+σ0B0LGDn,t,Dn,rk}---<12>]]>其中，σ0表示噪声功率谱密度；B0表示子载波带宽；表示蜂窝用户Cm是否占用码本j，若蜂窝用户Cm占用码本j，则否则，表示D2D用户Dn是否占用子载波k，若D2D用户Dn占用子载波k，则否则，表示蜂窝用户Cm到D2D用户Dn的接收端在子载波k上的信道增益；表示D2D用户Dn发射端到其接收端在子载波k上的信道增益；表示蜂窝用户Cm的发射功率；(2d)判断用户发射功率是否满足如下条件：Σm=1M(PCmt+1-PCmt)+Σn=1N(PDnt+1-PDnt)<ϵ,]]>若满足，则结束循环，得到蜂窝和D2D用户的最优发射功率；否则，令t＝t+1，重复执行步骤(2b)-(2c)。本发明的效果可通过仿真进一步说明：1、仿真条件：在仿真场景中，设所有用户均匀分布于半径为500m的小区范围内，D2D通信链路长度在1m-20m范围内服从瑞利分布。设蜂窝用户的发射功率PC和D2D用户的发射功率PD均为10dBm，设蜂窝用户的最大发射功率和D2D用户的最大发射功率均为1w，信道模型为简单的路径损耗模型，蜂窝用户的通信链路信道增益为D2D通信链路信道增益为其中dC表示蜂窝用户与基站之间的距离，dD表示D2D用户发射端与对应接收端之间的距离。设系统噪声功率频谱密度是-150dBm/Hz的零均值加性高斯白噪声，信道带宽B0为180kHz。设每个码本占用L＝2个子载波，基站可以获得小区范围内所有用户的信道状态信息。仿真方法使用现有的随机分配方法、两端匹配方法和本发明，其中：随机分配方法是蜂窝用户随机选择一个SCMA码本，D2D用户随机选择一个OFDMA子载波。两端匹配方法，是蜂窝用户和D2D用户分别以功率为参数对码本和子载波进行匈牙利匹配。2、仿真内容与结果分析：仿真1：对本发明中用户发射功率的收敛性进行仿真，结果如图7所示。从图7可见，用户的发射功率收敛很快，另外，值得我们注意的是每个用户可以独立的从不同的初始值达到一个稳定点，这种快速收敛性和易于使用的特性使得本发明的迭代功率控制方法能很好的应用到实际应用中。仿真2：使用本发明资源分配方法，随机分配方法，两端匹配方法在不同的蜂窝用户数目M和D2D用户数目N下，进行资源分配仿真，结果如图8所示。从图8可见，本发明资源分配方法比现有两种方法更加节约功耗。这主要是由于本发明的网络场景是一个干扰受限的网络，干扰是制约网络性能的主要因素。本发明的资源分配方法基于干扰图可以有效的协调层交叉干扰。相反，另外两种方法不能很好的协调干扰。仿真3：使用本发明资源分配方法，随机分配方法，两端匹配方法在不同子载波数目K下进行资源分配仿真，结果如图9所示。从图9可见，本发明资源分配方法通过减小系统干扰极大的减小了用户的发射功率,这是因为本发明资源分配方法使用干扰图进行资源分配，使得相邻的两个蜂窝和D2D用户不能同时占用相同的频带。因此，本发明资源分配方法可以有效的减少干扰和用户发射功率。以上描述仅是本发明的具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本
发明内容和原理后，都能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页1 2 3