技术摘要：
本发明公开了一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法，包括：根据NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络的干扰情况、资源复用特点和允许接入的通信链路的服务质量需求建立带约束条件的信道资源分配模型，然后根据信道资源分配模型构建有向超图，顶点为蜂窝用户和D2D簇，有  全部
背景技术：
随着5G时代移动智能终端数量的激增、大数据量交互业务的日益丰富，无线通信 网络的容量需求快速增长，人们对高速数据交互的要求越来越高，蜂窝通信网络中基站的 负载也越来越大。然而，蜂窝网络通信能够使用的频谱资源十分有限，当前的空口技术也难 以进一步提升资源利用率，无线资源的日益匮乏使得无线通信网络容量的增长需要新的无 线网络架构来支持。传统的蜂窝网络架构以基站为中心，所有通信链路均需要经过基站转 发，造成了严重的基站超负荷、频谱利用率低等问题，难以应对5G时代超高流量密度和超高 连接数等技术挑战。基于此，5G通信系统引入终端直连(D2D)技术作为传统蜂窝通信的补充 机制，通过允许D2D链路复用蜂窝链路的频谱资源进行直接数据传输来提高资源利用率、降 低基站负载。 D2D通信指两个距离较近并且具备D2D通信功能的用户进行通信时，数据绕过基站 或者接入点直接在设备之间进行传输的通信方式。D2D通信可以卸载基站流量，分担蜂窝小 区基站的负荷，也可以作为中继节点为小区边缘用户提供质量保障，扩展网络覆盖范围。此 外，D2D通信链路收发端距离较近，可以显著提升能量效率减少传输时延，提供良好的用户 体验。 将D2D技术引入现有的蜂窝网络架构虽然能带来多方面的性能提升，但也面临着 严重的同频复用干扰问题，包括D2D链路和蜂窝链路之间的跨层干扰以及D2D链路之间的同 层干扰。如果不采用合理的干扰协调技术进行缓解，干扰引起的速率损失甚至会超过D2D带 来的复用增益。合理的资源分配方法可以缓解同频干扰，减小用户因干扰导致的数据损失， 从而提升系统容量、提高总体效率以及用户满意度。 除了利用D2D技术提升无线网络的频谱效率之外，新型多址接入技术——非正交 多址接入(NOMA)被视为5G时代有效解决海量设备连接和提升频谱效率的重要手段。与传统 的正交多址接入(OMA)技术不同，NOMA技术可以利用不同的功率水平来支持多个用户共享 相同的资源，即允许在单个正交的资源块上承载多个用户的数据，通过并发传输来显著增 加设备的连接数量。在蜂窝和D2D异构网络中结合NOMA技术将进一步提高频谱利用率，增加 网络容量，为5G网络的发展带来新的机遇，但相应地也为异构网络中的资源调度问题带来 了新的挑战。面向NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络场景，如何进行合理的资源分配和干扰管 理，以实现在保障准入用户的服务质量(QoS)的前提下减少链路间的同频复用干扰、提高系 统吞吐量和频谱利用率成为亟需解决的关键问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于：针对现有技术存在的NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络场景，如 6 CN 111586697 A 说　明　书 2/10 页 何进行合理的资源分配和干扰管理的问题，提供一种基于有向超图贪心着色的信道资源分 配方法。 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 一种基于有向超图贪心着色的信道资源分配方法，包括： S1、根据NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络的干扰情况、资源复用特点和允许接入的 通信链路的服务质量需求，建立带约束条件的信道资源分配模型； S2、根据所述信道资源分配模型构建出信道资源分配有向超图，所述信道资源分 配有向超图将蜂窝用户和D2D簇建模为顶点；所述信道资源分配有向超图的有向边表示通 信链路之间的干扰，所述有向边的头部顶点表示不受干扰的顶点，尾部顶点表示受干扰的 顶点； S3、对所述信道资源分配有向超图进行有序贪心着色，用k种不同颜色表示k个正 交的信道资源，着色的结果即为信道资源的分配结果。 作为本发明的优选方案，所述信道资源分配模型以香农容量作为系统容量，将最 大化系统容量作为优化目标，将信道资源的复用特点和保障允许接入的蜂窝用户和D2D链 路的服务质量需求作为所述约束条件。 作为本发明的优选方案，若NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络由基站BS、M个蜂窝上 行用户和N个D2D簇组成，网络中的频谱资源被均分为K个正交的子信道，用集合K＝{1 , 2,...,k,...,K}表示；M个蜂窝用户C＝{C1,C2,...,Cm,...CM}与基站BS以传统的蜂窝模式 通信，N个D2D簇D＝{D1 ,D2,...,Dn ,...,DN}以underlay模式复用K中的频谱资源；在第n个 D2D簇中，D2D发送机DTn利用NOMA传输协议向一组Ln个D2D接收机 同时 发送数据； 则所述步骤S1中带约束条件的信道资源分配模型为： 7 CN 111586697 A 说　明　书 3/10 页 其中， 为蜂窝链路Cm的传输速率； 为D2D簇Dn的传输速率；αm ,k为蜂窝用 户Cm与信道资源k的匹配情况，若信道资源k分配给蜂窝用户Cm，则αm,k＝1，否则αm,k＝0；βn,k 为D2D簇Dn与信道资源k的匹配情况，若信道资源k分配给D2D簇Dn，则βn ,k＝1，否则βn ,k＝0； 和 分别为蜂窝通信链路Cm和D2D链路达到服务质量所需的最小接收SINR门 限； 为D2D簇Dn中第i个接收机DRn,i在子信道k上受到的SINR；约束条件C1和C2分别代 表对允许接入的蜂窝链路和D2D链路的QoS保障；约束条件C3和C4说明蜂窝和D2D簇的资源 分配变量αm ,k和βn ,k均为二元决策变量，只能取值0或1；约束条件C5表明每个子信道资源最 多只能同时分配给一个蜂窝用户，即小区中的蜂窝用户正交使用信道资源，蜂窝链路之间 不存在同频复用干扰；约束条件C6保证蜂窝用户有且只能被分配一个信道资源；约束条件 C7确保每个D2D簇最多被分配一个信道资源。 作为本发明的优选方案，所述步骤S2中，所述信道资源分配有向超图的有向边表 示的通信链路之间的干扰包括： 非对称独立干扰：建模单个蜂窝链路或者单个D2D簇对目标链路的强烈干扰，用有 向2元边表征，有向2元边指包含两个顶点的边； 非对称累积干扰：建模多个蜂窝和D2D干扰源带来的累积干扰效应，用有向超边表 征，超边指包含多于两个顶点的边。 作为本发明的优选方案，构建所述非对称独立干扰的有向2元边包括： 为蜂窝用户识别强烈独立干扰源：将任意蜂窝用户Cm均视为其他蜂窝用户的强烈 干扰源，将蜂窝用户两两连为以虚拟顶点0作为头部集合的2元有向边； 如果蜂窝用户Cm和D2D簇Dn使用相同的信道资源，满足以下条件： 将蜂窝用户Cm添加到由D2D簇Dn和蜂窝用户Cm组成的2元有向边的尾部集合；其中， Pc为蜂窝用户的固定发射功率，Pd为D2D发送机的固定发射功率，Gm,b为蜂窝用户Cm到基站的 信道增益， 为D2D发送机DTn到基站的干扰信号的信道增益， 为蜂窝通信链路Cm达 到服务质量所需的最小接收SINR门限； 为每个D2D簇寻找强烈独立干扰源：如果D2D簇Dn和蜂窝用户Cm使用相同资源使得 该D2D簇中任一D2D接收机所获得的接收信号与干扰噪声比低于一定门限，即满足： 将D2D簇Dn添加到由蜂窝用户Cm和D2D簇Dn组成的2元有向边的尾部集合；其中，Ln 为D2D簇Dn中的接收机个数， 为D2D簇Dn中的发送机DTn到接收机DRn,i信道增益， 为蜂窝用户Cm到接收机DRn,i的干扰信号的信道增益， 为采用NOMA技术时D2D发送机DTn 发往簇内第i个接收机DRn,i的功率占发送机总发送功率的比例； 如果D2D簇Dn和另一D2D簇Dn '使用相同资源使得D2D簇Dn中任一D2D接收机所获得 的接收信号与干扰噪声比低于一定门限，即满足： 8 CN 111586697 A 说　明　书 4/10 页 将D2D簇Dn添加到由D2D簇Dn′和D2D簇Dn组成的2元有向边的尾部集合；其中， 为D2D簇Dn′中的发送机DTn′到接收机DRn,i的信道增益， 为D2D链路达到服务质量所需 的最小接收SINR门限， 为D2D发送机DTn发往簇内第i个接收机DRn,i的功率占发送机总 发送功率的比例。 作为本发明的优选方案，构建所述非对称累积干扰的有向超边： 选择Q个顶点，包括蜂窝顶点和D2D簇顶点，然后把每个顶点受到的累积干扰与其 获得的信号强度进行对比决定其是否形成超边且获得其在该超边中的受干扰状态，以形成 对应的有向超边模式； 对于蜂窝链路Cm，如果满足： 则该蜂窝链路对应的顶点在与累积干扰源形成的有向超边中作为干扰节点，添加 到该有向超边的尾部集合； 其中，Pc为蜂窝用户的固定发射功率，Pd为D2D发送机的固定发射功率，Gm ,b为蜂窝 用户Cm到基站的信道增益，Gnt,b为D2D发送机DTn到基站的干扰信号的信道增益， 为蜂 窝通信链路Cm达到服务质量所需的最小接收SINR门限； 对于D2D簇Dn，若其包含的任一D2D链路满足： 则将该D2D簇Dn添加到对应有向超边尾部集合，标记该D2D簇Dn的受干扰状态； 其中， 为D2D发送机DTn发往簇内第i个接收机DRn,i的功率占发送机总发送功 率的比例，Fn和Zn分别为有向超边中蜂窝和D2D干扰源的数量，满足Fn Zn＝Q-1， 为D2D 簇Dn中的发送机DTn到接收机DRn,i信道增益， 为D2D链路达到服务质量所需的最小接 收SINR门限， 为Fn个蜂窝干扰源中的蜂窝用户Cl到接收机DRn ,i的干扰信号的信道增 益， 为Zn个D2D干扰源中的D2D簇Dj中的发送机DTj到接收机DRn,i信道增益。 作为本发明的优选方案，所述步骤S3中的对所述有向超图进行有序贪心着色包 括： S31、初始化：给所述有向超图的每个顶点一个候选颜色集合，用于表征每个顶点 可以使用的颜色，每个顶点初始化的候选颜色集合为颜色全集； S32、排序：将所述有向超图的每个顶点按照出度的降序进行排列，出度指顶点所 处有向边中头部集合的个数； S33、着色：从着色点的候选颜色集中选择当前可以获得最小干扰的颜色进行着 9 CN 111586697 A 说　明　书 5/10 页 色，该着色点完成着色后，遍历包含该着色点的所有有向边，找到关联的顶点集中只剩一个 顶点未着色的有向边，若该有向边中其他顶点均被着相同的颜色，则从该有向边中未着色 顶点的候选颜色集中删除对应颜色，最后从所述有向超图中删除该有向边； 按照步骤S32中的排序将所述有向超图中的每个顶点依次作为着色点进行着色， 重复步骤S33，直到所有顶点被着色或者未着色顶点候选颜色集为空集时，信道资源分配完 成； 其中，若顶点的候选颜色集为空，则保持未着色状态，即不分配信道资源。 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是： 1、根据异构网络的干扰情况、资源复用特点和允许接入的通信链路的服务质量需 求建立信道资源分配模型，将信道资源分配问题转换为最优化问题，再构建有向超图，并对 有向超图进行着色，以较小的时间复杂度求取资源分配模型的次优解。 2、构建有向超图模型，有向超图的顶点表示蜂窝用户和D2D簇，有向边建模通信链 路间的干扰，解决了传统无向图不能同时建模密集异构网络中累积干扰和非对称干扰的问 题，其较传统无向图模型更为精确，可以模拟出更接近实际的干扰环境。 3、着色时，对具有最大出度的顶点优先着色，即首先为生成最大干扰的通信链路 分配信道资源，随后其他通信链路可以利用其他信道来避免干扰，以这种方法，更多的通信 链路可以获得信道，因此提高资源利用率，同时带来系统容量的提升。另外，着色阶段通过 避免处于同一边的顶点着相同颜色可以确保分配到资源的通信链路满足服务质量需求。 4、D2D簇和蜂窝用户在着色过程中，即在资源分配过程中拥有相同的优先级，当 D2D簇具有更好的信道条件时，D2D簇将代替蜂窝用户被分配信道资源，由此可进一步增大 系统容量。 附图说明 图1为本发明方法的流程图。 图2为本发明建立的NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络模型图。 图3为NOMA增强的蜂窝和D2D异构网络的干扰模型。 图4为由两个蜂窝用户和六个D2D簇构造的有向超图示例。 图5为本发明有向超图着色步骤示例。 图6为应用本发明对简单异构网络的着色结果示意图。 图7为本发明与穷尽搜索、传统图着色、超图着色方法获得的系统容量对比图。 图8为本发明与穷尽搜索、传统图着色、超图着色方法能接纳的D2D簇个数的对比 图。