CN108848562B - 异构网中基于一对多匹配的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体为异构网中基于一对多匹配的资源分配方法，包括复用用户获取其他复用用户的位置信息，并利用位置信息构建所述各个复用用户与其他复用用户之间的冲突集；利用速率最大化准则计算各个复用用户的效用函数，求解出复用用户对子信道的偏好列表；利用干扰最小化准则计算所有复用用户在子信道上对宏蜂窝用户产生的干扰，求解出子信道对复用用户的偏好列表；在保证宏蜂窝用户正常通信的情况下，以复用用户与其冲突集中的复用用户不被分配到同一子信道的前提下；采用一对多匹配方法，根据复用用户对子信道的偏好列表和子信道对复用用户的偏好列表，为所有的复用用户分配子信道；本发明能够降低计算复杂度，减少同层干扰。

Description

异构网中基于一对多匹配的资源分配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体为一种异构网中基于一对多匹配的资源分配方法。

背景技术

近年来，随着智能终端、移动互联网以及各类无线业务的普及，移动通信数据流量和设备连接数呈现爆炸式增长，因此对无线网络的容量和覆盖需求越来越高。而传统的宏蜂窝网络主要提供大范围的广域覆盖，这在无线频谱资源极度匮乏的今天很难满足日益增长的流量需求。为了应对未来无线通信网络可能出现的需求，在传统的宏蜂窝网络中部署Small Cell(小蜂窝)，同时引入设备到设备(Device-to-Device，D2D)通信技术被认为是一种非常有效且成本较低的手段，能够为未来的无线通信系统提供更高的容量和更好的服务质量。但是当网络中的Small Cell和D2D同时复用宏蜂窝用户的频谱资源时，会对系统造成较为严重的同频干扰，因此如何有效地为网络中的Small Cell和D2D分配资源是这类多层异构网中的重要挑战。

目前，学术界大部分研究主要集中在Macro Cell(宏蜂窝)/Small Cell网络和Macro Cell/D2D网络中的资源分配问题。而对于由宏蜂窝、Small Cell和D2D组成的多层异构网中的资源分配问题研究比较少，现有文献中，主要针对将D2D引入Macro Cell/SmallCell网络中D2D用户的资源分配问题进行研究，较少考虑多层异构网中小蜂窝用户和D2D用户共同复用宏蜂窝用户频谱资源时的干扰管理问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种异构网中基于一对多匹配的资源分配方法，包括以下步骤：

S1、复用用户获取其他复用用户的位置信息，并利用位置信息构建所述各个复用用户与其他复用用户之间的冲突集；

S2、利用速率最大化准则计算各个复用用户的效用函数，求解出复用用户对子信道的第一偏好列表；

S3、利用干扰最小化准则计算所有复用用户在子信道上对宏蜂窝用户产生的干扰，求解出子信道对复用用户的第二偏好列表；

S4、在保证宏蜂窝用户正常通信的情况下，以复用用户与其冲突集中的复用用户不被分配到同一子信道的前提下；采用一对多匹配方法，即一个子信道可以被多个复用用户同时复用，根据第一偏好列表和第二偏好列表，为复用用户分配子信道。

进一步的，所述利用位置信息构建所述复用用户各自的冲突集，具体包括：

为复用用户构建与其他复用用户之间的冲突集，在匹配过程中，Ω_k中的用户不能与复用用户k匹配相同的子信道；冲突集的公式为：

Ω_k＝{i}；

s.t.

i∈K；

其中，Ω_k表示复用用户k在约束条件i∈K且

成立时，对于复用用户i的集合；δ表示复用用户的同层干扰阈值；

和

分别表示复用用户k和复用用户i的发射功率，

表示复用用户k的发射端到接收端的信道增益，

表示复用用户i的发射端到复用用户k的接收端的信道增益。

进一步的，S2中效用函数的计算公式为：

其中，U_k(n,μ)表示复用用户k匹配子信道n的效用函数，μ表示匹配结果；B表示子信道带宽，

表示复用用户k在子信道n上的信干噪比；

P_M、

分别表示复用用户k、宏蜂窝用户m和复用用户i的发射功率，

表示复用用户k的发射端到其接收端的信道增益；

表示宏蜂窝用户m到复用用户k的接收端的信道增益；

表示复用用户i的发射端到复用用户k接收端的信道增益；

为资源复用因子，表示子信道n与复用用户i之间的分配关系，即

表示子信道n分配给复用用户i，

表示子信道n不分配给复用用户i；σ²表示加性高斯白噪声功率。

进一步的，复用用户对子信道的第一偏好列表的求解方法包括：遍历所有的复用用户，将计算出的效用函数U_k(n,μ)和对应的复用用户k组成第一效用函数对(U_k(n,μ),k)，对(U_k(n,μ),k)按照U_k(n,μ)从大到小排序，得到复用用户k对子信道的第一偏好列表P_k。

进一步的，S3中复用用户在子信道上对宏蜂窝用户产生的干扰的计算公式为：

其中，

表示复用用户k在子信道n上对宏蜂窝用户造成的干扰；

表示复用用户k的发射功率，

表示复用用户k的发射端到复用用户m的接收端的信道增益。

进一步的，子信道对复用用户的第二偏好列表的求解方法包括：遍历所有的子信道，将计算出的

和对应的子信道n组成第一干扰对

对第一干扰对

按照

从小到大排序，并按照排序先后为复用用户设定优先级顺序；得到子信道n的第二偏好列表P_n。

进一步的，复用用户从步骤S2中求解出的第一偏好列表中选出第一个子信道作为该复用用户的首选信道，并向该子信道发送复用申请；该子信道接收到复用用户的复用申请后，将所有申请的复用用户加入候选复用用户集C_n，子信道根据当前的干扰余量以及第二偏好列表对候选复用用户集中的每一个复用用户做出信道决策，若该复用用户未被分配第一个子信道，则复用用户从第一偏好列表中选择下一个子信道发送复用申请，直到被分配子信道。

进一步的，所述子信道n的干扰余量的计算公式为：

其中，

表示子信道n上可容忍的最大干扰阈值，μ(n)表示已经分配了子信道n的复用用户。

进一步的，所述根据当前的干扰余量以及第二偏好列表对候选复用用户集中的每一个复用用户做出信道决策，具体过程如下：

S41、子信道n按照其第二偏好列表中的复用用户优先级顺序，依次为候选复用用户集C_n中的用户分配子信道，直到候选复用用户k在子信道n上对宏蜂窝用户造成的干扰

刚好小于或等于干扰余量

确认第t次匹配时子信道n的匹配情况μ(n)^(t)；

S42、对μ(n)^(t)中已分配子信道n的复用用户，判断其冲突集中的用户是否也被分配了子信道n，若否，则跳至下一步，否则判断复用用户的优先级是否大于其冲突集中被分配子信道n的用户，若是，则在μ(n)^(t)中删除其冲突集中被分配子信道n的用户，否则从μ(n)^(t)删除复用用户k；

S43、遍历所有的子信道，循环执行步骤S41～S42，得到第t次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t)；

S44、判断t次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t)与第t-1次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t-1)的结果是否相同，若相同，则匹配结束，根据当前匹配情况μ^(t)为复用用户分配信道；否则，返回步骤S43。

本发明的有益效果：

本发明通过采用基于一对多匹配的资源分配方法对复用用户合理地分配频谱资源；其中，网络中需要通信的小蜂窝用户和D2D用户视为复用用户。在Small Cell和D2D密集部署场景下，一对多的复用方式可以有效地提升频谱效率和系统吞吐量，而根据位置信息为复用用户构建冲突集的方法可以降低计算复杂度，减少复用层的同层干扰。

附图说明

图1为本发明采用的系统模型示意图；

图2为本发明的优选实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示：包括1个宏蜂窝Macro cell和S个小蜂窝Small cell，宏基站MBS位于宏小区中心，S个小基站SBS随机分布在宏小区覆盖范围内，记为S＝{1,2,…,S}，假定所有的Smallcell都是封闭接入的，且每个SBS只服务1个SUE。宏蜂窝用户MUE、小蜂窝用户SUE和D2D用户随机分布在小区中，其中MUE表示为U_m＝{1,2,…,N}，SUE表示为U_s＝{1,2,…,S}，DUE表示为U_d＝{1,2,…,D}。假设系统中的MUE占用N个相互正交的资源块RB，RB为分配给用户的最小资源单元，对应一个子信道，每个MUE使用一个RB进行通信。基于图1的系统模型，本发明公开了异构网中基于一对多匹配的资源分配方案，如图2所示，基于一对多匹配的资源分配方案可以包括以下步骤：

S1、复用用户获取其他复用用户的位置信息，并利用位置信息构建所述各个复用用户与其他复用用户之间的冲突集；

S2、利用速率最大化准则计算各个复用用户的效用函数，求解出复用用户对子信道的第一偏好列表；

S3、利用干扰最小化准则计算所有复用用户在子信道上对宏蜂窝用户产生的干扰，求解出子信道对复用用户的第二偏好列表；

S4、在保证宏蜂窝用户正常通信的情况下，以复用用户与其冲突集中的复用用户不被分配到同一子信道的前提下；采用一对多匹配方法，即一个子信道可以被多个复用用户同时复用，根据第一偏好列表和第二偏好列表，为复用用户分配子信道。

其中，根据位置信息构建复用用户的冲突集，具体包括：

首先，预设一个同层干扰阈值δ，由于小基站SBS和D2D用户DUE的发射功率较小，所以相距较远的复用用户之间因复用相同子信道所造成的干扰很小，可忽略。但当距离较近的复用用户使用相同的子信道进行通信时，会对对方接收信号造成较大的干扰。因此，为了减小系统中复用用户之间的同层干扰，需要为复用用户构建冲突集，其公式为：

Ω_k＝{i}；

s.t.

i∈K；

其中，Ω_k表示复用用户k在约束条件i∈K且

成立时，对于复用用户i的集合；δ表示复用用户的同层干扰阈值；

和

分别表示复用用户k和复用用户i的发射功率，

表示复用用户k的发射端到接收端的信道增益，

表示复用用户i的发射端到复用用户k的接收端的信道增益。

S2中效用函数的计算公式为：

其中，U_k(n,μ)表示复用用户k匹配子信道n的效用函数，μ表示匹配结果；B表示子信道带宽，

表示复用用户k在子信道n上的信干噪比；

分别表示复用用户k、宏蜂窝用户m和复用用户i的发射功率，

表示复用用户k的发射端到其接收端的信道增益；

表示宏蜂窝用户m到复用用户k的接收端的信道增益；

表示复用用户i的发射端到复用用户k接收端的信道增益；

为资源复用因子，表示子信道n与复用用户i之间的分配关系，即

表示子信道n分配给复用用户i，

表示子信道n不分配给复用用户i；σ²表示加性高斯白噪声功率。

复用用户对子信道的第一偏好列表的求解方法包括：遍历所有的复用用户，将计算出的效用函数U_k(n,μ)和对应的复用用户k组成(U_k(n,μ),k)，对(U_k(n,μ),k)按照U_k(n,μ)从大到小排序，得到复用用户k对子信道的第一偏好列表P_k。

S3中复用用户在子信道上对宏蜂窝用户产生的干扰的计算公式为：

其中，

表示复用用户k在子信道n上对宏蜂窝用户造成的干扰；

表示复用用户k的发射功率，

表示复用用户k的发射端到复用用户m的接收端的信道增益。

步骤S4中，通过具有动态配额和冲突集的一对多匹配方法为复用用户分配最佳的子信道，具体包括：复用用户从步骤S2中求解出的第一偏好列表中选出第一个子信道作为该复用用户的首选信道，并向该子信道发送复用申请；该子信道接收到复用用户的复用申请后，将所有申请的复用用户加入候选复用用户集C_n，子信道根据当前的干扰余量以及第二偏好列表对候选复用用户集中的每一个复用用户做出信道决策，若该复用用户未被分配第一个子信道，则复用用户从第一偏好列表中选择下一个子信道发送复用申请，直到被分配子信道。具体步骤如下：

S41、子信道n按照其第二偏好列表中的复用用户优先级顺序，依次为候选复用用户集C_n中的用户分配子信道，直到候选复用用户k在子信道n上对宏蜂窝用户造成的干扰

刚好小于或等于干扰余量

确认第t次匹配时子信道n的匹配情况μ(n)^(t)；

S42、对μ(n)^(t)中已分配子信道n的复用用户，判断其冲突集中的用户是否也被分配了子信道n，若否，则跳至下一步，否则判断复用用户的优先级是否大于其冲突集中被分配子信道n的用户，若是，则在μ(n)^(t)中删除其冲突集中被分配子信道n的用户，否则从μ(n)^(t)删除复用用户k；

S43、遍历所有的子信道，循环执行步骤S41～S42，得到第t次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t)；

S44、判断t次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t)与第t-1次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t-1)的结果是否相同，若相同，则匹配结束，根据当前匹配情况μ^(t)为复用用户分配信道；否则，返回步骤S43。

作为另一种可实施方式，

S411、判断子信道n和复用用户k当前的匹配状态，如果子信道n和复用用户k当前处于未匹配状态，且第t轮匹配时复用用户k的第一偏好列表

非空，则执行步骤S421；

S421、如果复用用户k在子信道n上对宏蜂窝用户造成的干扰

大于干扰余量

则执行步骤S431，如果

则执行步骤S441；

S431、对于目前子信道n已匹配的复用用户，从子信道n在第二偏好列表中找出优先级低于复用用户k的复用用户，将这些复用用户加入集合

依次从

中删除优先级最低的复用用户，并更新当前子信道n的干扰余量

直到

执行步骤S441；如果

的所有复用用户被删除了，且

则子信道n拒绝复用用户k的复用申请，执行步骤S451；并更新第t次匹配时子信道n的匹配情况μ(n)^(t)；

S441、判断冲突集Ω_k中的复用用户与子信道n的匹配情况，若未匹配，则信道n接受用户k的复用申请，并更新μ(n)^(t)和

若Ω_k中有复用用户与子信道n已经匹配，则将所有已经匹配子信道n的复用用户加入集合D中，当集合D中所有复用用户的优先级均低于用户k时，子信道n接受用户k的复用申请，并将集合D中的所有复用用户从μ(n)^(t)中删除，同时更新

当集合D中存在某一用户的优先级高于用户k时，子信道n拒绝用户k的复用申请，执行步骤S45；

S451、从第t次迭代的第二偏好列表

中删除复用用户k以及优先级低于k的所有复用用户j，同时将子信道n从复用用户k和用户j的第一偏好列表中删除；

S461、遍历所有的子信道，循环执行步骤S411～S451，得到这一轮匹配结束μ^(t)；

S471、判断这一轮匹配结果μ^(t)与上一轮结果μ^(t-1)是否一致，若不一致，则重复以上步骤，直到匹配结果一致，即μ^(t)＝μ^(t-1)，则匹配结束，根据当前匹配结果为网络中所有复用用户分配信道。

所述子信道n的干扰余量的计算公式为：

其中，

表示子信道n上可容忍的最大干扰阈值，μ(n)表示已经分配了子信道n的复用用户。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.异构网中基于一对多匹配的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、复用用户获取其他复用用户的位置信息，并利用位置信息构建所述复用用户与其他复用用户之间的冲突集；为复用用户构建与其他复用用户之间的冲突集，在匹配过程中，冲突集中的用户不能与复用用户k匹配相同的子信道；冲突集的公式为：

Ω_k＝{i}；

s.t.

i∈K；

其中，Ω_k表示复用用户k在约束条件i∈K且

成立时，对于复用用户i的集合；δ表示复用用户的同层干扰阈值；

和

分别表示复用用户k和复用用户i的发射功率，

表示复用用户k的发射端到接收端的信道增益，

表示复用用户i的发射端到复用用户k的接收端的信道增益；

S2、利用速率最大化准则计算各个复用用户的效用函数，求解出复用用户对子信道的第一偏好列表；步骤S2中效用函数的计算公式为：

其中，U_k(n,μ)表示复用用户k匹配子信道n的效用函数，μ表示匹配结果；B表示子信道带宽，

表示复用用户k在子信道n上的信干噪比；

表示复用用户k的发射功率；P_M表示宏蜂窝用户m的发射功率；

表示复用用户i的发射功率；

表示复用用户k的发射端到其接收端的信道增益；

表示宏蜂窝用户m到复用用户k的接收端的信道增益；

表示复用用户i的发射端到复用用户k接收端的信道增益；

为资源复用因子，表示子信道n与复用用户i之间的分配关系，即

表示子信道n分配给复用用户i，

表示子信道n不分配给复用用户i；σ²表示加性高斯白噪声功率；

S3、利用干扰最小化准则计算所有复用用户在子信道上对宏蜂窝用户产生的干扰，求解出子信道对复用用户的第二偏好列表；步骤S3中复用用户在子信道上对宏蜂窝用户产生的干扰的计算公式为：

其中，

表示复用用户k在子信道n上对宏蜂窝用户造成的干扰；

表示复用用户k的发射功率，

表示复用用户k的发射端到复用用户m的接收端的信道增益；

S4、在保证宏蜂窝用户正常通信的情况下，以复用用户与其冲突集中的复用用户不被分配到同一子信道的前提下；采用一对多匹配方法，即一个子信道可以被多个复用用户同时复用，根据第一偏好列表和第二偏好列表，为复用用户分配子信道；

复用用户从步骤S2中求解出的第一偏好列表中选出第一个子信道作为该复用用户的首选信道，并向该子信道发送复用申请；该子信道接收到复用用户的复用申请后，将所有申请的复用用户加入候选复用用户集C_n，子信道根据当前的干扰余量以及第二偏好列表对候选复用用户集中的每一个复用用户做出信道决策，若该复用用户未被分配第一个子信道，则复用用户从第一偏好列表中选择下一个子信道发送复用申请，直到被分配子信道；

遍历所有的复用用户，将计算出的效用函数U_k(n,μ)和对应的复用用户k组成第一效用函数对(U_k(n,μ),k)，对第一效用函数对(U_k(n,μ),k)按照U_k(n,μ)从大到小排序，得到复用用户k对子信道的第一偏好列表P_k；

遍历所有的子信道，将计算出的

和对应的子信道n组成第一干扰对

对第一干扰对

按照

从小到大排序，并按照排序先后为复用用户设定优先级顺序；得到子信道n的第二偏好列表P_n；

所述子信道根据当前的干扰余量以及第二偏好列表对候选复用用户集中的每一个复用用户做出信道决策，具体过程如下：

S41、子信道n按照其第二偏好列表中的复用用户优先级顺序，依次为候选复用用户集C_n中的用户分配子信道，直到候选复用用户k在子信道n上对宏蜂窝用户造成的干扰

刚好小于或等于干扰余量

确认第t次匹配时子信道n的匹配情况μ(n)^(t)；

S42、对μ(n)^(t)中已分配子信道n的复用用户，判断其冲突集中的复用用户是否也被分配了子信道n，若否，则跳至下一步，否则判断复用用户的优先级是否大于其冲突集中被分配子信道n的复用用户，若是，则在μ(n)^(t)中删除其冲突集中被分配子信道n的复用用户，否则从μ(n)^(t)删除复用用户k；

S43、遍历所有的子信道，循环执行步骤S41～S42，得到第t次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t)；

S44、判断t次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t)与第t-1次匹配时各个子信道的匹配情况μ^(t-1)的结果是否相同，若相同，则匹配结束，根据当前匹配情况μ^(t)为复用用户分配信道；否则，返回步骤S43；

其中，所述子信道n的干扰余量的计算公式为：

其中，

表示子信道n上可容忍的最大干扰阈值，μ(n)表示已经分配了子信道n的复用用户。

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