0 引　言

信息、通信技术的不断进步与应用，对海上信息交互起到了极大的推动作用^[1]，无线通信网络是实现舰船信息交互的重要载体^[2]，其性能的优劣直接决定了舰船交互信息的传输质量，舰船无线通信网络信道资源分配能力将对网络吞吐量的高低产生重要影响^[3]。在恶劣海洋环境下，舰船交互信息的正常通信受到一定程度的干扰，这对舰船无线通信性能提出了更高挑战^[4]。5G网络的提出与应用使得舰船交互信息的高质量、快速传输成为可能^[5]，尤其是非正交多址接入技术在5G网络的应用，对降低网络时延、提高业务服务质量等具有重要意义。

时永鹏等^[6]为提高频谱资源利用率，提出了基于NOMA的5G资源分配算法。该算法将当前网络的最低设备计算代价作为优化目标，分别采用模拟退火、内点法以及贪心算法对应计算设备计算迁移、带宽分配以及分组匹配问题，经过联合优化算法的不断循环交替计算，实现资源分配方案的最终确定。但该算法获得资源分配策略仅为局部最优策略，导致子信道允许接入的用户数量较低。史建超等^[7]为提高通信网络性能，提出基于OFDM的跨层资源分配算法。该算法基于子载波分配模型和MAC层数据包调度效用值模型，依据MAC层数据包调度准则实现通信网络信道资源分配。但该算法信道占用率高，极大限制了网络的数据传输能力。

为了提高舰船无线通信网络吞吐量，本文设计舰船无线通信中5G信道资源分配算法。通过优化资源分配、功率分配和采用NOMA传输机制，可以改善舰船无线通信网络的通信质量，降低干扰度，提高数据传输的可靠性和稳定性。通过该算法，实现多个D2D用户组的接入，提供更多的通信服务，满足舰船无线通信网络中多样化的通信需求，达到改善网络通信质量目标。

1 舰船无线通信中5G信道资源分配

运用非正交多址技术（NOMA）使D2D发送用户与若干个D2D接收用户建立数据通信5G信道，从而生成D2D用户组^[8]。

通过分析舰船无线通信网络中各个用户之间的关系、通信信道以及信号传输和干扰情况，提供了舰船无线通信网络的基本信息和特性。

通过目标函数和约束条件的定义，寻找最优的D2D组信道匹配策略和功率分配策略，达到最大化D2D通信吞吐量的目标。目标优化模型描述为：

$ \mathop {\max }\limits_{\left( {v_n^m,{a_{mk}}} \right)} \left( {\sum\limits_N^{} {\sum\limits_M {\lambda _n^m\left( {\sum\limits_K {lb\left( {1 + \gamma _{n,k}^m} \right)} } \right)} } } \right)，$

(1)

$ s.t.\mathop {}\nolimits^{} {C_1}:\gamma _m^{} \geqslant r_{th}^{},\forall n \in N，$

(2)

$ \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} {C_2}:\gamma _{n,k}^m \geqslant r_{th,k}^m,\forall k \in K,\forall m \in M ，$

(3)

$ \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} {C_3}:\sum\limits_N {\lambda _n^m} \leqslant 1,\forall n \in N,\forall m \in M ，$

(4)

$ \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} {C_4}:\sum\limits_{k \in K} {{a_{mk}}} \leqslant 1,\forall k \in K,\forall m \in M ，$

(5)

$ \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} {C_5}:{a_{mk}} \geqslant {a_{mk + 1}},\forall k \in K,\forall m \in M ，$

(6)

$ \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} {C_6}:\lambda _n^m \in \left\{ {0,1} \right\},\forall n \in N,\forall m \in M 。$

(7)

式中： $ r_{th}^{} $ 、 $ r_{th,k}^m $ 分别为蜂窝、D2D用户的接收信号SINR设定阈值。式（2）和式（3）可确保D2D用户数据通信满足QoS服务质量需求。式（4）决定了各D2D用户最多只能与蜂窝用户共享一条通信信道；式（5）是对所有D2D接收用户功率分配因子累加值的约束，需保证其值不得高于其发送用户总功率；式（6）可确保基于NOMA机制实现D2D用户组内信道分配；式（7）描述是否进行复用信道通信。

利用低复杂度匹配算法（USTSMA）实现D2D用户与子信道的匹配优化求解子信道完成数据通信任务时，需将信道接入请求提交给子信道，子信道可响应其申请，但也有拒绝的权利，直至D2D用户全部提交接入申请后，即可完成该轮申请任务。本文利用封闭对阐述子信道对接入申请的决策处理，即

用 $ Q $ 描述给定的匹配，通过 $ \left( {{D_j},SC_k^{}} \right) $ 表示一组匹配对，同时存在 $ {D_j} \notin Q\left( {SC_k^{}} \right) $ ， $ SC_k^{} \notin Q\left( {{D_j}} \right) $ 条件。当 $ \left( {{D_j},SC_k^{}} \right) $ 符合下述条件时，可判定其为封闭对：

$ \psi { > _{SC_k^{}}}Q\left( {SC_k^{}} \right) \text{，} \psi \subseteq \left\{ {{D_j}} \right\} \cup Q\left( {SC_k^{}} \right) \text{，} {D_j} \in \psi 。$

(8)

$ SC_k^{}{ > _{{D_j}}}Q\left( {SC_k^{}} \right) \text{，} SC_{k'}^{} \in Q\left( {{D_j}} \right) 。$

(9)

在面对众多接入申请时，可将子信道 $ SC_k^{} $ 的选择处理视作剔除潜在封闭对的过程，而且是将吞吐量的最大化作为依据实现申请用户的选择，故而一旦 $ SC_k^{} $ 与用户 $ {D_j} $ 构成封闭对，将不再接受其余用户申请，只为 $ {D_j} $ 用户提供信道资源。

基于USTSMA算法的舰船无线网络信道资源分配可通过两步实现，分别为初始化、匹配。在第一阶段，基于给定的信道状态信息，完成各子信道、D2D用户偏好列表的确定。第二阶段中，D2D用户在其偏好列表中搜寻从未拒绝其接入申请的子信道，将接入申请传送给可实现最大吞吐量的子信道，当被选择的子信道容量低于 $ l $ ，就将接入申请予以保留；当其容量高于 $ l $ 时，能够接受的接入申请用户数量不得高于 $ \mu + 1 $ ，当用户不再发送新的接入申请后，即停止匹配。USTSMA算法的实现过程具体为：

阶段1　初始化。

1）对子信道的全部列表 $ \left\{ {SC_{match}^{}} \right\} $ 进行确定，同时获得用户与子信道的匹配信息。

2）确定子信道集偏好列表 $ \left\{ {L\left( {SC_k^{}} \right)} \right\} $ 以及D2D用户集的偏好列表 $ \left\{ {L\left( {{D_j}} \right)} \right\} $ 。

阶段2　匹配。

1）基于各D2D用户的偏好列表 $ \left\{ {L\left( {{D_j}} \right)} \right\} $ 确定符合 $ SC_k^{} = \mathop {\arg \max }\limits_{k \in L\left( {{D_j}} \right)} \left( {\dfrac{{{{\left| {{h_{k,j}}} \right|}^2}}}{{\sigma _{k,j}^2}}} \right) $ 条件的最佳子信道后，向其提交信道接入申请。

2）当 $ \left| {SC_{match}^{}\left( k \right)} \right| < l $ ， $ l $ 为子信道 $ SC_k^{} $ 能够复用的最小用户数，则在子信道偏好列表中添加用户 $ {D_j} $ 。

3）当 $ l \leqslant \left| {SC_{match}^{}\left( k \right)} \right| < \mu $ ，且 $SC_{match}^{}\left( k \right) \cup \left\{ {{D_j}} \right\}{ > _{SC_k^{}}} $ $ SC_{match}^{}\left( k \right) $ ， $ \mu $ 为子信道 $ SC_k^{} $ 能够复用的最大用户数，则子信道 $ SC_k^{} $ 将记录用户 $ {D_j} $ 的接入申请，同时用户更新其偏好列表 $ \left\{ {L\left( {{D_j}} \right)} \right\} $ ，剔除其中的子信道 $ SC_k^{} $ ；对子信道的 $ SC_{match}^{}\left( k \right) $ 进行修正。

4）当 $ \left| {SC_{match}^{}\left( k \right)} \right| \geqslant \mu $ 时，基于 $ SC_k^{} $ 的偏好列表，获得符合 $ {S_\mu }{ > _{S{C_k}}}S',S' \subset S{C_{match}}\left( k \right) \cup \left\{ {{D_j}} \right\} $ 条件的数量为 $ \mu $ 的用户集合 $ {S_\mu } $ ，再通过 $ S{C_{match}}\left( k \right) = {S_\mu } $ 实现其匹配列表的修正，同时不再接受 $ {S_\mu } $ 集合之外用户的信道接入申请，在这些用户的偏好列表中删除 $ S{C_k} $ 子信道，直至不再有新的信道接入申请后，停止算法运算过程，反之，则返回重新进行匹配处理。

通过低复杂度匹配算法（USTSMA）完成了D2D用户与子信道的匹配，并建立它们之间的匹配关系，以最大化整体系统的吞吐量。

根据已经确定的用户-子信道匹配关系，通过注水功率分配算法为每个D2D用户分配适当的功率，实现最优的信号传输效果。在子信道 $ S{C_k} $ 上，用户 $ {D_j} $ 的功率分配可通过下式进行计算：

$ {P_{k,j}} = {\left[ {{\rho _k} - {{\left[ {\frac{{{{\left| {{h_{k,j}}} \right|}^2}}}{{\sigma _{k,j}^2 + I_{n,k}^{{\rm{in}}} + I_{n,k}^{{\rm{out}}} + I_{n,k}^{cu}}}} \right]}^{ - 1}}} \right]^ + } ，$

(10)

$ {\rho _k} = \frac{{\left( {{P_k} + \displaystyle\sum\limits_{i \in S{C_k}} {\frac{{\sigma _{k,i}^2 + I_{n,k}^{{\rm{in}}} + I_{n,k}^{{\rm{out}}} + I_{n,k}^{cu}}}{{{{\left| {{h_{k,j}}} \right|}^2}}}} } \right)}}{{\left| {S{C_k}} \right|}} 。$

(11)

式中， ${\rho _k} $ 为D2D用户 $ {D_j} $ 的注水水位。

通过迭代注水功率分配算法，能够更好地利用可用的功率资源，确保每个用户都能够获得适当的功率分配，从而实现最大化系统吞吐量的目标。

2 实验分析

以舰船无线通信网络为研究对象，利用Matlab构建舰船无线通信网络的模拟环境，并进行性能分析和优化。设定其上行链路场景中，仅含有一个BS，且其中的蜂窝用户与D2D用户呈均衡性分布特点。各蜂窝用户均可获得一条信道进行舰船监测数据的传输，各D2D用户采取复用蜂窝用户信道方式并遵循NOMA机制实现舰船监测数据通信，相关参数如表1所示。设定该基站可用信道总数为20，采用本文算法对该网络信道资源进行分配，验证本文算法的应用性能。使用Python对实验结果进行统计分析、可视化和结果呈现。

设定某一时刻舰船无线通信网络内有200个待传输数据包，采用本文算法对舰船无线通信网络上行链路通信环境进行信道资源分配，通过对信道分配结果、安全性以及信道干扰等进行分析，研究本文算法的实用性能，实验结果如表2所示。

本文算法可完成舰船无线通信网络信道资源的分配，实现待传输数据包的安全传输，最大信道干扰度为25、最小值为15，数据传输速率可达到220 bps以上。实验结果表明，本文算法具有信道资源分配能力。这是因为本文算法对信道资源进行合理分配，将干扰度维持在较低水平，避免了过高的干扰。

为进一步分析本文算法的信道资源分配性能，将文献[6]基于NOMA的资源分配算法、文献[7]OFDM跨层资源分配算法作为对比算法，通过对D2D用户组接入数量进行对比分析，验证本文算法的信道资源分配能力，实验结果如图1所示。

可以看出，本文算法的信道资源分配能力突出，允许接入网络的D2D用户组数量更大。

将本文算法应用到舰船无线通信网络信道资源分配中，设定D2D用户组分别以NOMA、OMA传输机制进行数据通信，通过对比2种传输机制下的网络吞吐量的差异，分析本文算法的性能，实验结果如图2所示。

可以看出，将更多的D2D用户组接入到舰船无线通信网络后，网络吞吐量呈不断增大趋势变化，在接入的D2D用户组数量一定的情况下，NOMA传输机制下的网络吞吐量高于OMA机制。这是由于应用NOMA传输机制，可将同一信道分配给多个D2D用户组，通过信道复用大大降低了用户对网络信道资源的占用，大大提高网络吞吐量目标。实验结果表明，本文算法具有突出的信道资源分配性能，对提高网络吞吐量产生有利影响。

3 结　语

通过对比分析接入D2D用户组数量以及网络吞吐量，验证本文算法的信道资源分配能力，可以得出以下结论：

1）该算法实现了舰船无线通信网络5G信道资源分配，能够将所有数据包分配到安全的信道上，保证数据的机密性和完整性。通过合理的信道资源分配和对干扰度的控制，能够实现较高的传输速率，达到220 bps以上。

2）该算法能够为更多的D2D用户组分配信道资源，接入的D2D用户组数更多。说明本文算法在信道资源分配能力方面具有优越性，能够更好地满足舰船无线通信网络的需求。

3）该算法能够提高舰船无线通信网络的吞吐量，满足不同D2D用户组的接入需求。