一种复杂电磁环境中的D2D干扰抑制方法及装置

一种复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法及装置
技术领域
1.本发明涉及无线通信抗干扰技术领域，特别涉及一种复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法及装置。


背景技术：

2.随着无线通信的发展，动通信承载的数据流量爆炸式增长和无线频谱资源紧缺的矛盾日益涌现，为了解决这一问题，d2d技术应运而生。它是两个对等的用户节点之间直接进行通信的一种通信方式，每个用户节点都能发送和接收信号，并具有转发消息的功能。在d2d通信网路中，用户节点同时扮演伺服器和客户端的角色，用户能够意识到彼此的存在，自组织地构成一个虚拟或者实际的群体。
3.构成复杂电磁环境的主要因素有敌、我双方的电子对抗，各种武器装备所释放的高密度、高强度、多频谱的电磁波，民用电磁设备的辐射和自然界产生的电磁波等。
4.通过设计基于d2d的抗干扰通信网络提高频谱利用率，改善不同通信情况下用户体验问题刻不容缓。如何解决d2d用户间的干扰，d2d用户与蜂窝用户间干扰是无线通信中的重要问题之一，因此，有必要研究一种关于d2d干扰抑制的算法，来优化无线通信系统，来抵抗复杂电磁环境。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法及装置，以求在复杂的电磁环境中降低用户之间的干扰以及电磁环境的干扰，改善资源分配的不合理，解决复杂电磁环境干扰问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
7.一方面，本发明提供了一种复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法，包括：
8.针对待抑制干扰的通信系统，构建干扰模型；其中，所述通信系统中包括基站，蜂窝用户和d2d用户，且在系统中单小区d2d用户多于蜂窝用户；
9.基于改进的图着色优化算法求解所述干扰模型，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，以降低用户之间的干扰以及复杂电磁环境的干扰。
10.进一步地，所述干扰模型表示为：
[0011][0012]
[0013][0014][0015][0016]
p argmax r
[0017]
c1 p
bs
≤p
bs-max
,pd≤p
d-max
[0018]
c2
[0019]
c3
[0020]
c4
[0021]
c5
[0022]
其中，p
bs
是基站bs的发射功率；h
cu
是基站到蜂窝用户的信道增益；pd是的发射功率，表示第j个d2d的接收用户；是第j个d2d发送端到第i个蜂窝用户的信道增益；是第j个d2d发送端到第j个d2d用户接收端的信道增益；是基站bs到第j个d2d接收端的信道增益；表示共用相同频谱资源的第j
′
个用户的发送端到第j个用户的接收端的信道增益，此时j
′
不等于j；n0是高斯白噪声；σ2是复杂电磁环境中的干扰；v
ij
表示第j个d2d用户复用第i个蜂窝用户信道；表示第i个蜂窝用户的sinr；表示第j个d2d用户的sinr；表示第i个蜂窝用户速率；表示第j个d2d用户速率；表示蜂窝用户的sinr上限；表示d2d用户的sinr上限；r表示系统总吞吐量；h
cui,bs
表示第i个蜂窝用户与基站bs之间的信道增益；表示蜂窝用户的干扰上限；(r
cu
,min)为蜂窝用户所需的最低服务质量；w表示信道带宽；优化问题以系统在单小区d2d用户多于蜂窝用户下考虑，c1、c2、c3、c4、c5为约束条件；n表示d2d用户对的个数，m表示蜂窝用户的个数，p
bs-max
表示基站发射的最大功率，p
d-max
表示d2d用户对发送端发射的最大功率。
[0023]
进一步地，所述基于改进的图着色优化算法求解所述干扰模型，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，以降低用户之间的干扰以及复杂电磁环境的干扰，包括：
[0024]
确定d2d用户之间受到干扰的大小和干扰距离，构建干扰图；
[0025]
在满足用户所能承受的干扰上限的情况下确定d2d用户可用的颜色列表；
[0026]
根据所述可用颜色列表中相同的颜色对用户进行分簇，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，以降低用户间的干扰及复杂电磁环境干扰。
[0027]
进一步地，所述在满足用户所能承受的干扰上限的情况下确定d2d用户可用的颜色列表，包括：
[0028]
步骤1，计算用户所能承受的干扰上限并且对来自d2d的总干扰进行计算，如果总干扰大于干扰上限则按照干扰大小从大到小依次剔除，直到总干扰小于等于干扰上限
[0029]
步骤2，初始化用户速率计算着色优先级函数；
[0030]
步骤3，选择优先级最高的用户，此时用第i种颜色对选择的用户进行着色，即为其分配资源，在此之后对着色矩阵c以及d2d用户速率进行更新；
[0031]
步骤4，将第i种颜色从颜色可用列表中去除，并对所有可着第i种颜色的用户进行更新；
[0032]
步骤5，判断是否还有用户可着第i种颜色，若有，则继续进行步骤2，否则，i＝i 1；
[0033]
步骤6，重复进行步骤2至步骤5，直至全部颜色着色完成。
[0034]
进一步地，所述着色优先级函数为：
[0035][0036]
其中，为第i个蜂窝用户的sinr；为第j个d2d用户的sinr；δ
ij
表示坐标为(i,j)的顶点的相关度，u(i,j)表示坐标为(i,j)的顶点累计着色度因子。
[0037]
另一方面，本发明还提供了一种复杂电磁环境中的d2d干扰抑制装置，所述复杂电磁环境中的d2d干扰抑制装置包括：
[0038]
干扰模型构建模块，用于针对待抑制干扰的通信系统，构建干扰模型；其中，所述通信系统中包括基站，蜂窝用户和d2d用户，且在系统中单小区d2d用户多于蜂窝用户；
[0039]
资源分配最优解求解模块，用于基于改进的图着色优化算法求解所述干扰模型构建模块所构建的干扰模型，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，以降低用户之间的干扰以及复杂电磁环境的干扰。
[0040]
进一步地，所述干扰模型构建模块所构建的干扰模型表示为：
[0041][0042][0043][0044]
[0045][0046]
p argmax r
[0047]
c1 p
bs
≤p
bs-max
,pd≤p
d-max
[0048]
c2
[0049]
c3
[0050]
c4
[0051]
c5
[0052]
其中，p
bs
是基站bs的发射功率；h
cu
是基站到蜂窝用户的信道增益；pd是的发射功率，表示第j个d2d的接收用户；是第j个d2d发送端到第i个蜂窝用户的信道增益；是第j个d2d发送端到第j个d2d用户接收端的信道增益；是基站bs到第j个d2d接收端的信道增益；表示共用相同频谱资源的第j
′
个用户的发送端到第j个用户的接收端的信道增益，此时j
′
不等于j；n0是高斯白噪声；σ2是复杂电磁环境中的干扰；v
ij
表示第j个d2d用户复用第i个蜂窝用户信道；表示第i个蜂窝用户的sinr；表示第j个d2d用户的sinr；表示第i个蜂窝用户速率；表示第j个d2d用户速率；表示蜂窝用户的sinr上限；表示d2d用户的sinr上限；r表示系统总吞吐量；h
cui,bs
表示第i个蜂窝用户与基站bs之间的信道增益；表示蜂窝用户的干扰上限；(r
cu
,min)为蜂窝用户所需的最低服务质量；w表示信道带宽；优化问题以系统在单小区d2d用户多于蜂窝用户下考虑，c1、c2、c3、c4、c5为约束条件；n表示d2d用户对的个数，m表示蜂窝用户的个数，p
bs-max
表示基站发射的最大功率，p
d-max
表示d2d用户对发送端发射的最大功率。
[0053]
进一步地，所述资源分配最优解求解模块具体用于：
[0054]
确定d2d用户之间受到干扰的大小和干扰距离，构建干扰图；
[0055]
在满足用户所能承受的干扰上限的情况下确定d2d用户可用的颜色列表；
[0056]
根据所述可用颜色列表中相同的颜色对用户进行分簇，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，以降低用户间的干扰及复杂电磁环境干扰。
[0057]
进一步地，所述在满足用户所能承受的干扰上限的情况下确定d2d用户可用的颜色列表，包括：
[0058]
步骤1，计算用户所能承受的干扰上限并且对来自d2d的总干扰进行计算，如果总干扰大于干扰上限则按照干扰大小从大到小依次剔除，直到总干扰小于等于干扰上限
[0059]
步骤2，初始化用户速率计算着色优先级函数；
[0060]
步骤3，选择优先级最高的用户，此时用第i种颜色对选择的用户进行着色，即为其分配资源，在此之后对着色矩阵c以及d2d用户速率进行更新；
[0061]
步骤4，将第i种颜色从颜色可用列表中去除，并对所有可着第i种颜色的用户进行更新；
[0062]
步骤5，判断是否还有用户可着第i种颜色，若有，则继续进行步骤2，否则，i＝i 1；
[0063]
步骤6，重复进行步骤2至步骤5，直至全部颜色着色完成。
[0064]
进一步地，所述着色优先级函数为：
[0065][0066]
其中，为第i个蜂窝用户的sinr；为第j个d2d用户的sinr；δ
ij
表示坐标为(i,j)的顶点的相关度，u(i,j)表示坐标为(i,j)的顶点累计着色度因子。
[0067]
再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
[0068]
又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
[0069]
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0070]
本发明针对待抑制干扰的通信系统，构建干扰模型；其中，所述通信系统中包括基站，蜂窝用户和d2d用户，且在系统中单小区d2d用户多于蜂窝用户；基于改进的图着色优化算法求解所述干扰模型，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，从而可在复杂的电磁环境中降低用户间的干扰及复杂电磁环境的干扰，改善资源分配的不合理，从而实现高信噪比的抗干扰通信。
附图说明
[0071]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0072]
图1是本发明实施例提供的复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法的执行流程示意图；
[0073]
图2是本发明实施例提供的通信系统结构图；
[0074]
图3是本发明实施例提供的基于改进的图着色优化算法求解所述干扰模型的算法流程示意图。
具体实施方式
[0075]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0076]
第一实施例
[0077]
本实施例提供了一种复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法，该方法可以由电子设备实现。该方法的执行流程如图1所示，包括以下步骤：
[0078]
s1，针对待抑制干扰的通信系统，构建干扰模型；其中，所述通信系统中包括基站，蜂窝用户和d2d用户，且在系统中单小区d2d用户多于蜂窝用户；
[0079]
具体地，本实施例所针对的系统结构如图2所示，包括物联网层、边缘层以及云层。本实施例考虑包含一个云中心，其中蜂窝用户，d2d用户会把自身的用户状态和通信目的地同步到云中心，在经过对整个系统进行建模之后，给出最佳的通信信道，依此来优化用户的服务质量。
[0080]
对此，为了使系统吞吐量增大及信噪比提高，本实施例根据基站，蜂窝用户，d2d用户对无线通信用户干扰状态收集过程进行建模，构建复杂电磁环境下的单小区d2d用户多于蜂窝用户的干扰模型，本实施例构建干扰模型如下：
[0081][0082][0083][0084][0085][0086]
p argmax r
[0087]
c1 p
bs
≤p
bs-max
,pd≤p
d-max
[0088]
c2
[0089]
c3
[0090]
c4
[0091]
c5
[0092]
其中，p
bs
是基站bs的发射功率；h
cu
是基站到蜂窝用户的信道增益；pd是的发射功率，表示第j个d2d的接收用户；是第j个d2d发送端到第i个蜂窝用户的信道增益；是第j个d2d发送端到第j个d2d用户接收端的信道增益；是基站bs到第j
个d2d接收端的信道增益；表示共用相同频谱资源的第j
′
个用户的发送端到第j个用户的接收端的信道增益，此时j
′
不等于j；n0是高斯白噪声；σ2是复杂电磁环境中的干扰；v
ij
表示第j个d2d用户复用第i个蜂窝用户信道；表示第i个蜂窝用户的sinr；表示第j个d2d用户的sinr；表示第i个蜂窝用户速率；表示第j个d2d用户速率；表示蜂窝用户的sinr上限；表示d2d用户的sinr上限；r表示系统总吞吐量；h
cui,bs
表示第i个蜂窝用户与基站bs之间的信道增益；表示蜂窝用户的干扰上限；(r
cu
,min)为蜂窝用户所需的最低服务质量；w表示信道带宽；c1、c2、c3、c4、c5为约束条件；n表示d2d用户对的个数，m表示蜂窝用户的个数，p
bs-max
表示基站发射的最大功率，p
d-max
表示d2d用户对发送端发射的最大功率。
[0093]
其中，p
bs
、h
cu
、h
cui,bs
是关于系统吞吐量以及信噪比的控制参数，通过这些参数可以根据实际需求调整干扰模型。
[0094]
本发明所述系统吞吐量是单位时间内成功地传送数据的数量，则系统吞吐量表示为：
[0095][0096]
基于上述，本实施例的优化问题以系统在单小区d2d用户多于蜂窝用户下考虑，有5个约束条件。其中，约束c1为蜂窝用户最大发射功率、d2d用户最大发射功率的限制条件；约束c2为蜂窝用户自身最低服务质量、d2d用户自身最低服务质量的限制条件；约束c3、c4为多个d2d用户与多个蜂窝用户的下行链路可以进行资源复用；c5为蜂窝用户的最低速率能够承受的干扰上限。
[0097]
s2，基于改进的图着色优化算法求解所述干扰模型，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，以降低用户间的干扰及复杂电磁环境的干扰。
[0098]
其中，需要说明的是，在单小区d2d用户多于蜂窝用户的场景下，本实施例首先提出了一种基于图着色的抗干扰优化方法。图着色算法中的颜色可以与无线通信系统的信道资源联系起来，将分配信道资源类比为给不同的顶点着色，基于此，在本实施例中，上述s2的实现过程为：确定d2d用户之间受到干扰的大小和干扰距离，构建干扰图；在满足用户所能承受的干扰上限的情况下确定d2d用户可用的颜色列表；根据所述可用颜色列表中相同的颜色对用户进行分簇，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，以降低用户间的干扰及复杂电磁环境干扰，调高系统的信噪比。现对各部分进行说明如下：
[0099]
一、构建干扰图
[0100]
根据d2d用户可接受的干扰阈值条件，来实现干扰图的构建。用e
di,dj
＝1来表示两个节点之间存在边，即二者不可共享信道。若e
di,dj
＝0，即表示两个d2d对之间的干扰是可接受的，可以分在一个簇内。每个cu用户的信道当作一种颜色。在设置干扰距离d
th
之后，可知：
[0101]
[0102]
二、d2d可用颜色列表
[0103]
在初始时d2d用户是可以使用全部的颜色进行着色的，但当蜂窝用户受到的干扰影响到自身的通信质量时，那么这个cu用户的信道不能给这个d2d用户对使用，即该顶点不能着此蜂窝用户的颜色，避免这种情况，蜂窝用户的服务质量可以有效保证，定义蜂窝用户的中断概率为：
[0104][0105]
其中，pr(t)为满足条件t的概率。为了避免蜂窝用户中断通信，为蜂窝用户设定一个干扰上限
[0106]
为了保证蜂窝用户的正常通信，使其中断概率为0，针对每个蜂窝用户，首先，根据蜂窝用户的最低速率计算其能够承受的干扰上限：
[0107][0108]
其中，表示第i个蜂窝用户cu的sinr；表示第j个d2d用户的sinr；δ
ij
表示i,j顶点的相关度；u(i,j)为顶点i,j的累计着色度因子；σ2是强干扰环境中的干扰。
[0109]
三、d2d用户分簇
[0110]
防止同一个d2d用户对被过多的分配蜂窝用户的信道资源，让其他用户也能够使用资源，引入顶点累积着色度因子u(i,j)：
[0111][0112]
式子表示顶点vj已经着色的颜色的个数，该因子值越小，顶点越容易着色。
[0113]
基于上述，本实施例提出一个新的基于图着色的优化方法。在迭代至全部颜色着色之后，完成优化工作。
[0114]
具体地，如图3所示，基于改进图着色优化算法求解步骤包括：
[0115]
s21，初始化d2d用户干扰条件，构建初始化干扰图g；
[0116]
s22，计算用户所能承受的干扰上限并且对来自d2d的总干扰进行计算，如果总干扰大于干扰上限则按照干扰大小从大到小依次剔除，直到总干扰小于等于干扰上限
[0117]
s23，初始化用户速率计算着色优先级函数；
[0118]
其中，所述着色优先级函数为：
[0119][0120]
其中，为第i个蜂窝用户cu的sinr；为第j个d2d用户的sinr；δ
ij
表示顶点(i,j)的相关度，u(i,j)表示顶点(i,j)的累计着色度因子。
[0121]
s24，选择优先级最高的用户，此时用第i种颜色对选择的用户进行着色，即为其分配资源，在此之后对着色矩阵c以及d2d用户速率进行更新；
[0122]
s25，将第i种颜色从颜色可用列表中去除，并对所有可着第i种颜色的用户进行更
新；
[0123]
s26，判断是否还有用户可着第i种颜色，若有，则继续进行s23，否则，i＝i 1；
[0124]
s27，重复进行s23至s26，直至全部颜色着色完成。
[0125]
综上，本实施例提供了一种复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法，利用优化算法技术，增加了无线通信系统的吞吐量以及提高了通信系统的信噪比。在根据系统结构建立干扰模型后，引入累积着色度因子对图着色优化算法进行改进，提高了资源利用率，通过不断迭代，求得了资源分配的最优方式，改善资源分配的不合理，以便对信道资源进行下一步，分析、建模、可视化研究。
[0126]
第二实施例
[0127]
本实施例提供了一种复杂电磁环境中的d2d干扰抑制装置，该包括：
[0128]
干扰模型构建模块，用于针对待抑制干扰的通信系统，构建干扰模型；其中，所述通信系统中包括基站，蜂窝用户和d2d用户，且在系统中单小区d2d用户多于蜂窝用户；
[0129]
资源分配最优解求解模块，用于基于改进的图着色优化算法求解所述干扰模型构建模块所构建的干扰模型，得到d2d用户和蜂窝用户信道资源分配比例的最优解，以降低用户之间的干扰以及复杂电磁环境的干扰。
[0130]
本实施例的复杂电磁环境中的d2d干扰抑制装置与上述第一实施例的复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法相对应；其中，本实施例的复杂电磁环境中的d2d干扰抑制装置中的各功能模块所实现的功能与上述第一实施例的复杂电磁环境中的d2d干扰抑制方法中的各流程步骤一一对应；故，在此不再赘述。
[0131]
第三实施例
[0132]
本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。
[0133]
该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，cpu)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。
[0134]
第四实施例
[0135]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。
[0136]
此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
[0137]
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生
用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0138]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0139]
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0140]
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。