CN106973362B - 一种蜂窝网络中基于网络编码的d2d通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法，本发明方法中，提出了一个基于网络编码的D2D系统，D2D通信系统采用网络编码技术提高系统吞吐量，减少数据包传输的时间。在网络负载较高的情况下，D2D通信可以复用蜂窝系统的频谱资源，提高频谱利用率。但频谱复用会产生同频干扰问题，如何通过合理的资源分配算法降低D2D用户和蜂窝用户之间的干扰，变得至关重要。通常情况下，基站可以通过信道分配、功率控制和模式选择等方式来分配资源。此发明提出基于网络编码的D2D通信的功率控制和资源链路分配方法，在保证了传统蜂窝用户的服务质量（QoS）要求前提条件下，最小化D2D通信的传输时间。

Description

一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法。

背景技术

D2D(device-to-device)通信使得两个用户设备(UEs)可绕过蜂窝基站(BSs)彼此直接通信。D2D通信可以复用已有的上下行链路资源，实现端到端的直接通信。这不仅能够提高无线频谱的资源利用率，降低终端发射功率，而且还能增大通信系统的容量，减轻基站的工作负载，从而有塞等问题。

但是，当D2D用户复用已有的上、下行链路资源时，不可避免地会对系统中原有的蜂窝用户造成干扰，产生同频干扰问题。如何为D2D用户和蜂窝用户选择最佳的资源分配算法，尽量降低两者之间的干扰，并保障蜂窝系统的整体性能，这点将变得至关重要。在之前的文献中，作者分别为D2D和传统蜂窝通信提出了一个最优资源共享方案和一个基于图形理论的无线资源管理机制。还有的提出了用于D2D和传统蜂窝通信的半分布式无线资源管理机制。然而，所有这些工作仅考虑一对D2D用户之间的单跳直接通信，这就需要两D2D用户彼此足够接近。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法，能够减少数据包的传输时间，从而相应提高系统吞吐量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法，网络拓扑包括至少一个D2D对、一个中继D_R和多个蜂窝上行链路用户，D2D通信的数据传输分为两时隙：

在第一时隙中，D2D用户D_a和D2D用户D_b分别向中继D_R发送数据包S_a和S_b，然后在第二个时隙内，中继D_R对接收到的两个数据包进行异或网络编码操作，并广播编码后的数据包；

在第一个时隙中，从D_j到D_R传输所需的时间T_j,r：其中，S_j为D2D用户D_j传输的数据包，j＝a,b，R_j,r表示D2D用户D_j到中继D_R的数据包传输速率，第一个时隙传输数据包所需的时间采用穷尽搜索的算法，求出网络编码传输周期中，传输数据包所需的最少时间t_min；

在第二个时隙中，中继D_R和D2D用户D_j之间的链路的数据传输速率R_r,j：其中，B为带宽，当D_R复用第i个子信道时否则 是第i个子信道被分配给中继D_R时，从D_R到D_j的信噪比SINR，n为蜂窝上行链路用户的总数；从D_R到D_j传输所需要的时间当S_a≥S_b时，M＝R_r,a，否则，M＝R_r,b；因此，网络编码传输周期中，D_a和D_b之间数据交换的总时间T为：

作为本发明所述的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法进一步优化方案，在保证蜂窝上行链路用户的服务质量QoS要求的情况下，最小化每个网络编码传输周期中的D2D通信所需要的时间，为此将无限资源管理作为一个优化问题，该优化问题被建模如下：

OPT:arg minT

s.t.

其中,表示D_j复用第i个蜂窝上行链路用户的链路资源时D_j的发送功率，表示D_R复用第i个蜂窝上行链路用户的链路资源时D_R的发送功率，分别是D_a和D_b的子信道分配的指标；当D_j复用第i个蜂窝上行链路用户的链路资源时否则 是D_j满足信噪比SINR需求的最小传输功率，p_max是D2D用户利用的最大传输功率，v_i是第i个蜂窝上行链路用户的服务质量QoS要求，表示第一个时隙中，复用第i个蜂窝上行链路用户资源时的数据包传输速率，表示第二个时隙中，复用第i个蜂窝上行链路用户资源时的数据包传输速率。

作为本发明所述的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法进一步优化方案，

网络编码传输周期中的两个时隙是相互独立的，因此所述优化问题被分成两个子问题，第一个时隙为OPT1,第二个时隙为OPT2，其中，OPT1如下：

其中，表示D2D用户D_a到中继D_R的路径增益，表示D2D用户D_b到中继D_R的路径增益，表示第c个蜂窝上行链路用户到中继D_R的路径增益，N₀表示信道噪声，表示蜂窝上行链路用户在第一个时隙的功率。

作为本发明所述的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法进一步优化方案，采用穷尽搜索的算法计算OPT1，具体如下：

设n个蜂窝上行链路用户共有K个子信道，n＝K，每个蜂窝上行链路用户一一对应1个子信道，设第i个子信道被分配给第i个蜂窝上行链路用户C_i；

步骤A、当D2D用户D_a复用第i个蜂窝上行链路用户C_i，即：计算出D_a向中继D_R传输数据包所需时间然后D2D用户D_b依次复用第q个蜂窝上行链路用户C_q，计算出用户D_b向中继D_R传输数据包所需时间1≤q≤n且q≠i，q为整数，然后求出 为中的最小值，再求出 为和中的最大值；

步骤B、求出t_min,t_min为中的最小值，t_min即为OPT1。

作为本发明所述的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法进一步优化方案，n＝100。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本方法根据选择复用不同的上行链路的蜂窝用户，使得数据传输的时间最少，与传统的随机选则复用的蜂窝用资源的方法相比，本发明能较好的提高系统性能。

附图说明

图1是本发明方法所适用的网络拓扑图；其中，(a)为数据包传输的第一个时隙时的干扰链路，(b)为数据包传输的第二个时隙时的干扰链路。

图2是使用本发明中穷经搜索算法的流程图。

图3是具体实施方式中所述仿真实验的结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明所述的D2D通信复用蜂窝小区系统的上行链路无线电资源方式如图1中(a)的数据包传输的第一个时隙时的干扰链路，图1中(b)的数据包传输的第二个时隙时的干扰链路所示。有n个传统蜂窝上行链路用户均匀分布在一个基站的覆盖区域内，每个用户直接与基站进行通信。D_a和D_b是一对D2D用户，通过基站的覆盖区域内的中继用户D_R互相通信。上行链路系统带宽被正交地划分成K个子信道，每个子信道带宽为B。在不失一般性的情况下，我们假设每个子信道被唯一地分配给一个传统蜂窝上行链路用户C_i，即n＝K。这个假设只是为了简化理论分析，可以在实际实现中删除。此外，我们假设每个上行链路子信道最多可被一个D2D链路复用。最后，我们可假设用于D2D通信的无线资源管理由基站控制。

考虑由距离相关的路径损耗，多径衰落和阴影组成的信道模型。因此，链路的信道增益可以表示为：

g＝kd^-αζ

其中k是环境相关常数，α是路径损耗距离指数，d是发射机和接收器之间的距离，ζ表示对数正态分布的阴影。

D2D通信的数据传输包括两个步骤。在第一时隙中，D_a和D_b分别向中继D_R发送数据包S_a和S_b。然后在第二个时隙内，对接收到的两个数据包进行异或网络编码操作，并广播编码后的数据包。D_a和D_b可以通过对从中继接收的数据包和它们在第一步骤中发送的数据包执行XOR来完成网络译码操作，即节点b完成的操作为节点a完成的操作为

在第一步骤中，两个D2D发射机对传统蜂窝上行链路通信产生干扰，而D2D中继端则遭受由传统蜂窝上行链路造成的干扰。在不失一般性的情况下，假设子信道i(i∈{1,···,K})被分配给第i个传统蜂窝上行链路用户，在时隙1中传统蜂窝上行链路用户i的信号干扰噪声比(SINR)可以表示为：

其中为第i个传统蜂窝上行链路用户的发射功率，为D2D的发射机D_a和D_b的发射功率，是在时隙1中从第i个传统蜂窝上行链路用户到基站的链路的信道增益，和分别是从D_a和D_b到基站的干扰链路的信道增益。是在时隙1中由基站在子信道i中接收的小区间干扰功率，N₀是加性白高斯噪声(AWGN)功率，分别是D_a和D_b的子信道分配的指标，定义为：注：

如果第i个子信道被分配给D_j(j＝a,b)，在D_R处的第i个子信道的SINR可以写为：

其中和分别表示从D_j、第i个传统蜂窝上行链路用户到D_R链路的信道增益，为D2D的发射机D_a和D_b的发射功率，为第i个传统蜂窝上行链路用户的发射功率，是第i个子信道通过D_R接收到的小区间干扰功率。将网络编码应用到D2D通信，它要求D2D中继D_R能够正确的解码从D_j(j＝a,b)接收到的数据包，即：其中β是在中继D_R处正确解码所需的SINR的阈值。

在第二阶段，假设第i个子信道被分配给第i个传统蜂窝上行链路用户，如果(否则)，在第i个子信道中D_R广播数据包给D_a和D_b，则D_R对第i个传统蜂窝上行链路用户产生干扰，而第i个传统蜂窝上行链路用户对D_a和D_b产生干扰。在第二个时隙中，第i个传统蜂窝上行链路用户的SINR可以写成：

其中和分别表示传统蜂窝上行链路用户i和D2D中继D_R的传输功率，和分别表示从第i个传统蜂窝上行链路用户和D_R到基站的链路的信道增益。是第二个时隙中在第i个子信道中通过基站接收的小区间干扰功率。

在D_j(j＝a,b)的SINR可被表示为：

其中和分别表示从D_R到D_j和从第i个传统蜂窝上行链路用户到D_j的链路的信道增益，是第二个时隙中在i个子信道中通过D_j接收的小区间干扰功率。

在第一个时隙中第i个传统蜂窝上行链路用户的数据速率：

在第二个时隙中第i个传统蜂窝上行链路用户的数据速率如下：

在第一个时隙中从D_j(j＝a,b)到D_R传输的数据速率：

在第一个时隙中，从D_j(j＝a,b)到D_R传输所需的时间T_j,r(j＝a,b)：其中S_j为所需传输的数据包的数量。所以第一个时隙传输所需的最少时间可被表示为：

在第二个时隙中，D_R和D_j(j＝a,b)之间的链路的传输数据速率R_r,j(j＝a,b)可被表示为：

在第二个时隙中，从D_R到D_j(j＝a,b)传输所需要的时间可被表示为：

其中当S_a≥S_b时，分母选择R_r,a，否则，选择R_r,b。因此，网络编码传输的两个时隙期间，D_a和D_b之间数据交换的总时间为：

假定每个传统蜂窝上行链路用户的信道分配和发射功率是预先确定的，并且在每个D2D通信完成周期内不会改变。

本发明的目标是在保证传统蜂窝上行链路用户的QoS要求前提条件下，最小化每个网络编码传输周期中的D2D通信所需要的时间。因此，该优化问题可以被公式化如下：

OPT:argmin T

s.t.

其中，为1则表示D_j复用第i个蜂窝用户的链路资源，是D_j满足相应的SINR需求的最小传输功率。p_max是D2D用户可以利用的最大传输功率，v_i是第i个传统蜂窝上行链路用户的服务质量QoS要求。

在网络编码传输周期中的两个时隙是相互独立的。OPT可以被分成两个子问题，第一个时隙为OPT1,第二个时隙为OPT2。

本发明首先解决子问题OPT1。因为唯一的限制确保了在子信道i的传统蜂窝上行链路用户至多只收到一个D2D传输的干扰。在第i个子信道对D_j(j＝a,b)有如下的传输功率限制：

其中：表示D2D用户D_j到中继D_R的路径增益，表示从第i个传统蜂窝上行链路用户到基站的链路的信道增益，为第i个传统蜂窝上行链路用户的发射功率。我们可以相应得到传输功率限制为：

对于给定的x_j(j＝a,b)，R_j,r是随着p_j单调增长的，在为所分配的子信道分配最大发送功率时可相应达到其最大值，即：

子问题OPT1可相应被表示为下：

可使用穷尽搜索算法来解决上述非线性优化问题，该算法的流程图如图2所示。首先我们假设有n个传统蜂窝上行链路用户，有K个子信道，假设子信道i被分配给第i个传统蜂窝上行链路用户，即：n＝K。穷尽搜索算法(如图2所示)的思想是：

设有n个传统蜂窝上行链路用户，共有K个子信道，n＝K，设第i个子信道被分配给传统蜂窝上行链路用户C_i；

步骤A、当D2D用户D_a复用第i个传统蜂窝上行链路用户C_i，即：计算出D_a向中继D_R传输数据包所需时间然后D2D用户D_b依次复用传统蜂窝上行链路用户C_q，计算出用户D_b向中继D_R传输数据包所需时间1≤q≤n且q≠i，q为整数，然后求出为中的最小值，再求出为和中的最大值；

步骤B、求出t_min,t_min为中的最小值，t_min即为OPT1。

我们可以利用仿真实验分别得到采用本发明算法与传统随机方法进行选择所复用的蜂窝用户资源时，在第一个时隙，D2D通信传输数据包所需要的时间，并对二者进行比较。所采用的仿真实验具体为：系统随机产生100个蜂窝用户资源，分别采用两种选择算法的条件下，绘制当路径损耗距离指数α改变时，最终得到的结果如附图3所示。

从该图可以看出，当路径损耗距离指数α增大时，该发明方法的D2D通信传输数据包的时间不断减少。仿真结果显示本发明所提出的穷尽搜索算法的性能明显优于随机选择算法方法的性能。

Claims (5)

1.一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法，其特征在于，网络拓扑包括至少一个D2D对、一个中继D_R和多个蜂窝上行链路用户，D2D通信的数据传输分为两时隙：

在第一时隙中，D2D用户D_a和D2D用户D_b分别向中继D_R发送数据包S_a和S_b，然后在第二个时隙内，中继D_R对接收到的两个数据包进行异或网络编码操作，并广播编码后的数据包；

在第一个时隙中，从D_j到D_R传输所需的时间T_j,r：其中，S_j为D2D用户D_j传输的数据包，j＝a,b，R_j,r表示D2D用户D_j到中继D_R的数据包传输速率，第一个时隙传输数据包所需的时间 采用穷尽搜索的算法，求出网络编码传输周期中，传输数据包所需的最少时间t_min；

在第二个时隙中，中继D_R和D2D用户D_j之间的链路的数据传输速率R_r,j：其中，B为带宽，当D_R复用第i个子信道时否则 是第i个子信道被分配给中继D_R时，从D_R到D_j的信噪比SINR，n为蜂窝上行链路子信道总数；从D_R到D_j传输所需要的时间 当S_a≥S_b时，M＝R_r,a，否则，M＝R_r,b；因此，网络编码传输周期中，D_a和D_b之间数据交换的总时间T为：

2.根据权利要求1所述的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法，其特征在于，在保证蜂窝上行链路用户的服务质量QoS要求的情况下，最小化每个网络编码传输周期中的D2D通信所需要的时间，为此将无限资源管理作为一个优化问题，该优化问题被建模如下：

OPT:arg minT

s.t.

其中,表示D_j复用第i个蜂窝上行链路用户的链路资源时D_j的发送功率，表示D_R复用第i个蜂窝上行链路用户的链路资源时D_R的发送功率，分别是D_a和D_b的子信道分配的指标；当D_j复用第i个蜂窝上行链路用户的链路资源时否则 是D_j满足信噪比SINR需求的最小传输功率，p_max是D2D用户利用的最大传输功率，v_i是第i个蜂窝上行链路用户的服务质量QoS要求，表示第一个时隙中，复用第i个蜂窝上行链路用户资源时的数据包传输速率，表示第二个时隙中，复用第i个蜂窝上行链路用户资源时的数据包传输速率。

3.根据权利要求2所述的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法，其特征在于，网络编码传输周期中的两个时隙是相互独立的，因此所述优化问题被分成两个子问题，第一个时隙为OPT1,第二个时隙为OPT2，其中，OPT1如下：

其中，表示D2D用户D_a到中继D_R的路径增益，表示D2D用户D_b到中继D_R的路径增益，表示第c个蜂窝上行链路用户到中继D_R的路径增益，N₀表示信道噪声，表示蜂窝上行链路用户在第一个时隙的功率。

4.根据权利要求3所述的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法，其特征在于，采用穷尽搜索的算法计算OPT1，具体如下：

设n个蜂窝上行链路用户共有K个子信道，n＝K，每个蜂窝上行链路用户一一对应1个子信道，设第i个子信道被分配给第i个蜂窝上行链路用户C_i；

步骤A、当D2D用户D_a复用第i个蜂窝上行链路用户C_i，即：计算出D_a向中继D_R传输数据包所需时间然后D2D用户D_b依次复用第q个蜂窝上行链路用户C_q，计算出用户D_b向中继D_R传输数据包所需时间1≤q≤n且q≠i，q为整数，然后求出为中的最小值，再求出为和中的最大值；

步骤B、求出t_min,t_min为中的最小值，t_min即为OPT1。

5.根据权利要求4所述的一种蜂窝网络中基于网络编码的D2D通信方法，其特征在于，n＝100。