CN107801173A - 一种基于分段的链路调度方法 - 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分段的链路调度方法。相对于传统技术，本发明的方法具有更强的干扰管理能力，所有链路同时调度势必会使得大部分的链路受到的干扰比较大，使得被调度的链路数减少，可能导致吞吐量等性能下降；本发明通过考虑引入一个分段因子来管理链路间的干扰，提出了一种能有效增大系统吞吐量的方法。

Description

一种基于分段的链路调度方法

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分段的链路调度方法。

背景技术

随着智能手机和平板电脑逐渐普及以及物联网技术的不断发展，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，传统的蜂窝通信系统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缓解了大量流量带来的通信压力。

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。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。

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，则会导致很多链路无法成功调度，用户无法成功获得自己想要的文件。

发明内容

本发明的目的是在保证QoS(Quality of Service)，即数据率不能低于一个阈值的基础上，使得系统的总吞吐量最大化，针对上述问题，提出一种基于分段的链路调度方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的技术方案如下：一种基于分段的链路调度方法，定义V＝{(u_t,u_r)|u_t∈U，u_r∈U，u_t≠u_r}为网络中所有可能的D2D用户对的集合，其中(u_t,u_r)代表u_t到u_r的D2D用户对，u_t和u_r分别为发射机用户和接收机用户，U为N个用户的集合U＝{u₁,u₂,…,u_N}。如果对于V中的链路对，满足D2D通信条件，则把这些链路对叫做潜在链路，把这些链路构成的集合叫做潜在链路集，记为，S＝{(u_t,u_r)|(u_t,u_r)∈V，(u_t,u_r)满足D2D通信条件}。

定义另一个二元变量表示D2D用户对(u_t,u_r)的调度情况：

这样，所有被调度链路的集合则为显然有，即调度链路集是潜在链路集的子集。其链路调度方法包括以下步骤：

S1、BS收集所有用户的请求文件和缓存文件信息，也就是f_r(u_i)和f_c(u_i)(i＝1,2,...,N)；

S2、BS对满足D2D通信条件的用户对，根据他们的请求文件和缓存文件给他们进行配对，得到潜在链路集S；

S3、如果有多个用户缓存有某个用户的请求文件时，只有最近的那个用户可以作为他的发射机用户来进行D2D传输。同理，如果有多个用户请求某个用户的缓存文件时，只给最近的那个用户传输他所请求的文件，得到调度链路集L。

进一步的，因上述方案中每条调度D2D链路实际上还未进行调度，调度时可能存在很大的干扰，为了增加总的系统的吞吐量，控制干扰，分段的链路调度方法是设计了一个分段因子θ，它把调度周期和用户文件库分成两段，使得所有的链路分别在这两个时隙进行调度，以此来控制干扰。并且，对于那些速率不够大到大于门限的链路，分段调度算法的处理方法是对这些链路逐一进行移除，而不是同时移除。具体来说，具有最小速率的链路将被逐一从调度链路集移除，直到所有的调度D2D链路的速率都是能够接受的。所以本发明具体还包括以下步骤：

S4、设置门限值R₀，初始化调度链路数N_Temp＝0，吞吐量S_Temp＝0；

S5、把文件库里的文件按流行度由高到低进行一个排序；

S6、令

S7、依据θ，把文件库分成两个区间，第一个区间包含流行度前θ的文件，第二个区间包含剩下的M-θ个文件；

S8、找到所传输文件的流行度位于第一个区间的链路集合L₁，且|L₁|＝n；

S9、i＝1，2，…，n，根据计算L₁中所有链路的速率，判断是否有成立，若有，则进入步骤S10，若无，则进入步骤S11；

S10、移除其中速率最小的链路，重复执行步骤S9-S10，直到所有

S11、找到所传输文件的流行度位于第二个区间的链路集合L₂，且|L₂|＝m；

S12、i＝1，2，…，m，根据计算L₂中所有链路的速率，判断是否有成立，若有，则进入步骤S13，若无，则进入步骤S14；

S13、移除其中速率最小的链路，重复执行步骤S12-S13，直到所有

S14、计算整个系统的吞吐量S_T和调度链路数N_Schedule；

S15、当S_T>S_Temp，则S_Temp＝S_T，N_Temp＝N_Schedule；

S16、重复S7-S15，直到θ＝M；

S17、输出S_T,N_Schedule。

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，所有链路同时调度势必会使得大部分的链路受到的干扰比较大，使得被调度的链路数减少，可能导致吞吐量等性能下降；本发明通过考虑引入一个分段因子来管理链路间的干扰，提出了一种能有效增大系统吞吐量的方法。

附图说明

图1为不同速率门限下的分段调度算法与CTLinQ和Cached ITLinQ的系统吞吐量对比示意图；

图2为不同速率门限下的分段调度算法与CTLinQ和Cached ITLinQ的调度链路数对比示意图；

图3为不同请求Zipf参数下的分段调度算法与CTLinQ和Cached ITLinQ的调度链路数对比示意图。

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}，并且网络的文件库有M个大小相等的文件。

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。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_t,u_r)|u_t∈U，u_r∈U，u_t≠u_r}为网络中所有可能的D2D用户对的集合，其中(u_t,u_r)代表u_t到u_r的D2D用户对，u_t和u_r分别为发射机用户和接收机用户。

接下来，如果一个D2D用户对(u_t,u_r)满足下面的2个D2D通信条件，则说这个用户对(u_t,u_r)是有效的：

(1)u_r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_r)≠f_c(u_r)，这里f_r(u_r)和f_c(u_r)分别代表用户u_r的请求文件和缓存文件。并且u_t缓存有u_r的请求文件，即f_c(u_t)＝f_r(u_r)，这里f_c(u_t)代表u_r的缓存文件。

(2)u_t与u_r的距离必须在D2D通信范围内，也就是：这里表示u_t与u_r的距离，R_D2D表示D2D通信范围。如果对于V中的链路对，满足D2D通信条件，则把这些链路对叫做潜在链路，把这些链路构成的集合叫做潜在链路集，记为，S＝{(u_t,u_r)|(u_t,u_r)∈V，(u_t,u_r)满足D2D通信条件}。

本发明的方案中定义一个二元变量表示D2D用户对(u_t,u_r)的调度情况：

其中，(u_t,u_r)∈V。

这样，所有被调度链路的集合则为显然有，即调度链路集是潜在链路集的子集。

并且，调度链路集中的D2D对(u_t,u_r)，点对点模型约束必须满足：

半双工约束为：

在调度过程后，(u_t,u_r)∈V的SINR为

其中，P_t为发射功率，P_n为噪声功率，α为路径损耗系数，是所有发射机造成的干扰，这些发射机组成了集合U_T。

为了满足用户的QoS，(u_t,u_r)∈V的数据率必须满足：

这里，W表示带宽，R₀表示速率门限。

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：

本发明技术方案的核心思想是引入一个分段因子，把调度周期和用户文件库分成两段，使得所有的链路分别在这两个时隙进行调度，以此来控制干扰：

当获得调度链路集之后，这些链路此时还没有真正被调度，并且他们中的一些可能还不满足QoS的需求。

本发明设计了一个分段因子θ∈(0,1]，它把调度周期T分成了两段大小不同的时隙，第一个时隙的长度为θ₁T，第二个时隙的长度为θ₂T，这里θ₁＝θ，θ₂＝1-θ。并且，由于我们把文件库中的文件按流行度进行了一个降序排列，这个分段因子θ也按照相同的比例把文件库划分成了两段，大小分别为θ₁M和θ₂M。依据这样的划分，只有那些所传输文件的流行度位于第一个文件库区间的链路可以在第一个时隙进行调度，而在第二个时隙保持静默；同样地，所传输文件的流行度位于第二个文件库区间的链路只能在第二个时隙进行调度，而在第一个时隙保持静默。也就是说，一条链路在哪个时隙调度取决于它所传输的文件的流行度。

假设在第一个时隙调度的链路构成的链路集合为L₁，第二个时隙内调度的链路集合为L₂。则有L＝L₁∪L₂并且

基于前面的描述，则对于一个D2D链路对(u_t,u_r)∈L_i(i＝1,2)，可以重写它的SINR为

这里，是第i个时隙内的发射机所构成的集合。

则，对于一个D2D链路对(u_t,u_r)∈L_i(i＝1,2)，它的数据率为

根据上式，随着θ的增长，第一时隙中的链路的数据率也会增加，而高流行的文件的被请求概率要高于那些低流行度的。所以为了获得最大的系统吞吐量，有关系式：

θ₁>θ₂

所以本发明从第个文件开始搜索。

然而当θ增长到某个值，在第一时隙同时调度的链路数过多，会导致更多的干扰，则会最终使得这个时隙的链路的数据率降低，所以需要找到一个最优的θ。

因此，在找到了D2D调度链路集L的基础上，由于引入的调度因子，整个问题可以被表达成：

θ₁>θ₂.

因为高流行度的文件有更高的概率被请求，这意味着传输第一分段内的文件的链路的数量多于传输第二分段内的文件的链路数。随着θ的增加，第一个时隙内同时调度的链路数增加，会导致更多的干扰，因此找到一个最优的θ可以最大化整个系统吞吐量。

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。

图1为不同速率门限下的分段调度算法与CTLinQ和Cached ITLinQ的系统吞吐量对比示意图；可以看出来，三种调度算法中，分段调度算法的吞吐量性能要优于另外两种算法。

图2为不同速率门限下的分段调度算法与CTLinQ和Cached ITLinQ的调度链路数对比示意图；可以看出来，随着速率门限的增加，三种算法的调度链路数都会减少，并且，分段调度算法的调度链路数要高于另外两种算法。

图3为不同请求Zipf参数下的分段调度算法与CTLinQ和Cached ITLinQ的调度链路数对比示意图；可以看出来，分段调度算法的调度链路数要高于另外两种算法。

综上所述，本发明提出了一个新的基于分段的链路调度方法。在D2D网络的调度问题里，本发明在系统吞吐量，链路调度数等方面相比于传统的CTLinQ算法和Cached ITLinQ有一个更好的性能，这也体现了本发明的优势。

Claims (2)

1.一种基于分段的链路调度方法，该方法用于基于蜂窝网络的D2D无线通信系统，针对该通信系统，定义V＝{(u_t,u_r)|u_t∈U，u_r∈U，u_t≠u_r}为网络中所有可能的D2D用户对的集合，其中(u_t,u_r)代表u_t到u_r的D2D用户对，u_t和u_r分别为发射机用户和接收机用户，U为N个用户的集合U＝{u₁,u₂,…,u_N}；对于V中的链路对，满足D2D通信条件，则把这些链路对叫做潜在链路，把这些链路构成的集合叫做潜在链路集，记为：S＝{(u_t,u_r)|(u_t,u_r)∈V，(u_t,u_r)满足D2D通信条件}。

定义另一个二元变量表示D2D用户对(u_t,u_r)的调度情况：

所有被调度链路的集合为即调度链路集是潜在链路集的子集；其特征在于，所述的链路调度方法包括以下步骤：

S1、BS收集所有用户的请求文件和缓存文件信息，即f_r(u_i)和f_c(u_i)(i＝1,2,...,N)；

S2、BS对满足D2D通信条件的用户对，根据用户对的请求文件和缓存文件给用户对进行配对，得到潜在链路集S；

S3、如果有多个用户缓存有某个用户的请求文件时，只有最近的那个用户可以作为他的发射机用户来进行D2D传输；如果有多个用户请求某个用户的缓存文件时，只给最近的那个用户传输他所请求的文件，得到调度链路集L。

2.根据权利要求1所述的一种基于分段的链路调度方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S4、设置门限值R₀，初始化调度链路数N_Temp＝0，吞吐量S_Temp＝0；

S5、把文件库里的文件按流行度由高到低进行排序；

S6、设置分段因子θ∈(0,1]，将调度周期T分成两段大小不同的时隙，第一个时隙的长度为θ₁T，第二个时隙的长度为θ₂T，且θ₁＝θ，θ₂＝1-θ；并令M为文件数量；

S7、依据θ，把文件库分成两个区间，第一个区间包含流行度前θ的文件，大小为θ₁M，第二个区间包含剩下的M-θ个文件，大小为θ₂M；

S8、找到所传输文件的流行度位于第一个区间的链路集合L₁，且|L₁|＝n；

S9、根据计算L₁中所有链路的速率，判断是否有成立，若有，则进入步骤S10，若无，则进入步骤S11；

S10、移除其中速率最小的链路，重复执行步骤S9-S10，直到所有

S11、找到所传输文件的流行度位于第二个区间的链路集合L₂，且|L₂|＝m；

S12、根据计算L₂中所有链路的速率，判断是否有成立，若有，则进入步骤S13，若无，则进入步骤S14；

S13、移除其中速率最小的链路，重复执行步骤S12-S13，直到所有

S14、计算整个系统的吞吐量S_T和调度链路数N_Schedule；

S15、当S_T>S_Temp，则S_Temp＝S_T，N_Temp＝N_Schedule；

S16、重复S7-S15，直到θ＝M；

S17、输出S_T,N_Schedule。