CN107105451A - 一种基于最小同频干扰的链路调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说涉及一种基于最小同频干扰的链路调度方法。本发明技术方案的核心思想是对已经调度的链路造成同频干扰最小的D2D潜在链路作为新的调度链路。相对于传统技术，本发明的方法具有更强的干扰管理能力，传统的链路调度方法主要是根据信道增益来考虑潜在的D2D链路，使被调度的D2D链路有足够大的信号功率；然而，对于同频干扰，它们处理得不是很理想，一般来说，最后再考虑干扰，会导致所有被调度的D2D链路损失SINR，从而降低算法的性能；相反，本发明的方法从一开始的调度过程就考虑了同频干扰，保证了所有调度的D2D链路之间的同频干扰最小。

Description

一种基于最小同频干扰的链路调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说涉及一种基于最小同频干扰的链路调度方法。

背景技术

随着科技的不断发展，智能手机与平板电脑逐渐普及，大量新型无线服务应用的涌现，如网页浏览、视频、微信、微博等，这使得无线移动通信从最初的通话功能渗透到了办公、娱乐、社交网络等生活的方方面面，也促使了全球移动数据流量的急速增长。无线视频业务已经成为了无线数据流量的主要驱动力之一。数据流量的快速增长给现今的无线通信系统带来了巨大的负担，特别是在通信高峰期，无线通信网络有着极大的压力。

近年来，研究者们基于视频特性以及硬盘存储的现实，提出了一种新的解决方案，其基本思想就是在无线接入点处配置大容量的存储器，利用非高峰期(如夜间时段)将受欢迎的视频等文件提前缓存到接入点处的存储器中。这样，在用户进行业务请求时，如果缓存有请求文件，无线接入点可以直接将文件传输给用户，使流量本地化。通过这种方式，不仅能够大大降低了数据在回程链路及核心网络的延迟，同时也能降低了高峰期时回程链路及核心网络的负载。另外，这也降低了系统在回程链路传输容量上的要求。当视频点播业务降低了回程链路容量的占用量时，就能释放出更多的网络资源来为其他业务服务，这种方式就间接地提升系统的吞吐量。

传统的通信技术并没有利用视频文件的重要特性——内容复用性，即少数的热点视频会在一段时间内被大量用户重复观看。随着计算能力、存储能力的提高，缓存架构应用于无线通信系统引起了越来越多研究者的关注，特别是D2D(Device-to-Device)无线缓存网络。这项技术被视为是应对无线视频业务爆炸性增长的有效技术之一，并为未来无线通信的发展提供一个新的方向。在D2D无线缓存网络中，流行的视频文件可以在非高峰通信期间提前地缓存到终端。在缓存的帮助下，用户可以从自身缓存或者通过D2D传输技术从周围用户的缓存中获取请求的视频文件，而不再是通过基站下载。这种方式不仅可以极大地降低系统的负载、空口拥塞、时延以及能耗，而且能够为用户带来更好的服务体验。

D2D无线缓存网络的运作主要可以分为两个阶段，缓存阶段和传输阶段。而在传输阶段中，用户与用户之间的链路传输的配对与调度的问题又是十分关键的，如果链路对的配对与调度进行得不理想，则会导致很多链路因为干扰过大而无法成功调度，影响用户的QoS(Quality of Service)。

发明内容

本发明的目的是在保证QoS，即数据率不能低于一个阈值的基础上，使得成功调度的D2D链路数量最大化，针对上述问题，提出一种基于最小同频干扰的链路调度方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于最小同频干扰的链路调度方法，定义V＝{(u_a，u_b)|u_a∈U，u_b∈U，u_a≠u_b}为网络中所有可能的D2D用户对的集合，其中(u_a，u_b)代表u_a到u_b的D2D用户对，u_a和u_b分别为源用户和目标用户，U为N个用户的集合U＝{u₁，u₂，…，u_N}；V的元素个数，即|V|，是所有可能的用户对的数量，定义所有的潜在链路集为 其中二元变量用于表示D2D用户对(u_a，u_b)是否满足D2D通信要求，表示为：

定义另一个二元变量表示D2D用户对(u_a，u_b)的调度情况：

令所有被调度用户的集合为 其特征在于，对于 链路调度方法包括以下步骤：

S1、初始化链路集W′＝W，链路l₁＝(T₁，R₁)，被调度用户的集合L′＝{l₁}，链路数n＝1；

S2、从W′中移除与(T₁，R₁)相关的(u_a，u_b)后，判断W′是否为非空集合，若是，则进入步骤S3，若否，则退出；

S3、对所有的(u_a，u_b)∈W′：

通过如下公式1计算I_T：

获得Var＝{I_T最小的(u_a，u_b)}；

S4、对于(u_a，u_b)∈Var，通过如下公式2计算I_R：

获得(T_n+1，R_n+1)＝I_R最小的(u_a，u_b)；

S5、获得调度链路l_n+1＝(T_n+1，R_n+1)，

S6、从W′中移除与(T_n+1，R_n+1)相关的(u_a，u_b)，更新L′＝L′∪{l_n+1}，链路数n＝n+1；重复执行步骤S3-S6直至W′为空集，进入步骤S7；

S7、输出步骤S6中获得的L′和n为调度结果；对于(u_a，u_b)∈V，得到

进一步的，因上述方案中每条调度D2D链路的SINR还没有计算，它们中的一些可能不满足QoS要求，如果发生这种情况，它们最终将不能被调度，需要被抑制。对于那些SINR不够大的链路，最小同频干扰调度算法的处理方法是对这些链路逐一进行抑制，而不是同时抑制。具体来说，具有最小SINR的链路将被逐一抑制，并且从调度链路集移除，直到所有的调度D2D链路的SINR都是能够接受的。这么做的理由是希望更多的链路能够被成功调度，因为某些原本不满足SINR约束的链路在经过几轮的链路抑制后有可能会满足QoS要求。所以本发明还提出链路抑制部分的方法，具体还包括以下步骤：

S8、设置门限值γ_T；

S9、令k＝1，2，…，n，判断是否成立，若是，则进入步骤S10，若否，则退出；

S10、计算L′中所有链路的SINR，并抑制SINR最小的l_k，

S11、更新L′＝L′\{l_k}，n＝n-1；

S12、重复步骤S10-S11直至对每一条链路逐一完成抑制，对于(u_a，u_b)∈V,得到L′＝L′,n。

本发明的有益效果在于，相对于传统技术，本发明的方法具有更强的干扰管理能力，传统的链路调度方法主要是根据信道增益来考虑潜在的D2D链路，使被调度的D2D链路有足够大的信号功率；然而，对于同频干扰，它们处理得不是很理想，一般来说，最后再考虑干扰，会导致所有被调度的D2D链路损失SINR，从而降低算法的性能；相反，本发明的方法从一开始的调度过程就考虑了同频干扰，保证了所有调度的D2D链路之间的同频干扰最小。

附图说明

图1为传统的CTLinQ算法与最小同频干扰调度算法的链路激活数对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。

以一个小区为例，在小区中间有一个基站，N个用户均匀分布在基站的半径R_B内。用户集为U＝{u₁,u₂,…,u_N}。网络的文件库有M个大小相等的文件，分别记为f₁,f₂,…,f_M。

假定每个用户都已经从文件库缓存了一个文件，并且独立地从文件库里请求一个文件，请求概率服从Zipf分布，即文件f_i的请求概率为:

其中，γ_r是请求Zipf分布参数。

因为每个用户可以从无线D2D网络中缓存文件。除了从基站获取外，用户可以从自己或从其邻近用户获得其需求的文件。从自己处获得文件需要自己的缓存空间里缓存了自己所需要的文件，而从临近用户获得文件则是通过建立用户间的通信链路，即D2D通信。

所有的D2D链路都在独立于蜂窝通信的统一频段上工作，并且要满足QoS的要求。在这种情况下，D2D通信不会受到蜂窝通信的干扰，但同频干扰将是影响QoS的一个关键因素。此外，假设D2D通信采用的是点到点的通信模式和半双工工作模式，也就是说，在任何时候，用户最多与另一个用户通信，即只能发送或接收文件，而不是同时发送或接收。

基于上述的一个小区的系统模型，用户首先在自己的缓存空间找是否有请求文件。如果自己缓存空间有所需文件，那么他们不再需要发送请求给其他用户或基站，否则，他们向附近的用户请求帮助，通过D2D通信获得所需文件。

定义了V＝{(u_a,u_b)|u_a∈U,u_b∈U,u_a≠u_b}为网络中所有可能的D2D用户对的集合，其中(u_a,u_b)代表u_a到u_b的D2D用户对，u_a和u_b分别为源用户和目标用户。V的元素个数，即|V|，是所有可能的用户对的数量；通过如下3个条件判断一个D2D用户对(u_a,u_b)是否有效：

(1)u_b不能从自己的缓存空间找到所需文件，所以他需要向别的用户或者基站请求文件，即：f_r(u_b)≠f_c(u_b)，这里f_r(u_b)和f_c(u_b)分别代表用户u_b的请求文件和缓存文件。

(2)u_a与u_b的距离必须在D2D通信范围内，也就是：这里表示u_a与u_b的距离，R_D2D表示D2D通信范围。

(2)u_a缓存有u_b的请求文件，即f_c(u_a)＝f_r(u_b)，这里f_c(u_a)代表u_a的缓存文件。

本发明的方案中定义一个二元变量来表示D2D用户对(u_a,u_b)是否满足上述的所有条件，即

其中，(u_a,u_b)∈V。

如果某D2D用户对(u_a,u_b)对应的该链路叫做潜在链路，它是一条候选调度的链路。定义所有的潜在链路集为

因此，在允许缓存的D2D网络中的调度算法的目的是从W中选一个链路子集，使得其中的元素个数尽可能多。在一定的约束条件下，为了更好地说明调度过程，本发明的方案定义一个二元变量如下：

其中，(u_a,u_b)∈V。

记所有被调度用户的集合为

一旦一个潜在的D2D链路被调度，文件将会从源用户发送给目标用户，此时，源用户作为发射机，目标用户作为接收机。基于的定义，可以定义一个二元变量用于标记某用户是否已在某调度的链路中做发射机，即：

这里，u_a∈U。

在调度过程后，(u_a,u_b)∈V的数据率为：

其中，W代表带宽，并且

其中，代表u_a的传输功率，代表u_a与u_b之间的信道增益，P_n表示噪声功率。

基于上述的系统模型和所有的定义，这个链路调度问题可以归纳如下：

s.t.

其中，方程(1)是点到点约束，确保每个用户最多只与一个用户关联；方程(2)是半双工工作模式，确保没有用户同时当发射机和接收机；方程(3)即QoS要求，δ_T表示QoS阈值。

本发明技术方案的核心思想是对已经调度的链路造成同频干扰最小的D2D潜在链路作为新的调度链路：

假设有n个D2D链路已经被调度，分别记为l₁,l₂,…,l_n，这里l_i＝(T_i,R_i)(i＝1,2,…,n；(T_i,R_i)∈W)。受贪婪算法启发，如果(u_a,u_b)∈W与l₁,l₂,…,l_n之间的同频干扰最小，则将会被选为第(n+1)个被调度的链路，即l_n+1＝(T_n+1,R_n+1)。具体地说，(u_a,u_b)与已被调度的链路间有最小的同频干扰意味着：

(i)u_a对R_i(i＝1,2,…,n)造成的干扰最小；

(ii)u_b从T_i(i＝1,2,…,n)受到的干扰最小。

在这里，条件(i)优先于(ii)。首先，找到满足条件(i)的潜在链路，然后在这些链路中，满足条件(ii)的将被调度。根据本规则，最小同频干扰调度算法首先防止已经被调度的链路受到过于严重的干扰，然后再保护即将调度的链路。

下面将其他相关算法同本发明方法的算法性能对比分析，以进一步验证本发明的性能。

图1为传统的CTLinQ算法与最小同频干扰调度算法的链路调度数对比示意图。随着D2D通信范围增加，两种算法的调度链路数都是先增加再减少，这是因为在增加链路数和减少同频干扰之间存在一个折中。两种方法都在D2D通信范围为100m左右时达到最大调度链路数。

在这里，“随机”是指第一条被调度链路是随机取的；而“最佳”是分别将潜在链路集合的每一条链路作为第一条被调度的链路进行仿真后，得到的最好的结果。事实上，“最佳”情况表现出了最小同频干扰调度算法的潜力。如图1所示，最小同频干扰调度算法在通信范围小于125m时有更多的调度链路数，这显示了本发明的更大的潜力。

综上所述，本发明提出了一个新的基于最小同频干扰的链路调度方法。首先进行链路调度，在这一步中，每次引入对之前已经调度的链路造成干扰最小的链路来处理同频干扰，这一步完成后具有最小SINR的链路将被抑制，并且从调度链路集中移除，直到所有D2D调度链路的SINR是能够接受的。本发明提出的算法可以在满足QoS的情况下使得成功调度的链路数最大。

Claims (2)

1.一种基于最小同频干扰的链路调度方法，定义V＝{(u_a，u_b)|u_a∈U，u_b∈U，u_a≠u_b}为网络中所有可能的D2D用户对的集合，其中(u_a，u_b)代表u_a到u_b的D2D用户对，u_a和u_b分别为源用户和目标用户，U为N个用户的集合U＝{u₁，u₂，…，u_N}；V的元素个数，即|V|，是所有可能的用户对的数量，定义所有的潜在链路集为其中二元变量用于表示D2D用户对(u_a，u_b)是否满足D2D通信要求，表示为：

定义另一个二元变量表示D2D用户对(u_a，u_b)的调度情况：

令所有被调度用户的集合为其特征在于，对于链路调度方法包括以下步骤：

S1、初始化链路集W′＝W，链路l₁＝(T₁，R₁)，被调度用户的集合L′＝{l₁}，链路数n＝1；

S2、从W′中移除与(T₁，R₁)相关的(u_a，u_b)后，判断W′是否为非空集合，若是，则进入步骤S3，若否，则退出；

S3、对所有的(u_a，u_b)∈W′：

通过如下公式1计算I_T：

获得Var＝{I_T最小的(u_a，u_b)}；

这里，公式1表示的是D2D用户对(u_a，u_b)中源用户u_a对已经调度的链路的接收机产生的干扰总和；

S4、对于(u_a，u_b)∈Var，通过如下公式2计算I_R：

获得(T_n+1，R_n+1)＝I_R最小的(u_a，u_b)；

这里，公式2表示的是D2D用户对(u_a，u_b)中目标用户u_b从已经调度的链路的发射机接收的干扰总和；

S5、获得调度链路l_n+1＝(T_n+1，R_n+1)，

S6、从W′中移除与(T_n+1，R_n+1)相关的(u_a，u_b)，更新L′＝L′∪{l_n+1}，链路数n＝n+1；重复执行步骤S3-S6直至W′为空集，进入步骤S7；

S7、输出步骤S6中获得的L′和n为调度结果；对于(u_a，u_b)∈V，得到

2.根据权利要求1所述的一种基于最小同频干扰的链路调度方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S8、设置门限值γ_T；

S9、令k＝1，2，…，n，判断是否成立，若是，则进入步骤S10，若否，则退出；

S10、计算L′中所有链路的SINR，并抑制SINR最小的l_k，

S11、更新L′＝L′\{l_k}，n＝n-1；

S12、重复步骤S10-S11直至对每一条链路逐一完成抑制，对于(u_a，u_b)∈V,得到L′＝L′,n。