基于模块度SC-FDMA系统的资源分配方法与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中一种基于模块度单载波频分多址接入sc-fdma(singlecarrierfrequencydivisionmultipleaccess)系统的资源分配方法。本发明可用于单载波频分多址接入sc-fdma系统中，对用户业务请求进行资源分配。

背景技术：

近年来，随着通信技术的发展和终端业务多样化的普及，人们对通信质量的要求逐渐提高，更加快速而准确的信息传递的需求成为通信领域的新挑战。然而，在业务请求的数量与种类都不断扩大和丰富情况下，各种竞争无线资源的压力增大，现有通信技术只能实现带宽资源相对粗糙的分配与调度，在用户多样化需求的资源分配方面的表现差强人意。为了克服现有无线资源相对粗糙的分配制度的缺陷，基于模块度单载波频分多址接入sc-fdma系统资源的分配方法可以提供更好的无线资源分配技术，根据用户业务流请求实现对无线资源更加具有针对性的分配与调度，从而提高用户接入率。

xiaofenglu等人在其发表的论文“dynamicusergroupingandjointresourceallocationwithmulti-cellcooperationforuplinkvirtualmimosystems”(ieeetransactionsonwirelesscommunications,vol.16,no.6,pp.3854-3869,jun.2017.)中提出一种基于迭代匈牙利的联合优化资源分配方法。该方法的具体步骤是，第一步：将用户分组，生成完备的用户分组集合；第二步：将资源块分组，生成完备的资源块分组集合；第三步：使用迭代匈牙利算法，得到最优的系统服务速率以及用户分组和资源块分组之间的组合情况。该方法存在的不足之处是，没有考虑到对完备的用户分组集合和完备的资源块分组集合进行资源分配时集合维度高，处理资源分配的难度大的问题，其复杂度较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于模块度单载波频分多址接入sc-fdma系统的资源分配方法，本发明考虑到对完备的用户分组集合和完备的资源块分组集合进行资源分配时集合维度高，处理资源分配的难度大的问题，采用基于模块度的方法将问题模型进行划分，有效降低了资源分配时资源块组集合和用户组集合的维度，并且提高了处理数据的速度。

实现本发明目的的思路是：将单载波频分多址接入sc-fdma系统中所有的资源块拆分，将资源块组和请求分配资源的用户组成二部图，并基于模块度将二部图进行划分，最后采用迭代匈牙利算法将资源块组分配给用户组，有效降低了资源分配时资源块组集合和用户组集合的维度，提高了处理数据的速度。

本发明具体步骤如下：

(1)分拆资源块：

利用分拆法，将单载波频分多址接入sc-fdma系统中所有的资源块拆分，生成多种资源块分拆集，每种资源块分拆集中包含多个资源块组，每种资源块分拆集中所有资源块组的集合是一个资源块组集；

(2)生成信道容量：

用每个请求分配资源的用户，在资源块分拆集中的每个资源块组的信道中所有帧容量的平均值，表示该信道的容量；

(3)生成容量度量矩阵：

按照资源块分拆集中的每个资源块组排列的顺序和用户请求分配资源的先后顺序，依次将每个请求分配资源的用户在资源块分拆集中的每个资源块组上的信道容量，填入一个二维矩阵对应的行与列的交点处，得到一个容量度量矩阵；

(4)构造资源块分拆集的二部图：

(4a)将资源块组集合和用户集合中的每个元素作为一个顶点；

(4b)在资源块组集合中任选1个未选过的顶点，将所选顶点依次与用户集合中所有顶点相连；

(4c)判断是否选完资源块组集合中的所有顶点，若是，执行步骤(4d)，否则，执行步骤(4b)；

(4d)将所有的顶点和连线组成资源块分拆集的二部图；

(5)生成二部图的权值矩阵：

(5a)将二维容量度量矩阵中行与列交点处的元素，填入到一个二维矩阵中相应的行与列的交点处；

(5b)分别按照资源块组拆分先后顺序与用户请求分配资源的先后顺序，依次将二部图中两个独立集合内各元素之间为0的权值填入到二维矩阵对应的行与列的交点处，得到一个二部图的权值矩阵；

(6)划分二部图：

(6a)将二部图模块度的初始值设置为0；

(6b)将二部图中的每个顶点划分成一个单独的子图，将所有子图组成当前二部图；

(6c)利用模块度计算公式，计算当前二部图的模块度；

(6d)判断计算的相邻两次二部图模块度的差值是否大于等于0，若大于0，则执行步骤(6e)，若等于0，则执行步骤(6f)，若小于0，则放弃本次划分；

(6e)将二部图权值矩阵中权值为正的元素对应的顶点划分成一个子图，作为当前二部图后执行步骤(6c)；

(6f)得到划分后二部图；

(7)生成请求分配资源用户组集合：

(7a)在划分后二部图中任选一个未选取的子图；

(7b)从所选子图中依次选取未选过的t个用户，将所选用户放入请求分配资源用户组集合中；

(7c)判断是否选完所选子图中请求分配资源的所有用户，若是，则执行步骤(7d)，否则，将所选用户数t+1后执行步骤(7b)；

(7d)判断是否选完二部图中的所有子图，若是，执行步骤(8)，否则，执行步骤(7a)；

(8)生成度量值矩阵：

(8a)利用度量值计算公式，计算请求分配资源用户组集合中的每个用户组与每个资源块组的度量值；

(8b)按照每个资源块组排列的顺序，与请求分配资源用户组集合中的每个用户组排列的顺序，依次将每个用户组与每个资源块组的度量值，填入一个二维矩阵对应的行与列的交点处，得到一个度量矩阵；

(9)分配资源：

(9a)将度量矩阵中最大值对应行的资源块组，分配给该最大值对应列的用户组，完成此次资源分配；

(9b)删除度量矩阵中完成资源分配的最大值所对应的行与列；

(9b)判断度量矩阵是否为空，若是，则执行步骤(10)，否则，执行步骤(9a)；

(10)完成单载波频分多址接入sc-fdma系统的资源分配。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

由于本发明通过构造资源块分拆集的二部图，将系统中的资源块组和用户构造成二部图，利用度量值矩阵完成单载波频分多址接入sc-fdma系统的资源分配，有效降低了资源块组集合和用户组集合的维度，克服了现有技术的sc-fdma系统的资源分配方法对完备的用户分组集合和完备的资源块分组集合进行资源分配时集合维度高，处理资源分配的难度大的缺点，使得本发明具有数据处理维度低和数据处理速度快的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明资源块分拆过程的示意图；

图3为本发明的划分二部图过程的示意图；

图4为本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参照图1，对本发明的具体步骤做进一步的详细描述。

步骤1，分拆资源块。

利用分拆法，将单载波频分多址接入sc-fdma系统中所有的资源块拆分，生成多种资源块分拆集，每种资源块分拆集中包含多个资源块组，每种资源块分拆集中所有资源块组的集合是一个资源块组集。

分拆法的具体步骤如下：

第一步，将单载波频分多址接入sc-fdma系统中所有连续的资源块表示成{b1,b2,…,bi,bi+1,…,bn}序列，其中，bi表示第i个资源块，n表示资源块的总数；

第二步，用n-1个横线分隔资源块序列，得到分隔后的资源块序列{b1,_,b2,_,…,bi,_,bi+1,…,_,bn}；

第三步，在n-1个横线上随机插入数字0或数字1，共有2^n-1种插值方法，将十进制数1至2^n-1均转换成长度为n-1的二进制序列，将2^n-1种二进制序列依次插入n-1个横线上，得到2^n-1种资源块分拆集；

第四步，在每种资源块分拆集中，当bi和bi+1之间的横线上插入数字0，bi和bi+1组成一个资源块组，当bi和bi+1之间的横线上插入数字1，bi和bi+1组成两个不同的资源块组，将资源块序列中的一个或一个以上连续的资源块组成资源块组。

参照图2，对本发明资源块分拆过程通过作如下举例做进一步的详细描述。

初始化资源块的个数为3，资源块序列表示为{rb1,rb2,rb3}，对资源块作如下拆分，图(a)表示第一种资源块分拆集中的资源块序列为{rb1,0,rb2,0,rb3}，此资源块分拆集中有一个资源块组，此资源块组中包含{rb1,rb2,rb3}三个资源块；图(b)表示第二种资源块分拆集中的资源块序列为{rb1,0,rb2,1,rb3}，此资源块分拆集中有两个资源块组，第一个资源块组包含{rb1,rb2}两个资源块，第二个资源块组包含{rb3}一个资源块；图(c)表示第三种资源块分拆集中的资源块序列为{rb1,1,rb2,0,rb3}，此资源块分拆集中有两个资源块组，第一个资源块组包含{rb1}一个资源块，第二个资源块组包含{rb2,rb3}两个资源块；图(d)表示第四种资源块分拆集中的资源块序列为{rb1,1,rb2,1,rb3}，此资源块分拆集中有三个资源块组，分别含有资源块{rb1}{rb2}{rb3}。

步骤2，生成信道容量。

用每个请求分配资源的用户，在资源块分拆集中的每个资源块组的信道中所有帧容量的平均值，表示该信道的容量。

步骤3，生成容量度量矩阵。

按照资源块分拆集中的每个资源块组排列的顺序和用户请求分配资源的先后顺序，依次将每个请求分配资源的用户在资源块分拆集中的每个资源块组上的信道容量，填入一个二维矩阵对应的行与列的交点处，得到一个容量度量矩阵如下：

其中，c表示容量度量矩阵，p表示第p个用户，q表示第q个资源块组，e[rq,p]表示第p个用户在第q个资源块组下的信道容量。

步骤4，构造资源块分拆集的二部图。

(4.1)将资源块组集合和用户集合中的每个元素作为一个顶点。

(4.2)在资源块组集合中任选1个未选过的顶点，将所选顶点依次与用户集合中所有顶点相连。

(4.3)判断是否选完资源块组集合中的所有顶点，若是，执行步骤(4.4)，否则，执行步骤(4.2)。

(4.4)将所有的顶点和连线组成资源块分拆集的二部图。

步骤5，生成二部图的权值矩阵。

将二维容量度量矩阵中行与列交点处的元素，填入到一个二维矩阵中相应的行与列的交点处。

分别按照资源块组拆分先后顺序与用户请求分配资源的先后顺序，依次将二部图中两个独立集合内各元素之间为0的权值填入到二维矩阵对应的行与列的交点处，得到一个二部图的权值矩阵。

步骤6，划分二部图。

(6.1)将二部图模块度的初始值设置为0。

(6.2)将二部图中的每个顶点划分成一个单独的子图，将所有子图组成当前二部图。

(6.3)利用模块度计算公式，计算当前二部图的模块度。

模块度计算公式如下：

其中，q表示整体二部图的模块度，c表示子图的总数，∑表示求和操作，ei’表示第i个子图中所有顶点之间的权值和与所有子图中顶点之间的权值和的比值，ei”表示第i个子图中所有顶点与其他所有子图中顶点之间的权值和与所有子图中顶点之间的权值和的比值。

(6.4)判断计算的相邻两次二部图模块度的差值是否大于等于0，若大于0，则执行步骤(6.5)，若等于0，则执行步骤(6.6)，若小于0，则放弃本次划分。

(6.5)将二部图权值矩阵中权值为正的元素对应的顶点划分成一个子图，作为当前二部图后执行步骤(6.3)。

(6.6)得到划分后二部图。

参照图3，对本发明划分二部图过程通过作如下举例做进一步的详细描述。

划分由用户1、用户2至用户m组成的多个用户和由资源块组1、资源块组2至资源块组n组成的多个资源块组组成的二部图，通过上述的步骤(6.3)中的模块度计算公式，划分二部图，得到的划分后的二部图，其中第一个子图由用户1、用户2至用户p和资源块组1、资源块组2至资源块组v组成，最后一个子图由用户q、用户q+1至用户k和资源块组w、资源块组w+1至资源块组n组成。

步骤7，生成请求分配资源用户组集合。

(7.1)在划分后二部图中任选一个未选取的子图。

(7.2)从所选子图中依次选取未选过的t个用户，将所选用户放入请求分配资源用户组集合中。

(7.3)判断是否选完所选子图中请求分配资源的所有用户，若是，则执行步骤(7.4)，否则，将所选用户数t+1后执行步骤(7.2)。

(7.4)判断是否选完二部图中的所有子图，若是，执行步骤8，否则，执行步骤(7.1)。

步骤8，生成度量值矩阵。

利用度量值计算公式，计算请求分配资源用户组集合中的每个用户组与每个资源块组的度量值。

所述度量值计算公式如下：

其中，um,g表示第g个用户组与第m个资源块组的度量值，∑表示求和操作，k表示第g个用户组中的用户数，k表示第g个用户组中的第k个用户，log(·)表示取2为底的对数操作，e[·]表示取均值操作，rm,g,k表示第g个用户组中第k个用户在第m个资源块组上的信道容量，ebk表示从mac层得到的第g个可选用户组中第k个用户的请求分配资源量。

按照每个资源块组排列的顺序，与请求分配资源用户组集合中的每个用户组排列的顺序，依次将每个用户组与每个资源块组的度量值，填入一个二维矩阵对应的行与列的交点处，得到一个度量矩阵。

步骤9，分配资源。

(9.1)将度量矩阵中最大值对应行的资源块组，分配给该最大值对应列的用户组，完成此次资源分配。

(9.2)删除度量矩阵中完成资源分配的最大值所对应的行与列。

(9.3)判断度量矩阵是否为空，若是，则执行步骤10，否则，执行步骤(9.1)。

步骤10，完成单载波频分多址接入sc-fdma系统的资源分配。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的描述。

1.仿真条件：

本发明仿真实验是在单载波频分多址接入系统上行链路无线通信场景中进行的，资源块个数为6，用户数为6，用户在每个虚拟网内均有1个业务请求。

2.仿真内容：

本发明的仿真实验有两个。

仿真1，按照本发明的仿真条件，对本发明所述的资源分配方法下的频谱效率与信噪比的关系与现有技术的基于迭代匈牙利资源分配方法下的频谱效率与信噪比的10个关系进行仿真，10个信噪比的依次选取为0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20，信噪比单位为db。

仿真2，按照本发明的仿真条件，对本发明所述的资源分配方法下的业务接入率和信噪比之间的关系与现有技术的基于迭代匈牙利资源分配方法下的业务接入率和信噪比之间的10个关系进行仿真，10个信噪比的依次选取为0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20，信噪比单位为db。

3.仿真结果分析：

图4是本发明方法与现有技术方法对比的仿真结果。

图4(a)是仿真实验1采用本发明方法与现有技术方法的频谱效率与信噪比关系折线图，其中，x轴表示信噪比,单位是db，y轴表示频谱效率，单位是bit/s/hz。图4(a)中以圆圈标示的曲线表示本发明方法的频谱效率与信噪比关系曲线，图4(a)中以星号标示的曲线表示现有技术方法的频谱效率与信噪比关系曲线。从图4(a)中可以看出，在相同的信噪比条件下，与现有技术的方法相比，本发明方法的频谱效率的取值一直是最大的，这是因为划分二部图后，对用户组集合和资源块组集合进行了降维处理，实现了对信道资源的高效的分配。

图4(b)是仿真实验2采用本发明方法与现有技术方法的业务接入率与信噪比关系折线图，其中，x轴表示信噪比,单位是db，y轴表示业务接入率，最大接入率为1。图4(b)中以圆圈标示的曲线表示本发明方法的业务接入率与信噪比关系曲线，图4(b)中以星号标示的曲线表示现有技术方法的业务接入率与信噪比关系曲线，从图4(b)中可以看出，在相同的信噪比条件下，与现有技术方法相比，本发明方法的业务接入率的取值一直是最大的，这是因为本发明方法将资源块组与用户组进行划分，使业务的接入更具有针对性，一定程度上提高了用户的业务接入率。