CN106572497B - 一种基于比例公平算法的启发式d2d资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于比例公平算法的启发式D2D资源分配方法，包括以下步骤：计算N个D2D对复用不同蜂窝用户信道时的优先级；在保证蜂窝用户与D2D对的信干噪比阈值约束条件下，根据在不同资源块上不同D2D对优先级从高到低的顺序进行排序，调度器按照排序后的顺序为每一个资源块选择一个D2D对，并且判断D2D对的数据速率需求是否满足；如果满足，则降低该D2D对的优先级，优先为速率需求未满足的D2D对分配资源块。本发明能够既保证D2D对的数据速率需求，又兼顾公平性与系统性能。

Description

一种基于比例公平算法的启发式D2D资源分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域中蜂窝网络下的用户资源分配技术，特别是涉及一种基于比例公平算法的启发式D2D资源分配方法。

背景技术

随着移动通信系统的不断演进，如LTE-Advanced及WiMAX(802.16)等，对于带宽的需求逐渐增加，无线频谱资源日趋紧缺，商用移动通信的频段逐步向高频发展，可用带宽虽然变多，但是高频同样会带来许多问题，如空间损耗及路径损耗变大，绕射能力较低，覆盖范围相对较小等。据工信部相关资料显示，共有162MHz的频谱用于2G系统，335MHz的频谱用于3G系统，而TD-LTE系统则占用了210MHz。到2020年，中国城区国际移动通信(IMT,International Mobile Telecommunication)的频谱需求为1864MHz，而用于IMT的频谱缺口为1177MHz。此外，随着移动终端设备(如智能手机、平板电脑、掌上电脑等)的迅速普及，多媒体业务需求日益多样化，如视频点播、网络游戏、P2P文件共享等，对于数据传输速率需求更高，现有传统蜂窝网络技术已难以满足日益增长的带宽需求，引入D2D技术，可以有效缓解带宽供给与带宽需求之间的差异。

为了提高频谱利用效率，2008年高通公司首次提出D2D通信技术，它是一种在通信系统的控制下，允许LTE终端之间利用小区资源直接进行通信的新技术。近来，诺基亚、爱立信、华为等也一直致力于此项技术的研究。相比于蓝牙(短距离时分双工通信)，D2D无需繁琐的匹配，且传输速度更快，相比于Wi-Fi Direct，D2D有着更快的传输速度和更远的传输距离。此外，D2D工作在授权频段，干扰环境是可控的，有更好的QoS保证，同时D2D更加灵活，既可以在基站控制下进行连接及资源分配，也可以在无网络基础设施的时候进行信息交互。

不少文献重点研究了如何提升网络吞吐量、频谱利用效率以及如何保证D2D通信的可靠性。Feng D，Lu L，YiYW等人研究多个蜂窝用户、多个D2D对场景，目标函数为最大化网络吞吐量，以蜂窝用户和D2D对的QoS为约束条件。从D2D对是否可以接入蜂窝网络、最优功率控制等方面进行分析，将问题描述为最大权重双边匹配问题，采用Kuhn-Munkres算法解决。Dai Z，Liu J，Wang C等人提出一种基于频谱划分的D2D传输方案，同时权衡考虑不同D2D对的发射功率，仿真表明，在保证用户服务质量的基础上，该方案可以提升频谱利用效率。Min H，Seo W，Lee J等人针对如何提升D2D通信的可靠性提出了一种新型的干扰管理方案，根据接收信号处理方法的不同，可以分为三种接收模式，作者建议根据用户的中断概率要求选择不同的接收模式，可以有效提升D2D通信的可靠性。以上资源分配方案均表现出良好的性能，可以在一定程度上提升网络吞吐量，解决带宽不足的问题。

然而对于一个实际的应用场景而言，不同D2D对有着不同的数据速率需求，以上资源分配方案的性能会因用户数据速率需求不同而受到影响，数据速率需求较低的D2D对可能会因分配过多信道导致频谱资源浪费，数据速率需求较高的D2D对可能会因信道分配不足导致基本服务需求无法保证。Biwei Chen，Zheng J，Zhang Y等人提出了一种基于用户服务需求的D2D资源分配方案，根据用户需求估计每一个D2D对需要分配的信道数目，在满足基本服务需求的基础上，尽可能地提升系统吞吐量。但是，由于一个蜂窝用户信道仅能被一个D2D对复用，导致接入网络的D2D对数目受到限制，同时用户服务需求发生变化时，资源分配方案能否保持良好性能也未可知。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于比例公平算法的启发式D2D资源分配方法，能够既保证D2D对的数据速率需求，又兼顾公平性与系统性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于比例公平算法的启发式D2D资源分配方法，包括以下步骤：

(1)计算N个D2D对复用不同蜂窝用户信道时的优先级；

(2)在保证蜂窝用户与D2D对的信干噪比阈值约束条件下，根据在不同资源块上不同D2D对优先级从高到低的顺序进行排序，调度器按照排序后的顺序为每一个资源块选择一个D2D对，并且判断D2D对的数据速率需求是否满足；如果满足，则降低该D2D对的优先级，优先为速率需求未满足的D2D对分配资源块。

所述步骤(1)中采用

计算N个D2D对复用不同蜂窝用户信道时的优先级，其中，P_i,j[n+1]表示第n+1个时隙第j个D2D对在第i个资源块上的调度优先级，R_i,j[n+1]为第n+1个时隙第j个D2D对与第i个蜂窝用户共享信道时的数据速率，

表示第n+1个时隙第j个D2D对的累积平均吞吐量。

所述步骤(2)后还包括当所有D2D对数据速率需求都已满足并且有剩余资源块时，重新计算D2D对的优先级，然后根据优先级逐一调度的步骤。

重新计算D2D对的优先级时先采用

计算累积平均吞吐量，并根据得到的累积平均吞吐量重新计算D2D对的优先级，其中，I_i,j[n+1]表示第n+1个时隙第j个D2D对在第i个资源块上是否能够得到调度的指示参数，k为常数，M为蜂窝用户个数。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明根据D2D对优先级从高到低的顺序逐一调度，同时对于数据速率需求已经满足的D2D对，降低其优先级，禁止与其它数据速率需求未满足D2D对竞争资源块，保证信道状态较差的D2D对获得被调度机会。当所有D2D对数据速率需求都已满足时，调整用户优先级，在最大化系统吞吐量与保证用户被调度的公平性之间折中。如此既保证了D2D对的数据速率需求，又兼顾了公平性与系统性能。

附图说明

图1是D2D对复用蜂窝用户上行链路资源的网络模型图；

图2是本发明实施例中第2000个时隙D2D对资源分配结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，在单个小区环境下，存在一个基站、M个蜂窝用户、N个D2D对，所有用户在小区中均匀分布，假设所有D2D对已完成设备发现、配对过程，基站可以检测所有D2D对的相关信道状态信息(CSI)。LTE系统中，系统带宽被划分为大小相等的资源块，每一个资源块(以下简称“RB”)在时间上占据一个时隙(0.5ms)，在频域上占据180kHz。为了保证多址接入，蜂窝网络采用正交频分复用(OFDM)系统，蜂窝用户使用正交信道，D2D对可以与蜂窝用户复用信道，以提升频谱利用效率。对于蜂窝链路、D2D链路，采用基于距离的路径损耗与阴影衰落信道传输模型，网络中存在以下两种类型的通信：1)蜂窝用户与基站之间的通信；2)D2D发射端与接收端之间的通信。

因为蜂窝用户是主用户，蜂窝用户数目多于D2D对数目，传统资源分配方案一个D2D对只能与一个蜂窝用户共享信道，这样会造成频谱资源的浪费，为了保证频谱利用效率以及D2D对的数据速率需求，允许一个D2D对与多个蜂窝用户共享无线信道。

假设D2D对复用蜂窝用户上行链路资源，网络中存在以下两种类型的干扰：一是D2D发射端对基站的干扰，二是蜂窝用户对D2D接收端的干扰，这里只考虑单个小区内部干扰。图1描述了D2D对与蜂窝用户共享上行链路资源的干扰场景，DT₁与DR₁是一个D2D对，DT_M与DR_M是一个D2D对，两个D2D对分别复用蜂窝用户CU₁和CU_M的上行链路资源，DT₁、DT_M会对基站造成干扰，CU₁会对DR₁造成干扰，CU_M会对DR_M造成干扰。

M个蜂窝用户表示为C_i(i＝1,2,...,M)，N个D2D对表示为D_j(j＝1,2,...,N)，N个D2D对的发射端与接收端分别表示为D_j,t、D_j,r(j＝1,2,...,N)，此外，记m＝{1,2,...,M}，n＝{1,2,...,N}。

当D2D对D_j(j∈n)复用蜂窝用户C_i(i∈m)的信道时，D2D接收端D_j,r和基站BS处的信干噪比分别表示为：

其中，P_d、P_c分别表示D2D发送端发射功率、蜂窝用户发射功率，

分别表示第j个D2D对发送端与接收端之间链路增益、蜂窝用户C_i与第j个D2D对接收端之间链路增益、基站与蜂窝用户C_i之间链路增益、基站与第j个D2D对发送端之间链路增益，N₀为噪声功率。根据香农公式可知，D2D对D_j与蜂窝用户C_i的数据传输速率分别表示为：

B_i表示蜂窝用户C_i的信道带宽。蜂窝用户C_i没有与D2D对共享信道时的数据传输速率表示为：

所以，蜂窝用户C_i吞吐量的变化量为：

其中，

表示蜂窝用户C_i与第j个D2D对共享信道时蜂窝用户的数据速率。

因此，D2D对D_j复用蜂窝用户C_i信道之后总的吞吐量增量可以表示为：

其中，

表示蜂窝用户C_i与第j个D2D对共享信道时D2D对的数据速率。

根据D2D对不同的业务类型(语音业务、文件下载与VOD视频点播等)，定义低、中、高三种不同的数据速率需求，分别记为V_l，V_m，V_h。假设N个D2D对的数据速率需求记为V_j(j＝1,2,...,N)，并且V_j∈{V₁,V_m,V_h}。

首先，对于常见的蜂窝网络下D2D资源分配策略，一个D2D对仅与一个蜂窝用户共享信道，但是如果考虑D2D对的数据速率需求，便会出现一个问题：如果D2D对的数据速率需求较低(如浏览网页、文本文件传输等)，一个D2D对仅与一个蜂窝用户共享信道足以保证D2D对的数据速率需求，但如果D2D对的数据速率需求较高(如VOD视频点播)，这种情况下如何保证D2D对的数据速率需求，如公式(8)所示：

其中，ω_i,j为M×N的矩阵，表示D2D对信道分配结果，表示如下：

其次，用户之间调度的公平性与系统性能是一对矛盾，如何在保证D2D对数据速率需求的基础之上，既要保证公平性，又要尽可能地提升系统吞吐量，如公式(10)所示：

约束条件如下：

其中，SINR_c,th、SINR_d,th分别为蜂窝用户与D2D对的信干噪比阈值。

为了解决上述问题，既要保证D2D对的数据速率需求，又要兼顾公平性原则以及系统吞吐量的提升，提出一种基于比例公平算法的启发式D2D资源分配方法，包括以下步骤：计算N个D2D对复用不同蜂窝用户信道时的优先级；在保证蜂窝用户与D2D对的信干噪比阈值约束条件下，根据在不同资源块上不同D2D对优先级从高到低的顺序进行排序，调度器按照排序后的顺序为每一个资源块选择一个D2D对，并且判断D2D对的数据速率需求是否满足；如果满足，则降低该D2D对的优先级，优先为速率需求未满足的D2D对分配资源块。具体如下：

不同时隙下，不同D2D在不同RB上的优先级计算如下：

其中，P_i,j[n+1]表示第n+1个时隙第j个D2D对在第i个RB上的调度优先级，R_i,j[n+1]为第n+1个时隙第j个D2D对与第i个蜂窝用户共享信道时的数据速率，

表示第n+1个时隙第j个D2D对的累积平均吞吐量，数学表达式如下：

其中，I_i,j[n+1]表示第n+1个时隙第j个D2D对在第i个RB上是否能够得到调度的指示参数，其为0-1变量，1表示被调度，0则相反。k是一个常数。如果一个D2D对连续多次被调度，累积平均吞吐量上升，导致优先级降低，从而调度器会优先调度其它D2D对；相反，如果一个D2D对长期无法被调度，累积平均吞吐量会降低，导致优先级升高，从而获得被调度的机会。启发式资源分配方案步骤：

(1)在第n个时隙，根据公式(12)计算N个D2D对复用不同蜂窝用户信道时的优先级；

(2)在保证蜂窝用户与D2D对的SINR阈值约束条件下，根据在不同RB上不同D2D对优先级从高到低的顺序，调度器为每一个RB选择一个D2D对，并且判断D2D对的数据速率需求是否满足。如果满足，则降低该D2D对的优先级，优先为速率需求未满足的D2D对分配RB，以便公平地保证信道状态较差、优先级较低的D2D对的数据速率需求；

(3)当所有D2D对数据速率需求都已满足并且有剩余RB时，根据公式(13)重新计算D2D对的优先级，然后根据优先级逐一调度；

(4)计算第n+1时隙的累积平均吞吐量等参数，重复上面步骤。

下面通过一个具体的实施例进一步说明本发明。

假设蜂窝用户数目为10个，D2D对数目为5对，可以复用的资源块数目等于蜂窝用户数目，即蜂窝网络满负载。5个D2D对的数据速率需求均为V_h，记为2048Kbps。在第0个时隙，每个D2D对的累积平均吞吐量初始化为瞬时速率的1/10，初始值只会影响算法收敛速度，并不影响最终收敛结果。在算法稳定之后的第2000个时隙，每个资源块调度D2D对的情况分析如表1和表2所示：

表1第2000个时隙D2D对与蜂窝用户共享RB时的数据速率(单位：1000Kbps)

表2 D2D对的调度优先级

对于RB1，调度器调度第1个D2D对，并且第1个D2D对的数据速率需求已经满足，在所有D2D对数据速率需求满足之前，禁止与其它D2D对竞争资源块；对于RB2，调度器调度第4个D2D对，并且第4个D2D对的数据速率需求已经满足，在所有D2D对数据速率需求满足之前，禁止与其它D2D对竞争资源块；对于RB3，调度器调度第5个D2D对，并且第5个D2D对的数据速率需求已经满足，在所有D2D对数据速率需求满足之前，禁止与其它D2D对竞争资源块；对于RB4，调度器调度第3个D2D对，并且第3个D2D对数据速率需求没有满足；对于RB5，调度器调度第3个D2D对，并且第3个D2D对的数据速率需求已经满足，在所有D2D对数据速率需求满足之前，禁止与其它D2D对竞争资源块；对于RB6，调度器调度第2个D2D对，并且第2个D2D对数据速率需求已经满足，至此所有D2D对数据速率需求均已得到满足。对于剩余资源块，调度器总是调度优先级最高的D2D对，资源分配分配最终结果如图2所示。

不难发现，本发明根据D2D对优先级从高到低的顺序逐一调度，同时对于数据速率需求已经满足的D2D对，降低其优先级，禁止与其它数据速率需求未满足D2D对竞争资源块，保证信道状态较差的D2D对获得被调度机会。当所有D2D对数据速率需求都已满足时，调整用户优先级，在最大化系统吞吐量与保证用户被调度的公平性之间折中。如此既保证了D2D对的数据速率需求，又兼顾了公平性与系统性能。

Claims (4)

1.一种启发式D2D资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算N个D2D对复用不同蜂窝用户信道时的优先级；

(2)在保证蜂窝用户与D2D对的信干噪比阈值约束条件下，根据在不同资源块上不同D2D对优先级从高到低的顺序进行排序，调度器按照排序后的顺序为每一个资源块选择一个D2D对，并且判断D2D对的数据速率需求是否满足；如果满足，则降低该D2D对的优先级，优先为速率需求未满足的D2D对分配资源块。

2.根据权利要求1所述的启发式D2D资源分配方法，其特征在于，所述步骤(1)中采用

计算N个D2D对复用不同蜂窝用户信道时的优先级，其中，P_i,j[n+1]表示第n+1个时隙第j个D2D对在第i个资源块上的调度优先级，R_i,j[n+1]为第n+1个时隙第j个D2D对与第i个蜂窝用户共享信道时的数据速率，

表示第n+1个时隙第j个D2D对的累积平均吞吐量。

3.根据权利要求2所述的启发式D2D资源分配方法，其特征在于，所述步骤(2)后还包括当所有D2D对数据速率需求都已满足并且有剩余资源块时，重新计算D2D对的优先级，然后根据优先级逐一调度的步骤。

4.根据权利要求3所述的启发式D2D资源分配方法，其特征在于，重新计算D2D对的优先级时先采用

计算累积平均吞吐量，并根据得到的累积平均吞吐量重新计算D2D对的优先级，其中，I_i,j[n+1]表示第n+1个时隙第j个D2D对在第i个资源块上是否能够得到调度的指示参数，k为常数，M为蜂窝用户个数。

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