CN103796317B

CN103796317B - 一种基于终端直通中继通信的资源分配方法

Info

Publication number: CN103796317B
Application number: CN201310654633.XA
Authority: CN
Inventors: 孙君; 陶宇; 邵世祥
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Jiangsu Zhongcheng Communication Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: CN103796317A

Abstract

一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，在单个小区中LTE‑Advanced蜂窝网络与D2D***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***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。

Description

一种基于终端直通中继通信的资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于终端直通(D2D)中继通信的资源分配方法，利用LTE-Advanced蜂窝网络、D2D通信和中继技术，通过基站进行集中式的资源调度，适用于未来的混合***(Hybrid System)。

背景技术

近年来，第三代合作伙伴计划(3GPP)长期演进(LTE)技术因其展示出的高数据速率、高***容量等优势，得到了全球范围内的瞩目，大量的研究力量已经或正在为它的发展做贡献。可以预见，LTE技术将是实现IMT-Advanced技术提案的坚实基础，并且LTE技术研究现已步入了LTE-Advanced阶段。

对于蜂窝机制来说，主要优点在于便捷的资源分配和功率控制，同时明显的缺点在于对无线频谱资源的未充分利用，而无线频谱紧张的问题又日益严峻。针对这一情况，一种新的无线接口技术，终端直通(Device-to-Device,D2D)技术被提出，以形成一种新的通信模式，一经提出便得到广泛关注。D2D不仅工作在授权频段，并且接受基站的协助调度，具有低成本、灵活性，可以带来高效率的频谱利用，缓解基站负载，降低能源消耗。未来的混合***(Hybrid System)中，D2D通信将是一个重要的组成部分。

如果D2D发送端和接收端之间相距过远，或者他们之间的直接链路信道质量不够好，不足以进行D2D通信，这时候就需要借助中继(Relay)来实现D2D通信。但是，利用D2D用户附近的空闲用户来充当移动中继进行D2D通信，将会有多种干扰链路混合，使得干扰问题变得更加复杂，同时，由于中继***需要采用2个传输时间间隔(TTI)来进行一次传输，因而相较于直连模式，吞吐量会不可避免的有所下降，因此资源分配的目标应集中在降低D2D用户资源分配失败概率，提高***的总体应用性和适用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于终端直通(D2D)中继通信的资源分配方法，在D2D中继通信的干扰分析基础上，提供一种可靠的高性能的基于LTE-Advanced蜂窝网络的D2D中继通信的资源分配方案，以降低D2D资源分配失败的概率，使更多的D2D用户可以进行通信，提高***的总体适用性。

本发明的技术方案如下：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***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***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***GPS或者北斗卫星导航***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***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：

(3)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：

Q_{i} = Q \cdot F (A_{i}^{l}) / Σ_{i = 1}^{Q} F (A_{i}^{l})

(4)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。

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***，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：

y_{R} = h_{SR} \sqrt{P_{S} d_{SR}^{- α}} x_{S} + h_{CR} \sqrt{P_{C} d_{CR}^{- α}} x_{C} + n_{R}

y_{D} = h_{RD} \sqrt{P_{R} d_{RD}^{- α}} x_{R} + h_{CD} \sqrt{P_{C} d_{CD}^{- α}} x_{C} + n_{D}

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。

\begin{matrix} x_{R}^{AF} = {ky}_{R} = \sqrt{\frac{P_{R}}{{| h_{SR} |}^{2} P_{S} d_{SR}^{- α} + {| h_{CR} |}^{2} P_{C} d_{CR}^{- α} + N_{R}}} y_{R} \\ = \sqrt{\frac{P_{R}}{{| h_{SR} |}^{2} P_{S} d_{SR}^{- α} + {| h_{CR} |}^{2} P_{C} d_{CR}^{- α} + N_{R}}} (h_{SR} \sqrt{P_{S} d_{SR}^{- α}} x_{S} + h_{CR} \sqrt{P_{C} d_{CR}^{- α}} x_{C} + n_{R}) \end{matrix}

k = \sqrt{\frac{P_{R}}{{| h_{SR} |}^{2} P_{S} d_{SR}^{- α} + {| h_{CR} |}^{2} P_{C} d_{CR}^{- α} + N_{R}}} = \sqrt{\frac{P_{R}}{G_{SR} P_{S} + G_{CR} P_{C} + N_{R}}}

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：

x_{R}^{AF} = \sqrt{\frac{1}{{| h_{SR} |}^{2} P_{S} d_{SR}^{- α} + {| h_{CR} |}^{2} P_{C} d_{CR}^{- α} + N_{R}}} (h_{SR} \sqrt{P_{S} d_{SR}^{- α}} x_{S} + h_{CR} \sqrt{P_{C} d_{CR}^{- α}} x_{C} + n_{R})

最终得到R处的接收信号、SINR表达式分别为：

\begin{matrix} y_{D}^{AF} = {kh}_{SR} \sqrt{P_{S} d_{SR}^{- α}} h_{RD} \sqrt{d_{RD}^{- α}} x_{S} + k h_{CR} \sqrt{P_{C} d_{CR}^{- α}} h_{RD} \sqrt{d_{RD}^{- α}} x_{C} \\ + k h_{RD} \sqrt{d_{RD}^{- α}} n_{R} + h_{CD} \sqrt{P_{C} d_{CD}^{- α}} x_{C} + n_{D} \end{matrix}

\begin{matrix} γ_{D}^{AF} = \frac{k^{2} {| h_{SR} |}^{2} d_{SR}^{- α} {| h_{RD} |}^{2} d_{RD}^{- α} P_{S}}{k^{2} {| h_{CR} |}^{2} d_{CR}^{- α} {| h_{RD} |}^{2} d_{RD}^{- α} P_{C} + k^{2} {| h_{RD} |}^{2} d_{RD}^{- α} N_{R} + {| h_{CD} |}^{2} d_{CD}^{- α} P_{C} + N_{D}} \\ = \frac{k^{2} G_{SR} G_{RD} P_{S}}{k^{2} G_{CR} G_{RD} P_{C} + k^{2} G_{RD} N_{R} + G_{CD} P_{C} + N_{D}} \end{matrix}

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：

y_{D}^{DF} = h_{RD} \sqrt{P_{R} d_{RD}^{- α}} x_{S} + h_{CD} \sqrt{P_{C} d_{CD}^{- α}} x_{C} + n_{D}

γ_{R}^{DF} = \frac{G_{SR} P_{S}}{G_{CR} P_{C} + N_{R}}

γ_{D}^{DF} = \frac{G_{RD} P_{R}}{G_{CD} P_{C} + N_{D}}

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：

γ_{D} = γ_{D}^{direct} + γ_{D}^{relay}

其中，表示直接链路的SINR，表示中继链路的SINR：

γ_{D}^{direct} = \frac{{| h_{SD} |}^{2} d_{SD}^{- α} P_{S}}{{| h_{CD} |}^{2} d_{CD}^{- α} P_{C} + N_{D}} = \frac{G_{SD} P_{S}}{G_{CD} P_{C} + N_{D}}

步骤D:计算蜂窝用户的SINR；上面的分析都是针对D2D***，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。

本发明的优点及有益效果：本发明在D2D中继通信的干扰分析基础上，提出的一种基于遗传算法的资源分配方案，降低了D2D资源分配失败的概率，使更多的D2D用户可以进行通信，提升了***资源的利用率。

附图说明

图1是D2D中继通信的场景示意图；

图2是D2D中继通信的干扰分析基本模型；

图3是基于最大比合并的D2D中继通信模型；

图4是资源分配的流程示意图；

图5本发明中的遗传算法流程示意图；

图6是信道资源的分配记录表。

具体实施方式

单个小区的D2D中继通信***模型如图1所示，LTE-Advanced蜂窝网络与D2D***构成混合网络，其中蜂窝网络的双工方式为时分双工(TDD)，D2D以复用的模式利用小区内蜂窝通信的上行资源。主要的干扰是两方面：一方面蜂窝用户发送会对复用同一资源的D2D用户接收造成干扰，对移动中继的接收和D2D接收端的接收都会造成干扰；另一方面D2D发送端的发送和移动中继的发送都会对蜂窝用户造成干扰，也就是干扰基站(BS)对蜂窝信号的接收。

考虑单个小区场景，并假设小区间干扰已妥善处理，小区半径为R，基站位于小区中心，N个蜂窝用户(用C_UE₁,C_UE₂,…,C_UE_N来表示)利用N个不同的信道，与基站进行上行通信，彼此之间没有干扰。假设每个蜂窝用户占用的信道最多被1对D2D用户复用，且D2D通信和蜂窝通信是同步的，N对D2D用户(D2D发送端:S_UE₁,S_UE₂,…,S_UE_N;D2D接收端:D_UE₁,D_UE₂,…,D_UE_N)复用所有的资源块。

由于上行链路采用的无线接入技术是SC-FDMA，每个蜂窝用户进行通信至少需要2个资源块(resource blocks,RBs)，并且必须在频域上连续，假设N个蜂窝信道均由两个频域上连续的资源块组成。

除此之外，还有M个空闲的蜂窝用户(用I_UE₁,I_UE₂,…,I_UE_M来表示)，这M个空闲用户可以充当移动中继。

如图1所示，C_UE₁与基站之间正在进行上行蜂窝通信，S_UE₁与D_UE₁借助I_UE₂作为移动中继进行D2D中继通信，复用的是C_UE₁占用的资源，值得注意的是，需要在距离基站较近的区域内禁止进行D2D通信，以免对蜂窝用户产生不可协调的干扰。

对D2D中继通信进行干扰建模，干扰分析基本模型如图2所示，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***，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：

y_{R} = h_{SR} \sqrt{P_{S} d_{SR}^{- α}} x_{S} + h_{CR} \sqrt{P_{C} d_{CR}^{- α}} x_{C} + n_{R} - - - (1)

y_{D} = h_{RD} \sqrt{P_{R} d_{RD}^{- α}} x_{R} + h_{CD} \sqrt{P_{C} d_{CD}^{- α}} x_{C} + n_{D} - - - (2)

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，在本文中，h_XY、d_XY分别用来表示X-Y链路的信道系数、通信距离。

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，

(1)AF模式

\begin{matrix} x_{R}^{AF} = {ky}_{R} = \sqrt{\frac{P_{R}}{{| h_{SR} |}^{2} P_{S} d_{SR}^{- α} + {| h_{CR} |}^{2} P_{C} d_{CR}^{- α} + N_{R}}} y_{R} \\ = \sqrt{\frac{P_{R}}{{| h_{SR} |}^{2} P_{S} d_{SR}^{- α} + {| h_{CR} |}^{2} P_{C} d_{CR}^{- α} + N_{R}}} (h_{SR} \sqrt{P_{S} d_{SR}^{- α}} x_{S} + h_{CR} \sqrt{P_{C} d_{CR}^{- α}} x_{C} + n_{R}) \end{matrix} - - - (4)

k = \sqrt{\frac{P_{R}}{{| h_{SR} |}^{2} P_{S} d_{SR}^{- α} + {| h_{CR} |}^{2} P_{C} d_{CR}^{- α} + N_{R}}} = \sqrt{\frac{P_{R}}{G_{SR} P_{S} + G_{CR} P_{C} + N_{R}}} - - - (5)

x_{R}^{AF} = \sqrt{\frac{1}{{| h_{SR} |}^{2} P_{S} d_{SR}^{- α} + {| h_{CR} |}^{2} P_{C} d_{CR}^{- α} + N_{R}}} (h_{SR} \sqrt{P_{S} d_{SR}^{- α}} x_{S} + h_{CR} \sqrt{P_{C} d_{CR}^{- α}} x_{C} + n_{R}) - - - (6)

最终得到R处的接收信号、SINR表达式分别为：

\begin{matrix} y_{D}^{AF} = {kh}_{SR} \sqrt{P_{S} d_{SR}^{- α}} h_{RD} \sqrt{d_{RD}^{- α}} x_{S} + k h_{CR} \sqrt{P_{C} d_{CR}^{- α}} h_{RD} \sqrt{d_{RD}^{- α}} x_{C} \\ + k h_{RD} \sqrt{d_{RD}^{- α}} n_{R} + h_{CD} \sqrt{P_{C} d_{CD}^{- α}} x_{C} + n_{D} \end{matrix} - - - (7)

\begin{matrix} γ_{D}^{AF} = \frac{k^{2} {| h_{SR} |}^{2} d_{SR}^{- α} {| h_{RD} |}^{2} d_{RD}^{- α} P_{S}}{k^{2} {| h_{CR} |}^{2} d_{CR}^{- α} {| h_{RD} |}^{2} d_{RD}^{- α} P_{C} + k^{2} {| h_{RD} |}^{2} d_{RD}^{- α} N_{R} + {| h_{CD} |}^{2} d_{CD}^{- α} P_{C} + N_{D}} \\ = \frac{k^{2} G_{SR} G_{RD} P_{S}}{k^{2} G_{CR} G_{RD} P_{C} + k^{2} G_{RD} N_{R} + G_{CD} P_{C} + N_{D}} \end{matrix} - - - (8)

(2)DF模式

DF模式下，R处涉及到一个能否正确解码的问题：

y_{D}^{DF} = h_{RD} \sqrt{P_{R} d_{RD}^{- α}} x_{S} + h_{CD} \sqrt{P_{C} d_{CD}^{- α}} x_{C} + n_{D} - - - (10)

γ_{R}^{DF} = \frac{G_{SR} P_{S}}{G_{CR} P_{C} + N_{R}} - - - (11)

γ_{D}^{DF} = \frac{G_{RD} P_{R}}{G_{CD} P_{C} + N_{D}} - - - (12)

对于D2D接收端的最终信号接收，我们采用基于最大比的分集合并(MSC)方式，如图3所示，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：

γ_{D} = γ_{D}^{direct} + γ_{D}^{relay} - - - (13)

其中表示直接链路的SINR，表示中继链路的SINR：

γ_{D}^{direct} = \frac{{| h_{SD} |}^{2} d_{SD}^{- α} P_{S}}{{| h_{CD} |}^{2} d_{CD}^{- α} P_{C} + N_{D}} = \frac{G_{SD} P_{S}}{G_{CD} P_{C} + N_{D}} - - - (14)

上面的分析都是针对D2D***，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 (16)

当R向D发送信号时 (17)

本发明一种基于终端直通中继通信的资源分配方法，其包括如下步骤：

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，另外，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，如表1所示，每一行都表示一个信道的资源使用情况，每行的第1格记录信道号n，第2格记录使用该信道的蜂窝用户C_UE_i(n)，第3格和第4格表示复用该信道的D2D用户对S_UE_j(n)、D_UE_j(n)，最后一格表示选取的移动中继I_UE_k(n)；若第2格为空表示该信道还未被蜂窝用户使用，其余格为空表示该信道没有被D2D用户复用。只要资源分配信息发生了变化，基站就会对ChnTable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BS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D2D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***(GPS)或者北斗卫星导航***(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：

如图4所示流程，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；

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***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；

本发明中采用的遗传算法，具体流程如图5所示，先生成初代群体，对基因进行实数编码，再对每一代群体依次进行选择、交叉、变异操作，直至生成最终代（记为T）群体，包括以下具体步骤：

步骤1: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 (18)

步骤2: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；

(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：

(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；

步骤3: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；

步骤4: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；

步骤5: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。

Claims

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***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***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；

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，则该对D2D用户将被拒绝并进入等待队列；

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：

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；

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，在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；

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，在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:重复步骤二-步骤四，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***，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，R、D、B三处接收到的混合信号分别为：

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；

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：

最终得到R处的接收信号、SINR表达式分别为：

DF模式下，R处涉及到一个能否正确解码的问题：

其中，表示直接链路的SINR，表示中继链路的SINR：

当S向R发送信号时；

当R向D发送信号时。