CN110139281A - 一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于K‑means的全双工D2D分簇资源分配的方法，提出了D2D对通信限制区域的概念，在限制区域以外D2D对对基站的干扰可忽略。对于CU用户对D2D用户对的干扰提出限制复用区域概念，在限制复用区域外，D2D对才有可能复用该CU资源。对于D2D对之间的干扰，提出了使用K‑means算法利用D2D对之间的干扰强度值对其进行分簇的算法，相互间的干扰值越大则分在一个簇的概率越小，分在同一个簇的D2D对之间干扰的可忽略，即它们可复用同一个CU的资源。对资源分配的过程进行了算法描述，对分好簇的D2D对进行CU资源块分配，通过计算将最优资源块分配给D2D对，从而一方面尽量消除干扰，另一方面提高***总体效能。

Description

一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法

【技术领域】

本发明涉及通信技术的技术领域，特别是一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法。

【背景技术】

近年来，智能手机的兴起与迅猛发展深刻改变了人类的沟通、交流和娱乐方式。云计算、物联网及多媒体等无线应用的广泛使用，为高速、高效的无线通信技术提供了更好的平台。5G是面向2020年后信息通信需求而发展的下一代移动通信***。它具有更高的频谱利用率和传输速率，在传输时延、QoS感受、接入链路数目和安全等性能上也将得到显著提升。移动通信终端直通通信技术是移动通信领域中的一个研究热点。D2D是指相邻的终端可以在近距离范围内通过直连链路进行数据传输，而不需要通过中心节点进行转发。在这种情况下，基站只发送一些控制信息，大大减轻了基站的负荷。而D2D用户可以有效复用经网络授权的无线资源，从而提升无线频谱的复用率，扩大异构蜂窝网络的吞吐量和覆盖范围。在全双工模式下，由于允许用户同时同步收发信号，双倍地增高了频谱效益。该技术能够大幅度提升无线传输速率，有着巨大的技术优势和应用前景，是未来5G通信的备选方案之一。

在同一蜂窝小区下，信道资源被D2D通信与蜂窝用户同时复用，因此，D2D通信技术在带来便利的同时也带来了同频干扰等问题。当用户数量增加，彼此之间的干扰也会随之上升，网络容量优化和功率分配问题也随之产生，从而导致整个***的功耗也随之增加。在异构网络中，有两种资源分配方案：一种是局部资源分配(固定小区服务用户的资源和自适应调节D2D对的资源分配)，另一种是全局资源分配(小区服务用户和D2D对联合分配资源)。由于D2D通信对相互之间竞争或合作地共享资源，所以它们个体或团体的行为符合博弈论的内在性质，可以利用其有效地建模和分析。

D2D通信技术与认知无线电技术(Cognitive Radio,CR)结合可以有效地降低干扰。认知无线电技术通过与外界环境的交互而进行多维度频谱探测，能够实时与周环境进行交互，能够感知到接收的干扰，并对干扰予以判断，为认知用户选择最合适通信的频段，在不对主用户造成干扰的情况下，实现与主用户的频谱共享。如何统筹管理小区频谱资源，合理确定各设备的通信功率，最大限度地减少设备间干扰，成为D2D进入实用化阶段的主要瓶颈。现提出一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，能够消除D2D对对基站、D2D对之间以及CU用户对D2D对的干扰，对分好簇的D2D对进行CU资源块分配，通过计算将最优资源块分配给D2D，可提高***总体效能。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，具体包括如下步骤：

S1.D2D用户对通信限制区域划定：划定一个D2D通信限制区域，在该区域内认为D2D对对基站的干扰很大，而在该区域外认为D2D对对基站的干扰可忽略，当基站接收到D2D链接建立请求时，基站首先判定D2D的发射端是否在D2D通信限制区域内，如果是则禁止D2D链接的建立；

S2.蜂窝用户被限制复用区域：当D2D用户和蜂窝用户使用相同上行资源时，CU_j会对D2D_i，rx接收信号产生干扰，并且CU_j和D2D_i，rx之间距离越近，干扰就越大，划定蜂窝用户被限制复用区域来减少这类干扰，所述CU_j为第j个蜂窝用户，所述D2D_i，rx为第i对D2D用户的接收端；

S3.***模型建立：为满足用户的QoS请求，必须保证D2D用户的蜂窝用户达到各自的最小SINR，所述SINR为信号与干扰加噪声比；并且只有同时满足保证蜂窝用户和D2D用户满足其自身的QoS需求这两个条件的D2D才可以被接入网络，其中，蜂窝用户和D2D用户的发射功率不应超过各自的最大发射功率；

S4.D2D对分簇解决D2D对相互间的干扰问题：对D2D用户对进行分簇处理，认为同一个簇中的D2D对相互间干扰可忽略，可以对同一个CU的资源进行复用，计算出各个D2D对之间的距离，D2D对之间的距离越近，则干扰越大，D2D对之间的距离值跟干扰值成反比；以距离值的倒数作为干扰值的表征，形成D2D对的干扰值矩阵，再利用K-means聚类的方法根据干扰值矩阵进行D2D对分簇；

S5.QoS保证下的D2D用户簇的资源分配：资源分配阶段需对每个簇中的D2D用户进行筛选，只有既能满足D2D自身的QoS请求，同时又能保证对蜂窝用户的正常通信不造成影响的D2D对才能最终接入网络；以throughput_Rj值表征每个簇在每个RB上达到的吞吐量，最终构建出一个以簇数和RB数为维度的二维throughput_Rj矩阵，根据构建的矩阵，为每个簇合理分配资源。

作为优选，在蜂窝***模型中以BS为基站，第i个D2D用户对D2D_i复用第j个蜂窝用户CU_j的上行资源，D2D对发射端D2D_i，tx到基站的信道增益，以及CU_j到D2D_i，rx的信道增益分别表示为:

其中，K和α分别是由蜂窝***环境所决定的路损常数和路损指数；d_i，B是D2D_i，tx到基站的距离，d_i，j是CU_j到D2D_i，rx的距离；δ_i，B是D2D_i，tx到基站服从指数分布的快衰落增益；δ_i，j是CU_j到D2D_i，rx服从指数分布的快衰落增益；ξ_i，B是D2D_i，tx到基站服从对数分布的慢衰落增益；ξ_i，j是CU_j到D2D_i，rx服从对数分布的慢衰落增益；

所述步骤S1中设为D2D用户的最大发射功率，I_d，B表示D2D用户对对基站的干扰门限值，I_d，B由蜂窝小区根据长期观测得出，则必须满足：

联合式(1)和式(3)求解可得D2D通信限制区域的半径R₁:

D2D通信限制区域就是以基站BS为圆心，R₁为半径的圆形区域。

作为优选，所述步骤S2中设表示蜂窝用户的最大发射功率，I_c，d表示蜂窝用户对D2D用户干扰的门限值，则蜂窝用户对D2D用户的干扰必须小于这个门限值，否则D2D用户也不能正常进行通信，满足公式

其中，I_c，d由蜂窝小区长期观测决定；联合式(2)和式(5)可以计算出蜂窝用户被限制复用区域半径R2:

蜂窝用户被限制复用区域是以D2D_i，rx为圆心，R₂为半径的圆形区域，在这个区域内的蜂窝用户不会被D2D对选择为潜在的复用对象。

作为优选，所述步骤S3中对小区m中的设备k而言，该设备通信时的SINR为：

其中，P_R(m，k)＝P_T(m，k)·G_T(m，k)，表示设备k接收到小区m的有效信号强度，P_T(m，k)为基站每个RB的发射功率，G_T(m，k)是基站与设备间的信道增益；I(m，k)为来自其他设备的干扰之和；

则***目标应为最大化***吞吐量：

其中，和分别表示蜂窝用户和D2D用户的实际SINR；和分别表示蜂窝用户j和D2D用户i的实际发射功率；h_cj，B表示蜂窝用户J和基站之间的信道增益，其模型为128.1+37.6·lgD，其中D表示蜂窝用户和基站之间的距离，以km为单位；h_di，di，h_dl，di，h_cj，di，h_di，cj表示用户之间的信道增益，其模型为10·lgD⁴，其中D表示两用户之间的距离，以m为单位；x_i，j为一个二进制值，若用户i和用户j共享相同的资源，则x_i，j＝1，否则为0；和分别为蜂窝用户和D2D用户正常通信时需达到的最小信噪比，上述目标函数表示最大化整个***的吞吐量，前两个受限条件(1a)(1b)保证蜂窝用户和D2D用户满足其自身的QoS需求，只有同时满足这两个条件的D2D才可以被接入网络；后两个受限条件(1c)(1d)表示蜂窝用户和D2D用户的发射功率不应超过各自的最大发射功率。

作为优选，所述步骤S4中设D2D设备总数为N_ue，则所有D2D设备记为X＝(x(i)，i＝1，2，...，N_ue)；分簇后形成K_C个簇，记作C＝{c(j)，j＝1，2，...，K_C}；具体算法过程为：

S4.1随机选取K_C个初始分簇中心，记作U＝{u(j)，j＝1，2，...，K_C}；

S4.2计算各个样本间的距离，使用距离值的倒数形成干扰值矩阵，将样本加入与其干扰值最小的那个中心的簇中；

S4.3计算簇c(j)内各点到其相应簇中心u(j)的距离平方和以及总距离平方和：

根据最小二乘法和拉格朗日原理，簇中心u(j)应取对应簇c(j)内各样本点的均值；

S4.4按照以上步骤进行迭代并更新簇，直到J(C)收敛即得到最小值，迭代结束；

S4.5输出：迭代结束后，输出分簇后的K_C个簇中心的空间坐标以及每个簇中包含了哪些D2D设备。

作为优选，所述步骤S5中采用的资源共享模式为：蜂窝用户已事先分配好资源，且每个蜂窝用户占用一个RB，单个D2D簇可以复用多个蜂窝用户的频谱资源，而一个蜂窝频谱资源只能被一个簇复用；下面用矩阵Y＝[y_kn]表示信道分配情况，元素y_kn＝1表示信道n分配给D2D簇k，否则等于0；满足分配方式Y_opt使得整个***的吞吐量最大化，即：

其中，R_kn表示簇k在RB_n上的数据速率。

本发明的有益效果：本发明通过首先提出了D2D通信限制使用区域和D2D用户限制复用蜂窝用户区域的概念，以降低资源分配的复杂度和干扰强度。其次，根据D2D对之间的干扰程度，利用K-means算法进行分簇，以消除D2D对之间的干扰。再次，在满足蜂窝用户和D2D用户各自QoS的前提下，改进资源分配算法，以最大化***吞吐量。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明中问题描述***模型图；

图2是本发明中D2D通信限制区域与蜂窝用户限制复用区域的示意图；

图3是本发明中D2D通信限制区域半径增加下的***平均SINR变化情况图；

图4是本发明中两种资源分配方案在D2D对数增加情况下的***总吞吐量情况；

图5是本发明中***总吞吐量在两种方案下的累积分布函数。

【具体实施方式】

本发明要解决的问题描述如下：

考虑单小区模型，包括M个蜂窝用户和N个D2D用户对，小区子信道数目为L。其中蜂窝用户集合为C＝{C₁，C₂，...，C_M}，D2D用户对集合为D＝{D₁，D₂，...，D_N}。D2D用户对复用蜂窝用户的链路资源。和用户设备相比，基站具有更强大的抗干扰能力和处理能力，而且蜂窝网络上下行数据量具有不对称性，上行资源更未得到充分利用。因此，本发明讨论的D2D通信选择复用蜂窝***的上行链路资源。

假设对于基站来说，各个用户设备的位置坐标都是已知的，这样就可以算出任意用户之间以及用户与基站之间的信道增益。如图1所示，在蜂窝***模型中以BS为基站，第i个D2D用户对D2D_i复用第j个蜂窝用户CU_j的上行资源。

如图1所示，CU_j向BS发射信号，信道增益为g_j，B。第i对D2D用户对D2D_i的发射端D2D_i，tx向其接收端D2D_i，rx发射信号，信道增益为g_i。CU_j发射信号时，会对D2D_i的接收信号D2D_i，rx产生干扰，信道增益为h_i，j。D2D_i，tx发射信号时，会对基站接收信号产生干扰，信道增益为h_i，B，高斯白噪声为N₀。

除了考虑路损模型之外，还要考虑由多径效应产生的快衰落和阴影效应产生的慢衰落。所以D2D对发射端D2D_i，tx到基站的信道增益，以及CU_j到D2D_i，rx的信道增益可以分别表示为:

其中，K和α分别是由蜂窝***环境所决定的路损常数和路损指数；d_i，B是D2D_i，tx到基站的距离，d_i，j是CU_j到D2D_i，rx的距离；δ_i，B是D2D_i，tx到基站服从指数分布的快衰落增益；δ_i，j是CU_j到D2D_i，rx服从指数分布的快衰落增益；ξ_i，B是D2D_i，tx到基站服从对数分布的慢衰落增益；ξ_i，j是CU_j到D2D_i，rx服从对数分布的慢衰落增益。

经过上述的分析可得，本场景下存在三类干扰：(1)D2D发送端对蜂窝***的干扰；(2)蜂窝用户对D2D接收端的干扰；(3)共享相同频谱资源的D2D对之间的干扰。本发明要解决的问题即是在考虑三类干扰的情况下，建立蜂窝小区资源复用状态***模型，并对其进行求解，以确定最佳资源分配方案。

本发明一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法：具体包括如下步骤：

S1.D2D用户对通信限制区域划定

由于D2D用户复用的是蜂窝用户的上行资源，故D2D对离基站越近，对BS接收CU信号的干扰就越大。因此为了减少干扰，提高***总的吞吐量，减少计算的复杂度，划定一个D2D通信限制区域，在该区域内认为D2D对对基站的干扰很大，而在该区域外认为D2D对对基站的干扰可忽略。设为D2D用户的最大发射功率，I_d，B表示D2D用户对对基站的干扰门限值。则必须满足

D2D用户对基站的干扰必须小于这个门限值，否则就会对基站带来比较严重的干扰，使蜂窝用户不能正常进行通信。其中，I_d，B由蜂窝小区根据长期观测得出。联合式(1)和式(3)求解可得D2D通信限制区域的半径R₁:

所以，D2D通信限制区域就是以基站BS为圆心，R₁为半径的圆形区域，则图1可转化为图2。当基站接收到D2D链接建立请求时，基站首先判定D2D的发射端是否在D2D通信限制区域内，如果是则禁止D2D链接的建立。如图2所示，以BS为圆心、R₁为半径的圆是D2D通信限制区域。

S2.蜂窝用户被限制复用区域

由图1可知，当D2D用户和蜂窝用户使用相同上行资源时，CU_j会对D2D_i，rx接收信号产生干扰，并且CU_j和D2D_i，rx之间距离越近，干扰就越大。因此划定蜂窝用户被限制复用区域来减少这类干扰。设表示蜂窝用户的最大发射功率，I_c，d表示蜂窝用户对D2D用户干扰的门限值，则蜂窝用户对D2D用户的干扰必须小于这个门限值，否则D2D用户也不能正常进行通信。即应该满足公式

其中，I_c，d由蜂窝小区长期观测决定。联合式(2)和式(5)可以计算出蜂窝用户被限制复用区域半径R2:

所以如图2所示，蜂窝用户被限制复用区域是以D2D_i，rx为圆心，R₂为半径的圆形区域。在这个区域内的蜂窝用户不会被D2D对选择为潜在的复用对象。

S3.***模型建立

为满足用户的QoS请求，必须保证D2D用户的蜂窝用户达到各自的最小SINR(信号与干扰加噪声比)。

对小区m中的设备k而言，该设备通信时的SINR为：

其中，P_R(m，k)＝P_T(m，k)·G_T(m，k)，表示设备k接收到小区m的有效信号强度，P_T(m，k)为基站每个RB的发射功率，G_T(m，k)是基站与设备间的信道增益；I(m，k)为来自其他设备的干扰之和。

则***目标应为最大化***吞吐量：

其中，和分别表示蜂窝用户和D2D用户的实际SINR；和分别表示蜂窝用户j和D2D用户i的实际发射功率；h_cj，B表示蜂窝用户J和基站之间的信道增益，其模型为128.1+37.6·lgD，其中D表示蜂窝用户和基站之间的距离，以km为单位；h_di，di，h_dl，di，h_cj，di，h_di，cj表示用户之间的信道增益，其模型为10·lgD⁴，其中D表示两用户之间的距离，以m为单位；x_i，j为一个二进制值，若用户i和用户j共享相同的资源，则x_i，j＝1，否则为0；和分别为蜂窝用户和D2D用户正常通信时需达到的最小信噪比。

上述目标函数表示最大化整个***的吞吐量，前两个受限条件(1a)(1b)保证蜂窝用户和D2D用户满足其自身的QoS需求，只有同时满足这两个条件的D2D才可以被接入网络。后两个受限条件(1c)(1d)表示蜂窝用户和D2D用户的发射功率不应超过各自的最大发射功率。

S4.D2D对分簇解决D2D对相互间的干扰问题

由于蜂窝小区中的D2D对之间也存在相互干扰的问题，为了***资源的有效利用，尽量减小这种干扰，则对D2D用户对进行分簇处理，认为同一个簇中的D2D对相互间干扰可忽略，可以对同一个CU的资源进行复用。由于位置坐标已知，可以计算出各个D2D对之间的距离，D2D对之间的距离越近，则干扰越大，即D2D对之间的距离值跟干扰值成反比。这里使用距离值的倒数作为干扰值的表征，形成D2D对的干扰值矩阵。再利用K-means聚类的方法根据干扰值矩阵进行D2D对分簇。设D2D设备总数为N_ue，则所有D2D设备记为X＝(x(i)，i＝1，2，...，N_ue)。分簇后形成K_C个簇，记作C＝{c(j)，j＝1，2，...，K_C}。具体算法过程为：

(1)随机选取K_C个初始分簇中心，记作U＝{u(j)，j＝1，2，...，K_C}。

(2)计算各个样本间的距离，使用距离值的倒数形成干扰值矩阵，将样本加入与其干扰值最小的那个中心的簇中。

(3)计算簇c(j)内各点到其相应簇中心u(j)的距离平方和以及总距离平方和：

根据最小二乘法和拉格朗日原理，簇中心u(j)应取对应簇c(j)内各样本点的均值。

(4)按照以上步骤进行迭代并更新簇，直到J(C)收敛即得到最小值，迭代结束。

输出：迭代结束后，输出分簇后的K_C个簇中心的空间坐标以及每个簇中包含了哪些D2D设备。

S5.QoS保证下的D2D用户簇的资源分配

通过上述方案，将所有D2D用户对分为K个簇，每个簇称为g_k。由于在每个TTI下D2D的干扰情况不同，故簇的个数及簇的大小并不固定，这充分利用了D2D的瞬时信道状态信息。本节的主要任务是决定将哪个子信道分配给哪个簇。本发明考虑的资源共享模式为：蜂窝用户已事先分配好资源，且每个蜂窝用户占用一个RB，单个D2D簇可以复用多个蜂窝用户的频谱资源，而一个蜂窝频谱资源只能被一个簇复用。下面用矩阵Y＝[y_kn]表示信道分配情况，元素y_kn＝1表示信道n分配给D2D簇k，否则等于0。本发明的目标是找到一种分配方式Y_opt使得整个***的吞吐量最大化，即：

其中，R_kn表示簇k在RB_n上的数据速率。为了保证原蜂窝网络的正常通信，在实际资源分配阶段，需对每个簇中的D2D用户进行筛选，只有那些既能满足D2D自身的QoS请求，同时又能保证对蜂窝用户的正常通信不造成影响的D2D对才能最终接入网络。因此，同一个簇g_k在不同的资源块上能和蜂窝用户共享资源的D2D对是不同的，下文用簇g_kjShare来表示簇g_k中能共享RB_j的D2D集合。

对于某个特定的RB，簇中最终能接入网络的D2D用户的筛选过程如下：

步骤(2)过滤了当考虑D2D对对基站的干扰、蜂窝用户对D2D对的干扰后，簇g_k中不能满足自身QoS请求的D2D用户对，得到簇g_kj；步骤(3)计算簇g_kj每个D2D用户对对蜂窝用户的干扰，并根据干扰值的大小将对应D2D用户排序；步骤(4)从簇g_kj中对蜂窝用户干扰最小的D2D开始，计算该D2D共享RB_j时蜂窝用户达到的SINR，若小于蜂窝用户的最小SINR，则不允许该D2D用户共享RB_j；若满足，则将该D2D对放入簇g_kjshare中，并加入干扰次小的D2D用户，再次计算蜂窝用户的SINR，直到小于蜂窝用户的最小SINR为止。最终获得g_kj中所有能共享RB_j的D2D用户对，且用簇g_kjshare表示。

本发明用throughput_Rj值表征每个簇在每个RB上达到的吞吐量，最终构建出一个以簇数和RB数为维度的二维throughput_Rj矩阵，根据构建的矩阵，为每个簇合理分配资源。

其中簇g_k共享RB_j时的throughput_Rj值定义为：

其中，表示簇g_kjshare中的D2D用户对在RB_j所达到的SINR，γ_CU表示RB_j的蜂窝用户在受到簇g_kjshare中所有的D2D用户的干扰下达到的SINR。

具体的资源分配过程如下：

(1)初始化：根据式(8)计算出每个簇在每个RB上的throughput_Rj值，构建throughput_Rj矩阵，设集合S为尚未被分配的RB集合，j表示单个RB，j∈S

(2)while

在throughput_Rj矩阵中，找到最大的throughput_Rj值，得到该值对应的RB_j和簇g_kjshare；

将RB_j分配给簇g_kjshare；

将RB_j对应的所有throughput_Rj置为-1000；

S＝S-{j}；

endwhile

(3)功率分配：D2D对i的最终发射功率(D2D_i分配到的RB个数)

蜂窝用户的发射功率

本发明仿真结果与分析如下：

仿真参数：

考虑一个半径为500m的单蜂窝小区场景，所有CU和DU随机均匀分布在小区内，D2D对与CU均为静止状态，每个接收端和发射端均采用单天线。在仿真过程中，假设全双工D2D节点的自干扰消除数量为110dB，天线增益为14.0dBi，上行链路带宽设置为1.4Mhz，即资源块RB为6个。其他参数如表1所示。通过Matlab软件进行仿真，本发明所提方案以***总吞吐量和平均信干燥比作为优化目标，并与全双工随机资源分配方案[ChenTW2014,SonCD2014]进行了对比和分析，验证了本发明所提分配方案的有效性。

表1仿***要参数

验证分析：

(1)D2D通信限制区域验证

图3为D2D通信限制区域半径增加下的***平均SINR变化情况图。从图3可以看到，当D2D通信限制区域半径从0m增加到150m时，***平均SINR增加并不是很明显；当半径超过150m时，***平均SINR随着D2D通信限制区域半径的增大而逐渐增大。由此可见，为了降低D2D用户对基站的干扰，蜂窝小区加入D2D通信限制区域是十分必要的，而在本发明设定的实验条件下，D2D通信限制区域的半径大小大概在150m左右。同时由图3可以看出所提算法在***频谱效率上要明显优于文献[ChenTW2014,SonCD2014]中的资源块随机分配算法。

(2)D2D对数对***总吞吐量的影响验证

图4为两种资源分配方案在D2D对数增加情况下的***总吞吐量情况。由图4可以看出，当D2D用户对个数为20对以下时，本发明所提出的资源分配方案与随机分配方案的吞吐量相差不大。随着D2D对数的增加，两种方案的***总吞吐量都逐渐上升，但本发明提出的方案的吞吐量明显高于随机资源分配方案。

(3)***总吞吐量累积分布函数对比

图5为***总吞吐量在两种方案下的累积分布函数。由于本发明提出的方法首先采用K-means聚类对相互间产生干扰可以忽略的D2D对进行了分簇，再利用最优资源分配算法将最优的RB分配给D2D对，使***内可复用的RB得到了充分的利用，蜂窝***中建立的D2D链路数达到了最大化。因此和参考算法相比，***的总吞吐量得到显著提升。

本发明一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，为了消除D2D对对基站、D2D对之间以及CU用户对D2D对的干扰，提出了相应的对策及解决办法，构建了***效能最大化的函数模型，并对其进行了求解。对于消除D2D对对基站的干扰，提出了D2D对通信限制区域的概念，在限制区域以外D2D对对基站的干扰可忽略。对于CU用户对D2D用户对的干扰提出限制复用区域概念，在限制复用区域外，D2D对才有可能复用该CU资源。对于D2D对之间的干扰，提出了使用K-means算法利用D2D对之间的干扰强度值对其进行分簇的算法，相互间的干扰值越大则分在一个簇的概率越小，分在同一个簇的D2D对之间干扰的可忽略，即它们可复用同一个CU的资源。然后，对资源分配的过程进行了算法描述，对分好簇的D2D对进行CU资源块分配，通过计算将最优资源块分配给D2D对，从而一方面尽量消除干扰，另一方面提高***总体效能。最后，利用Matlab软件对***进行了实验仿真，结果表明本发明提出的资源分配方案能有效消除干扰，提高***总体效能。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

S1.D2D用户对通信限制区域划定：划定一个D2D通信限制区域，在该区域内认为D2D对对基站的干扰很大，而在该区域外认为D2D对对基站的干扰可忽略，当基站接收到D2D链接建立请求时，基站首先判定D2D的发射端是否在D2D通信限制区域内，如果是则禁止D2D链接的建立；

S2.蜂窝用户被限制复用区域：当D2D用户和蜂窝用户使用相同上行资源时，CU_j会对D2D_i，rx接收信号产生干扰，并且CU_j和D2D_i，rx之间距离越近，干扰就越大，划定蜂窝用户被限制复用区域来减少这类干扰，所述CU_j为第j个蜂窝用户，所述D2D_i，rx为第i对D2D用户的接收端；

S3.***模型建立：为满足用户的QoS请求，必须保证D2D用户的蜂窝用户达到各自的最小SINR，所述SINR为信号与干扰加噪声比；并且只有同时满足保证蜂窝用户和D2D用户满足其自身的QoS需求这两个条件的D2D才可以被接入网络，其中，蜂窝用户和D2D用户的发射功率不应超过各自的最大发射功率；

S4.D2D对分簇解决D2D对相互间的干扰问题：对D2D用户对进行分簇处理，认为同一个簇中的D2D对相互间干扰可忽略，可以对同一个CU的资源进行复用，计算出各个D2D对之间的距离，D2D对之间的距离越近，则干扰越大，D2D对之间的距离值跟干扰值成反比；以距离值的倒数作为干扰值的表征，形成D2D对的干扰值矩阵，再利用K-means聚类的方法根据干扰值矩阵进行D2D对分簇；

S5.QoS保证下的D2D用户簇的资源分配：资源分配阶段需对每个簇中的D2D用户进行筛选，只有既能满足D2D自身的QoS请求，同时又能保证对蜂窝用户的正常通信不造成影响的D2D对才能最终接入网络；以throughput_Rj值表征每个簇在每个RB上达到的吞吐量，最终构建出一个以簇数和RB数为维度的二维throughput_Rj矩阵，根据构建的矩阵，为每个簇合理分配资源。

2.如权利要求1所述的一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，其特征在于：在蜂窝***模型中以BS为基站，第i个D2D用户对D2D_i复用第j个蜂窝用户CU_j的上行资源，D2D对发射端D2D_i，tx到基站的信道增益，以及CU_j到D2D_i，rx的信道增益分别表示为：

其中，K和α分别是由蜂窝***环境所决定的路损常数和路损指数；d_i，B是D2D_i，tx到基站的距离，d_i，j是CU_j到D2D_i，rx的距离；δ_i，B是D2D_i，tx到基站服从指数分布的快衰落增益；δ_i，j是CU_j到D2D_i，rx服从指数分布的快衰落增益；ξ_i，B是D2D_i，tx到基站服从对数分布的慢衰落增益；ξ_i，j是CU_j到D2D_i，rx服从对数分布的慢衰落增益；

所述步骤S1中设为D2D用户的最大发射功率，I_d，B表示D2D用户对对基站的干扰门限值，I_d，B由蜂窝小区根据长期观测得出，则必须满足：

联合式(1)和式(3)求解可得D2D通信限制区域的半径R₁：

D2D通信限制区域就是以基站BS为圆心，R₁为半径的圆形区域。

3.如权利要求2所述的一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，其特征在于：所述步骤S2中设表示蜂窝用户的最大发射功率，I_c，d表示蜂窝用户对D2D用户干扰的门限值，则蜂窝用户对D2D用户的干扰必须小于这个门限值，否则D2D用户也不能正常进行通信，满足公式

其中，I_c，d由蜂窝小区长期观测决定；联合式(2)和式(5)可以计算出蜂窝用户被限制复用区域半径R2：

蜂窝用户被限制复用区域是以D2D_i，rx为圆心，R₂为半径的圆形区域，在这个区域内的蜂窝用户不会被D2D对选择为潜在的复用对象。

4.如权利要求3所述的一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，其特征在于：所述步骤S3中对小区m中的设备k而言，该设备通信时的SINR为：

其中，P_R(m，k)＝P_T(m，k)·G_T(m，k)，表示设备k接收到小区m的有效信号强度，P_T(m，k)为基站每个RB的发射功率，G_T(m，k)是基站与设备间的信道增益；I(m，k)为来自其他设备的干扰之和；

则***目标应为最大化***吞吐量：

其中，和分别表示蜂窝用户和D2D用户的实际SINR；和分别表示蜂窝用户j和D2D用户i的实际发射功率；h_cj，B表示蜂窝用户J和基站之间的信道增益，其模型为128.1+37.6·lgD，其中D表示蜂窝用户和基站之间的距离，以km为单位；h_di，di，h_dl，di，h_cj，di，h_di，cj表示用户之间的信道增益，其模型为10·lgD⁴，其中D表示两用户之间的距离，以m为单位；x_i，j为一个二进制值，若用户i和用户j共享相同的资源，则x_i，j＝1，否则为0；和分别为蜂窝用户和D2D用户正常通信时需达到的最小信噪比，上述目标函数表示最大化整个***的吞吐量，前两个受限条件(1a)(1b)保证蜂窝用户和D2D用户满足其自身的QoS需求，只有同时满足这两个条件的D2D才可以被接入网络；后两个受限条件(1c)(1d)表示蜂窝用户和D2D用户的发射功率不应超过各自的最大发射功率。

5.如权利要求4所述的一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，其特征在于：所述步骤S4中设D2D设备总数为N_ue，则所有D2D设备记为X＝(x(i)，i＝1，2，...，N_ue)；分簇后形成K_C个簇，记作C＝{c(j)，j＝1，2，...，K_C}；具体算法过程为：

S4.1随机选取K_C个初始分簇中心，记作U＝{u(j)，j＝1，2，...，K_C}；

S4.2计算各个样本间的距离，使用距离值的倒数形成干扰值矩阵，将样本加入与其干扰值最小的那个中心的簇中；

S4.3计算簇c(j)内各点到其相应簇中心u(j)的距离平方和以及总距离平方和：

根据最小二乘法和拉格朗日原理，簇中心u(j)应取对应簇c(j)内各样本点的均值；

S4.4按照以上步骤进行迭代并更新簇，直到J(C)收敛即得到最小值，迭代结束；

S4.5输出：迭代结束后，输出分簇后的K_C个簇中心的空间坐标以及每个簇中包含了哪些D2D设备。

6.如权利要求5所述的一种基于K-means的全双工D2D分簇资源分配的方法，其特征在于：所述步骤S5中采用的资源共享模式为：蜂窝用户已事先分配好资源，且每个蜂窝用户占用一个RB，单个D2D簇可以复用多个蜂窝用户的频谱资源，而一个蜂窝频谱资源只能被一个簇复用；下面用矩阵Y＝[y_kn]表示信道分配情况，元素y_kn＝1表示信道n分配给D2D簇k，否则等于0；满足分配方式Y_opt使得整个***的吞吐量最大化，即：

其中，R_kn表示簇k在RB_n上的数据速率。