[发明专利]一种基于终端直通中继通信的资源分配方法

权利要求书

1.一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，其特征在于：在单个小区中LTE-Advanced蜂窝网络与D2D系统构成混合网络，蜂窝网络的双工方式为时分双工，D2D以复用的模式利用小区内蜂窝通信的上行资源，包括与基站的交互、资源记录表的更新、资源的申请与分配、中继节点的选取过程；首先根据轮询准则，保证通信质量为前提，将系统资源分配给活跃蜂窝用户，然后根据最大化资源利用率准则，利用遗传算法来为小区中的D2D用户选择最合适的资源进行复用，目标是最小化资源分配失败的概率，在保证蜂窝用户正常通信的基础上，使更多的D2D用户可以进行通信；包括以下步骤：

步骤1:假设所有的蜂窝用户以固定功率P_CO进行通信，而所有的D2D用户的发送功率则固定为P_SO，所有的用户终端UE，包括活跃的、空闲的蜂窝用户和D2D用户都一直与基站保持着连接并周期地与基站交换信息，即使是正在进行D2D通信的用户，仍然要受基站控制；

步骤2:上行蜂窝信道集合记为，所有的无线资源分配和调度都由基站完成，基站维持着一个本小区资源分配实时状况的信道记录表，记作ChnTable，用于记录各信道的使用情况，只要资源分配信息发生了变化，基站就会对其进行更新，一个信道内最多同时共存一个蜂窝用户和一对基于移动中继的D2D用户；

步骤3:N个蜂窝用户C_UEs使用N个不同的上行蜂窝信道与基站进行通信，彼此之间没有干扰，资源分配工作由基站完成，并在ChnTable中记录更新；

步骤4:当有潜在的D2D通信可能时，D2D发送用户S_UE和接收用户D_UE分别将它们的位置信息报告给基站，这一过程利用内置的全球定位系统GPS或者北斗卫星导航系统BDS模块来完成，并根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的信号干扰噪声比SINR计算，由基站来决定是否准许进行D2D尝试，如果不合适的话，该对D2D用户会被基站拒绝并进入等待队列；

首先由基站检查ChnTable，去除已经饱和即一个蜂窝用户和一对D2D用户共存的信道，剩余信道集合记为，如果其不为空的话，分别对其中的各个信道进行进一步分析，看能否容纳下该对D2D用户使得该信道下所有用户都能满足通信要求，筛选出的合格信道即蜂窝用户SINR达到蜂窝用户的目标SINRγ_C-target，D2D用户SINR达到D2D用户的目标SINRγ_D-target，组成集合，并根据改进的遗传算法从中选出目标信道供该D2D对复用，遗传算法的进化目标选取的是最小化资源分配失败的概率；

如果没有找到可行信道，则该队D2D用户将被拒绝并进入等待队列；

步骤5:进行移动中继的选择，以D2D用户对收发端连线为直径构成的圆形区域中总有若干空闲用户可供选取作为移动中继，从中为每对D2D用户选取m个空闲用户作为候选中继集合，一个空闲用户只会出现在一对D2D用户的候选中继集合中，同一时刻一个空闲用户只能为一对D2D用户服务，一对D2D用户只能选择一个空闲用户作为移动中继；依据D2D中继系统SINR最优原则，并根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的SINR计算，从候选移动中继集合中选取出移动中继，使得该D2D中继通信可以获得最大的SINR；若某个空闲用户电量不足或不适合用于移动中继，则从候选中继集合中去除该空闲用户；

步骤6:利用步骤4选出的信道和步骤5选出的移动中继，开始进行D2D测试通信，如果实际测试表明该信道内蜂窝通信和D2D中继通信都能够得到保障，则允许进行正式的D2D中继通信并且基站更新ChnTable的信息记录；否则，返回步骤4重新进行信道选择，直到通过测试；

步骤7:一旦有用户完成了自己的通信，或者出现可利用的信道资源，ChnTable中的信息将会被立即更新并依次序重新对等待队列中的D2D用户执行步骤4；为了保证持续可靠的通信过程，基站会周期对ChnTable中记录的用户所进行的通信进行监视。

所述的遗传算法包括如下步骤：

步骤一:对基因进行实数编码；染色体长度为蜂窝信道数N，共含有N个基因，对基因进行实数编码，一个信道最多只能被一对D2D用户复用，一对D2D用户最多只能复用一个信道，某个基因值为0表示该信道没有被D2D用户复用，第i个基因的数值A_i表示第A_i对D2D用户复用的是第i个信道，因而基因型A＝A₁A₂…A_N所对应的表现型为x＝(x₁,x₂，…,x_N)^H；即：

A_i＝x_i

显然，A_i＝0表示该信道没有被任何一对D2D用户复用，而对于，如果A_i≠0且A_j≠0，有A_i≠A_j；

步骤二:对当前代数的种群进行选择操作；由于进化目标选取的是最小化资源分配失败的概率，因此用D2D用户的资源分配成功率来评价个体的适应度，如下式，用于选择操作，其中表示第l代群体中第i个个体；

依据基于上限的确定式采样，降低因选择的偶然性而造成退化的可能，确保选择出最优异的个体；群体个数用Q来表示：

(1)计算个体在下一代群体中的期望生存数目，用Q_i来表示，如下式：

Qi=Q·F(Ail)/Σi=1QF(Ail)]]>

(2)确定各对应个体在下一代群体中的准生存数目，向上取整，从而得到准下一代群体的个体个；

(3)从准下一代群体中删去适应度最低的个个体，从而得到Q个经过选择的个体；

步骤三:对经过选择操作的种群进行行内交叉；采用行内交叉的操作，对经过选择操作的种群进行行内交叉，确保生成的新个体仍是有效的信道排列，能够作为一种信道分配方案；

先依从交叉概率p_c对经过选择操作后的群体随机选取出要交叉的个体，但是不再对其进行两两配对，而是对每个选出来的待交叉个体，都由1到N之间随机生成两个随机数i、j(i≠j)，并交换A_i和A_j的数值，如果新产生的个体满足可行解要求，新个体则予以保留，若不满足取值要求，则删除该个体，并继续通过交叉操作产生新个体直到满足可行解要求为止；

步骤四:对经过交叉操作的种群进行均匀变异，确保能够生成新的信道分配方案；

先依从变异概率p_m从经过交叉后的群体中随机选出需要进行变异的个体，对每一个需要进行变异的个体，由1到N之间随机生成一个随机数k，对基因A_k进行变异操作，从{1,…,N}-{A_i|i＝1,...,N}这个差集中随机选出一个元素，将其赋给A_k作为突变，若这个差集为空，则将其置为0。若新产生个体满足解空间的参数取值要求，新个体将予以保留，若不满足解空间参数取值要求，则删除该个体，并继续通过变异产生新个体直到满足参数取值要求为止；

步骤五:重复步骤2-步骤4，直到进化到最终代数T，从中选取出适应度最高的个体作为资源分配方案。

2.根据权利要求书1所述的一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，其特征在于，所述步骤4和步骤5中根据干扰模型来进行蜂窝用户和D2D用户的SINR计算，包括如下步骤：

步骤A:D2D中继通信模型中，蜂窝用户C正在与基站B进行上行通信，S-R-D是一个D2D中继通信系统，复用的是C占用的无线资源，S表示D2D发送用户，R表示移动中继，D表示D2D接收用户。有R、D、B三处接收到的混合信号分别为：

yR=hSRPSdSR-αxS+hCRPCdCR-αxC+nR]]>

yD=hRDPRdRD-αxR+hCDPCdCD-αxC+nD]]>

x_S、x_R、x_C分别为对应的发送信号，P_S、P_R、P_C为对应的发送功率，n_R、n_D、n_B代表对应的加性高斯白噪声AWGN，相应的噪声功率分别为N_R、N_D、N_B，α表示路径损耗指数；另外，h_XY、d_XY分别用于表示X-Y链路的信道系数、通信距离。

步骤B:两种中继模式，AF和DF模式，两者的区别在这里主要体现在x_R表示式的不同，根据不同的中继模式来计算D2D用户的SINR：

AF模式下，R仅仅是将接收到的信号进行放大转发，并不进行信息解码。

xRAF=kyR=PR|hSR|2PSdSR-α+|hCR|2PCdCR-α+NRyR=PR|hSR|2PSdSR-α+|hCR|2PCdCR-α+NR(hSRPSdSR-αxS+hCRPCdCR-αxC+nR)]]>

k=PR|hSR|2PSdSR-α+|hCR|2PCdCR-α+NR=PRGSRPS+GCRPC+NR]]>

其中，k代表放大增益，G_XY用来表示X-Y链路的信道增益，即对x_R进行归一化得到：

xRAF=1|hSR|2PSdSR-α+|hCR|2PCdCR-α+NR(hSRPSdSR-αxS+hCRPCdCR-αxC+nR)]]>

最终得到R处的接收信号、SINR表达式分别为：

yDAF=khSRPSdSR-αhRDdRD-αxS+khCRPCdCR-αhRDdRD-αxC+khRDdRD-αnR+hCDPCdCD-αxC+nD]]>

γDAF=k2|hSR|2dSR-α|hRD|2dRD-αPSk2|hCR|2dCR-α|hRD|2dRD-αPC+k2|hRD|2dRD-αNR+|hCD|2dCD-αPC+ND=k2GSRGRDPSk2GCRGRDPC+k2GRDNR+GCDPC+ND]]>

DF模式下，R处涉及到一个能否正确解码的问题：

这里假设R处总可以正确解码出x_S，从而D处接收信号，以及R、D处各自的SINR为：

yDDF=hRDPRdRD-αxS+hCDPCdCD-αxC+nD]]>

γRDF=GSRPSGCRPC+NR]]>

γDDF=GRDPRGCDPC+ND]]>

步骤C:最大比合并MSC；对于D2D接收端的最终信号接收，采用基于最大比的分集合并方式，在D处进行两个支路信号的最大比合并，并且分析可知最大比合并后的总的SINR为各支路SINR之和：

γD=γDdirect+γDrelay]]>

其中，表示直接链路的SINR，表示中继链路的SINR：

γDdirect=|hSD|2dSD-αPS|hCD|2dCD-αPC+ND=GSDPSGCDPC+ND]]>

步骤D:计算蜂窝用户的SINR；上面的分析都是针对D2D系统，而对于蜂窝用户来说，蜂窝用户的SINR表达式为：

当S向R发送信号时；

当R向D发送信号时。