CN104486744B - 一种异构小蜂窝网络中的d2d模式选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，根据D2D链路不同的工作模式，将其划分为不同的模式组；其次根据不同的模式组选择对应的联合决策状态空间；再根据所选择的联合决策状态空间，模式组之间执行联合决策算法，并决定是否需要进行组内D2D链路的调整；然后根据联合决策算法的结果，动态地调整模式组内部的D2D链路，并根据调整结果更新状态空间。最后根据状态空间的更新结果，判断是否达到稳定状态，若是未达到稳定状态，则继续执行联合决策算法，若是达到稳定状态，则表明所有D2D链路传输代价的总和最小。本发明在确保通信质量的前提下，能够有效地减小总的传输功率和信道开销。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术，具体涉及一种异构小蜂窝网络环境下的D2D(device-to-device)模式选择方法。
背景技术
随着当今移动通信的飞速发展和移动智能终端数量的快速增长，使得传统的宏蜂窝基站由于处理流量的剧增而不堪重负。为了减少网络拥塞和增强覆盖，传统的做法是架设更多的基站来分担当前基站的负载和扩大覆盖范围，但是这种方法不仅费用高昂，而且不能从根本上解决问题。3GPP在LTE-Advanced的标准中提出了异构小蜂窝网络技术，通过在宏蜂窝中引入一些低功率节点(微蜂窝基站、家庭基站、无线中继等)。这些小蜂窝的特点是低功率和小覆盖范围，它大大缩短了基站与用户的通信距离，无线信号的质量也随之增强。小蜂窝能够向所有覆盖下的用户提供更快速、更可靠的服务，并减小了无线阴影区域，加强了特定区域的覆盖，从而也使得网络环境变得越来越复杂。
D2D(device-to-device)技术是终端设备之间实现直接通信的一种重要技术手段。由于D2D通信用户之间的距离较近，在蜂窝通信网络中引入D2D通信技术可以减少基站的负载，增加系统的容量，提升数据传输速率，提高蜂窝通信系统的无线资源利用率，减小功率的消耗等。其中，D2D的模式选择是提升频率效率的一个关键所在。最近几年，大部分文献都是在宏蜂窝网络环境中对D2D的模式选择进行研究，但在异构小蜂窝网络中进行D2D的模式选择的方案却很少。
D2D的模式选择是D2D技术中的一个重要问题，选择合适的工作模式能够减小异构小蜂窝网络的整体能耗，并能提高频谱利用率。针对当前的异构小蜂窝的环境，本发明提出了一种异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，在更加贴近实际的蜂窝环境中分析D2D的模式选择。
发明内容
本发明的目的是提供一种异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，在保证通信质量的前提下，能有效降低总的传输功率和信道开销。
本发明所述的一种异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，包括以下步骤：
a、中心协调器收集所有D2D链路当前的工作模式信息，并根据每个D2D链路当前的工作模式，将不同工作模式的D2D链路划分到不同的模式组中；
b、根据模式组内D2D链路所接入的基站，选择联合决策的状态空间；
c、根据模式组所选择的状态空间，进行模式组之间的联合决策算法，得出是否需要进行组内D2D链路的调整；
d、根据所述联合决策算法的结果，动态地调整模式组内部的D2D链路，并根据调整结果更新状态空间；
e、根据状态空间的更新结果，判断各个模式组内的D2D链路是否达到稳定的状态；若未达到稳定状态，执行c步骤；若达到稳定状态，则所有D2D链路按照当前工作模式工作，即表明所有D2D链路传输代价的总和最小。
所述步骤a中：
中心协调器能获取每个链路的信道状态信息和所有D2D链路使用的工作模式，并能够根据联合决策算法的结果向模式组发送调整组内D2D链路的命令；
所述模式组共有5组，分别为宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd、小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr；其中，宏蜂窝下的模式组有宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd；小蜂窝下的模式组有小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr；每个模式组S为使用相同模式的D2D链路的集合。
所述步骤b中，所述模式组内的D2D链路收发双方都在同一小蜂窝的覆盖范围内，则该模式组选择小蜂窝下的状态空间ψ1；否则该模式组选择宏蜂窝下的状态空间ψ2；
所述联合决策的状态空间分为小蜂窝下的状态空间和宏蜂窝下的状态空间；
所述小蜂窝下的状态空间包含小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr，即ψ1＝{Ssc,Ssr}；
所述宏蜂窝下的状态空间包含宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd，即ψ2＝{Smc,Smr,Sd}；
各模式组只能在对应的状态空间内进行D2D链路的调整。
所述步骤c中：
c1、初始化时刻φ及其对应的状态空间ψ(φ)；
c2、随机从一个模式组中选出一个D2D链路j进行调整，即决定离开当前模式组S(φ)并加入其他模式组S′(φ)；
若当前模式组S(φ)为Smc,Smr,Sd其中的一个，即状态空间为ψ2＝{Smc,Smr,Sd}，那么其他模式组S′(φ)是除当前模式组外的其他两个模式组中的任意一个；若当前模式组S(φ)为Ssc,Ssr其中的一个，即状态空间为ψ1＝{Ssc,Ssr}，那么其他模式组S′(φ)是除当前模式组外的另一个；
c3、D2D链路j向中心协调器发送加入模式组S′(φ)的请求；
c4、链路j的终端计算加入到模式组S′(φ)前的传输代价uj(S(φ))和加入后的传输代价uj(S′(φ)∪{j})，并将计算结果发送给中心协调器；
c5、中心协调器判断链路j的传输代价是否满足条件uj(S′(φ)∪{j})<uj(S(φ))，若不满足，则该模式组内所选的D2D链路不需要进行调整，并返回步骤c2；若满足，则进行步骤c6；
c6、中心协调器要求S′(φ)中的每个链路j′的终端计算链路j加入本组前的传输代价uj′(S′(φ))和加入本组后的传输代价uj′(S′(φ)∪{j})，并将计算结果发给中心协调器；
c7、中心协调器继续判定的传输代价是否满足条件uj′(S′(φ)∪{j})<uj′(S′(φ))；若不满足，则该模式组内所选的D2D链路不进行调整，并返回步骤c2；若满足，则对该模式组内D2D链路进行调整。
所述D2D链路的传输代价公式为：
其中：为链路j在信道l上的传输功率，为D2D链路j使用信道l时的信道开销，有因为使用专用信道的开销会比共享信道的开销大，所以假设各组信道开销之间的关系为 βj和αj分别是传输功率和信道花费的权值，为正常数。
所述传输功率，必须满足以下式子：
(I-F)P＝U；
其中：I为单位矩阵，U为列向量，表达式如下：
其中：T为转置，γh为链路h的信干噪比，Nh为链路接收端加性白噪声，为链路h在信道l上的功率增益，表示所有使用相同信道l的链路集合；P表示一个列向量，其元素是每个链路的传输功率Ph；F为一个的矩阵，表达式如下：
所述传输功率，还需满足以下公式：
其中，为D2D链路j在信道l上的传输功率；AS表示不同模式下的D2D链路可以使用的信道集合；AN表示已经被宏蜂窝链路使用的信道；表示小蜂窝q中已经被小蜂窝链路使用的信道；宏蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为复用宏蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为专用模式下的D2D链路可以使用的信道集为小蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为总信道L除去该D2D链路所在小基站内的小蜂窝用户所使用的信道；复用小蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为Rj为每个D2D链路j需要满足的速率；rj是D2D链路j的速率；
在模式组S中，一个信道l只能够被分配给一个D2D链路j∈S使用，那么同一模式组中其他D2D链路j′的传输功率
所述D2D链路的信干噪比满足以下式子：
其中：Rj为每个D2D链路j需要满足的速率，即rj≥Rj，rj是D2D链路j的速率，B为子信道带宽；
所述宏蜂窝链路i和小蜂窝链路yq对应的信干噪比为：
γi＝2(R/B)-1；
其中，R为蜂窝链路需要满足的速率，即ri为宏蜂窝链路i的速率，为小蜂窝链路yq的速率，B为子信道带宽。
所述宏蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
其中，j∈Smc且j′∈Smr，分别表示链路j的传输端到基站使用信道l的功率增益和基站到链路j接收端使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率；NB表示宏基站的加性白噪声，Nj表示链路j接收端的加性白噪声，分别表示基站到链路j接收端使用信道l的传输功率和链路j发送端到基站使用信道l的传输功率，为信道l被复用宏蜂窝模式上行占用时的发射功率，为信道l被复用宏蜂窝模式下行占用时的发射功率,分别表示基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，k表示任意的链路，即D2D链路、宏蜂窝链路、小蜂窝链路；B为子信道带宽；
所述复用宏蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
其中，j∈Smr，j′∈Smc且i∈N，表示链路j′的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路j的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，k表示任意链路；为信道l被宏蜂窝模式上行占用时的发射功率，为信道l被宏蜂窝模式下行占用时的发射功率；表示链路j的发送端到接收端使用信道l的传输功率，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，分别表示基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；
所述专用模式D2D链路的传输速率为：
其中：j∈Sd，Nj表示链路j接收端的加性白噪声；表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，k表示任意链路；B为子信道带宽；
所述小蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
其中yq′∈Nq′，j∈Ssc，j′∈Ssr，分别表示链路j的传输端到小基站使用信道l的功率增益和小基站到链路j接收端使用信道l的功率增益，分别表示链路k的传输端到小基站使用信道l的功率增益和小基站到链路k接收端使用信道l的功率增益；表示小基站的加性白噪声；分别表示小基站到链路j接收端使用信道l的传输功率和链路j发送端到小基站使用信道l的传输功率，分别表示小基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；δ(q′)为：
所述复用小蜂窝模式下D2D链路的传输速率为：
其中，D2D链路j∈Ssr与小蜂窝链路yq属于同一小蜂窝，小蜂窝链路yq′属于其他小蜂窝；表示链路yq′的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，Nj表示链路j接收端的加性白噪声；链路yq′发送端到小基站q′使用信道l的传输功率，链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；
所述宏蜂窝链路的速率为：
其中，i∈N，j′∈Ssr，为链路j的传输端到基站使用信道l的功率增益，链路i发送端到基站使用信道l的传输功率，链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，NB表示宏基站的加性白噪声，表示链路j′的发送端到接收端使用信道l的传输功率，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；
所述小蜂窝用户的速率为：
其中，分别表示链路yq的传输端到小基站使用信道l的功率增益，分别表示链路yq′的传输端到小基站使用信道l的功率增益，分别表示链路k的传输端到小基站使用信道l的功率增益，为使用小蜂窝模式的D2D链路所在小基站对复用小蜂窝模式下D2D链路所在小基站的功率增益；分别表示小基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽，表示小基站侧的加性白噪声。
所述步骤d中：
若模式组内所选的D2D链路j不需要进行调整，则模式组内所选D2D链路j不需要离开当前模式组而加入另一模式组，并保持原有的状态空间ψ＝{Smc,Smr,Sd}或者ψ＝{Ssc,Ssr}不变；
若模式组内所选的D2D链路j需要进行调整，则模式组内所选D2D链路j需要离开当前模式组而加入另一模式组，并将状态空间ψ＝{Smc,Smr,Sd}更新为ψ′＝{S′mc,S′mr,S′d}，或者ψ＝{Ssc,Ssr}更新为ψ′＝{S′sc,S′sr}，即从原模式组集合中去除链路j，而在所加入的模式组集合中加入链路j。
所述步骤e中，
所述达到稳定状态表述所有D2D链路都不能成功加入另一模式组的状态，则所有D2D链路保持当前工作模式工作，不再执行联合决策算法；
所述未达到稳定状态表述存在能够成功加入另一模式组的D2D链路的状态，则模式组之间继续执行联合决策算法。
本发明的有益效果是：它根据D2D链路不同的工作模式，将其划分为不同的模式组；其次根据不同的模式组选择对应的联合决策状态空间；再根据所选择的联合决策状态空间，模式组之间执行联合决策算法，并决定是否需要进行组内D2D链路的调整；然后根据联合决策算法的结果，动态地调整模式组内部的D2D链路，并根据调整结果更新状态空间；最后根据状态空间的更新结果，判断是否达到稳定状态，若是未达到稳定状态，则继续执行联合决策算法，若是达到稳定状态，则表明所有D2D链路传输代价的总和最小；故通过本方法在确保通信质量的前提下，能够有效地减小总的传输功率和信道开销，大大的优化了异构小蜂窝网络下D2D链路的模式选择。该发明在移动通信领域有较为广阔的应用前景，为实现高速、绿色的通信提供了基础。
附图说明
图1为异构小蜂窝网络下的D2D模式选择模型图；
图2为D2D模式选择的流程图；
图3为联合决策算法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，是一种高密度宏蜂窝和小蜂窝异构小蜂窝网络下D2D模式选择模型图，图中清楚的反映出了各个模式下的通信模型。
异构小蜂窝网有别于传统的宏蜂窝网络，它是由宏蜂窝和小蜂窝共同组成的新型蜂窝异构网络。由于加入了小蜂窝，所以需要根据D2D所属的是宏蜂窝还是小蜂窝分情况来选择对应合适的通信模式。只有当D2D链路的收发双方都在同一个小蜂窝的覆盖范围内时，才能够选择：复用小蜂窝模式和小蜂窝模式中的一种进行通信；否则，只能选择：复用宏蜂窝模式、宏蜂窝模式、专用模式其中的一种进行通信。
如图2所示，本发明所述的一种异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，包括以下步骤：
a、中心协调器收集所有D2D链路当前的工作模式信息，并根据每个D2D链路当前的工作模式，将不同工作模式的D2D链路划分到不同的模式组中。
其中，中心协调器是一个附属于宏基站的装置，它能获取每个链路的信道状态信息和所有D2D链路使用的工作模式，并能够根据联合决策算法的结果向模式组发送调整组内D2D链路的命令。
所述模式组共有5组，分别为宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd、小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr。其中，宏蜂窝下的模式组有宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd。小蜂窝下的模式组有小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr；每个模式组S为使用相同模式的D2D链路的集合。
b、根据模式组内D2D链路所接入的基站，选择联合决策的状态空间ψ。具体如下：
联合决策的状态空间分为小蜂窝下的状态空间和宏蜂窝下的状态空间。所述小蜂窝下的状态空间包含小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr，即ψ1＝{Ssc,Ssr}。所述宏蜂窝下的状态空间包含宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd，即ψ2＝{Smc,Smr,Sd}。
模式组内的D2D链路收发双方都在同一小蜂窝的覆盖范围内，则该模式组选择小蜂窝下的状态空间ψ1；否则该模式组选择宏蜂窝下的状态空间ψ2。各模式组只能在对应的状态空间内进行D2D链路的调整。
c、根据模式组所选择的状态空间，进行模式组之间的联合决策算法，得出是否需要进行组内D2D链路的调整。如图3所示，具体如下：
c1、初始化时刻φ及其对应的状态空间ψ(φ)。
c2、随机从一个模式组中选出一个D2D链路j进行调整，即决定离开当前模式组S(φ)并加入其他模式组S′(φ)。
若当前模式组S(φ)为Smc,Smr,Sd其中的一个，即状态空间为ψ2＝{Smc,Smr,Sd}，那么其他模式组S′(φ)是除当前模式组外的其他两个模式组中的任意一个；若当前模式组S(φ)为Ssc,Ssr其中的一个，即状态空间为ψ1＝{Ssc,Ssr}，那么其他模式组S′(φ)是除当前模式组外的另一个。
c3、D2D链路j向中心协调器发送加入模式组S′(φ)的请求。
c4、链路j的终端计算加入到模式组S′(φ)前的传输代价uj(S(φ))和加入后的传输代价uj(S′(φ)∪{j})，并将计算结果发送给中心协调器。
c5、中心协调器判断链路j的传输代价是否满足条件uj(S′(φ)∪{j})<uj(S(φ))，若不满足，则该模式组内所选的D2D链路不需要进行调整，并返回步骤c2；若满足，则进行步骤c6。
c6、中心协调器要求S′(φ)中的每个链路j′的终端计算链路j加入本组前的传输代价uj′(S′(φ))和加入本组后的传输代价uj′(S′(φ)∪{j})，并将计算结果发给中心协调器。
c7、中心协调器继续判定的传输代价是否满足条件uj′(S′(φ)∪{j})<uj′(S′(φ))；若不满足，则该模式组内所选的D2D链路不进行调整，并返回步骤c2；若满足，则对该模式组内D2D链路进行调整。
所述D2D链路的传输代价公式为：
其中：为链路j在信道l上的传输功率，为D2D链路j使用信道l时的信道开销，有因为使用专用信道的开销会比共享信道的开销大，所以假设各组信道开销之间的关系为 βj和αj分别是传输功率和信道花费的权值，为正常数。
所述传输功率，必须满足以下式子：
(I-F)P＝U；
其中：I为单位矩阵，U为列向量，表达式如下：
其中：T为转置，γh为链路h的信干噪比，Nh为链路接收端加性白噪声，为链路h在信道l上的功率增益，表示所有使用相同信道l的链路集合；P表示一个列向量，其元素是每个链路的传输功率Ph；F为一个的矩阵，表达式如下：
所述传输功率，还需满足以下公式：
其中，为D2D链路j在信道l上的传输功率；AS表示不同模式下的D2D链路可以使用的信道集合；AN表示已经被宏蜂窝链路使用的信道；表示小蜂窝q中已经被小蜂窝链路使用的信道；宏蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为复用宏蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为专用模式下的D2D链路可以使用的信道集为小蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为总信道L除去该D2D链路所在小基站内的小蜂窝用户所使用的信道；复用小蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为Rj为每个D2D链路j需要满足的速率；rj是D2D链路j的速率。
在模式组S中，一个信道l只能够被分配给一个D2D链路j∈S使用，那么同一模式组中其他D2D链路j′的传输功率
所述D2D链路的信干噪比满足以下式子：
其中：Rj为每个D2D链路j需要满足的速率，即rj≥Rj，rj是D2D链路j的速率，B为子信道带宽。
所述宏蜂窝链路i和小蜂窝链路yq对应的信干噪比为：
γi＝2(R/B)-1；
其中，R为蜂窝链路需要满足的速率，即ri为宏蜂窝链路i的速率，为小蜂窝链路yq的速率，B为子信道带宽。
所述宏蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
其中，j∈Smc且j′∈Smr，分别表示链路j的传输端到基站使用信道l的功率增益和基站到链路j接收端使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率；NB表示宏基站的加性白噪声，Nj表示链路j接收端的加性白噪声，分别表示基站到链路j接收端使用信道l的传输功率和链路j发送端到基站使用信道l的传输功率，为信道l被复用宏蜂窝模式上行占用时的发射功率，为信道l被复用宏蜂窝模式下行占用时的发射功率,分别表示基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，k表示任意的链路，即D2D链路、宏蜂窝链路、小蜂窝链路；B为子信道带宽。
所述复用宏蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
其中，j∈Smr，j′∈Smc且i∈N，表示链路j′的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路j的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，k表示任意链路；为信道l被宏蜂窝模式上行占用时的发射功率，为信道l被宏蜂窝模式下行占用时的发射功率；表示链路j的发送端到接收端使用信道l的传输功率，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，分别表示基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽。
所述专用模式D2D链路的传输速率为：
其中：j∈Sd，Nj表示链路j接收端的加性白噪声；表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，k表示任意链路；B为子信道带宽。
所述小蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
其中yq′∈Nq′，j∈Ssc，j′∈Ssr，分别表示链路j的传输端到小基站使用信道l的功率增益和小基站到链路j接收端使用信道l的功率增益，分别表示链路k的传输端到小基站使用信道l的功率增益和小基站到链路k接收端使用信道l的功率增益；表示小基站的加性白噪声；分别表示小基站到链路j接收端使用信道l的传输功率和链路j发送端到小基站使用信道l的传输功率，分别表示小基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；δ(q′)为：
所述复用小蜂窝模式下D2D链路的传输速率为：
其中，D2D链路j∈Ssr与小蜂窝链路yq属于同一小蜂窝，小蜂窝链路yq′属于其他小蜂窝；表示链路yq′的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，Nj表示链路j接收端的加性白噪声；链路yq′发送端到小基站q′使用信道l的传输功率，链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽。
所述宏蜂窝链路的速率为：
其中，i∈N，j′∈Ssr，为链路j的传输端到基站使用信道l的功率增益，链路i发送端到基站使用信道l的传输功率，链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，NB表示宏基站的加性白噪声，表示链路j′的发送端到接收端使用信道l的传输功率，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽。
所述小蜂窝用户的速率为：
其中，分别表示链路yq的传输端到小基站使用信道l的功率增益，分别表示链路yq′的传输端到小基站使用信道l的功率增益，分别表示链路k的传输端到小基站使用信道l的功率增益，为使用小蜂窝模式的D2D链路所在小基站对复用小蜂窝模式下D2D链路所在小基站的功率增益；分别表示小基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽，表示小基站侧的加性白噪声。
d、根据所述联合决策算法的结果，动态地调整模式组内部的D2D链路，并根据调整结果更新状态空间。
若模式组内所选的D2D链路j不需要进行调整，则模式组内所选D2D链路j不需要离开当前模式组而加入另一模式组，并保持原有的状态空间ψ＝{Smc,Smr,Sd}或者ψ＝{Ssc,Ssr}不变。
若模式组内所选的D2D链路j需要进行调整，则模式组内所选D2D链路j需要离开当前模式组而加入另一模式组，并将状态空间ψ＝{Smc,Smr,Sd}更新为ψ′＝{S′mc,S′mr,S′d}，或者ψ＝{Ssc,Ssr}更新为ψ′＝{S′sc,S′sr}，即从原模式组集合中去除链路j，而在所加入的模式组集合中加入链路j。
e、根据状态空间的更新结果，判断各个模式组内的D2D链路是否达到稳定的状态；若未达到稳定状态，执行c步骤；若达到稳定状态，则所有D2D链路按照当前工作模式工作。其中，所述达到稳定状态表述所有D2D链路都不能成功加入另一模式组的状态，则所有D2D链路保持当前工作模式工作，不再执行联合决策算法，即表明所有D2D链路传输代价的总和最小。所述未达到稳定状态表述存在能够成功加入另一模式组的D2D链路的状态，则模式组之间继续执行联合决策算法。
Claims (10)
1.一种异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、中心协调器收集所有D2D链路当前的工作模式信息，并根据每个D2D链路当前的工作模式，将不同工作模式的D2D链路划分到不同的模式组中；
b、根据模式组内D2D链路所接入的基站，选择联合决策的状态空间；
c、根据模式组所选择的状态空间，进行模式组之间的联合决策算法，得出是否需要进行组内D2D链路的调整；
d、根据所述联合决策算法的结果，动态地调整模式组内部的D2D链路，并根据调整结果更新状态空间；
e、根据状态空间的更新结果，判断各个模式组内的D2D链路是否达到稳定的状态；若未达到稳定状态，执行c步骤；若达到稳定状态，则所有D2D链路按照当前工作模式工作，即表明所有D2D链路传输代价的总和最小。
2.根据权利要求1所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：所述步骤a中：
中心协调器能获取每个链路的信道状态信息和所有D2D链路使用的工作模式，并能够根据联合决策算法的结果向模式组发送调整组内D2D链路的命令；
所述模式组共有5组，分别为宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd、小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr；其中，宏蜂窝下的模式组有宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd；小蜂窝下的模式组有小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr；每个模式组S为使用相同模式的D2D链路的集合。
3.根据权利要求2所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：所述步骤b中，所述模式组内的D2D链路收发双方都在同一小蜂窝的覆盖范围内，则该模式组选择小蜂窝下的状态空间ψ1；否则该模式组选择宏蜂窝下的状态空间ψ2；
所述联合决策的状态空间分为小蜂窝下的状态空间和宏蜂窝下的状态空间；
所述小蜂窝下的状态空间包含小蜂窝模式组Ssc和复用小蜂窝模式组Ssr，即ψ1＝{Ssc,Ssr}；
所述宏蜂窝下的状态空间包含宏蜂窝模式组Smc、复用宏蜂窝模式组Smr、专用模式组Sd，即ψ2＝{Smc,Smr,Sd}；
各模式组只能在对应的状态空间内进行D2D链路的调整。
4.根据权利要求3所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：所述步骤c中：
c1、初始化时刻φ及其对应的状态空间ψ(φ)；
c2、随机从一个模式组中选出一个D2D链路j进行调整，即决定离开当前模式组S(φ)并加入其他模式组S′(φ)；
若当前模式组S(φ)为Smc,Smr,Sd其中的一个，即状态空间为ψ2＝{Smc,Smr,Sd}，那么其他模式组S′(φ)是除当前模式组外的其他两个模式组中的任意一个；若当前模式组S(φ)为Ssc,Ssr其中的一个，即状态空间为ψ1＝{Ssc,Ssr}，那么其他模式组S′(φ)是除当前模式组外的另一个；
c3、D2D链路j向中心协调器发送加入模式组S′(φ)的请求；
c4、链路j的终端计算加入到模式组S′(φ)前的传输代价uj(S(φ))和加入后的传输代价uj(S′(φ)∪{j})，并将计算结果发送给中心协调器；
c5、中心协调器判断链路j的传输代价是否满足条件uj(S′(φ)∪{j})<uj(S(φ))，若不满足，则该模式组内所选的D2D链路不需要进行调整，并返回步骤c2；若满足，则进行步骤c6；
c6、中心协调器要求S′(φ)中的每个链路j′的终端计算链路j加入本组前的传输代价uj′(S′(φ))和加入本组后的传输代价uj′(S′(φ)∪{j})，并将计算结果发给中心协调器；
c7、中心协调器继续判定的传输代价是否满足条件uj′(S′(φ)∪{j})<uj′(S′(φ))；若不满足，则该模式组内所选的D2D链路不进行调整，并返回步骤c2；若满足，则对该模式组内D2D链路进行调整。
5.根据权利要求4所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：所述D2D链路的传输代价公式为：
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其中：为链路j在信道l上的传输功率，为D2D链路j使用信道l时的信道开销，有因为使用专用信道的开销会比共享信道的开销大，所以假设各组信道开销之间的关系为 βj和αj分别是传输功率和信道花费的权值，为正常数。
6.根据权利要求5所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：所述传输功率，必须满足以下式子：
(I-F)P＝U；
其中：I为单位矩阵，U为列向量，表达式如下：
其中：T为转置，γh为链路h的信干噪比，Nh为链路接收端加性白噪声，为链路h在信道l上的功率增益，表示所有使用相同信道l的链路集合；P表示一个列向量，其元素是每个链路的传输功率Ph；F为一个的矩阵，表达式如下：
所述传输功率，还需满足以下公式：
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其中，为D2D链路j在信道l上的传输功率；AS表示不同模式下的D2D链路可以使用的信道集合；AN表示已经被宏蜂窝链路使用的信道；表示小蜂窝q中已经被小蜂窝链路使用的信道；宏蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为复用宏蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为专用模式下的D2D链路可以使用的信道集为小蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为总信道L除去该D2D链路所在小基站内的小蜂窝用户所使用的信道；复用小蜂窝模式下的D2D链路可以使用的信道集为Rj为每个D2D链路j需要满足的速率；rj是D2D链路j的速率；
在模式组S中，一个信道l只能够被分配给一个D2D链路j∈S使用，那么同一模式组中其他D2D链路j′的传输功率
7.根据权利要求6所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：所述D2D链路的信干噪比满足以下式子：
其中：Rj为每个D2D链路j需要满足的速率，即rj≥Rj，rj是D2D链路j的速率，B为子信道带宽；
所述宏蜂窝链路i和小蜂窝链路yq对应的信干噪比为：
γi＝2(R/B)-1；
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其中，R为蜂窝链路需要满足的速率，即ri≥R,ri为宏蜂窝链路i的速率，为小蜂窝链路yq的速率，B为子信道带宽。
8.根据权利要求7所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：
所述宏蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
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其中，j∈Smc且j′∈Smr，分别表示链路j的传输端到基站使用信道l的功率增益和基站到链路j接收端使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率；NB表示宏基站的加性白噪声，Nj表示链路j接收端的加性白噪声，分别表示基站到链路j接收端使用信道l的传输功率和链路j发送端到基站使用信道l的传输功率，为信道l被复用宏蜂窝模式上行占用时的发射功率，为信道l被复用宏蜂窝模式下行占用时的发射功率,分别表示基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，k表示任意的链路，即D2D链路、宏蜂窝链路、小蜂窝链路；B为子信道带宽；
所述复用宏蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
其中，j∈Smr，j′∈Smc且i∈N，表示链路j′的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路j的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，k表示任意链路；为信道l被宏蜂窝模式上行占用时的发射功率，为信道l被宏蜂窝模式下行占用时的发射功率；表示链路j的发送端到接收端使用信道l的传输功率，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，分别表示基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；
所述专用模式D2D链路的传输速率为：
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其中：j∈Sd，Nj表示链路j接收端的加性白噪声；表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，k表示任意链路；B为子信道带宽；
所述小蜂窝模式D2D链路的传输速率为：
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</mfenced>
其中yq′∈Nq′，j∈Ssc，j′∈Ssr，分别表示链路j的传输端到小基站使用信道l的功率增益和小基站到链路j接收端使用信道l的功率增益，分别表示链路k的传输端到小基站使用信道l的功率增益和小基站到链路k接收端使用信道l的功率增益；表示小基站的加性白噪声；分别表示小基站到链路j接收端使用信道l的传输功率和链路j发送端到小基站使用信道l的传输功率，分别表示小基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；δ(q′)为：
所述复用小蜂窝模式下D2D链路的传输速率为：
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<mi>SB</mi>
<msup>
<mi>q</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
</msub>
</mrow>
<mi>l</mi>
</msubsup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，D2D链路j∈Ssr与小蜂窝链路yq属于同一小蜂窝，小蜂窝链路yq′属于其他小蜂窝；表示链路yq′的发送端到链路j接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k′的发送端到链路k接收端的使用信道l的功率增益，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，Nj表示链路j接收端的加性白噪声；链路yq′发送端到小基站q′使用信道l的传输功率，链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；
所述宏蜂窝链路的速率为：
<mrow>
<msub>
<mi>r</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>B</mi>
<mi> </mi>
<msub>
<mi>log</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msubsup>
<mi>g</mi>
<mrow>
<mi>B</mi>
<mi>i</mi>
</mrow>
<mi>l</mi>
</msubsup>
<msubsup>
<mi>p</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>B</mi>
</mrow>
<mi>l</mi>
</msubsup>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>B</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>g</mi>
<mrow>
<msup>
<mi>Bj</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
</mrow>
<mi>l</mi>
</msubsup>
<msubsup>
<mi>p</mi>
<msup>
<mi>j</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
<mi>l</mi>
</msubsup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，i∈N，j′∈Ssr，为链路j的传输端到基站使用信道l的功率增益，链路i发送端到基站使用信道l的传输功率，链路k发送端到基站使用信道l的传输功率，NB表示宏基站的加性白噪声，表示链路j′的发送端到接收端使用信道l的传输功率，表示链路k的发送端到接收端使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽；
所述小蜂窝用户的速率为：
其中，分别表示链路yq的传输端到小基站使用信道l的功率增益，分别表示链路yq′的传输端到小基站使用信道l的功率增益，分别表示链路k的传输端到小基站使用信道l的功率增益，为使用小蜂窝模式的D2D链路所在小基站对复用小蜂窝模式下D2D链路所在小基站的功率增益；分别表示小基站到链路k接收端使用信道l的传输功率和链路k发送端到小基站使用信道l的传输功率，k为任意链路；B为子信道带宽，表示小基站侧的加性白噪声。
9.根据权利要求1至8任一所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：所述步骤d中：
若模式组内所选的D2D链路j不需要进行调整，则模式组内所选D2D链路j不需要离开当前模式组而加入另一模式组，并保持原有的状态空间ψ＝{Smc,Smr,Sd}或者ψ＝{Ssc,Ssr}不变；
若模式组内所选的D2D链路j需要进行调整，则模式组内所选D2D链路j需要离开当前模式组而加入另一模式组，并将状态空间ψ＝{Smc,Smr,Sd}更新为ψ′＝{S′mc,S′mr,Sd′}，或者ψ＝{Ssc,Ssr}更新为ψ′＝{S′sc,S′sr}，即从原模式组集合中去除链路j，而在所加入的模式组集合中加入链路j。
10.根据权利要求1至8任一所述的异构小蜂窝网络中的D2D模式选择方法，其特征在于：所述步骤e中，
所述达到稳定状态表述所有D2D链路都不能成功加入另一模式组的状态，则所有D2D链路保持当前工作模式工作，不再执行联合决策算法；
所述未达到稳定状态表述存在能够成功加入另一模式组的D2D链路的状态，则模式组之间继续执行联合决策算法。
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