CN107396279B - 一种基于最大信干比的链路调度方法 - 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大信干比的链路调度方法。本发明技术方案的核心思想是引入使得整体阻抗最强的一个D2D潜在链路作为新的调度链路。传统的方法大多都考虑了同频干扰的影响，但是它们的注意力只集中在干扰上，而忽视了决定QoS的主要因素是SINR，而不是干扰。对信号功率的考虑不足将导致当D2D范围越大，被调度的链路数显著减少，可能导致性能下降。因此本发明首先考虑了SINR的影响，提出了一种更能满足用户QoS的方法。

Description

一种基于最大信干比的链路调度方法

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大信干比的链路调度方法。

背景技术

视频等社交网络的发展已经逐渐占据着无线数据流量的入口，这使得无线通信的数据量访问压力日益加重，网络拥塞程度大幅度加重。传统的蜂窝通信系统通过不断的小区分裂和资源复用的方式提升网络频谱利用率和网络容量，随着移动数据流量进入移动大数据时代，这些方式已经不能适应当前海量移动业务需求。随着移动终端计算能力和存储空间的提升，基于蜂窝网络的D2D(Device-to-Device)通信与缓存技术的结合构成的无线缓存网络极大地体现了缓存技术给移动通信的发展提供了新的方向。

在D2D无线缓存网络中，在终端缓存技术的辅助下，用户终端可在通信非高峰期进行热点视频文件的提前缓存，用户在发起文件请求时，可先在自己的缓存中检索需求的文件内容，如果本地缓存找到该文件，则用户可以直接读取本地文件完成自我服务。同时，终端之间可以通过D2D传输技术进行互传，用户还可以在通信范围内的终端缓存中检索相应的请求文件，检索成功后可建立D2D通信链路来服务请求终端。这种邻近服务使得用户数据可不经过基站中转，在很大程度上降低了传统蜂窝网回程链路的负载压力，而且还能有效地降低网络空口拥塞，使得网络系统的容量和无线网络频谱效率有了大大地提升，另外用户的QoS(Quality of Service)得到大幅度提升。

基于D2D通信，传统的蜂窝网络中邻近用户间可以建立D2D通信链路可以不经过基站(BS)中继而直接进行数据互传，从而大幅提高数据传输速率且大大地减少了传输延迟。由于D2D通信还可以复用其他用户的资源，因此会进一步提高通信网络的频谱利用率。因此，研究D2D通信中的链路调度问题是至关重要的。

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，提出一种基于最大信干比的链路调度方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于最大信干比的链路调度方法，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计算已经调度的链路对新调度的链路造成干扰的阻抗：

通过如下公式2计算新调度的链路对已经被调度的链路造成干扰的阻抗：

然后对所有的(u_a，u_b)∈W′计算整体阻抗；

S4、选择使得整体阻抗最大的(u_a，u_b)作为调度链路，即(T_n+1，R_n+1)＝使得整体阻抗最大的(u_a,，u_b)，调度链路为l_n+1＝(T_n+1，R_n+1),

S5、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-S5直至W′为空集，进入步骤S6；

S6、输出步骤S5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：

S7、设置门限值γ_T；

S8、令k＝1，2，…，n，判断是否成立，若是，则进入步骤S9，若否，则退出；

S9、计算L′中所有链路的SINR，并抑制SINR最小的

S10、更新L′＝L′\{l_k}，n＝n-1；

S11、重复步骤S9-S10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，相对于传统技术的注意力只集中在干扰上，而忽视了决定QoS的主要因素是SINR，对信号功率的考虑不足将导致当D2D范围越大，被调度的链路数显著减少，可能导致性能下降；本发明首先考虑了SINR的影响，提出了一种更能满足用户QoS的方法。

附图说明

图1为不同OAR方法下的最大信干比调度算法的调度链路数对比示意图；

图2为不同D2D通信范围下最大信干比调度算法与CTLinQ算法的调度链路数对比示意图；

图3为不同SINR门限下最大信干比调度算法与CTLinQ算法的调度链路数对比示意图；

图4为不同SINR门限下最大信干比调度算法与CTLinQ算法的D2D传输功率对比示意图；

图5为不同SINR门限下最大信干比调度算法与CTLinQ算法的系统吞吐量对比示意图。

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引入使得整体阻抗最强的一个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，即l₁,l₂,…,l_n。在决定接下来调度哪一条链路时，先考虑加进新的链路，会对网络已有链路的SINR造成怎样的影响。即，假设有另一个链路l_n+1引入到网络，然后根据链路l_i(i＝1,2,…,n+1)的SINR可以计算为

这源于一个事实，即没有调度的链路不会对已调度的产生干扰。

实际上，这些被调度的D2D链路之间的同频干扰可分为两部分：

(1)最新被调度的链路l_n+1的发射机对于已经被调度的链路l₁,l₂,…,l_n的接收机所产生的干扰，这会使得已经被调度的链路的SINR减少；

(2)已经被调度的链路的发射机对新调度的链路l_n+1的接收机所产生的干扰，引起新调度的链路难以达到SINR阈值。

因此，网络中的调度D2D链路的SINR可以分析如下。

对于已经被调度的链路：

类似的，

从上面的数学表达式可以看出，如…,和这些链路的SINR已在之前的调度过程中确定下来，不能通过选择不同的l_n+1来改变。相反，数学表达式如…,和代表l_n+1对于已经被调度的链路的SINR的影响，随着不同的l_n+1选择而不同。为了使得已经被调度的链路的SINR尽可能高，让它们可以满足QoS的要求，则尽量减少l_n+1所带来的影响是很重要的，也就是说，需要最小化

本发明定义了一个数学式，即上式的倒数，来表示已经调度的链路对新调度的链路l_n+1所造成的干扰的阻抗：

对于某条已经被调度的链路l_i(i＝1,2,…,n)，如果它的(SIR_Tx)_i很大，则倾向于消除l_n+1对它的SINR所造成的影响。

对于新调度的链路：

与同频干扰相比，噪声功率P_n是固定的。如果P_n在这表达被忽略，那么为了l_n+1本身也可以满足QoS要求，需要尽可能的大。

这个数学式可以被定义为新调度的链路l_n+1对已经被调度的链路所造成的干扰的阻抗，即，

将整体阻抗记为OAR，对于它的算法，本发明提出(SIR_Tx)_i(i＝1,2,…,n)和SIR_Rx的三种组合，分别记为方法A，B，C：

A.把(SIR_Tx)_i(i＝1,2,…,n)的和与SIR_Rx相乘，即，

B.找最小的(SIR_Tx)_i(i＝1,2,…,n),与SIR_Rx相乘，即，

OAR＝[min_1≤i≤n(SIR_Tx)_i]SIR_Rx；

C.把(SIR_Tx)_i(i＝1,2,…,n)的和的n次方根与SIR_Rx相乘，即，

本发明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。

在附图中，“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。

图1为不同OAR方法下的最大信干比调度算法的调度链路数对比示意图。其中A,B,C分别对应不同的OAR计算方法。可以看出来当OAR计算方法为方法B时，得到的调度链路数是最多的。

图2为不同D2D通信范围下最大信干比调度算法与CTLinQ算法的调度链路数对比示意图。可以看出，三种OAR计算方法下，最大信干比调度算法的调度链路数都是优于CTLinQ的。

图3为不同SINR门限下最大信干比调度算法与CTLinQ算法的调度链路数对比示意图。由图，随着SINR门限的提高，两种算法能被成功调度的链路数逐渐减少，但三种OAR计算方法的调度数始终高于CTLinQ。

图4为不同SINR门限下最大信干比调度算法与CTLinQ算法的D2D传输功率对比示意图。在这里，最大信干比调度算法的传输功率更小，意味着本发明提出的最大信干比调度算法能够更有效的节约能源。

图5为不同SINR门限下最大信干比调度算法与CTLinQ算法的系统吞吐量对比示意图。由图可知，在吞吐量方面，本发明提出的算法也有更优的性能，并且B方法下的系统吞吐量最大。

综上所述，本发明提出了一个新的基于最大信干比的链路调度方法。在D2D网络的调度问题里，本发明在链路调度数，D2D传输功率，系统吞吐量等方面相比于传统的CTLinQ算法有一个更好的性能，这也体现了本发明的优势。

Claims (1)

1.一种基于最大信干比的链路调度方法，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通信条件，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：

令所有被调度用户对的集合为其特征在于，对于链路调度方法包括以下步骤：

S1、初始化潜在链路集W，链路l₁＝(T₁，R₁)，被调度用户对的集合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计算已经调度的链路对新调度的链路造成干扰的阻抗：

其中，表示T_i的传输功率，表示T_i，R_i之间的信道增益，表示u_a的传输功率，表示u_a，R_i之间的信道增益；

通过如下公式2计算新调度的链路对已经被调度的链路造成干扰的阻抗：

其中，表示T_j的传输功率，表示u_a，u_b之间的信道增益，表示T_j，u_b之间的信道增益；

然后对所有的(u_a，u_b)∈W计算整体阻抗；将整体阻抗记为OAR，OAR的计算方法包括如下之一：

a)把(SIR_Tx)_i的和与SIR_Rx相乘，即

b)找最小的(SIR_Tx)_i与SIR_Rx相乘，即

c)把(SIR_Tx)_i的和的n次方根与SIR_Rx相乘，即

S4、选择使得整体阻抗最大的(u_a，u_b)作为调度链路，即(T_n+1，R_n+1)＝使得整体阻抗最大的(u_a，u_b)，调度链路为l_n+1＝(T_n+1，R_n+1),

S5、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-S5直至W为空集，进入步骤S6；

S6、设置门限值γ_T；

S7、令判断是否成立，若是，则进入步骤S8，若否，则退出；

S8、计算L中所有链路的SINR，并抑制SINR最小的l_k，

S9、更新L＝L\{l_k}，n＝n-1；

S10、重复步骤S7-S9直至L中的所有D2D链路的SINR均大于门限值γ_T，此时，获得的L和n为调度结果，对于(u_a，u_b)∈V,得到