CN103517347B - 无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，构建共信道模式、正交信道模式和蜂窝模式来给定QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量，在前述三种模式中，分别用γ₁,γ₂,γ₃,γ₄和γ₅表示D1到BS、D2到D3、D2到BS、D1到D3以及BS到D3的信道功率增益，假设信道为平稳块衰落，D1、D2以及D3受到BS控制，信道状态信息CSI通过BS和D1、D2以及D3或蜂窝设备之间进行传输；前述D1、D2以及D3为一个D2D蜂窝单元的所有设备。本发明的有益之处在于：无线网络D2D中使用我们提出的最优功率分配方案，可以得到QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量，确保了时间敏感通信的实时性以及传输的可靠性。

Description

无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案

技术领域

本发明涉及一种统计QoS保障的功率分配方案，具体涉及一种无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，属于通信领域。

背景技术

无线网络中D2D通信通过在两个相邻的移动设备之间建立链路，这增加了系统的吞吐量，该网络中D2D和蜂窝通信同时存在并且共享相同的无线资源。

无线蜂窝网络中D2D和蜂窝通信技术近来引起研究关注，该技术能够增加频谱效率，既充满了前景又存在巨大的挑战。与传统的通过基站(BS)或接入点(AP)进行传输不同的是，无线网络D2D和蜂窝通信中两个邻近设备作为一个D2D通信对避开BS或者AP直接进行通信，该类通信和设备分别称为D2D通信和D2D设备。D2D通信可以是中心控制或分布式控制。对于中心控制的场景，BS或AP管理着D2D设备中D2D通信和传统的蜂窝通信之间的切换；对于分布式控制场景，D2D设备自身管理着D2D通信和传统的蜂窝通信。由于中心控制易于同步以及实现，本专利的功率分配方案围绕中心控制原理进行。

无线网络下D2D和蜂窝通信中，D2D设备可以使用三种传输模式：

1)共信道模式，该模式下D2D设备与蜂窝设备使用相同的时频资源；

2)正交信道模式，该模式下D2D设备使用部分正交时频资源；

3)蜂窝模式，该模式下D2D设备通过BS或AP进行通信。

共信道模式和正交模式统称为D2D模式。当D2D模式的系统吞吐量比蜂窝模式大时，则使用D2D模式，否则使用蜂窝模式。

由于D2D设备的发送功率决定着D2D通信的接收信噪比(SNR)和对蜂窝通信的干扰，M.Jung,X.Xiao以及K.Doppler等学者已经提出了一些功率分配策略来增加系统吞吐量或减小D2D和蜂窝通信的功率消耗，例如：

1)共信道模式下，M.Jung,K.Hwang,and S.Choi:Joint modeselection and power allocation scheme for power-efficientdevice-to-device(D2D)communication.(In IEEE 75th VehicularTechnology Conference(VTC Spring),2012,1–5)提出了联合功率分配和模式选择方案来最大化D2D通信的功率效率；

2)正交模式下X.Xiao,X.Tao,and J.Lu:A QoS-aware poweroptimization scheme in OFDMA systems with integrateddevice-to-device(D2D)communications.(In IEEE 2011 VehicularTechnology Conference(VTC Fall),2011,1–5)提出了OFDMA系统D2D通信中联合子载波分配、自适应调制以及模式选择的功率最优化方案；Z.Liu,H.Chen,T.Peng,and W.Wang:Optimal density andpower allocation of D2D communication under heterogeneous networkson multi-bands with outage constraints.(In IEEE 2013 InternationalConference on Computing,Networking and Communications(ICNC),2013,1179–1183)分析了正交信道模式下多频带异构网D2D通信中的最大可达传输容量；

3)C.Yu,O.Tirkkonen,K.Doppler,and C.Ribeiro:Poweroptimization of device-to-device communication underlaying cellularcommunication.(In IEEE 2009International Conference onCommunications(ICC),2009,1–5)提出了共信道模式和正交模式下最优的中心功率分配策略。

无线网络D2D和蜂窝通信中在不考虑延迟时以上的方案都是有效的。为了确保时间敏感通信的实时性以及传输的可靠性，需要考虑不同延迟需求，这对于无线网络D2D和蜂窝通信很关键。

发明内容

传统的D2D方案主要围绕最大化系统吞吐量但并未考虑QoS保障，为了克服该问题，我们构建了优化问题来探究QoS延迟需求对D2D和蜂窝通信性能的影响。我们提出了以下两种通信模式下QoS保障的最优功率分配方案：

1)共信道模式，该模式中D2D设备和蜂窝设备共享相同的时频资源；

2)正交信道模式，该模式中时频资源分别划分给D2D设备和蜂窝设备，即D2D设备和蜂窝设备的时频资源是正交。

D2D通信中仅仅存在共信道模式或正交信道模式。

无线网络D2D和蜂窝通信中使用我们提出的最优功率分配方案，分别得到以上两种模式在给定QoS延迟约束条件下的最大网络吞吐量。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，构建共信道模式、正交信道模式和蜂窝模式下给定QoS延迟约束条件的最大网络吞吐量，在前述三种模型中，分别用γ₁,γ₂,γ₃,γ₄和γ₅表示D1到BS、D2到D3、D2到BS、D1到D3以及BS到D3的信道功率增益，假设信道为平稳块衰落模型，D1、D2以及D3受到BS控制，信道状态信息CSI通过BS和D1、D2以及D3或蜂窝设备之间进行传输；前述D1、D2以及D3为一个D2D蜂窝单元的所有设备。

前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，对共信道模式，BS从D2处得到CSIγ₃，从D1处得到CSIγ₁，从D3和BS之间的信道得到CSIγ₂和γ₄以及与BS相应的γ₅，获得γ₁,γ₂,γ₃以及γ₄之后，BS将其发送给D1和D2。

前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下，推导得到了一个D2D蜂窝单元中的瞬时传输速率，用R₁(P₁(v),P₂(v))表示：

R₁(P₁(ν),P₂(ν))＝BTlog₂[P₁(ν)γ₁+P₂(ν)γ₃+σ²]-BTlog₂[σ²+P₂(ν)γ₃]+BTlog₂[P₂(ν)γ₂+P₂(ν)γ₄+σ²]-BTlog₂[σ²+P₁(ν)γ₄]

其中，v＝(γ₁,γ₂,γ₃,γ₄,θ)为共信道模式下D2D蜂窝单元中与QoS相关的CSI，

P₁(v)和P₂(v)分别表示D1和D2的瞬时发送功率，

B为带宽，

T为一帧数据的时间，

σ²为噪声功率。

前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，瞬时传输速率R₁(P₁(v),P₂(v))结合信道容量表达式C(θ)＝-1/θlog(E{e^-θR[k]})得到有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，有效容量C₁定义为最大常数到达率，该速率满足确保给定的QoS指数θ下的服务速率要求，有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)具体的推导过程如下：

$\begin{array}{c}{C}_1\left(P_1\right(v),P_2(v),\mathrm{\θ})=-\frac{1}{\mathrm{\θ}}log\left(E_{\mathrm{\γ}}\left\{e^{-{\mathrm{\θR}}_1\left(P_1\left(v\right),P_2\left(v\right)\right)}\right\}\right)\\ =-\frac{1}{\mathrm{\θ}}\log \left(E_{\mathrm{\γ}}\left\{e^{-\mathrm{\β}\[\log \left(1+\frac{P_1\left(v\right){\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\σ}}^2+P_2\left(v\right){\mathrm{\γ}}_3}\right)+\log \left(1+\frac{P_2\left(v\right){\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\σ}}^2+P_1\left(v\right){\mathrm{\γ}}_4}\right)\]}\right\}\right)\end{array}$

其中，β为归一化QoS指数，E_γ{}表示关于γ的期望。

有效容量描述了不同时延QoS需求下的系统吞吐量，对于实时通信例如视频会议，需要确保严格的延迟，此时有效容量为中断容量；对于非实时通信例如数据传输，需要高吞吐量但是延迟限制宽松，此时有效容量为遍历容量。因此之前有关D2D网络的工作仅仅对非实时通信有效，该种情况下延迟限制很宽松。无线网络D2D和蜂窝通信中为了支持实时服务的统计QoS保障，本文提出了无线网络D2D和蜂窝通信中不同QoS需求的最优的功率分配方案，该方案最大化实时通信系统的吞吐量。

前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，对于固定的QoS指数θ，在总的功率限制下最大化C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，构建共信道模式下优化问题P1，可以证明P1为严格凸优化问题，通过使用拉格朗日方法来得到共信道模式下D1和D2的QoS驱动功率分配方案和P₂ ^*(v)，其中表示D2D蜂窝单元中总功率限制。

前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下不考虑QoS保障的功率分配方案，得到最优功率分别为和对应的有效容量为

前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下，固定QoS指数的功率分配方案，得到最优功率分别为和对应的有效容量为

前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，正交信道模式下，基站从D1处得到CSIγ₁，D2通过D3到D2之间的反馈信道得到CSIγ₂，并将CSIγ₂发给BS，得到CSIγ₁和γ₂之后，BS将其发送给D1和D2。

本发明的有益之处在于：无线网络D2D中使用我们提出的最优功率分配方案，可以得到QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量，确保了时间敏感通信的实时性以及传输的可靠性。

附图说明

图1是本发明的D2D和蜂窝通信的系统组成示意图；

图2是共信道模式下不同功率分配方案下有效容量比较图；

图3是正交信道模式下不同功率分配方案下有效容量比较图。

图中附图标记的含义：1-基站或接入点，2-D2D设备，3-蜂窝设备,4-D2D组。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的最优功率分配方案，其特点是，构建共信道模式、正交信道模式和蜂窝模式中给定QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量。

参照图1，在以上三种模式中，分别用γ₁,γ₂,γ₃,γ₄和γ₅表示D1到BS、D2到D3、D2到BS、D1到D3以及BS到D3的信道功率增益，假设信道为平稳块衰落模型，D1、D2以及D3受到BS控制，信道状态信息CSI通过BS和D1、D2以及D3或蜂窝设备之间进行传输。其中，D1、D2以及D3为一个D2D蜂窝单元的所有设备。

为了支持无线网络D2D和蜂窝通信中统计QoS保障的实时服务，需要研究D2D和蜂窝通信中一个D2D蜂窝单元下的统计QoS保障。

1、对共信道模式，BS从D2处得到CSIγ₃，从D1处得到CSIγ₁，从D3和BS之间的信道得到CSIγ₂和γ₄以及与BS相应的γ₅，获得γ₁,γ₂,γ₃以及γ₄之后，BS将其发送给D1和D2。

共信道模式下，推导得到了一个D2D蜂窝单元中的瞬时传输速率，用R₁(P₁(v),P₂(v))表示：

其中，v＝(γ₁,γ₂,γ₃,γ₄,θ)为共信道模式下D2D蜂窝单元中与QoS相关的CSI，

P₁(v)和P₂(v)分别表示D1和D2的瞬时发送功率，

B为带宽，

T为一帧数据的时间，

σ²为噪声功率。

瞬时传输速率R₁(P₁(v),P₂(v))结合信道容量表达式：

C(θ)＝-1/θlog(E{e^-θR[k]}) 式(2)

得到有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，有效容量C₁定义为最大常数到达率，该速率满足确保给定的QoS指数θ下的服务速率要求。

有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)具体的推导过程如下：

其中，β为归一化QoS指数，E_γ{}表示关于γ的期望。

有效容量描述了不同时延QoS需求下的系统吞吐量，对于实时通信例如视频会议，需要确保严格的延迟，此时有效容量为中断容量；对于非实时通信例如数据传输，需要高吞吐量但是延迟限制宽松，此时有效容量为遍历容量。因此之前有关D2D网络的工作仅仅对非实时通信有效，该种情况下延迟限制很宽松。无线网络D2D和蜂窝通信中为了支持实时服务的统计QoS保障，本专利提出了无线网络D2D和蜂窝通信中不同QoS需求的最优的功率分配方案，该方案最大化实时通信系统的吞吐量。

当无线网络中使用D2D通信可以得到的有效容量比仅使用蜂窝通信大时，则使用D2D通信，共信道模式下蜂窝设备和D2D设备共享相同的频带，如果共信道干扰得到有效的抑制，共信道模式获得的有效容量比正交信道模式获得的有效容量大。

对于共信道模式，首先建立D2D蜂窝单元中最大化有效容量的优化问题，然后得到共信道模式下QoS驱动的功率分配方案。

对于固定的QoS指数θ，在总的功率限制下最大化C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，构建共信道模式下优化问题P1，可以证明P1为严格凸优化问题，通过使用拉格朗日方法来得到共信道模式下D1和D2的QoS驱动功率分配方案和其中，表示D2D蜂窝单元中总功率限制。

本发明的方案，还给出了共信道模式下两种次优的功率分配方案：

(1)共信道模式下不考虑QoS保障的功率分配方案，得到最优功率分别为和对应的有效容量为

(2)共信道模式下，固定QoS指数的功率分配方案，得到最优功率分别为和对应的有效容量为

共信道模式下，不同功率分配方案下有效容量的比较参见图2。

2、正交信道模式下，基站从D1处得到CSIγ₁，D2通过D3到D2之间的反馈信道得到CSIγ₂，并将CSIγ₂发给BS，得到CSIγ₁和γ₂之后，BS将其发送给D1和D2。

正交信道模式下，不同功率分配方案下有效容量的比较参见图3。

3、对于蜂窝模式，BS可以通过D1和D2得到CSIγ₁和γ₃，然后将其发送给D1和D2。

由图2和图3可知：

1、共信道模式和正交信道模式下QoS保障的有效容量比蜂窝模式下QoS保障的有效容量大，这是因为当D2和D3之间信道的平均SNR大于D2和BS之间信道的平均SNR时，使用D2和D3之间的信道代替使用D2和BS之间的信道，我们提出的功率分配方案可以有效获得信道平均SNR增益；

2、共信道模式和正交信道模式下不考虑QoS保障的有效容量总是小于不同QoS延迟需求下我们提出的QoS保障的有效容量，然而当QoS延迟需求很宽松(θ→0)，共信道模式和正交信道模式下不考虑QoS保障的有效容量非常接近我们提出的QoS保障的有效容量，这和当QoS延迟很宽松时(θ→0)有效容量趋于遍历容量是一致的；

3、使用给定θ₀＝10^-2时的QoS驱动的功率分配方案，仅当QoS延迟需求为θ₀＝10^-2时可以获得最大的有效容量，当QoS延迟需求是其他数时不能获得最大的有效容量。

由此可见，在无线网络D2D中使用本发明提出的最优功率分配方案，可以得到QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量，确保了时间敏感通信的实时性以及传输的可靠性。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方法，其特征在于，构建共信道模式中给定QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量，在所述共信道模式中，分别用γ₁,γ₂,γ₃,γ₄和γ₅表示D1到BS、D2到D3、D2到BS、D1到D3以及BS到D3的信道功率增益，假设信道为平稳块衰落模型，D1、D2以及D3受到BS控制，信道状态信息CSI通过BS和D1、D2以及D3或蜂窝设备之间进行传输；所述D1、D2以及D3为一个D2D蜂窝单元的所有设备；

对共信道模式，BS从D2处得到CSIγ₃，从D1处得到CSIγ₁，从D3和BS之间的信道得到CSIγ₂和γ₄以及与BS相应的γ₅，获得γ₁,γ₂,γ₃以及γ₄之后，BS将其发送给D1和D2，在该模式下，推导得到D2D蜂窝单元中的瞬时传输速率，用R₁(P₁(v),P₂(v))表示：

其中，v＝(γ₁,γ₂,γ₃,γ₄,θ)为共信道模式下D2D蜂窝单元中与QoS相关的CSI，P₁(v)和P₂(v)分别表示D1和D2的瞬时发送功率，B为带宽，T为一帧数据的时间，σ²为噪声功率，θ为QoS指数；

瞬时传输速率R₁(P₁(v),P₂(v))结合信道容量表达式C(θ)＝-1/θlog(E{e^-θR[k]})得到有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)具体的推导过程如下：

其中，β为归一化QoS指数，E_γ{}表示关于γ的期望；

对于固定的QoS指数θ，在总的功率限制下最大化C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，构建共信道模式下优化问题P1，可以证明P1为严格凸优化问题，通过使用拉格朗日方法来得到共信道模式下D1和D2的QoS驱动功率分配方案P₁ ^*(v)和所述表示D2D蜂窝单元中总功率限制。

2.根据权利要求1所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方法，其特征在于，共信道模式下不考虑QoS保障的功率分配方案，得到最优功率分别为和对应的有效容量为

3.根据权利要求1所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方法，其特征在于，共信道模式下，固定QoS指数的功率分配方案，得到最优功率分别为和对应的有效容量为