異構網絡中混合多址接入的資源管理方法與流程
2023-06-09 11:04:41 1
本發明屬於無線通信
技術領域：
，具體是一種混合多址接入的資源管理方法，可用於異構網絡中。
背景技術：
：隨著移動和可穿戴設備的快速增加，用戶對於無線通信資源的需求也在急劇增長，尤其是在即將到來的用戶密度更高，傳輸速率更快的5G網絡中，傳統的蜂窩網絡已經無法滿足用戶的各種速率需求。因此無線通信技術需要進一步發展以提高整個網絡的系統性能，其中在蜂窩網絡中引入端到端D2D通信技術成為一種新興的發展趨勢。D2D通信即在地理位置上鄰近的用戶無需經過基站可直接進行通信，具有提高系統吞吐量，提高頻譜利用率，分擔基站負載和減少終端電源消耗等優勢。傳統的異構網絡主要由蜂窩用戶和D2D通信用戶構成，蜂窩用戶需要通過基站中繼來發送數據，而D2D用戶無需通過基站中繼可以直接進行通信，兩種不同的通信方式能夠滿足不同網絡場景下用戶之間的數據傳輸，以適應複雜多變的無線網絡系統。傳統的使用單一多址接入異構網絡存在以下缺點：(1)傳統異構網絡資源管理方法都是在單一多址接入機制下設計的，這些方法不適用於混合多址接入異構網絡，不能有效的管理混合多址接入異構網絡的系統資源，導致系統能耗高。(2)傳統的單一多址接入異構網絡主要使用正交頻分復用多址接入機制OFDMA作為多址接入技術，但是其不能很好的適應即將到來的高用戶密度，高傳輸速率的5G網絡，不能充分利用有限的頻譜資源；最近，稀疏碼分多址接入機制SCMA作為一種新的多址接入技術被提出來，但是，SCMA不能很好的支持D2D用戶，SCMA的聯合解碼對於能量和性能受限的D2D設備來說過於複雜。技術實現要素：本發明的目的在於針對上述異構網絡的不足，提供一種混合多址接入的資源管理方法，以增加頻譜效率，減小了解碼複雜度，降低系統能耗。為實現上述目的，本發明的技術方案如下：(1)為蜂窩用戶分配SCMA碼本,並為D2D用戶分配OFDMA子載波：(1a)根據發送用戶的類型，接收發送數據：對蜂窩用戶發送數據，則由基站接收該發送數據，對D2D用戶發送數據，則由該D2D用戶對應的接收端接收該發送數據；(1b)初始化K≥4，2≤L0，ε>0，其中表示蜂窩用戶速率約束，表示D2D用戶速率約束，表示蜂窩用戶的最大發射功率，表示D2D用戶的最大發射功率，t表示迭代次數，ε表示功率迭代門限；(2b)根據D2D用戶Dn的發射功率求蜂窩用戶Cm的發射功率(2c)根據蜂窩用戶Cm的發射功率求D2D用戶Dn的發射功率(2d)判斷蜂窩和D2D用戶的發射功率是否滿足如下條件：Σm=1M(PCmt+1-PCmt)+Σn=1N(PDnt+1-PDnt)<,]]>若滿足，則結束循環，得到蜂窩和D2D用戶的最優發射功率；否則，令t＝t+1，重複執行步驟(2b)-(2c)。本發明相比於傳統使用單一多址接入異構網絡資源管理方法，具有如下優點：1)本發明由於蜂窩用戶採用更為高效的稀疏碼分多址接入機制SCMA，提高了系統用戶容量和頻譜利用率，這是因為稀疏碼分多址接入機制SCMA具有高負載增益，高效的資源利用率等特點；2)本發明由於D2D用戶採用解碼複雜度低的正交頻分復用多址接入機制OFDMA，降低D2D設備的解碼複雜度。3)本發明採用基於幹擾圖的資源管理方法，有效的協調了混合多址接入系統層交叉幹擾，降低了系統能耗。4)本發明對用戶的服務質量要求QoS進行可靠的約束，所以能夠保證用戶正常通信而不受幹擾，進一步降低了系統能耗。附圖說明圖1是本發明使用的網絡場景圖；圖2是本發明中用戶、碼本和子載波之間的映射關係；圖3是本發明的實現總流程圖；圖4是本發明中為蜂窩用戶分配SCMA碼本並為D2D用戶分配OFDMA子載波的子流程圖；圖5是本發明中採用迭代功率控制方法優化蜂窩用戶和D2D用戶的子流程圖；圖6是本發明構建的幹擾圖；圖7是對本發明中用戶發射功率收斂性仿真圖；圖8是採用本發明資源分配方法，隨機分配方法，兩端匹配方法在不同的蜂窩用戶數目M和D2D用戶數目N下的總發送功率仿真圖；圖9是採用本發明資源分配方法，隨機分配方法，兩端匹配方法在不同子載波數目K下的總發送功率和總幹擾仿真圖。具體實施方式下面將結合附圖對本發明實施方式和效果做進一步詳細描述。參照圖1，本發明使用的網絡場景為蜂窩上行與D2D異構網絡，其中蜂窩用戶使用稀疏碼分多址接入技術SCMA而D2D用戶使用正交頻分復用多址接入技術OFDMA。本異構網絡主要由基站、蜂窩用戶和D2D用戶構成，其中D2D用戶由D2D發射端和D2D接收端組成。在該圖中，BS0表示基站，C1，C2和C3表示蜂窩用戶，DT1和DT2表示D2D用戶的發射端，DR1和DR2表示D2D用戶的接收端。參照圖2，每個用戶將分配一個通信資源發送數據，例如，每個蜂窩用戶分配一個SCMA碼本，每個D2D用戶分配一個OFDMA子載波。參照圖3，本發明的實現步驟如下：步驟1：為用戶分配資源參照圖4，本步驟具體實現如下：(1a)根據發送用戶的類型，接收發送數據：蜂窩用戶發送數據，由基站接收該發送數據，D2D用戶發送數據，由該D2D用戶對應的接收端接收該發送數據；(1b)初始化K≥4，2≤L<K，M≥0,N≥0，其中K表示總子載波數目，L表示每個碼本所佔子載波數目，J表示總的碼本數目，df表示佔用同一子載波的碼本數，M表示總的蜂窩用戶數目，N表示總的D2D用戶數目，PC表示蜂窩用戶的發送功率，PD表示D2D用戶發送端的發送功率；(1c)根據基站獲取用戶的鏈路增益，構建幹擾圖G＝(V,E)：(1c1)將每一個蜂窩用戶或者D2D用戶表示為一個頂點，所有的蜂窩用戶和D2D用戶組成幹擾圖G的頂點集合V；(1c2)將幹擾圖G中的所有頂點進行兩兩連線，構成幹擾圖G的邊集合E；(1c3)基站獲取頂點集合V中所有頂點之間的信道增益；(1c4)按照如下等式得到第i個頂點Vi與第j個頂點Vj之間的邊權WVi,Vj=WVi,Vj1,1...WVi,Vj1,y.........WVi,Vjx,1...WVi,Vjx,y.........---]]>其中，表示第i個頂點Vi使用資源x與第j個頂點Vj使用資源y的互幹擾，按如下方式計算：WVi,Vjx,y=IVi,Vjx,y+IVj,Viy,x---]]>其中，表示第i個頂點Vi使用資源x對第j個頂點Vj使用資源y的幹擾，表示第j個頂點Vj使用資源y對第i個頂點Vi使用資源x的幹擾：IVi,Vjx,y=1,ViC,VjCfx,y1LPCGVi,Vj,ry,ViC,VjDfy,xPDGVi,t,BSx,ViD,VjC1,ViD,VjD,---]]>IVj,Viy,x=1,ViC,VjCfx,yPDGVj,t,BSy,ViC,VjDfy,x1LPCGVj,Vi,rx,ViD,VjC1,ViD,VjD,---]]>其中，C表示蜂窩用戶的集合，D表示D2D用戶的集合；式和有4種情況，分別如下：第一種：對於Vi∈C，Vj∈C的情況，x，y均表示SCMA碼本，1(·)表示指示函數，若x＝y，則1(·)＝∞，否則，1(·)＝0；第二種：對於Vi∈C，Vj∈D的情況，x表示SCMA碼本，y表示OFDMA子載波，PC表示蜂窩用戶通信時在一個碼本上的發射功率，這裡每個碼本的發射功率被平均分配到它所佔用的子載波上；PD表示D2D用戶通信時在一個子載波上的發射功率；fx,y表示碼本x與子載波y的對應關係，若碼本x佔用子載波y，則fx,y＝1，否則，fx,y＝0；表示從第i個頂點Vi到第j個頂點Vj的接收端在子載波y上的信道增益，表示從第j個頂點Vj的發送端到基站在子載波y上的信道增益；第三種：對於Vi∈D，Vj∈C的情況，x表示OFDMA子載波，y表示SCMA碼本，PC表示蜂窩用戶通信時在一個碼本上的發射功率，這裡每個碼本的發射功率被平均分配到它所佔用的子載波上；PD表示D2D用戶通信時在一個子載波上的發射功率；fy,x表示碼本y與子載波x的對應關係，若碼本y佔用子載波x，則fy,x＝1，否則，fy,x＝0；表示從第i個頂點Vi的發送端到基站在子載波x上的信道增益，表示從第j個頂點Vj到第i個頂點Vi的接收端在子載波x上的信道增益；第四種：對於Vi∈D，Vj∈D的情況，x，y均表示OFDMA碼本，1(·)表示指示函數，若x＝y，則1(·)＝∞，否則，1(·)＝0；(1c5)由步驟(1c1)-(1c4)得到幹擾圖G＝(V,E)的拓撲結構。(1d)計算頂點集合V中所有頂點的屬性{α，β，θ}：(1d1)計算第i個頂點Vi的最小幹擾值α(Vi)，α(Vi)=minx=1...Jψ(Vi,x),ViCminx=1...Kψ(Vi,x),ViD,---]]>ψ(Vi,x)=ΣVjCSVi,xWVi,Vjx,x+ΣVjDΣy=1KXVj,yfx,yWVi,Vjx,y,ifViCΣVjCΣy=1JSVj,yfy,xWVj,Viy,x+ΣVjDSVi,xWVi,Vjx,x,ifViD,---]]>其中，C表示蜂窩用戶的集合，D表示D2D用戶的集合；ψ(Vi,x)表示頂點Vi所表示的用戶在資源x上與其它蜂窩和D2D用戶的互幹擾之和。式有2種情況，分別如下：第一種：對於Vi∈C的情況，x表示SCMA碼本，y表示OFDMA子載波，且表示第i個頂點Vi是否佔用碼本x，若佔用碼本x，則否則，fx,y表示碼本x與子載波y的對應關係，若碼本x佔用子載波y，則fx,y＝1，否則，fx,y＝0；表示第j個頂點Vj是否佔用子載波y，若佔用子載波y，則否則，第二種：對於Vi∈D的情況，x表示OFDMA子載波，y表示SCMA碼本，且表示第j個頂點Vj是否佔用碼本y，若佔用碼本y，則否則，fy,x表示碼本y與子載波x的對應關係，若碼本y佔用子載波x，則fy,x＝1，否則，fy,x＝0；表示第i個頂點Vi是否佔用子載波x，若佔用子載波x，則否則，(1d2)計算第i個頂點Vi的最大信噪比β(Vi)，β(Vi)=maxxΩ(Vi)SNR(Vi,x),---]]>其中，SNR(Vi,x)表示第i個頂點Vi在資源x上的信噪比，Ω(Vi)表示第i個頂點Vi的最小幹擾值α(Vi)所對應的資源集合：SNR(Vi,x)=ψ(Vi,x)=Σk=1KPCfx,kGVi,BSkLσ0B0,ifViCPDGVi,tVi,rxσ0B0,ifViD,---]]>Ω(Vi)=argminx=1...Jψ(Vi,x),ViCargminx=1...Kψ(Vi,x),ViD,---]]>其中，ψ(Vi,x)表示頂點Vi在資源x上與其它頂點的互幹擾之和，由式子計算得到，C表示蜂窩用戶的集合，D表示D2D用戶的集合，σ0表示噪聲功率譜密度，B0表示子載波帶寬；式分2種情況，分別如下：第一種：對於Vi∈C的情況，x表示SCMA碼本，PC表示蜂窩用戶通信時在一個碼本上的發射功率，這裡每個碼本的發射功率被平均分配到它所佔用的子載波上；表示第i個頂點Vi到基站在子載波k上的信道增益；fx,k表示碼本x與子載波k的對應關係，若碼本x佔用子載波k，則fx,k＝1，否則，fx,k＝0；第二種：對於Vi∈D的情況，x表示OFDMA子載波，PD表示D2D用戶通信時在一個子載波上的發射功率；表示第i個頂點Vi發射端到其對應的接收端在子載波x上的信道增益；(1d3)計算第i個頂點Vi最期望得到的資源θ(Vi)：θ(Vi)=argmaxxΩ(Vi)SNR(Vi,x),---]]>其中，SNR(Vi,x)表示第i個頂點Vi在資源x上的信噪比，由式子計算得到；(1d4)重複執行步驟(1d1)-(1d3)，依次計算出頂點集合V中所有頂點的屬性{α，β，θ}。根據步驟(1c)和(1d)得到幹擾圖如圖6所示：其中，頂點C1，C2，C3，D1和D2是幹擾圖G＝(V,E)頂點集合V中的頂點，頂點C1表示第1個蜂窩用戶，頂點C2表示第2個蜂窩用戶，頂點C3表示第3個蜂窩用戶，頂點D1表示第1個D2D用戶，頂點D2表示第2個D2D用戶，{α(C1)，β(C1)，θ(C1)}是頂點C1的屬性，{α(C2)，β(C2)，θ(C2)}是頂點C2的屬性，{α(C3)，β(C3)，θ(C3)}是頂點C3的屬性，{α(D1)，β(D1)，θ(D1)}是頂點D1的屬性，{α(D2)，β(D2)，θ(D2)}是頂點D2的屬性，邊(C1,C2)，(C1,C3)，(C2,C3)，(C1,D1)，(C1,D2)，(C2,D1)，(C2,D2)，(C3,D1)，(C3,D2)和(D1,D2)是幹擾圖G＝(V,E)邊集合E中的幹擾邊，和分別是這些邊的邊權；(1e)比較頂點集合V中所有頂點的α值，獲取α最小的頂點集合V*，比較該頂點集合V*中所有頂點的β值，得到β值最大的頂點V**,並為該最大的頂點V**分配其自己最期望得到的資源θ(V**)，如果V**是蜂窩用戶，則θ(V**)表示SCMA碼本，如果V**是D2D用戶，則θ(V**)表示OFDMA子載波；(1f)從頂點集合V中去掉β值最大的頂點V**；(1g)重複執行步驟(1d)-(1f)，直至頂點集合V為空集。步驟2：採用迭代功率控制方法優化蜂窩用戶和D2D用戶的發射功率。參照圖5，本步驟的具體實現如下：(2a)初始化用戶的服務質量要求QoS，即初始化t>0，ε>0，其中表示蜂窩用戶速率約束，表示D2D用戶速率約束，表示蜂窩用戶的最大發射功率，表示D2D用戶的最大發射功率，t表示迭代次數，ε表示功率迭代門限；(2b)根據D2D用戶Dn的發射功率求蜂窩用戶Cm的發射功率PCmt+1=min{PCmax,Σj=1JSCm,j*L(2RCreqB-1)Σk=1Kfj,kGCm,BSkΣn=1NXDn,k*PDntGDn,t,BSk+σ0B0},---]]>其中，σ0表示噪聲功率譜密度；B0表示子載波帶寬；表示蜂窩用戶Cm是否佔用碼本j，若蜂窩用戶Cm佔用碼本j，則否則，表示D2D用戶Dn是否佔用子載波k，若D2D用戶Dn佔用子載波k，則否則，表示蜂窩用戶Cm到基站在子載波k上的新到增益；表示D2D用戶Dn發射端到基站在子載波k上的信道增益；表示D2D用戶Dn的發射功率；(2c)根據蜂窩用戶Cm的發射功率求D2D用戶Dn的發射功率PDnt+1={PDmax,Σk=1KXDn,k*(2RDreqB-1)Σm=1MΣj=1JSCm,j*fj,kPCmtGGm,Dn,rk+σ0B0LGDn,t,Dn,rk}---]]>其中，σ0表示噪聲功率譜密度；B0表示子載波帶寬；表示蜂窩用戶Cm是否佔用碼本j，若蜂窩用戶Cm佔用碼本j，則否則，表示D2D用戶Dn是否佔用子載波k，若D2D用戶Dn佔用子載波k，則否則，表示蜂窩用戶Cm到D2D用戶Dn的接收端在子載波k上的信道增益；表示D2D用戶Dn發射端到其接收端在子載波k上的信道增益；表示蜂窩用戶Cm的發射功率；(2d)判斷用戶發射功率是否滿足如下條件：Σm=1M(PCmt+1-PCmt)+Σn=1N(PDnt+1-PDnt)<,]]>若滿足，則結束循環，得到蜂窩和D2D用戶的最優發射功率；否則，令t＝t+1，重複執行步驟(2b)-(2c)。本發明的效果可通過仿真進一步說明：1、仿真條件：在仿真場景中，設所有用戶均勻分布於半徑為500m的小區範圍內，D2D通信鏈路長度在1m-20m範圍內服從瑞利分布。設蜂窩用戶的發射功率PC和D2D用戶的發射功率PD均為10dBm，設蜂窩用戶的最大發射功率和D2D用戶的最大發射功率均為1w，信道模型為簡單的路徑損耗模型，蜂窩用戶的通信鏈路信道增益為D2D通信鏈路信道增益為其中dC表示蜂窩用戶與基站之間的距離，dD表示D2D用戶發射端與對應接收端之間的距離。設系統噪聲功率頻譜密度是-150dBm/Hz的零均值加性高斯白噪聲，信道帶寬B0為180kHz。設每個碼本佔用L＝2個子載波，基站可以獲得小區範圍內所有用戶的信道狀態信息。仿真方法使用現有的隨機分配方法、兩端匹配方法和本發明，其中：隨機分配方法是蜂窩用戶隨機選擇一個SCMA碼本，D2D用戶隨機選擇一個OFDMA子載波。兩端匹配方法，是蜂窩用戶和D2D用戶分別以功率為參數對碼本和子載波進行匈牙利匹配。2、仿真內容與結果分析：仿真1：對本發明中用戶發射功率的收斂性進行仿真，結果如圖7所示。從圖7可見，用戶的發射功率收斂很快，另外，值得我們注意的是每個用戶可以獨立的從不同的初始值達到一個穩定點，這種快速收斂性和易於使用的特性使得本發明的迭代功率控制方法能很好的應用到實際應用中。仿真2：使用本發明資源分配方法，隨機分配方法，兩端匹配方法在不同的蜂窩用戶數目M和D2D用戶數目N下，進行資源分配仿真，結果如圖8所示。從圖8可見，本發明資源分配方法比現有兩種方法更加節約功耗。這主要是由於本發明的網絡場景是一個幹擾受限的網絡，幹擾是制約網絡性能的主要因素。本發明的資源分配方法基於幹擾圖可以有效的協調層交叉幹擾。相反，另外兩種方法不能很好的協調幹擾。仿真3：使用本發明資源分配方法，隨機分配方法，兩端匹配方法在不同子載波數目K下進行資源分配仿真，結果如圖9所示。從圖9可見，本發明資源分配方法通過減小系統幹擾極大的減小了用戶的發射功率,這是因為本發明資源分配方法使用幹擾圖進行資源分配，使得相鄰的兩個蜂窩和D2D用戶不能同時佔用相同的頻帶。因此，本發明資源分配方法可以有效的減少幹擾和用戶發射功率。以上描述僅是本發明的具體實例，顯然對於本領域的專業人員來說，在了解了本
發明內容和原理後，都能在不背離本發明原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基於本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護範圍之內。當前第1頁1 2 3