CN104066122A - 一种蜂窝与d2d混合网络中的拥塞控制和传输调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，该方法包括以下步骤：第一步：对数据源节点到数据宿节点之间进行拥塞控制；第二步：进行传输调度。该方法为各业务源节点动态地选择最优的传输方式，在降低系统拥塞、保证系统稳定的前提下，充分利用信道分集和用户分集增益，最大化系统资源利用率。

Description

一种蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法

技术领域

本发明属于无线通信的技术领域，具体来说，涉及一种蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法。

背景技术

目前，人们对设备至设备(英文为：Device-to-device，文中简称：D2D)技术的研究工作大都集中于如何通过用户调度和资源分配策略，有效地降低或避免D2D链路与蜂窝链路之间的干扰。现有的工作基本都假设系统中各用户采用固定的通信方式，即各用户确定地采用传统蜂窝通信方式或采用D2D通信方式。然而，通过合理的路由选择，允许各用户动态地选择当前调度时刻合适的通信方式，并在此基础上进行拥塞控制、信道和功率分配，能够更好地利用信道分集增益和用户分集增益，在保证保证系统稳定的前提下进一步提高系统的资源利用率。因此，需要设计一种新的蜂窝网络中支持D2D通信的传输调度和拥塞控制方法。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，为各业务源节点动态地选择最优的传输方式，在降低系统拥塞、保证系统稳定的前提下，充分利用信道分集和用户分集增益，最大化系统资源利用率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，该方法包括以下步骤：

第一步：对数据源节点到数据宿节点之间进行拥塞控制；

第二步：进行传输调度。

进一步，所述的第一步的过程为：根据各业务流对应源节点处数据缓存队列，依据式(1)测算给定时刻允许接入网络的各业务流数据量：

其中，ρ^f(t)表示在t时刻允许接入传输层的对应业务流f的数据量，α^f(t)表示业务流f在t时刻在应用层的生成数据量；v^f(t)表示业务流f对应的源节点s_f的虚拟拥塞控制队列中t时刻的虚拟数据量；表示源节点s_f处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量；

同时，根据各业务流对应源节点处虚拟拥塞控制队列的队列状态信息，依据式(2)测算给定时刻允许接入网络的各业务流数据量：

其中，η^f(t)表示虚拟拥塞控制队列的虚拟数据接入量，表示业务流f生成数据量的最大值，W表示预设的控制参数。

进一步，所述的虚拟拥塞控制队列是各业务源节点处为本地业务流维护的一个缓存队列。

进一步，所述的第二步包括以下步骤：

步骤201)令其中，表示辅助链路集合，表示辅助时频资源块集合；表示链路集合；表示时频资源块集合；从中选择任意一个时频资源块r作为初始值，进入步骤202)；

步骤202)对时频资源块r，系统依式(3)测算得到最优链路k^*及最优链路对应的业务流f^*，

其中，b(k)表示链路k的发射节点，e(k)表示链路k的接收节点，表示b(k)和e(k)对应业务流f的数据缓存队列大小之差，符号[X]⁺表示取X和0中的最大值，表示发射节点b(k)处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量；表示接收节点e(k)处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量，表示从b(k)到e(k)对应时频资源块r的信道功率增益；表示业务流集合；

表示最优链路k^*的对应的业务流f^*的数据缓存队列大小之差，当时，允许最优链路k^*接入时频资源块r，并令效用函数值其中，表示最优链路k^*上允许的最大传输功率，表示从节点b(k^*)到e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益，进入步骤203)；当则在t时刻不允许任何链路接入任意时频资源块；

步骤203)若链路k^*为蜂窝链路，即表示蜂窝链路集合，则依式(4)选择链路k^*的最优共存链路l⁺及该共存链路对应的业务流f⁺：

其中，表示链路l对应的最优业务流f的数据缓存队列大小之差，表示从节点b(l)到e(l)对应时频资源块r的信道功率增益；b(l)表示链路l的发射节点，e(l)表示链路l的接收节点；表示从b(k^*)到e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益；b(k^*)表示链路k^*的发射节点，e(k^*)表示链路k^*的接收节点；表示从节点b(l)到节点e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益；表示D2D链路集合；

若链路k^*为D2D链路，即表示D2D链路集合，则依式(5)选择链路k^*的最优共存链路l⁺及该共存链路对应的业务流f⁺：

步骤204)对链路k^*和最优共存链路l⁺分配传输功率，并令链路k^*得到的最优分配功率为最优共存链路l⁺得到的最优分配功率为令效用函数值 $U_2={\mathrm{\β}}_{k^{*}}^{f^{*}}\left(t\right)p_{k^{*}}^{*}\left(t\right)g_{k^{*}{k}^{*}}^r\left(t\right)+{\mathrm{\β}}_{l^{+}}^{f^{*}}\left(t\right)p_{l^{+}}^{*}\left(t\right)g_{l^{+}{l}^{+}}^r\left(t\right);$ 其中，表示从节点b(l⁺)到e(l⁺)对应时频资源块r的信道功率增益，表示最优链路l⁺的对应的最优业务流f⁺的数据缓存队列大小之差；

步骤205)若U₂≥U₁，则允许最优共存链路l⁺接入时频资源块r，并令若U₂<U₁，则不允许链路k^*之外的任何链路接入时频资源块r；

步骤206)更新在中选择其他值作为新的定时频资源块r，返回步骤202)，直至或

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，在降低系统拥塞、保证系统稳定的前提下，充分利用信道分集和用户分集增益，最大化系统资源利用率。本发明的方法包括两个部分：对数据源节点到数据宿节点之间进行拥塞控制，和进行传输调度两个部分。通过为各业务源节点动态地选择最优的传输方式，即与中心接入节点建立直接连接或与相邻用户节点建立多跳D2D链路，并为D2D用户选择合适的路由，将各业务流数据传送至相应的业务宿节点。本方法中，系统各用户节点为各业务流维护一个独立的数据缓存队列，各业务源节点另外为本地业务维护一个独立的虚拟拥塞控制缓存队列。首先，系统根据各业务源节点虚拟队列的队列状态信息控制各业务流的接入，以达到降低系统拥塞、保证系统稳定的目的；然后，系统再根据各用户节点处各队列的队列状态信息，以及各链路的信道状态信息进行用户调度和资源分配，从而充分利用信道分集和用户分集增益，最大化系统资源利用率。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明第二步流程框图。

图3是本发明实施例的蜂窝与D2D混合网络拓扑图。

图4是本发明实施例的平均拒绝概率随预设的控制参数W变化的曲线图。

图5是本发明实施例的平均吞吐量随预设的控制参数W变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

通信是在蜂窝系统的控制下，允许用户之间通过复用系统资源进行通信的新型技术。它能够有效地提高系统频谱效率和通信速率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。图1所示为蜂窝网络中支持D2D通信的系统结构示意图。设系统包括一个中心接入节点，和集合为的用户节点。各用户间，用户与中心接入节点间构成集合为的链路。各链路通过共享集合为时频资源块来服务集合为的业务流。令业务流f对应的源节点和宿节点分别为s_f和d_f。设用户节点m处对应业务流f的缓存队列中t时刻的待传数据量为则依据下列两式进行更新：

其中，表示源节点s_f处对应业务流f的数据缓存队列中t+1时刻的待传数据量，表示源节点s_f处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量，为t时刻链路l对应业务流f的数据转发量，ρ^f(t)为t时刻对应业务流f的数据接入量，ρ^f(t)∈[0,α^f(t)]，α^f(t)是业务流f在t时刻的生成数据量，表示节点m处对应业务流f的数据缓存队列中t+1时刻的待传数据量，为用户节点m处对应业务流f的缓存队列中t时刻的待传数据量，O(m)为以节点m为发射端的链路集合，为t时刻链路k对应业务流f的数据转发量，O(s_f)为以节点s_f为发射端的链路集合，为以节点s_f为接收端的链路集合，为以节点m为接收端的链路集合。

设业务流f对应的源节点s_f的虚拟拥塞控制缓存队列中t时刻的虚拟数据量为v^f(t)，则v^f(t)根据下式进行更新：

其中，为随机过程α^f(t)的最大值，v^f(t+1)为业务流f对应的源节点s_f的虚拟拥塞控制缓存队列中t+1时刻的虚拟数据量，v^f(t)表示业务流f对应的源节点s_f的虚拟拥塞控制缓存队列中t时刻的虚拟数据量。

本发明的一种蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，包括以下步骤：

第一步：对数据源节点到数据宿节点之间进行拥塞控制：根据各业务流对应源节点处数据缓存队列，依据式(1)测算给定时刻允许接入网络的各业务流数据量：

其中，ρ^f(t)表示在t时刻允许接入传输层的对应业务流f的数据量，α^f(t)表示业务流f在t时刻在应用层的生成数据量；v^f(t)表示业务流f对应的源节点s_f的虚拟拥塞控制队列中t时刻的虚拟数据量；表示源节点s_f处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量；

同时，根据各业务流对应源节点处虚拟拥塞控制队列的队列状态信息，依据式(2)测算给定时刻允许接入网络的各业务流数据量：

其中，η^f(t)表示虚拟拥塞控制队列的虚拟数据接入量，表示业务流f生成数据量的最大值,W表示预设的控制参数，v^f(t)表示业务流f对应的源节点s_f的虚拟拥塞控制队列中t时刻的虚拟数据量。虚拟拥塞控制队列是各业务源节点处为本地业务流维护的一个缓存队列。

第二步：进行传输调度：如图2所示，包括以下步骤201)至步骤206)：

步骤201)令其中，表示辅助链路集合，表示辅助时频资源块集合；表示链路集合；表示时频资源块集合；从中选择任意一个时频资源块r作为初始值，进入步骤202)。

步骤202)对时频资源块r，系统依式(3)测算得到最优链路k^*及最优链路对应的业务流f^*，

其中，b(k)表示链路k的发射节点，e(k)表示链路k的接收节点，表示b(k)和e(k)对应业务流f的数据缓存队列大小之差，符号[X]⁺表示取X和0中的最大值，表示发射节点b(k)处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量；表示接收节点e(k)处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量，表示从b(k)到e(k)对应时频资源块r的信道功率增益；表示业务流集合；

表示最优链路k^*的对应的业务流f^*的数据缓存队列大小之差，当时，允许最优链路k^*接入时频资源块r，并令效用函数值其中，表示最优链路k^*上允许的最大传输功率，表示从节点b(k^*)到e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益，进入步骤203)；当则在t时刻不允许任何链路接入任意时频资源块。

步骤203)若链路k^*为蜂窝链路，即表示蜂窝链路集合，则依式(4)选择链路k^*的最优共存链路l⁺及该共存链路对应的业务流f⁺：

其中，表示链路l对应的最优业务流f的数据缓存队列大小之差，表示从节点b(l)到e(l)对应时频资源块r的信道功率增益；b(l)表示链路l的发射节点，e(l)表示链路l的接收节点；表示从b(k^*)到e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益；b(k^*)表示链路k^*的发射节点，e(k^*)表示链路k^*的接收节点；表示从节点b(l)到节点e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益；表示D2D链路集合；

若链路k^*为D2D链路，即表示D2D链路集合，则依式(5)选择链路k^*的最优共存链路l⁺及该共存链路对应的业务流f⁺：

步骤204)对链路k^*和最优共存链路l⁺分配传输功率，并令链路k^*得到的最优分配功率为最优共存链路l⁺得到的最优分配功率为令效用函数值 $U_2={\mathrm{\&beta;}}_{k^{*}}^{f^{*}}\left(t\right)p_{k^{*}}^{*}\left(t\right)g_{k^{*}{k}^{*}}^r\left(t\right)+{\mathrm{\&beta;}}_{l^{+}}^{f^{*}}\left(t\right)p_{l^{+}}^{*}\left(t\right)g_{l^{+}{l}^{+}}^r\left(t\right);$ 其中，表示从节点b(l⁺)到e(l⁺)对应时频资源块r的信道功率增益，表示最优链路l⁺的对应的最优业务流f⁺的数据缓存队列大小之差。对链路k^*和最优共存链路l⁺分配传输功率的方法为现有技术，例如参见P.C.Weeraddana,M.Codreanu,M.Latva-aho,and A.Ephremides,“Resource allocation for cross-layer utility maximization inwireless networks,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.60,no.6,pp.2790-2809,Jul.2011。

步骤205)若U₂≥U₁，则允许最优共存链路l⁺接入时频资源块r，并令若U₂<U₁，则不允许链路k^*之外的任何链路接入时频资源块r。表示对集合进行更新。等式左边表示更新后的集合更新集合更新后的集合为从更新前的集合中去除步骤203)中的最优共存链路l⁺。更新的次数为步骤206)返回步骤202)的次数。

步骤206)更新在中选择其他值作为新的定时频资源块r，返回步骤202)，直至或表示对集合进行更新。等式左边表示更新后的集合更新集合更新后的集合为从更新前的集合中去除步骤202)的时频资源块。更新的次数为步骤206)返回步骤202)的次数。

下面例举实施例。

如图3所示，蜂窝与D2D混合网络中包括1个基站，10个用户，以及4条业务流。各节点间的距离如图3所示，其中令d₁＝15m，d₂＝12.5m。总带宽为1KHz的可用频谱被等分为2个正交的子信道。设各业务流的平均数据到达率为0.25Kbps，最大数据到达率设链路k上允许的最大传输功率为1.0W。为保证通信质量，为各链路设置所需的最低信干噪比门限，其中若链路为蜂窝链路，其门限为10^-1，若链路为D2D链路，其门限为10^-2。

图4给出了所提方法随预设的控制参数W变化对应的平均拒绝概率，其中平均拒绝概率定义为极限可以看出平均拒绝概率随着W的增大而降低；当W>10时平均拒绝概率将为0，即此时在应用层的生成数据量都将被允许接入传输层。

图5给出了所提方法随预设的控制参数W变化对应的平均吞吐量，其中平均吞吐量定义为极限可以看出平均吞吐量随着W的增大而增大；当W>10时平均吞吐量的变化趋于平坦，即由于此时在应用层的生成数据量都被允许接入传输层，平均吞吐量的变化只取决于生成数据量的变化。

上述方法综合考虑了各用户节点处各队列的队列状态信息以及各链路的信道状态信息，通过为各业务源节点动态地选择最优的传输方式，即与中心接入节点建立直接连接或与相邻用户节点建立多跳D2D路径，并为D2D用户选择合适的路由，将各业务流数据传送至相应的业务宿节点，从而充分利用信道分集和用户分集增益，最大化系统资源利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步：对数据源节点到数据宿节点之间进行拥塞控制；

第二步：进行传输调度。

2.根据权利要求1所述的蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，其特征在于，所述的第一步的过程为：根据各业务流对应源节点处数据缓存队列，依据式(1)测算给定时刻允许接入网络的各业务流数据量：

其中，ρ^f(t)表示在t时刻允许接入传输层的对应业务流f的数据量，α^f(t)表示业务流f在t时刻在应用层的生成数据量；v^f(t)表示业务流f对应的源节点s_f的虚拟拥塞控制队列中t时刻的虚拟数据量；表示源节点s_f处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量；

同时，根据各业务流对应源节点处虚拟拥塞控制队列的队列状态信息，依据式(2)测算给定时刻允许接入网络的各业务流数据量：

其中，η^f(t)表示虚拟拥塞控制队列的虚拟数据接入量，表示业务流f生成数据量的最大值，W表示预设的控制参数。

3.根据权利要求1所述的蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，其特征在于，所述的虚拟拥塞控制队列是各业务源节点处为本地业务流维护的一个缓存队列。

4.根据权利要求1、2或3所述的蜂窝与D2D混合网络中的拥塞控制和传输调度方法，其特征在于，所述的第二步包括以下步骤：

步骤201)令其中，表示辅助链路集合，表示辅助时频资源块集合；表示链路集合；表示时频资源块集合；从中选择任意一个时频资源块r作为初始值，进入步骤202)；

步骤202)对时频资源块r，系统依式(3)测算得到最优链路k^*及最优链路对应的业务流f^*，

其中，b(k)表示链路k的发射节点，e(k)表示链路k的接收节点，表示b(k)和e(k)对应业务流f的数据缓存队列大小之差，符号[X]⁺表示取X和0中的最大值，表示发射节点b(k)处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量；表示接收节点e(k)处对应业务流f的数据缓存队列中t时刻的待传数据量，表示从b(k)到e(k)对应时频资源块r的信道功率增益；表示业务流集合；

表示最优链路k^*的对应的业务流f^*的数据缓存队列大小之差，当时，允许最优链路k^*接入时频资源块r，并令效用函数值其中，表示最优链路k^*上允许的最大传输功率，表示从节点b(k^*)到e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益，进入步骤203)；当则在t时刻不允许任何链路接入任意时频资源块；

步骤203)若链路k^*为蜂窝链路，即表示蜂窝链路集合，则依式(4)选择链路k^*的最优共存链路l⁺及该共存链路对应的业务流f⁺：

其中，表示链路l对应的最优业务流f的数据缓存队列大小之差，表示从节点b(l)到e(l)对应时频资源块r的信道功率增益；b(l)表示链路l的发射节点，e(l)表示链路l的接收节点；表示从b(k^*)到e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益；b(k^*)表示链路k^*的发射节点，e(k^*)表示链路k^*的接收节点；表示从节点b(l)到节点e(k^*)对应时频资源块r的信道功率增益；表示D2D链路集合；

若链路k^*为D2D链路，即表示D2D链路集合，则依式(5)选择链路k^*的最优共存链路l⁺及该共存链路对应的业务流f⁺：

步骤204)对链路k^*和最优共存链路l⁺分配传输功率，并令链路k^*得到的最优分配功率为最优共存链路l⁺得到的最优分配功率为令效用函数值 $U_2={\mathrm{\&beta;}}_{k^{*}}^{f^{*}}\left(t\right)p_{k^{*}}^{*}\left(t\right)g_{k^{*}{k}^{*}}^r\left(t\right)+{\mathrm{\&beta;}}_{l^{+}}^{f^{*}}\left(t\right)p_{l^{+}}^{*}\left(t\right)g_{l^{+}{l}^{+}}^r\left(t\right);$ 其中，表示从节点b(l⁺)到e(l⁺)对应时频资源块r的信道功率增益，表示最优链路l⁺的对应的最优业务流f⁺的数据缓存队列大小之差；

步骤205)若U₂≥U₁，则允许最优共存链路l⁺接入时频资源块r，并令若U₂<U₁，则不允许链路k^*之外的任何链路接入时频资源块r；

步骤206)更新在中选择其他值作为新的定时频资源块r，返回步骤202)，直至或