第  卷第  期  年  月 计 算 机 应 用 研 究 ;% 9% *-$-% :'$! %1% 4' # 基于 &$*的 资源分配优化算法研究 张晓明 李敬兆 M  高之翔 杨大禹 安徽理工大学 电气与信息工程学院 安徽 淮南  摘要 88通信通过复用蜂窝系统频谱资源实现一定范围内终端设备点到点的直接通信频谱资源的复用缓 解了资源匮乏的问题但必然会产生同频干扰而影响蜂窝系统的性能 为了提高资源利用率且降低干扰通过 运用 6*)算法来完成合理的资源分配从而实现 88对与频谱资源之间的一对多的复用关系同时在满足各 用户不同 2% 需求的前提下可将干扰有效抑制在合理的范围内 通过仿真实验可知该算法既能提高系统的 吞吐量也能保证蜂窝系统的通信性能不受影响 关键词 88通信 2% 需求 资源分配 吞吐量 中图分类号 ()#+文献标志码 *文章编号 + ,%-# ./#-''#+### :'$! % %- -B-% %-! %1'%4$%$-% 1%88', % 6*)  #*0**21 0 , !"#**23*"  ,   !-% - 5-C-B!%  D%!-7- 84 M  4'-$4'$4 '%4$ 88$% 4-$-% $%4, $% 4-$,-$%-%%-- $ - #:4'-'%4$-, !% %1'%4$'$$- 4-$4', ' 14$-1$, -  $, !1% $%1$4'' #6 %,%- %!4--B-% %1'%4$, ,4$!-1$ !-' %%',  %-! ', % 6*)!-$! $%4, $% !'%4$%$-% '%#6 ,%88-4' 4-'%4$#!- 4,! -'%1 -!,-112% 4- ' !-1$%4, - -, 11-$-#&- !'- 4-% 7- '!%'!%-! $ - %!'' !%4!4 , 4! 1% $%1!$4'' #   88$% 4-$-% 2% 4- ' '%4$%$-% !%4!4 8-$%,-$ 88 通信由于具有终端设备的发射功 率低生命周期长传输速率高数据传输模式多样以及频谱资 源利用率高等诸多优势使其逐渐成为无线通信领域的研究热 点 现有的蜂窝系统不支持点到点的直接通信若终端间需要 通信则需经过有线骨干网或中心控制节点的路由和转发   这是与 88通信的主要区别所在 88通信的工作模式有三 种即蜂窝模式正交模式和非正交模式   蜂窝模式与蜂窝 通信原理类似是以基站  作为中继完成数据传输的正交 模式下的 88通信不存在资源 : 复用的情况系统单独为 它分配 :以完成数据传输而在非正交模式下88则需与 问题不充分 为此本文提出一种基于改进的最短增广路 -  %, '!%'4 -!6*)的 88资源分配优化算法 来优化系统吞吐量和同频干扰的问题 该算法的作用是动态调 整 88终端在各 :上的匹配路径达到提高资源利用率的目 的 本文在单蜂窝系统中进行仿真用随机分配算法与本文所 提算法作相关参数的比对结果显示本算法可兼顾 88吞吐 量的提升与蜂窝系统性能的保持也就意味着在蜂窝系统性能 不受影响的条件下提高了整个通信系统的吞吐量 蜂窝系统下的 通信 蜂窝共享 :故存在同频干扰问题但却有助于提高系统各方 系统框架的构建 面的性能 本文将讨论第三种工作模式下的通信情况 将 88通信引入到蜂窝中需统筹考虑吞吐量的提升和链 路间同频干扰的抑制 对此问题的研究文献    采用减轻 88通信对整个系统的权重影响来降低其产生的干扰但此方 法付出的代价却是降低 88吞吐量 文献是基于干扰感知 的无线资源分配方法降低了干扰但缺点在于一个系统资源只 可以被一个 88对使用88吞吐量不高 文献   采用多播 模式进行数据分发提高了 88通信的吞吐量却没有考虑同 频干扰问题 文献+分析的是整个蜂窝通信系统中只有一个 88对的资源复用而忽视了多 88对的情况考虑同频干扰 在对蜂窝系统的资源分配进行优化时一般会根据实际需 要来选择不同的优化目标如通信链路选择终端间的干扰和 频带宽度等 本文选择的优化目标是终端间的干扰与通信链 路选择相结合通过对干扰的抑制和链路最大化匹配达到优 化资源分配和提升 88吞吐量的目的 在整个通信系统内 88终端产生的干扰只能影响到上行链路中的 但对下行 链路的影响范围则包括众多的蜂窝终端 结果难以控制  同时下行链路 :利用率要高于上行链路因此本文考虑的是 88通信发生在蜂窝系统的上行链路中 图  描述了蜂窝系 统上行链路的通信情况图中一个 88对复用蜂窝用户 E0    收稿日期   修回日期 基金项目 国家自然科学基金资助项目  安徽省学术和技术带头人学术科研 活动资助项目 +8  安徽省高等学校优秀拔尖人才资助项目 7/8  作者简介张晓明 男硕士研究生主要研究方向为移动通信无线传感器网络李敬兆  男 通信作者 教授博导博士主 要研究方向为物联网嵌入式系统 /B4'"#$%  高之翔 男硕士研究生主要研究方向为嵌入式 5-47开发杨大禹   男 博士研究生主要研究方向为无线传感器网络下一代通信技术# 

计 算 机 应 用 研 究  第  卷    的 : E0 与 E0 E0    由发送端 88E0 干扰会影响到与其共享 :的接收端 88E0 产生的干扰而蜂窝用户 E0     上行链路的数据传输在  处会受到 产生的 E0  信干噪比与发射功率 可以最大限度地复用 :则必须在确保 69:有效的同时也 要保证资源调度的公平性让每一个 88对在通信时分配到 等量的 :的概率相同 运用图论中最短增广路的思想将 88对复用 :的匹配路径记为边集 0则 -个 88对'个 蜂窝用户 :和边集 0组成集合 8 0 集合 8可以表 示 88对与蜂窝用户 :的匹配情况 在此6*)方法就是 在已有的匹配路径之外拓展其他的路径作为已有路径的增广 路径根据 69:值对增广路径进行筛选即 69:在一定阈值 范围内时该路径才支持 88对与 :的复用既实现 88对 与 :的最大化匹配也能达到抑制干扰的目的 本算法针对系统内所有的 :在每个 :上寻找可以与 之匹配的 88对 通信过程中系统会动态调整 88对与 : 的匹配路径同时得出蜂窝上行链路接收到的 69:与 88接 收端的 69:根据 69:的值来判断 88对是否可以复用该 : 以一个 -行 '列的矩阵 来表示 88对与 :的匹配 情况以对边集 0进行具体的说明 表  是 88对复用 :的 假定单蜂窝中存在 -个 88对和 ' 个 :分别以集合 匹配实例表中的值即为矩阵 的值其中    表示复用   - 和 ' 表示 根据图  可知88 表示不复用并且表格中一行可以有多个    而一列最多有 接收端的信干噪比 69: 为 两个   因为当多个 88对同时使用一个 :时蜂窝链路 $ & 8   对 88的干扰增益将会增大从而使 88难以正常通信甚   8,    -   & 8   * *  8 8, * 至导致通信性能恶化 为了避免这一情况规定最多只有两对 蜂窝用户接收到的上行链路在  处的 69:为 88用户可以同时使用该 : * & 8     $    -   & 8   * *   $ $ 其中     * ' $ -& $ 为 88终端的发射功率& 为蜂   窝用户的发射功率8 为 88终端之间的信道增益8 为蜂   窝用户到  的信道增益 $ 取值为  和  表示 88终端 * 使用 :反之则是不使用8 分别为蜂窝到 88和 88 8   到  的干扰链路的信道增益- 为噪声功率 为保证通信的  有效性需同时考虑 88接收端的 69:和蜂窝接收到的上行 链路在  处的 69:的约束二者分别不得小于各自的阈值 表 88对与 :的匹配实例 蜂窝 E0 88对 E0 E0 E0  E0' E0' 88       88       88             88-       88-       为了在蜂窝的性能不受影响的前提下最大化系统的吞吐 和  即     且     结合式  可得 88( ( 8, 88(  ( 量本文建立吞吐量的数学模型为 $ * ' -             -   & 8  88(  * *   $ &   8  * & 8   -  $  ( &   $   8 * *  此时便可得到如式 所示的 88发射功率范围同时若 88接收端的 69:过高则可适当降低其发射功率以节能 $ &        * & 8       -   & 8  88(  * *   ( $ *  - 8    8 * *   $      本文假设  可以根据当前的通信情况来估测共享资源 的链路状态以及系统内各用户的 2% 需求 88对与 :的 匹配如图  所示 在整个数据传输过程中88对复用蜂窝资 源当其数量逐渐增多时每个 88对为了可以得到更多的通 信资源会尽可能地与空闲的 :匹配如果系统内 :数量有 限则会存在 88对与 :的多对一的复用情况 基于 &$*的 资源分配优化算法 7  %     %      +       $ *  8, * $   $    '##  ' $        * ' $ * - $     *    *    $  式 表示每个 88对在同一时刻允许使用多个 :式    表示在同一时刻使用一个 :的 88对的数量不超过两个 根据上述的数学模型要实现提高系统吞吐量的目的即   在不影响蜂窝系统性能的前提下提升 88系统的吞吐量就 要实现 88对复用 :的最优化匹配 实现该算法的具体步 骤如下  完成算法仿真的初始化配置初始化的对象参数包括 88终端和蜂窝用户的发射功率及其可承受的 69:门限值 等并对匹配矩阵进行初始化此时 88对尚未与  建立匹 配即此时匹配矩阵是零矩阵   根据 88对的数量和各用户的 2% 需求将 :转 换成列表 :  : : :   -'   ' $ 针对系统内存在的每一个 :在遍历所有的 88对 后寻找可以与其匹配的 : , 对于某一 :分别计算蜂窝上行链路接收的和 88接 收端的 69:值若满足阈值要求并且复用该 :的 88对数 小于  时则该 88对可以复用该 :并实时更新匹配矩阵 在蜂窝上行链路中由式       可以看出欲使 88对  根据上一步求得的 69:计算此时最大的吞吐量 

第  期 张晓明等基于 6*)的 88资源分配优化算法研究   1 更新一次匹配矩阵后返回步骤   享资源的方式来提高系统的吞吐量但也存在同频干扰问题 本文提出一种基于 6*)的 88资源分配优化算法一方面保 证蜂窝系统性能另一方面使 :的利用率最大化 本算法优 化资源分配方式为先根据 6*)算法拓展 88对与 :的匹 配路径然后选取 69:在一定阈值内的 88对复用与之匹配 的 : 单蜂窝环境下的仿真结果显示本算法完全符合要求 并比随机分配算法有更多的优势 虽然当 88对数较多时 加上 69:阈值的限制吞吐量将逐渐趋于饱和而上升缓慢 但并未影响到蜂窝系统的性能 现实情况是单个 88对与多 个蜂窝用户共享 :的情况与实际更接近却更为复杂因此 下一步研究方向将是复杂环境下的 88资源分配 算法实现代码如下 - 初始化发射功率69:门限以及匹配矩阵 将 :转换成列表 : 88对的数量为  -蜂窝数为 '  : -'  : :    ' -  *  *    *  '    $ $     * +-1         8, 88(  (     * $* $  *    $ '    * $* $  *    $ , -1    * -@' $ !-   *  , !- , 仿真分析 使用 *(5*对系统进行仿真 首先给出仿真所需的相 关参数如表  所示 为了更具目的性仿真是在单蜂窝小区中 完成的 作为对蜂窝通信的一种补充向其中引入 88通信时 既不能影响到原有系统的性能还应给系统带来有效的增益 参考文献   周斌 胡宏林#提高蜂窝网络中数据分发效率的 88协作转发 算法 C #电子与信息学报      #   杨莲新 陈华梁 吴丹 等#88通信中的基于联盟形成博弈的 能量有效的无限资源共享机制  C #信号处理       因此这里分别给出两个参数的仿真结果即 88的吞吐量和 # 蜂窝终端的 69:其结果是在 + 次实验的基础上得到的 表 系统仿真参数   王斌 孟琬婷 王兆丰 等#蜂窝控制下的 88通信的无线资源 分配研究 C #南京邮电大学学报 自然科学版 + #    参数 仿真时间 . ' 小区半径 . 系统带宽 .3B 蜂窝用户数 88对数 :数 终端与基站路损模型 终端间路损模型 数值   ((6 + +  #    C-') A%-4 ; :--% #61$'%4$ %$-% 1%88,-%4,-$4%' ..)%$%1; !-$4($!%%%1$# ## 6000)''  +# +  8%A 4 3 :--% #%,'$-% 1%,-$%  ,-$$% 4-$-% 4,- 5(0,$, %   ..  )%$%16000-''% 4-$-% , 9%-%1$# # # @ $        #  @ $    0    荣涛 吴斌 糜正琨 等#一种 5(0网络 88通信资源共享算法 蜂窝链路最小 69: 88链路最小 69:   ., (    ., 88( #+ 噪声指数 ., + 注$   #+  $ +   0 图  为 88系统的吞吐量图由图  中曲线可知随着 88对数的增加其吞吐量也明显升高在保持蜂窝系统性能 的条件下提高了整个系统的吞吐量 但 88对数越多加上  C #南京邮电大学学报自然科学版      +#   黄俊伟 刘晓江#基于 A4!4'最优匹配的 88资源分配 算法 C #计算机应用研究 +     #   兰冰 李兵兵 刘佳 等#高密度 88用户的潜在博弈资源分配 算法 C #华南理工大学学报 +     +#   员陈军 王晓湘 王冬宇#基于用户分组的 88通信资源分配方 案 C #成都信息工程学院学报       ++# 69:阈值的约束系统内 :的复用情况就逐渐趋于饱和故   程永生 朱江 林孝康#引入 88通信的蜂窝上行资源分配算 其升高的趋势逐渐变缓 同时从图中与随机分配算法的比较 法 C #电子与信息学报      # 可以看出本文算法在提升蜂窝用户 :的利用率上有极大的   王俊义 巩志帅 符杰林 等#基于多跳 88转发的簇内数据共 优势从而使 88的吞吐量相对更高 图  为蜂窝终端的接收 69:的累积分布函数图  8&  为保证蜂窝系统业务质量其上行链路的接收 69:应大于  ,故以 69:值低于  ,的比例作为衡量蜂窝系统 优劣 的 指 标 从 图  中 可 知 采 用 随 机 分 配 时 69:值 在  ,以下的比例已然占到 ?左右此时的蜂窝系统实际 上已无法正常运行其通信丢包率和误码率将大幅升高 而使 享方案 C #计算机科学 +     #   59 5- --#)%$%%1%88 4,-, $4 %' %,- %-! ' , '-' C #& 1")+")  +  $  .)%")..") +     #   )(% 54 2-7- 3- - #61$%-,$ $!-' '- !!-, $4, ,-$%,-$''   .. )%$%1!! 6-% %'-4 % )'% 6,%%, % -:,-%% 4-$-%'# # 用本文所提算法时该比例只占 ?左右可保证蜂窝系统运   李方健#88通信系统中的最优中继选择及功率分配策略研究 行不受影响 结束语  C #重庆邮电大学学报 自然科学版   +   +#  +  D4 C  C !%- #8 -$%$%% $!-' 1% -1$$%%,--% %1,-$%,-$$% 4-$-% - $4 88通信是蜂窝通信的一种辅助通信方式二者通过共 , &449%# ## 6000)''   +# %'  ..)%$%1!, 6-%%1$% E-4-%4'