一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法与流程

本发明涉及通信技术的技术领域，特别是一种基于k-means的全双工d2d分簇资源分配的方法。

背景技术：

近年来，智能手机的兴起与迅猛发展深刻改变了人类的沟通、交流和娱乐方式。云计算、物联网及多媒体等无线应用的广泛使用，为高速、高效的无线通信技术提供了更好的平台。5g是面向2020年后信息通信需求而发展的下一代移动通信系统。它具有更高的频谱利用率和传输速率，在传输时延、qos感受、接入链路数目和安全等性能上也将得到显著提升。移动通信终端直通通信技术是移动通信领域中的一个研究热点。d2d是指相邻的终端可以在近距离范围内通过直连链路进行数据传输，而不需要通过中心节点进行转发。在这种情况下，基站只发送一些控制信息，大大减轻了基站的负荷。而d2d用户可以有效复用经网络授权的无线资源，从而提升无线频谱的复用率，扩大异构蜂窝网络的吞吐量和覆盖范围。在全双工模式下，由于允许用户同时同步收发信号，双倍地增高了频谱效益。该技术能够大幅度提升无线传输速率，有着巨大的技术优势和应用前景，是未来5g通信的备选方案之一。

在同一蜂窝小区下，信道资源被d2d通信与蜂窝用户同时复用，因此，d2d通信技术在带来便利的同时也带来了同频干扰等问题。当用户数量增加，彼此之间的干扰也会随之上升，网络容量优化和功率分配问题也随之产生，从而导致整个系统的功耗也随之增加。在异构网络中，有两种资源分配方案：一种是局部资源分配(固定小区服务用户的资源和自适应调节d2d对的资源分配)，另一种是全局资源分配(小区服务用户和d2d对联合分配资源)。由于d2d通信对相互之间竞争或合作地共享资源，所以它们个体或团体的行为符合博弈论的内在性质，可以利用其有效地建模和分析。

d2d通信技术与认知无线电技术(cognitiveradio,cr)结合可以有效地降低干扰。认知无线电技术通过与外界环境的交互而进行多维度频谱探测，能够实时与周环境进行交互，能够感知到接收的干扰，并对干扰予以判断，为认知用户选择最合适通信的频段，在不对主用户造成干扰的情况下，实现与主用户的频谱共享。如何统筹管理小区频谱资源，合理确定各设备的通信功率，最大限度地减少设备间干扰，成为d2d进入实用化阶段的主要瓶颈。现提出一种基于k-means的全双工d2d分簇资源分配的方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种基于k-means的全双工d2d分簇资源分配的方法，能够消除d2d对对基站、d2d对之间以及cu用户对d2d对的干扰，对分好簇的d2d对进行cu资源块分配，通过计算将最优资源块分配给d2d，可提高系统总体效能。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于k-means的全双工d2d分簇资源分配的方法，具体包括如下步骤：

s1.d2d用户对通信限制区域划定：划定一个d2d通信限制区域，在该区域内认为d2d对对基站的干扰很大，而在该区域外认为d2d对对基站的干扰可忽略，当基站接收到d2d链接建立请求时，基站首先判定d2d的发射端是否在d2d通信限制区域内，如果是则禁止d2d链接的建立；

s2.蜂窝用户被限制复用区域：当d2d用户和蜂窝用户使用相同上行资源时，cuj会对d2di，rx接收信号产生干扰，并且cuj和d2di，rx之间距离越近，干扰就越大，划定蜂窝用户被限制复用区域来减少这类干扰，所述cuj为第j个蜂窝用户，所述d2di，rx为第i对d2d用户的接收端；

s3.系统模型建立：为满足用户的qos请求，必须保证d2d用户的蜂窝用户达到各自的最小sinr，所述sinr为信号与干扰加噪声比；并且只有同时满足保证蜂窝用户和d2d用户满足其自身的qos需求这两个条件的d2d才可以被接入网络，其中，蜂窝用户和d2d用户的发射功率不应超过各自的最大发射功率；

s4.d2d对分簇解决d2d对相互间的干扰问题：对d2d用户对进行分簇处理，认为同一个簇中的d2d对相互间干扰可忽略，可以对同一个cu的资源进行复用，计算出各个d2d对之间的距离，d2d对之间的距离越近，则干扰越大，d2d对之间的距离值跟干扰值成反比；以距离值的倒数作为干扰值的表征，形成d2d对的干扰值矩阵，再利用k-means聚类的方法根据干扰值矩阵进行d2d对分簇；

s5.qos保证下的d2d用户簇的资源分配：资源分配阶段需对每个簇中的d2d用户进行筛选，只有既能满足d2d自身的qos请求，同时又能保证对蜂窝用户的正常通信不造成影响的d2d对才能最终接入网络；以throughputrj值表征每个簇在每个rb上达到的吞吐量，最终构建出一个以簇数和rb数为维度的二维throughputrj矩阵，根据构建的矩阵，为每个簇合理分配资源。

作为优选，在蜂窝系统模型中以bs为基站，第i个d2d用户对d2di复用第j个蜂窝用户cuj的上行资源，d2d对发射端d2di，tx到基站的信道增益，以及cuj到d2di，rx的信道增益分别表示为:

其中，k和α分别是由蜂窝系统环境所决定的路损常数和路损指数；di，b是d2di，tx到基站的距离，di，j是cuj到d2di，rx的距离；δi，b是d2di，tx到基站服从指数分布的快衰落增益；δi，j是cuj到d2di，rx服从指数分布的快衰落增益；ξi，b是d2di，tx到基站服从对数分布的慢衰落增益；ξi，j是cuj到d2di，rx服从对数分布的慢衰落增益；

所述步骤s1中设为d2d用户的最大发射功率，id，b表示d2d用户对对基站的干扰门限值，id，b由蜂窝小区根据长期观测得出，则必须满足：

联合式(1)和式(3)求解可得d2d通信限制区域的半径r1:

d2d通信限制区域就是以基站bs为圆心，r1为半径的圆形区域。

作为优选，所述步骤s2中设表示蜂窝用户的最大发射功率，ic，d表示蜂窝用户对d2d用户干扰的门限值，则蜂窝用户对d2d用户的干扰必须小于这个门限值，否则d2d用户也不能正常进行通信，满足公式

其中，ic，d由蜂窝小区长期观测决定；联合式(2)和式(5)可以计算出蜂窝用户被限制复用区域半径r2:

蜂窝用户被限制复用区域是以d2di，rx为圆心，r2为半径的圆形区域，在这个区域内的蜂窝用户不会被d2d对选择为潜在的复用对象。

作为优选，所述步骤s3中对小区m中的设备k而言，该设备通信时的sinr为：

其中，pr(m，k)＝pt(m，k)·gt(m，k)，表示设备k接收到小区m的有效信号强度，pt(m，k)为基站每个rb的发射功率，gt(m，k)是基站与设备间的信道增益；i(m，k)为来自其他设备的干扰之和；

则系统目标应为最大化系统吞吐量：

其中，和分别表示蜂窝用户和d2d用户的实际sinr；和分别表示蜂窝用户j和d2d用户i的实际发射功率；hcj，b表示蜂窝用户j和基站之间的信道增益，其模型为128.1+37.6·lgd，其中d表示蜂窝用户和基站之间的距离，以km为单位；hdi，di，hdl，di，hcj，di，hdi，cj表示用户之间的信道增益，其模型为10·lgd⁴，其中d表示两用户之间的距离，以m为单位；xi，j为一个二进制值，若用户i和用户j共享相同的资源，则xi，j＝1，否则为0；和分别为蜂窝用户和d2d用户正常通信时需达到的最小信噪比，上述目标函数表示最大化整个系统的吞吐量，前两个受限条件(1a)(1b)保证蜂窝用户和d2d用户满足其自身的qos需求，只有同时满足这两个条件的d2d才可以被接入网络；后两个受限条件(1c)(1d)表示蜂窝用户和d2d用户的发射功率不应超过各自的最大发射功率。

作为优选，所述步骤s4中设d2d设备总数为nue，则所有d2d设备记为x＝(x(i)，i＝1，2，...，nue)；分簇后形成kc个簇，记作c＝{c(j)，j＝1，2，...，kc}；具体算法过程为：

s4.1随机选取kc个初始分簇中心，记作u＝{u(j)，j＝1，2，...，kc}；

s4.2计算各个样本间的距离，使用距离值的倒数形成干扰值矩阵，将样本加入与其干扰值最小的那个中心的簇中；

s4.3计算簇c(j)内各点到其相应簇中心u(j)的距离平方和以及总距离平方和：

根据最小二乘法和拉格朗日原理，簇中心u(j)应取对应簇c(j)内各样本点的均值；

s4.4按照以上步骤进行迭代并更新簇，直到j(c)收敛即得到最小值，迭代结束；

s4.5输出：迭代结束后，输出分簇后的kc个簇中心的空间坐标以及每个簇中包含了哪些d2d设备。

作为优选，所述步骤s5中采用的资源共享模式为：蜂窝用户已事先分配好资源，且每个蜂窝用户占用一个rb，单个d2d簇可以复用多个蜂窝用户的频谱资源，而一个蜂窝频谱资源只能被一个簇复用；下面用矩阵y＝[ykn]表示信道分配情况，元素ykn＝1表示信道n分配给d2d簇k，否则等于0；满足分配方式yopt使得整个系统的吞吐量最大化，即：

其中，rkn表示簇k在rbn上的数据速率。

本发明的有益效果：本发明通过首先提出了d2d通信限制使用区域和d2d用户限制复用蜂窝用户区域的概念，以降低资源分配的复杂度和干扰强度。其次，根据d2d对之间的干扰程度，利用k-means算法进行分簇，以消除d2d对之间的干扰。再次，在满足蜂窝用户和d2d用户各自qos的前提下，改进资源分配算法，以最大化系统吞吐量。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明中问题描述系统模型图；

图2是本发明中d2d通信限制区域与蜂窝用户限制复用区域的示意图；

图3是本发明中d2d通信限制区域半径增加下的系统平均sinr变化情况图；

图4是本发明中两种资源分配方案在d2d对数增加情况下的系统总吞吐量情况；

图5是本发明中系统总吞吐量在两种方案下的累积分布函数。

【具体实施方式】

本发明要解决的问题描述如下：

考虑单小区模型，包括m个蜂窝用户和n个d2d用户对，小区子信道数目为l。其中蜂窝用户集合为c＝{c1，c2，...，cm}，d2d用户对集合为d＝{d1，d2，...，dn}。d2d用户对复用蜂窝用户的链路资源。和用户设备相比，基站具有更强大的抗干扰能力和处理能力，而且蜂窝网络上下行数据量具有不对称性，上行资源更未得到充分利用。因此，本发明讨论的d2d通信选择复用蜂窝系统的上行链路资源。

假设对于基站来说，各个用户设备的位置坐标都是已知的，这样就可以算出任意用户之间以及用户与基站之间的信道增益。如图1所示，在蜂窝系统模型中以bs为基站，第i个d2d用户对d2di复用第j个蜂窝用户cuj的上行资源。

如图1所示，cuj向bs发射信号，信道增益为gj，b。第i对d2d用户对d2di的发射端d2di，tx向其接收端d2di，rx发射信号，信道增益为gi。cuj发射信号时，会对d2di的接收信号d2di，rx产生干扰，信道增益为hi，j。d2di，tx发射信号时，会对基站接收信号产生干扰，信道增益为hi，b，高斯白噪声为n0。

除了考虑路损模型之外，还要考虑由多径效应产生的快衰落和阴影效应产生的慢衰落。所以d2d对发射端d2di，tx到基站的信道增益，以及cuj到d2di，rx的信道增益可以分别表示为:

其中，k和α分别是由蜂窝系统环境所决定的路损常数和路损指数；di，b是d2di，tx到基站的距离，di，j是cuj到d2di，rx的距离；δi，b是d2di，tx到基站服从指数分布的快衰落增益；δi，j是cuj到d2di，rx服从指数分布的快衰落增益；ξi，b是d2di，tx到基站服从对数分布的慢衰落增益；ξi，j是cuj到d2di，rx服从对数分布的慢衰落增益。

经过上述的分析可得，本场景下存在三类干扰：(1)d2d发送端对蜂窝系统的干扰；(2)蜂窝用户对d2d接收端的干扰；(3)共享相同频谱资源的d2d对之间的干扰。本发明要解决的问题即是在考虑三类干扰的情况下，建立蜂窝小区资源复用状态系统模型，并对其进行求解，以确定最佳资源分配方案。

本发明一种基于k-means的全双工d2d分簇资源分配的方法：具体包括如下步骤：

s1.d2d用户对通信限制区域划定

由于d2d用户复用的是蜂窝用户的上行资源，故d2d对离基站越近，对bs接收cu信号的干扰就越大。因此为了减少干扰，提高系统总的吞吐量，减少计算的复杂度，划定一个d2d通信限制区域，在该区域内认为d2d对对基站的干扰很大，而在该区域外认为d2d对对基站的干扰可忽略。设为d2d用户的最大发射功率，id，b表示d2d用户对对基站的干扰门限值。则必须满足

d2d用户对基站的干扰必须小于这个门限值，否则就会对基站带来比较严重的干扰，使蜂窝用户不能正常进行通信。其中，id，b由蜂窝小区根据长期观测得出。联合式(1)和式(3)求解可得d2d通信限制区域的半径r1:

所以，d2d通信限制区域就是以基站bs为圆心，r1为半径的圆形区域，则图1可转化为图2。当基站接收到d2d链接建立请求时，基站首先判定d2d的发射端是否在d2d通信限制区域内，如果是则禁止d2d链接的建立。如图2所示，以bs为圆心、r1为半径的圆是d2d通信限制区域。

s2.蜂窝用户被限制复用区域

由图1可知，当d2d用户和蜂窝用户使用相同上行资源时，cuj会对d2di，rx接收信号产生干扰，并且cuj和d2di，rx之间距离越近，干扰就越大。因此划定蜂窝用户被限制复用区域来减少这类干扰。设表示蜂窝用户的最大发射功率，ic，d表示蜂窝用户对d2d用户干扰的门限值，则蜂窝用户对d2d用户的干扰必须小于这个门限值，否则d2d用户也不能正常进行通信。即应该满足公式

其中，ic，d由蜂窝小区长期观测决定。联合式(2)和式(5)可以计算出蜂窝用户被限制复用区域半径r2:

所以如图2所示，蜂窝用户被限制复用区域是以d2di，rx为圆心，r2为半径的圆形区域。在这个区域内的蜂窝用户不会被d2d对选择为潜在的复用对象。

s3.系统模型建立

为满足用户的qos请求，必须保证d2d用户的蜂窝用户达到各自的最小sinr(信号与干扰加噪声比)。

对小区m中的设备k而言，该设备通信时的sinr为：

其中，pr(m，k)＝pt(m，k)·gt(m，k)，表示设备k接收到小区m的有效信号强度，pt(m，k)为基站每个rb的发射功率，gt(m，k)是基站与设备间的信道增益；i(m，k)为来自其他设备的干扰之和。

则系统目标应为最大化系统吞吐量：

其中，和分别表示蜂窝用户和d2d用户的实际sinr；和分别表示蜂窝用户j和d2d用户i的实际发射功率；hcj，b表示蜂窝用户j和基站之间的信道增益，其模型为128.1+37.6·lgd，其中d表示蜂窝用户和基站之间的距离，以km为单位；hdi，di，hdl，di，hcj，di，hdi，cj表示用户之间的信道增益，其模型为10·lgd⁴，其中d表示两用户之间的距离，以m为单位；xi，j为一个二进制值，若用户i和用户j共享相同的资源，则xi，j＝1，否则为0；和分别为蜂窝用户和d2d用户正常通信时需达到的最小信噪比。

上述目标函数表示最大化整个系统的吞吐量，前两个受限条件(1a)(1b)保证蜂窝用户和d2d用户满足其自身的qos需求，只有同时满足这两个条件的d2d才可以被接入网络。后两个受限条件(1c)(1d)表示蜂窝用户和d2d用户的发射功率不应超过各自的最大发射功率。

s4.d2d对分簇解决d2d对相互间的干扰问题

由于蜂窝小区中的d2d对之间也存在相互干扰的问题，为了系统资源的有效利用，尽量减小这种干扰，则对d2d用户对进行分簇处理，认为同一个簇中的d2d对相互间干扰可忽略，可以对同一个cu的资源进行复用。由于位置坐标已知，可以计算出各个d2d对之间的距离，d2d对之间的距离越近，则干扰越大，即d2d对之间的距离值跟干扰值成反比。这里使用距离值的倒数作为干扰值的表征，形成d2d对的干扰值矩阵。再利用k-means聚类的方法根据干扰值矩阵进行d2d对分簇。设d2d设备总数为nue，则所有d2d设备记为x＝(x(i)，i＝1，2，...，nue)。分簇后形成kc个簇，记作c＝{c(j)，j＝1，2，...，kc}。具体算法过程为：

(1)随机选取kc个初始分簇中心，记作u＝{u(j)，j＝1，2，...，kc}。

(2)计算各个样本间的距离，使用距离值的倒数形成干扰值矩阵，将样本加入与其干扰值最小的那个中心的簇中。

(3)计算簇c(j)内各点到其相应簇中心u(j)的距离平方和以及总距离平方和：

根据最小二乘法和拉格朗日原理，簇中心u(j)应取对应簇c(j)内各样本点的均值。

(4)按照以上步骤进行迭代并更新簇，直到j(c)收敛即得到最小值，迭代结束。

输出：迭代结束后，输出分簇后的kc个簇中心的空间坐标以及每个簇中包含了哪些d2d设备。

s5.qos保证下的d2d用户簇的资源分配

通过上述方案，将所有d2d用户对分为k个簇，每个簇称为gk。由于在每个tti下d2d的干扰情况不同，故簇的个数及簇的大小并不固定，这充分利用了d2d的瞬时信道状态信息。本节的主要任务是决定将哪个子信道分配给哪个簇。本发明考虑的资源共享模式为：蜂窝用户已事先分配好资源，且每个蜂窝用户占用一个rb，单个d2d簇可以复用多个蜂窝用户的频谱资源，而一个蜂窝频谱资源只能被一个簇复用。下面用矩阵y＝[ykn]表示信道分配情况，元素ykn＝1表示信道n分配给d2d簇k，否则等于0。本发明的目标是找到一种分配方式yopt使得整个系统的吞吐量最大化，即：

其中，rkn表示簇k在rbn上的数据速率。为了保证原蜂窝网络的正常通信，在实际资源分配阶段，需对每个簇中的d2d用户进行筛选，只有那些既能满足d2d自身的qos请求，同时又能保证对蜂窝用户的正常通信不造成影响的d2d对才能最终接入网络。因此，同一个簇gk在不同的资源块上能和蜂窝用户共享资源的d2d对是不同的，下文用簇gkjshare来表示簇gk中能共享rbj的d2d集合。

对于某个特定的rb，簇中最终能接入网络的d2d用户的筛选过程如下：

步骤(2)过滤了当考虑d2d对对基站的干扰、蜂窝用户对d2d对的干扰后，簇gk中不能满足自身qos请求的d2d用户对，得到簇gkj；步骤(3)计算簇gkj每个d2d用户对对蜂窝用户的干扰，并根据干扰值的大小将对应d2d用户排序；步骤(4)从簇gkj中对蜂窝用户干扰最小的d2d开始，计算该d2d共享rbj时蜂窝用户达到的sinr，若小于蜂窝用户的最小sinr，则不允许该d2d用户共享rbj；若满足，则将该d2d对放入簇gkjshare中，并加入干扰次小的d2d用户，再次计算蜂窝用户的sinr，直到小于蜂窝用户的最小sinr为止。最终获得gkj中所有能共享rbj的d2d用户对，且用簇gkjshare表示。

本发明用throughputrj值表征每个簇在每个rb上达到的吞吐量，最终构建出一个以簇数和rb数为维度的二维throughputrj矩阵，根据构建的矩阵，为每个簇合理分配资源。

其中簇gk共享rbj时的throughputrj值定义为：

其中，表示簇gkjshare中的d2d用户对在rbj所达到的sinr，γcu表示rbj的蜂窝用户在受到簇gkjshare中所有的d2d用户的干扰下达到的sinr。

具体的资源分配过程如下：

(1)初始化：根据式(8)计算出每个簇在每个rb上的throughputrj值，构建throughputrj矩阵，设集合s为尚未被分配的rb集合，j表示单个rb，j∈s

(2)while

在throughputrj矩阵中，找到最大的throughputrj值，得到该值对应的rbj和簇gkjshare；

将rbj分配给簇gkjshare；

将rbj对应的所有throughputrj置为-1000；

s＝s-{j}；

endwhile

(3)功率分配：d2d对i的最终发射功率(d2di分配到的rb个数)

蜂窝用户的发射功率

本发明仿真结果与分析如下：

仿真参数：

考虑一个半径为500m的单蜂窝小区场景，所有cu和du随机均匀分布在小区内，d2d对与cu均为静止状态，每个接收端和发射端均采用单天线。在仿真过程中，假设全双工d2d节点的自干扰消除数量为110db，天线增益为14.0dbi，上行链路带宽设置为1.4mhz，即资源块rb为6个。其他参数如表1所示。通过matlab软件进行仿真，本发明所提方案以系统总吞吐量和平均信干燥比作为优化目标，并与全双工随机资源分配方案[chentw2014,soncd2014]进行了对比和分析，验证了本发明所提分配方案的有效性。

表1仿真主要参数

验证分析：

(1)d2d通信限制区域验证

图3为d2d通信限制区域半径增加下的系统平均sinr变化情况图。从图3可以看到，当d2d通信限制区域半径从0m增加到150m时，系统平均sinr增加并不是很明显；当半径超过150m时，系统平均sinr随着d2d通信限制区域半径的增大而逐渐增大。由此可见，为了降低d2d用户对基站的干扰，蜂窝小区加入d2d通信限制区域是十分必要的，而在本发明设定的实验条件下，d2d通信限制区域的半径大小大概在150m左右。同时由图3可以看出所提算法在系统频谱效率上要明显优于文献[chentw2014,soncd2014]中的资源块随机分配算法。

(2)d2d对数对系统总吞吐量的影响验证

图4为两种资源分配方案在d2d对数增加情况下的系统总吞吐量情况。由图4可以看出，当d2d用户对个数为20对以下时，本发明所提出的资源分配方案与随机分配方案的吞吐量相差不大。随着d2d对数的增加，两种方案的系统总吞吐量都逐渐上升，但本发明提出的方案的吞吐量明显高于随机资源分配方案。

(3)系统总吞吐量累积分布函数对比

图5为系统总吞吐量在两种方案下的累积分布函数。由于本发明提出的方法首先采用k-means聚类对相互间产生干扰可以忽略的d2d对进行了分簇，再利用最优资源分配算法将最优的rb分配给d2d对，使系统内可复用的rb得到了充分的利用，蜂窝系统中建立的d2d链路数达到了最大化。因此和参考算法相比，系统的总吞吐量得到显著提升。

本发明一种基于k-means的全双工d2d分簇资源分配的方法，为了消除d2d对对基站、d2d对之间以及cu用户对d2d对的干扰，提出了相应的对策及解决办法，构建了系统效能最大化的函数模型，并对其进行了求解。对于消除d2d对对基站的干扰，提出了d2d对通信限制区域的概念，在限制区域以外d2d对对基站的干扰可忽略。对于cu用户对d2d用户对的干扰提出限制复用区域概念，在限制复用区域外，d2d对才有可能复用该cu资源。对于d2d对之间的干扰，提出了使用k-means算法利用d2d对之间的干扰强度值对其进行分簇的算法，相互间的干扰值越大则分在一个簇的概率越小，分在同一个簇的d2d对之间干扰的可忽略，即它们可复用同一个cu的资源。然后，对资源分配的过程进行了算法描述，对分好簇的d2d对进行cu资源块分配，通过计算将最优资源块分配给d2d对，从而一方面尽量消除干扰，另一方面提高系统总体效能。最后，利用matlab软件对系统进行了实验仿真，结果表明本发明提出的资源分配方案能有效消除干扰，提高系统总体效能。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。