一种D2D多播场景下用户分簇与资源分配方法

摘要

本发明涉及通信领域，具体涉及一种D2D多播场景下用户分簇与资源分配方法，包括：S1，各移动终端向基站上报测量后的数据信息；S2，基站根据各移动终端上报的数据信息，为内容请求用户选择合适的簇头，形成最优D2D多播簇；S3，基站向内容请求用户下发分簇信息；S4，为形成的D2D多播簇分配资源，选择同时满足蜂窝用户和D2D多播簇QoS，并对D2D多播簇产生干扰最小的蜂窝用户；S5，各移动终端接收到分簇和资源分配信息后，进行数据传输。该方法能够改善边缘用户的服务体验，减少基站的负载，提高传输效率，减少D2D多播簇由于复用蜂窝用户的频谱资源产生的干扰，提高资源的利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种D2D多播场景下用户分簇与资源分配方法。

背景技术

互联网的普及和通信技术飞速发展促进了本地共享类数据业务的繁荣。当大量用户请求相同数据传输时，通过基站进行数据转发无疑增加了基站的负载，造成系统资源利用率低下，传输时延过大，可靠性降低。在LTE系统中提出的多播技术可以在很大程度上减少资源的浪费，缓解网络压力。当一些用户具有相同内容需求时，可以通过基站多播服务获得同样的数据。然而传统的基于基站的多播传输，由于用户分布位置不同，存在不同程度的大尺度和小尺度衰落，信道状况存在巨大差异。且多播速率通常取决于信道质量最差的用户，因此信道质量差的接收者成为了多播传输速率瓶颈，导致了无线资源利用率低下。为了解决此问题，相关研究提出将直连通信(Device-to-Device，D2D)技术与多播技术相结合，组成D2D多播技术，具体方法如下：首先基站通过多播方式向小区中的所有请求用户进行数据分发，由于用户之间信道状况的差异性，信道质量好的用户成功接收到数据，信道质量差的用户未成功接收到数据；然后从成功接收到数据的用户中选择合适的簇头，形成D2D多播簇，簇头用户再通过D2D多播的方式将数据转发给D2D多播簇内未能成功接收数据的用户，从而有效的提高多播传输速率，克服信号的远距离传输损耗。

然而蜂窝网络下的D2D多播通信也面临着许多严峻的挑战。由于D2D多播技术传输速率同样受限于最差传输链路，分簇策略对D2D多播通信有着重要的影响，如何有效的为信道质量差的用户选择最优簇头，形成D2D多播簇来分发数据在D2D多播模式下具有重要的研究意义。此外，D2D多播簇与蜂窝用户共存的混合场景中，在underlay模式下，由于D2D多播簇复用蜂窝用户的频谱资源，同一小区内，蜂窝链路(cellular link，CL)与D2D链路(D2D link，DL)之间会产生同频干扰。因此，如何为D2D多播簇选择合适的蜂窝用户频谱资源进行复用，来减少同频干扰，成为研究的热点。

在当前的D2D多播技术研究中，大部分的研究主要针对最大化系统吞吐量、最小化传输时间、最小化功率消耗来为未接收到数据的用户分簇。或考虑单个或多个多播簇场景下，通过联合功率和信道分配方案，来减少由于资源复用产生的同频干扰，提高蜂窝用户(cellular users，CUs)和D2D用户总的吞吐量。

综上所述，已有技术方案存在以下缺点：没有从能效的角度考虑D2D多播簇的性能；仅从单一方面进行分簇或资源分配，没有综合考虑不同D2D多播簇结构和不同资源分配方案对D2D多播簇性能的影响。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种D2D多播场景下用户分簇和资源分配方法，该方法能够改善边缘用户的服务体验，减少基站的负载，提高传输效率，减少D2D多播簇由于复用蜂窝用户的频谱资源产生的干扰，提高资源的利用率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种D2D多播场景下用户分簇和资源分配方法，包括以下步骤：

S1，各移动终端向基站上报测量后的数据信息；

S2，基站根据各移动终端上报的数据信息，为内容请求用户选择合适的簇头，形成最优D2D多播簇；

S3，基站向内容请求用户下发分簇信息；

S4，为形成的D2D多播簇分配资源，选择同时满足蜂窝用户和D2D多播簇QoS，并对D2D多播簇产生干扰最小的蜂窝用户；

S5，各移动终端接收到分簇和资源分配信息后，进行数据传输。

进一步的，步骤S1所述移动终端包括与基站交互信令的：位于边缘区域和中心区域交界处的候选簇头用户、位于边缘区域的内容请求用户和中心区域的蜂窝用户；

所述数据信息包括：位置信息、传输距离和链路状态信息。

进一步的，所述步骤S2包括：

S201，通过最大信噪比获得内容请求用户的初始簇头选择矢量λ_ini→λ_k,cur,k∈K＝{1,2,...,K}、簇头选择矩阵和初始能效值U(Θ)；

其中，C_l＝min{C_l,1,C_l,2,...,C_l,K}表示多播速率，λ_k,l为二进制变量0或1，λ_k,l＝1表示内容请求用户k选择了簇头l，否则表示没有选择；w_l取值为0或1，当w_l＝1，表示簇头l有接收者，否则表示簇头l是孤立节点；

S202，根据信道估计方法获取内容请求用户、候选簇头用户、蜂窝用户和基站彼此之间的信道增益，给定最大D2D传输距离约束R，根据上述步骤获取的内容请求用户与候选簇头用户之间的通信距离d_l,k，使d_l,k>R，获得每个内容请求用户的候选簇头集合L'_k；

S203，对每个内容请求用户，遍历其候选簇头集合中除去由上述步骤S201为其所选择的簇头用户l_ini后，剩下的所有候选簇头，获得最优用户分配矩阵。

进一步的，所述步骤S203包括以下步骤：

1)随机选择一个内容请求用户k，获得λ_k∈λ_k,cur和Θ_ini→Θ；

2)对内容请求用户k选择一个可能的簇头用户l'∈L'_k{l_ini}，获得λ_k'，Θ'；

3)计算U(Θ)、U(Θ')，并判断U(Θ)＞U(Θ')；

4)当U(Θ)≥U(Θ')，获得当前的簇头选择矩阵Θ→Θ，和最大能效值为U(Θ)＝U(Θ)，当U(Θ)＜U(Θ')，更新当前的簇头选择矩阵为Θ'→Θ,当前最大能效值为U(Θ)＝U(Θ')，对内容请求用户k随机选择一个簇头用户l'∈L'_k{l_ini,l'}，获得λ_k'，Θ'；

5)重复步骤3)、4)，直到遍历完内容请求用户k的所有候选簇头用

6)对剩下的内容请求用户，重复步骤2)至步骤5)的操作，最终获得最优分簇矩阵Θ→Θ_fin和最大能效值。能效值的计算公式如下：

其中，C_l＝min{C_l,1,C_l,2,...,C_l,K}表示多播速率，λ_k,l为二进制变量0或1，λ_k,l＝1表示内容请求用户k选择了簇头l，否则表示没有选择；w_l取值为0或1，当w_l＝1，表示簇头l有接收者，否则表示簇头l是孤立节点；

进一步的，所述步骤S4包括：

由所述步骤S3获得L个D2D多播簇，对其进行资源分配，所述资源分配方案是基于信干噪比的方案，预先给SINR设置一个门限值，在同时满足蜂窝用户和D2D多播簇服务质量的前提下，进行资源分配，分配过程包括：

S401，分别计算各蜂窝用户和D2D用户的链路增益

S402，计算获得D2D多播簇l中最差的链路增益；

S403，计算获得D2D多播簇l中最小干扰链路增益；

S404，基站预先设置蜂窝用户和D2D多播簇的信干噪比门限值并把这一门限值广播给各移动终端，若则认为D2D多播簇l和蜂窝用户m之间可以进行资源复用；

所述蜂窝用户的信干噪比为：

所述D2D多播簇l的信干噪比为：

(5)降序排列

(6)降序排列

(7)配对值更高的D2D多播簇与对其干扰最低的蜂窝用户，即值最小的蜂窝用户，依此次优的对应次优的直到为所有的D2D多播簇分配到最优的蜂窝信道为止。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提供的方法通过先形成最优D2D多播簇，再为D2D多播簇分配资源，并且选择同时满足蜂窝用户和D2D多播簇QoS，并对D2D多播簇产生干扰最小的蜂窝用户，采用用户分簇与资源分配相结合的方法，通过考虑不同D2D多播簇结构和不同资源分配方案对D2D多播簇性能的影响，提高了资源的利用率和系统能效。同时考虑D2D多播簇与蜂窝用户的服务质量，提高了用户的满意度和系统的吞吐量，提高了系统能效。

附图说明

图1为本发明工作原理图；

图2为本发明流程图；

图3为本发明基于最大信噪比的分簇、最大化吞吐量的分簇和最大化能效的分簇多播传输方法的簇头用户平均功率消耗曲线示意图；

图4为本发明基于最大信噪比的分簇、最大化吞吐量的分簇和最大化能效的分簇多播传输方法的簇头平均数量曲线示意图；

图5为本发明不同的分簇与资源分配结合方案下D2D多播簇能效随SINR变化趋势图；

图6为本发明不同资源分配方案下D2D多播簇能效随D2D-RX数目变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述。

参见图2，本发明提供的方法可以包括：

步骤S1，各移动终端向基站上报测量后的数据信息。

所述移动终端包括与基站交互信令的：位于边缘区域与中心区域交界处的候选簇头用户、位于边缘区域的内容请求用户和中心区域的蜂窝用户；所述数据信息包括：位置信息、传输距离和链路状态信息。

步骤S2，基站根据各移动终端上报的数据信息，使用基于能效的分簇算法为内容请求用户选择合适的簇头，形成最优D2D多播簇；具体可以包括：

S201，通过最大信噪比获得内容请求用户的初始簇头选择矢量λ_ini→λ_k,cur,k∈K＝{1,2,...,K}、簇头选择矩阵和初始能效值U(Θ)；

上式描述了不同用户分簇矩阵获得的D2D多播簇的能效值，其中，C_l＝min{C_l,1,C_l,2,...,C_l,K}表示多播速率，λ_l,k为二进制变量0或1，λ_k,l＝1表示内容请求用户k选择了簇头l，否则表示没有选择；w_l取值为0或1，当w_l＝1，表示簇头l有接收者，否则表示簇头l是孤立节点。

S202，根据信道估计方法获取内容请求用户、候选簇头用户、蜂窝用户和基站彼此之间的信道增益，给定最大D2D传输距离约束R，根据上述步骤获取的内容请求用户与候选簇头用户之间的通信距离d_l,k，使d_l,k>R，可获得每个内容请求用户的候选簇头集合L'_k；

S203，对每个D2D-Rx用户，遍历其候选簇头集合中除去由上述步骤S201为其所选择的簇头用户l_ini后，剩下的所有候选簇头，获得最优用户分配矩阵；

具体可以包括：

1)随机选择一个内容请求用户k，获得λ_k∈λ_k,cur和Θ_ini→Θ；

2)对内容请求用户k选择一个可能的簇头用户l'∈L'_k{l_ini}，获得λ_k'，Θ'；

3)计算U(Θ)、U(Θ')，并判断U(Θ)＞U(Θ')；

4)当U(Θ)≥U(Θ')，获得当前的簇头选择矩阵Θ→Θ，和最大能效值为U(Θ)＝U(Θ)；当U(Θ)＜U(Θ')，更新当前的簇头选择矩阵为Θ'→Θ,当前最大能效值为U(Θ)＝U(Θ'),并对内容请求用户k随机选择一个簇头用户l'∈L'_k{l_ini,l'}，获得λ_k'，Θ'；

5)重复步骤3)、4)，直到遍历完内容请求用户k的所有候选簇头用户；

6)对剩下的内容请求用户，重复步骤2)至步骤5)的操作，最终获得最优分簇矩阵Θ→Θ_fin和最大能效值。能效值的计算公式如下：

其中，C_l＝min{C_l,1,C_l,2,...,C_l,K}表示多播速率，λ_k,l为二进制变量0或1，λ_k,l＝1表示内容请求用户k选择了簇头l，否则表示没有选择；w_l取值为0或1，当w_l＝1，表示簇头l有接收者，否则表示簇头l是孤立节点；

S3，基站向内容请求用户下发分簇信息；

S4，为形成的D2D多播簇分配资源，选择同时满足蜂窝用户和D2D多播簇服务质量(QoS)，并对D2D多播簇产生干扰最小的蜂窝用户；具体可以包括：

由所述步骤S3获得L个D2D多播簇，对其进行资源分配，所述资源分配方案是基于信干噪比的方案，预先给SINR设置一个门限值，在同时满足蜂窝用户和D2D多播簇服务质量的前提下，进行资源分配，分配过程包括：

S401，分别计算各蜂窝用户和D2D用户的链路增益

S402，计算获得D2D多播簇l中最差的链路增益；

S403，计算获得D2D多播簇l中最小干扰链路增益；

S404，基站预先设置蜂窝用户和D2D多播簇的信干噪比(SINR)门限值并把这一门限值广播给各移动终端，若则认为D2D多播簇l和蜂窝用户m之间可以进行资源复用；

所述蜂窝用户的信干噪比为：

所述D2D多播簇l的信干噪比为：

(5)降序排列

(6)降序排列

(7)配对值更高的D2D多播簇与对其干扰最低的蜂窝用户，即值最小的蜂窝用户，依此次优的对应次优的直到为所有的D2D多播簇分配到最优的蜂窝信道为止。

S5，各移动终端接收到分簇和资源分配信息后，进行数据传输。

参见图1，本发明提供的方法，其系统模型可以考虑在单小区场景中，根据D2D多播传输特性，将小区划分为中心区域和边缘区域。基站(BS，Base Station)位于小区中心，假设边缘区域存在K个D2D内容请求用户(称为D2D-Rx，D2D-Receiver)，表示为k∈K＝{1,2,3,...,K}。M个蜂窝用户(CUE，Cellular UE)，位于小区中心区域，M个信道，每个信道被一个CUE占用，m∈M＝{1,2,...,M}表示第m个蜂窝用户和它所占用的信道，将位于小区边缘与中心区域交界处的L个从BS获得内容的蜂窝用户作为候选簇头用户(CH，Cluster Head)或D2D发射者分发数据，表示为l∈L＝{1,2,3,...,L}。假设在复用(underlay)模式下，D2D链路复用蜂窝用户的上行资源。为了限制同频复用干扰，我们规定每个D2D链路最多只能复用一个蜂窝信道，同时每个蜂窝信道只能被单个D2D多播簇复用。

如图1所示，将内容请求用户分为两个簇，CH1和CH2分别是两个簇的簇头，复用CU2和CU1的信道，因此，CH1对簇1的内容请求用户D2D Rx1、D2D Rx2和D2D Rx3多播时，对BS产生干扰，同时CU2对簇1中的D2D Rx1、D2D Rx2和D2D Rx3用户也产生了干扰。簇2和CU1之间的干扰分析同簇1。

考虑在单小区场景下，小区的半径为350m。基站位于小区中心，小区划分为中心区域和边缘区域。中心区域的半径为300m。CUE用户随机分布在小区中心区域，将D2D_Rx用户随机分配在小区边缘区域。(11)为了使D2D链路之间的通信距离满足最大距离约束，将CH用户均匀分布在中心区域与边缘区域的交界处。D2D通信的最大距离为50m.移动设备发射功率的上限为23dbm,信干噪比门限为5db.对所有内容请求用户基于能效进行分簇和为其分配合适的信道进行数据传输，不但要综合考率系统吞吐量与功耗的关系，形成最优簇。还要考虑，在underlay模式下，由于复用产生的同频干扰。

综上所述，为了最大化D2D多播用户的能效，本发明的最大化目标函数可表示为：

约束条件为：

w_l＝{0,1},l∈L(5-5)

λ_k＝{0,1},k∈K(5-6)

λ_kd_l,k≤R(5-8)

其中，x_l,m为二进制信道分配变量，等于0或1；当x_l,m＝1，表示D2D多播簇l复用信道m，否则x_l,m＝0。为蜂窝用户m的发送功率，为D2D多播簇l在信道m的发射功率。分别表示蜂窝用户m和D2D多播簇l的SINR。为D2D多播簇l的吞吐量。w_l表示候选CH用户l是否有接收者。λ_k表示一个1×L的簇头选择矢量，λ_k＝(1,0,0,...,0)表示用户k选择了第一个簇头。d_l,k表示CH到簇成员之间的距离。R表示CH用户与D2D-Rx用户的最大传输距离约束条件。

参见图3，显示不同D2D-Rx用户数目下，最大信噪比、最大化吞吐量、最大化能效分簇算法下，用户功耗的仿真结果。从图中可以看出，基于最大能效分簇算法由于综合考虑了用户的吞吐量与功耗之间的折中关系，所以其性能明显优于其它两种方案。同时最大信噪比的功耗小于最大吞吐量。从图中可以看出，当D2D-Rx用户数目增加，功耗增加趋势变得越来越缓慢，这是由于，当系统中D2D_Rx用户数目足够大时，为了提高数据传输效率，更多的候选簇头用户被选择，当小区中D2D_Rx用户数目接近小区可容纳用户数时，使得功耗的增加速率变慢。

参见图4，显示小区中不同D2D-Rx用户数目下，所选簇头平均数目的变化。可以看出，与已有的方案相比，本文所提算法有效减少了簇头数目。这是由于在选择簇头的过程中，综合考虑了吞吐量与功耗的折中关系，通过获得相对少的簇数来增加D2D多播簇的能效。

参见图5，显示采用不同分簇算法与资源分配算法时，不同的SINR阀值对系统能效的影响。从图中可以看出，随着SINR阀值的增加，能效减少，这是由于SINR的增加，使的D2D多播簇可以复用的蜂窝用户资源减少，甚至出现短缺，导致系统吞吐量减少，从而造成统能效减少。由图中可以看到，本发明所提分簇与资源分配联合算法优于其它相结合的算法。

参见图6，显示不同资源分配算法对系统能效的影响。本发明所述提供的资源分配方案优于贪婪式资源分配算法和随机资源分配算法。由于在为D2D多播簇分配资源时，所提算法不但保证了D2D多播簇与蜂窝用户服务质量，而且考虑了D2D多播链路的信道质量和蜂窝用户对其的干扰，从而提高了系统能效。

本方法所提的用户分簇与资源分配结合的方案中，首先以最大化D2D多播簇的能效为目的，通过综合考虑D2D多播簇吞吐量与发送功率之间的关系，为用户选择最优的簇头，提高系统的能效；其次在保证D2D多播簇和蜂窝用户QoS需求的前提下，通过启发式算法为每个D2D多播簇分配合适的资源块，提高D2D链路的通信质量。所提出的算法能够有效地提高D2D多播簇的性能，增强边缘用户的服务体验，减少基站的负载。