技术领域本发明属于无线通信技术领域，具体是一种基于稀疏码分多址接入机制SCMA的模式选择和频谱资源分配联合优化方法，可用于蜂窝与D2D异构网络中。
背景技术：
随着无线终端设备的急剧增长，以及人们对于高容量，高速率传输网络系统的要求，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，用户设备对于更多频谱资源的需求和目前有限的频谱资源之间的矛盾更为明显。因此要不断发展新的无线通信技术，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。同时由于D2D通信复用蜂窝用户的频谱资源以及D2D用户之间复用相同的频谱资源会引入很大的干扰，影响用户之间的正常通信。因此，对于用户之间干扰的管理和对D2D用户选择合适的复用资源使得蜂窝用户和D2D用户能正常通信，需要通过高效的频谱资源分配算法来解决。目前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。传统的异构网络存在以下缺点：(1)传统的异构网络大多只考虑一对D2D通信用户和一个蜂窝用户共享频谱资源的情况。并没有考虑多对D2D通信用户和一个蜂窝用户共享频谱资源的情况，也没有考虑多个D2D通信用户复用相同的频谱资源的情况。这种单一地考虑一对D2D通信用户和一个蜂窝用户共享频谱资源只能有限地提高频谱效率，不能充分发掘频谱复用增益的潜力。(2)传统的异构网络并没有为通信用户选择合适的通信模式，如蜂窝模式，D2D专用模式，D2D复用模式。这些模式选择机制的缺失可能导致通信质量下降，用户容量减少等问题。合适的通信模式选择机制能够应对复杂的网络场景，尤其是移动网络场景。(3)传统的异构网络大多使用正交频分复用多址接入机制OFDMA，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。以上这些缺陷使得现有网络系统有很多不完善之处，很大程度上降低了资源复用增益，对有限的频谱资源没有充分利用，影响了用户容量和系统和速率的提升。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述传统异构网络的不足，提供一种基于SCMA多址接入机制的资源分配方法，以提高频谱效率和系统和速率。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：(1)为蜂窝用户和以D2D专用模式工作的用户分配资源并确定SCMA码本：(1a)接收端根据发送用户的通信模式，接收发送数据：若发送用户以蜂窝模式通信，则基站接收发送数据，若发送用户以D2D模式通信，则其对应的接收端用户接收已发送数据；(1b)初始化K≥4，2≤N≤K，H≥K，m＝1,…,K，其中K表示总资源块数目，N表示每个发送用户所占资源块数目，H表示小区内用户数目，df表示给定的占用同一资源块的发送用户数目，表示当前占用第m个资源块的发送用户数目；(1c)计算小区内所有发送用户Ui的模式选择数值αi：αi=gUi,DRimgUi,BS0m]]>其中i＝1,…,H，表示发送用户Ui到其对应的接收端的信道增益，表示发送用户Ui到基站的信道增益；(1d)小区内每一个发送用户Ui根据其模式选择数值αi，选择不同的通信模式：若αi≤1，则用户Ui选择蜂窝模式进行通信，若αi＞1，则用户Ui选择D2D模式进行通信；(1e)对小区内所有用户的αi值以升序进行排序，选择具有最小αi值的发送用户Ui，并为该用户Ui选择N个资源块，使其信噪比最大，根据与df之间的关系，判断用户Ui是否能选择第m个资源块：若则表示用户Ui能选择第m个资源块，若则用户Ui不能选择第m个资源块，而选择其他资源块，使其信噪比最大；(1f)重复执行步骤(1e)，直至所有资源块满足其中m＝1,…,K；(1g)经过步骤(1e)-(1f)根据已分配用户所占资源情况确定最佳的SCMA码本；(2)为剩余未分配的D2D通信用户分配SCMA码本：(2a)初始化用户的服务质量要求QoS：初始化用户之间的干扰阈值τ，干扰限制范围半径δD，其中表示用户以蜂窝模式通信时的信干噪比阈值，表示用户以D2D专用模式通信时的信干噪比阈值，表示用户以D2D复用模式通信时的信干噪比阈值，δD表示为剩余未分配SCMA码本的用户所设置的干扰限制范围半径；(2b)基站获取用户之间的链路增益，构建冲突图G＝(V,E,C)，其中顶点集合V表示小区内未分配SCMA码本的D2D用户，边集合E表示顶点之间的连线，颜色集合C表示SCMA码本；(2c)确定在步骤(1e)-(1f)中已分配SCMA码本的用户在小区中的位置，根据用户位置与顶点的干扰限制范围之间的关系，确定每个顶点Uj的候选色集合Tj：若已分配SCMA码本的用户位于顶点Uj的干扰限制范围外，则顶点Uj可使用该SCMA码本所表示的颜色，否则不能使用该SCMA码本所表示的颜色；(2d)在冲突图G＝(V,E,C)中，计算顶点集合V中每个顶点Uj关于颜色集合C中每种颜色Ci的关联值γji，即找出与顶点Uj相连接的顶点Ul，且顶点Ul的候选色集合Tl包含颜色Ci，则关联值γji为顶点Ul的数目；(2e)从颜色集合C中随机选取一种颜色Ci，如果顶点Uj的候选色集合Tj中包含该颜色Ci，则保留该顶点Uj，否则去除该顶点Uj以及与该顶点的连线，此时在该冲突图G＝(V,E,C)中保留下来的拓扑结构即为关于颜色Ci的子图；(2f)选择具有最小γji值的第j个顶点Uj，使其与第i个顶点Ui进行资源复用匹配，其中顶点Ui表示在步骤(1e)-(1f)中已经分配SCMA码本的用户；(2g)根据顶点Ui的通信模式不同，设顶点Ui和顶点Uj需满足不同的服务质量要求QoS：若顶点Ui以蜂窝模式工作，则顶点Ui和顶点Uj需满足其中表示顶点Ui以蜂窝模式通信时的信干噪比，表示顶点Uj以D2D复用模式通信时的信干噪比；若顶点Ui以D2D专用模式工作，则顶点Ui和顶点Uj需满足其中和分别表示顶点Ui和顶点Uj以D2D专用模式通信时的信干噪比；(2h)对于满足上述步骤(2g)中任一条件的顶点Uj，为其涂上颜色Ci；(2i)在关于颜色Ci的子图中，去除上述步骤(2h)中的顶点Uj以及与顶点Uj相连接的其他顶点，且这些顶点的候选色集合包含颜色Ci；(2j)判断关于颜色Ci的子图是否为空集，如果该子图不为空集，则重复步骤(2f)-(2i)，否则，选择另一种颜色构建子图，重复步骤(2e)-(2i)，直至所有的颜色已使用完或者所有的顶点均已涂色，资源分配结束。本发明相比于传统异构网络频谱资源分配方法，具有如下优点：(1)本发明采用更为高效的稀疏码分多址接入机制SCMA，因为该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，所以本发明采用稀疏码分多址接入机制SCMA能够提高系统用户容量，提高频谱利用率；(2)本发明根据用户所在网络环境的不同，采用不同的通信模式和资源复用模式，解决了用户通信质量不佳，干扰现象严重的问题，提高了频谱效率与系统和速率；(3)本发明对不同通信模式下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，进而提高系统和速率。附图说明：图1是本发明使用的网络场景和资源复用方式示意图；图2是本发明的实现总流程图；图3是本发明中为蜂窝用户和以D2D专用模式工作的D2D用户分配资源并确定SCMA码本的子流程图；图4是本发明中为剩余未分配D2D用户分配SCMA码本的子流程图；图5是本发明中构建的冲突图示意图；图6是用本发明方法，随机资源分配方法，OSCA方法和IAHCA方法在不同的资源块数目K下系统和速率对比仿真图；图7是用本发明方法在不同资源块数目K和不同的给定每一块资源块上的用户数目df下的系统和速率仿真图；图8是本发明方法在不同资源块数目K和不同干扰限制范围半径δD下的系统和速率仿真图。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，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，U1表示蜂窝用户，U2,U3,U4和U5表示D2D发射端的用户，DR2，DR3，DR4和DR5表示D2D接收端的用户。因为D2D发射端用户U2和U3复用蜂窝用户U1的SCMA码本，所以用户U2和U3工作在D2D复用模式；同时由于D2D发射端用户U4和U5复用相同的SCMA码本，所以用户U4和U5工作在D2D专用模式。对于上述用户，本发明采用三种资源复用模式：(1)蜂窝模式：用户以基站为中继节点进行通信，用户间不存在干扰；(2)D2D专用模式：用户以端到端的通信模式进行通信，以该模式通信的多个用户允许复用相同的SCMA码本，用户之间存在干扰；(3)D2D复用模式：用户以端到端的通信模式进行通信，以该模式通信的用户允许和蜂窝用户复用相同的SCMA码本，用户之间存在干扰。参照图2，本发明的实现步骤如下：步骤1：为蜂窝用户和以D2D专用模式工作的通信用户分配资源，并确定SCMA码本。参照图3，本步骤的具体实现如下：(1a)接收端根据发送用户的通信模式，接收发送数据：若发送用户以蜂窝模式通信，则基站接收发送数据，若发送用户以D2D模式通信，则其对应的接收端用户接收已发送数据；(1b)初始化K≥4，2≤N≤K，H≥K，m＝1,…,K，其中K表示总资源块数目，N表示每个发送用户所占资源块数目，H表示小区内用户数目，df表示给定的占用同一资源块的发送用户数目，表示当前占用第m个资源块的发送用户数目；(1c)计算小区内所有发送用户Ui的模式选择数值αi：αi=gUi,DRimgUi,BS0m]]>其中i＝1,…,H，表示发送用户Ui到其对应的接收端的信道增益，表示发送用户Ui到基站的信道增益；(1d)小区内每一个发送用户Ui根据其模式选择数值αi，选择不同的通信模式：若αi≤1，则用户Ui选择蜂窝模式进行通信，若αi＞1，则用户Ui选择D2D模式进行通信；(1e)对小区内所有用户的αi值以升序进行排序，选择具有最小αi值的发送用户Ui，并为该用户Ui选择N个资源块，使其信噪比ζi最大：根据用户Ui不同的通信模式，该用户Ui的信噪比ζi计算方式不同：对于发送用户Ui以蜂窝模式通信的，其信噪比ζi的计算公式如下：ζi=Σm=1NPCgUi,BS0mNσ0]]>对于发送用户Ui以D2D专用模式通信的，其信噪比ζi的计算公式如下：ζi=Σm=1NPCgUi,BRimNσ0]]>其中，PC表示用户以蜂窝模式通信时在一个资源块上的发射功率，PD表示用户以D2D模式通信时在一个资源块上的发射功率，σ0表示用户在一个资源块上通信时的噪声功率；(1f)根据第m个资源块上的用户数目与给定的每一块资源块上的用户数目df之间的关系，判断用户Ui是否能选择第m个资源块：若则表示用户Ui能选择第m个资源块，若则用户Ui不能选择第m个资源块，而选择其他资源块，使其信噪比最大；(1g)重复执行步骤(1e)-(1f)直至所有资源块满足其中m＝1,…,K；(1h)经过步骤(1e)-(1g)，每一个已分配资源的用户，会占用相应的资源块组合，该资源块组合即为一个SCMA码本，通过遍历所有已分配资源的用户，即可确定最佳的SCMA码本集。步骤2：为剩余未分配的D2D通信用户分配SCMA码本。参照图4，本步骤的具体实现如下：(2a)初始化用户的服务质量要求QoS：初始化用户之间的干扰阈值τ，干扰限制范围半径δD，其中表示用户以蜂窝模式通信时的信干噪比阈值，表示用户以D2D专用模式通信时的信干噪比阈值，表示用户以D2D复用模式通信时的信干噪比阈值，δD表示为剩余未分配SCMA码本的用户所设置的干扰限制范围半径；(2b)基站获取用户之间的链路增益，构建冲突图G＝(V,E,C)，其中顶点集合V表示小区内未分配SCMA码本的D2D用户，边集合E表示顶点之间的连线，颜色集合C表示SCMA码本，构建冲突图具体过程如下：(2b1)基站获取顶点集合V中所有顶点之间的信道增益；(2b2)按照如下关系式判断顶点之间是否存在冲突边：其中τ表示顶点Ui和顶点Uj之间的干扰阈值，如果上述关系式成立，则顶点Ui与顶点Uj之间存在冲突边，否则，顶点Ui和顶点Uj之间不存在冲突边；(2b3)遍历完顶点集合V中的所有顶点，则可得到所有顶点之间形成的冲突边，这些冲突边的集合即为边集合E；(2b4)将步骤(1e)-(1h)得到的SCMA码本作为颜色集合C；(2b5)由步骤(2b1)-(2b4)得到冲突图G＝(V,E,C)的拓扑结构；根据步骤(2b)得到冲突图如图5所示：其中，BS0表示基站，顶点U6,U7,U8,U9和U10是冲突图G＝(V,E,C)顶点集合V中的顶点，这些顶点表示剩余未分配的D2D用户，冲突边(U6,U7)，(U6,U10)，(U7,U8)，(U7,U9)和(U9,U10)是冲突图G＝(V,E,C)边集合E中的冲突边，颜色C1,C2,C3,C4和C5是冲突图G＝(V,E,C)颜色集合C中的颜色。顶点U1,U2,U3,U4和U5表示在步骤1中已分配资源的蜂窝用户或以D2D专用模式工作的D2D用户，虚线圆表示顶点U6,U7,U8,U9和U10的干扰限制范围；(2c)确定在步骤(1e)-(1g)中已分配SCMA码本的用户在小区中的位置，根据用户位置与顶点的干扰限制范围之间的关系，确定每个顶点Uj的候选色集合Tj：若已分配SCMA码本的用户位于顶点Uj的干扰限制范围外，则顶点Uj可使用该SCMA码本所表示的颜色，否则不能使用该SCMA码本所表示的颜色；(2d)在冲突图G＝(V,E,C)中，计算顶点集合V中每个顶点Uj关于颜色集合C中每种颜色Ci的关联值γji，即找出与顶点Uj相连接的顶点Ul，且顶点Ul的候选色集合Tl包含颜色Ci，则关联值γji为顶点Ul的数目；(2e)从颜色集合C中随机选取一种颜色Ci，如果顶点Uj的候选色集合Tj中包含该颜色Ci，则保留该顶点Uj，否则去除该顶点Uj以及该顶点的连线，此时冲突图G＝(V,E,C)中保留下来的拓扑结构即为关于颜色Ci的子图；(2f)选择具有最小γji值的第j个顶点Uj，使其与第i个顶点Ui进行资源复用匹配，其中顶点Ui表示在步骤(1e)-(1g)中已经分配SCMA码本的用户；(2g)根据顶点Ui的通信模式不同，设顶点Ui和顶点Uj需满足不同的服务质量要求QoS：若顶点Ui以蜂窝模式工作，则顶点Ui和顶点Uj需满足其中表示顶点Ui以蜂窝模式通信时的信干噪比，表示顶点Uj以D2D复用模式通信时的信干噪比，和的计算公式如下：ξiC=Σm=1NPCgUi,BS0mΣjΣm=1NPDgUj,BS0m+Nσ0]]>ξjCD=Σm=1NPDgUj,DRjmΣm=1NPCgUi,DRjm+ΣlΣm=1NPDgUl,DRjm+Nσ0]]>若顶点Ui以D2D专用模式工作，则顶点Ui和顶点Uj需满足其中和分别表示顶点Ui和顶点Uj以D2D专用模式通信时的信干噪比，和的计算公式如下：ξiD=Σm=1NPDgUi,DRimΣjΣm=1NPDgUj,DRim+Nσ0]]>ξjD=Σm=1NPDgUj,DRjmΣiΣm=1NPDgUi,DRjm+Nσ0]]>(2h)对于满足上述步骤(2g)中任一条件的顶点Uj，为其涂上颜色Ci；(2i)在关于颜色Ci的子图中，去除上述步骤(2h)中的顶点Uj以及与顶点Uj相连接的其他顶点，且这些顶点的候选色集合包含颜色Ci；(2j)判断关于颜色Ci的子图是否为空集，如果该子图不为空集，则重复步骤(2f)-(2i)，否则，选择另一种颜色构建子图，重复步骤(2e)-(2i)，直至所有的颜色已使用完或者所有的顶点均已涂色，资源分配结束。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10m-50m范围内服从瑞利分布，每个待分配的D2D通信用户的干扰限制范围半径δD为60m-200m。设蜂窝用户的发射功率PC和D2D用户的发射功率PD均为10dBm，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。设系统噪声为频谱密度是-174dBm/Hz的零均值加性高斯白噪声，信道带宽为180kHz。设网络场景共有H＝200个通信用户，有4-12个资源块，每个通信用户在N＝2个资源块上发送数据，基站可以获得小区范围内所有用户的信道状态信息。2、仿真内容与结果分析：仿真1：用本发明方法，随机分配方法，OSCA方法和IAHCA方法对不同资源块数目K进行仿真，结果如图6所示。从图6可见，本发明的资源分配方法所获得的系统和速率明显高于随机分配方法和OSCA方法。这是因为本发明所采用的资源分配方法对信道资源进行了高效准确的调度，允许多个D2D用户和蜂窝用户复用相同的SCMA码本，并且减小了因资源复用所带来的干扰，因此有效地提高了系统和速率和频谱效率。在K值较大的情况下，本发明系统和速率高于IAHCA方法，说明本方法更适用于用户密度较高的网络场景。仿真2：用本发明方法对不同资源块数目K和不同的给定每一个资源块上用户数目df进行仿真，结果如图7所示。从图7可见，用本发明方法获得的系统和速率随着df值的增大而增大。这是因为在保障用户的服务质量要求QoS的前提下，更大的df值会带来更高的系统负载增益，使得系统的用户容量变大，从而提升系统和速率。仿真3：用本发明方法对不同资源块数目K和不同干扰限制范围半径δD进行仿真，结果如图8所示。从图8可见，随着待分配D2D用户的干扰限制范围半径δD增大，系统和速率会缓慢减小。这是因为待分配D2D用户的干扰限制范围半径δD越大，表示D2D用户对于服务质量的要求更高，会导致更多D2D用户处于未激活状态，使得系统容量减小，从而影响系统和速率。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。