艦船無線通信中5G 信道資源分配算法設(shè)計

章小寶，彭嵐峰

(南昌大學科學技術(shù)學院，江西 九江 332020)

0 引 言

信息、通信技術(shù)的不斷進步與應用，對海上信息交互起到了極大的推動作用[1]，無線通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)艦船信息交互的重要載體[2]，其性能的優(yōu)劣直接決定了艦船交互信息的傳輸質(zhì)量，艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)信道資源分配能力將對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的高低產(chǎn)生重要影響[3]。在惡劣海洋環(huán)境下，艦船交互信息的正常通信將受到一定程度的干擾，這對艦船無線通信性能提出了更高挑戰(zhàn)[4]。5G 網(wǎng)絡(luò)的提出與應用使得艦船交互信息的高質(zhì)量、快速傳輸成為可能[5]，尤其是非正交多址接入技術(shù)在5G 網(wǎng)絡(luò)的應用，對降低網(wǎng)絡(luò)時延、提高業(yè)務服務質(zhì)量等具有重要意義。

時永鵬等[6]為提高頻譜資源利用率，提出了基于NOMA 的5G 資源分配算法，該算法將當前網(wǎng)絡(luò)的最低設(shè)備計算代價作為優(yōu)化目標，分別采用模擬退火、內(nèi)點法以及貪心算法對應計算設(shè)備計算遷移、帶寬分配以及分組匹配問題，經(jīng)過聯(lián)合優(yōu)化算法的不斷循環(huán)交替計算，實現(xiàn)資源分配方案的最終確定，但該算法獲得資源分配策略僅為局部最優(yōu)策略，導致子信道允許接入的用戶數(shù)量較低。史建超等[7]為提高通信網(wǎng)絡(luò)性能，提出基于OFDM 的跨層資源分配算法。該算法基于子載波分配模型和MAC 層數(shù)據(jù)包調(diào)度效用值模型，依據(jù)MAC 層數(shù)據(jù)包調(diào)度準則實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)信道資源分配，但該算法信道占用率高，極大限制了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力。

為了提高艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)吞吐量，本文設(shè)計艦船無線通信中5G 信道資源分配算法。通過優(yōu)化資源分配、功率分配和采用NOMA 傳輸機制，可以改善艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，降低干擾度，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。通過該算法，實現(xiàn)多個D2D 用戶組的接入，提供更多的通信服務，滿足艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)中多樣化的通信需求，達到改善網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量目標。

1 船舶無線通信中5G 信道資源分配

運用非正交多址技術(shù)（NOMA）使D2D 發(fā)送用戶與若干個D2D 接收用戶建立數(shù)據(jù)通信5G 信道，從而生成D2D 用戶組[8]。

通過分析船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)中各個用戶之間的關(guān)系、通信信道以及信號傳輸和干擾情況，提供了船舶無線通信網(wǎng)絡(luò)的基本信息和特性。

通過目標函數(shù)和約束條件的定義，來尋找最優(yōu)的D2D 組信道匹配策略和功率分配策略，以達到最大化D2D 通信吞吐量的目標。目標優(yōu)化模型描述為：

利用低復雜度匹配算法（USTSMA）實現(xiàn)D2D 用戶與子信道的匹配優(yōu)化求解子信道完成數(shù)據(jù)通信任務時，需將信道接入請求提交給子信道，子信道可響應其申請，但也有拒絕的權(quán)利，直至D2D 用戶全部提交接入申請后，即可完成該輪申請任務。本文利用封閉對闡述子信道對接入申請的決策處理，即：

基于USTSMA 算法的艦船無線網(wǎng)絡(luò)信道資源分配可通過兩步實現(xiàn)，分別為初始化、匹配。在第一階段，基于給定的信道狀態(tài)信息，完成各子信道、D2D 用戶偏好列表的確定。第二階段中，D2D 用戶在其偏好列表中搜尋從未拒絕其接入申請的子信道，將接入申請傳送給可實現(xiàn)最大吞吐量的子信道，當被選擇的子信道容量低于l，就將接入申請予以保留；當其容量高于l時，能夠接受的接入申請用戶數(shù)量不得高于μ+1，當用戶不再發(fā)送新的接入申請后，即停止匹配。USTSMA 算法的實現(xiàn)過程具體為：

通過迭代注水功率分配算法，能夠更好地利用可用的功率資源，確保每個用戶都能夠獲得適當?shù)墓β史峙?，從而實現(xiàn)最大化系統(tǒng)吞吐量的目標。

2 實驗分析

以艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)為研究對象，利用Matlab 構(gòu)建艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)的模擬環(huán)境，并進行性能分析和優(yōu)化。設(shè)定其上行鏈路場景中，僅含有一個BS，且其中的蜂窩用戶與D2D 用戶呈均衡性分布特點。各蜂窩用戶均可獲得一條信道進行艦船監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，各D2D 用戶采取復用蜂窩用戶信道方式并遵循NOMA 機制實現(xiàn)艦船監(jiān)測數(shù)據(jù)通信，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。設(shè)定該基站可用信道總數(shù)為20，采用本文算法對該網(wǎng)絡(luò)信道資源進行分配，驗證本文算法的應用性能。使用Python 對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析、可視化和結(jié)果呈現(xiàn)。

表1 艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relevant parameters of ship wirelesscommunication network

設(shè)定某一時刻艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有200 個待傳輸數(shù)據(jù)包，采用本文算法對艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)上行鏈路通信環(huán)境進行信道資源分配，通過對信道分配結(jié)果、安全性以及信道干擾等進行分析，研究本文算法的實用性能，實驗結(jié)果如表2 所示。

表2 信道資源分配結(jié)果分析Tab.2 Analysis of Channel Resource Allocation Results

本文算法可完成艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)信道資源的分配，實現(xiàn)待傳輸數(shù)據(jù)包的安全傳輸，最大信道干擾度為25、最小值為15，數(shù)據(jù)傳輸速率可達到220 bps 以上。實驗結(jié)果表明，本文算法具有信道資源分配能力。這是因為本文算法對信道資源進行合理分配，將干擾度維持在較低水平，避免了過高的干擾。

為進一步分析本文算法的信道資源分配性能，將文獻[6]的基于NOMA 的資源分配算法、文獻[7]的OFDM 跨層資源分配算法作為對比算法，通過對D2D 用戶組接入數(shù)量進行對比分析，驗證本文算法的信道資源分配能力，實驗結(jié)果如圖1 所示。

圖1 各算法信道資源分配能力對比分析Fig.1 Comparative analysis of channel resource allocation capabilities of various algorithms

可知，本文算法的信道資源分配能力突出，允許接入網(wǎng)絡(luò)的D2D 用戶組數(shù)量更大。

將本文算法應用到艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)信道資源分配中，設(shè)定D2D 用戶組分別以NOMA、OMA 傳輸機制進行數(shù)據(jù)通信，通過對比2 種傳輸機制下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量的差異，分析本文算法的性能，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同傳輸機制下的艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)性能對比Fig.2 Comparison of ship wireless communication network performance under different transmission mechanisms

可知，將更多的D2D 用戶組接入到艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)吞吐量呈不斷增大趨勢變化，在接入的D2D 用戶組數(shù)量一定的情況下，NOMA 傳輸機制下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量高于OMA 機制，這是由于應用NOMA 傳輸機制，可將同一信道分配給多個D2D 用戶組，通過信道復用大大降低了用戶對網(wǎng)絡(luò)信道資源的占用，大大提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量目標。實驗結(jié)果表明，本文算法具有突出的信道資源分配性能，對提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量產(chǎn)生有利影響。

3 結(jié) 語

通過對比分析接入D2D 用戶組數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量，驗證本文算法的信道資源分配能力，可以得出以下結(jié)論：

1）該算法實現(xiàn)了艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)5G 信道資源分配，能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)包分配到安全的信道上，保證數(shù)據(jù)的機密性和完整性。通過合理的信道資源分配和對干擾度的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的傳輸速率，達到220 bps 以上。

2）該算法能夠為更多的D2D 用戶組分配信道資源，接入的D2D 用戶組數(shù)更多。說明本文算法在信道資源分配能力方面具有優(yōu)越性，能夠更好地滿足艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)的需求。

3）該算法能夠提高艦船無線通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，滿足不同D2D 用戶組的接入需求。