CN107979824B - 一种无线网络虚拟化场景下的d2d多播资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方法，虚拟网络运营商根据用户业务类型实现物理网络的虚拟化；根据用户地理位置及需求的业务内容，确定蜂窝用户组以及D2D多播用户组；根据每组用户需要的业务类型将其划分并签约至不同的虚拟网络；每个虚拟网络运营商针对其旗下签约的多播用户组进行基站选择、频带分配、功率控制，并在确保多播组用户通信速率以及资源受限的大前提下，实现系统吞吐量最大化的目标。本发明通过D2D通信技术以及多播通信技术的结合，能够提升系统频谱利用率，并引入无线网络虚拟化技术，使得用户能够获取高服务质量、高体验质量的业务。

Description

一种无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种无线网络虚拟化场景下的 D2D多播资源分配方法。

背景技术

随着用户数目的激增、用户设备及业务类型的多样化，传统的通信模式已 无法应对大幅度增加的频谱消耗、能源消耗等问题。为了能够满足蜂窝网络内 移动用户对业务的高效传输需求，近年来出现了新的通信模式，即将D2D通信 与多播通信相结合。2016年YangCao等人在“IEEE Transactions on Mobile Computing”(《国际电气电子工程师协会移动计算汇刊》)(2016年6月第 15卷)发表的“Social-Aware Video Multicast Based onDevice-to-Device Communications”(《基于D2D通信的具备社会意识的视频多播方案》)中提 出了一种具备社会意识的视频多播方法，方法首先通过多播技术为蜂窝网络内 的用户提供视频业务，而后存在数据遗失的用户组可以通过D2D技术从其他用 户处获取遗失的数据包，从而恢复出完整的视频帧，提升用户获取视频的质量。 本质上，该方案中D2D技术和多播技术是分离的两个部分，而二者的结合能够 进一步提升频谱效率。于是，2017年HadiMeshgi等人在“IEEE Transactions on Vehicular Technology”《国际电气电子工程师协会车辆技术汇刊》)(2017年 9月第66卷)发表的“Optimal Resource Allocation inMulticast Device-to-Device Communications Underlaying LTE Networks”(《LTE网络中针对多播D2D通信 的资源优化方案》)中提出了一种具体针对多播D2D通信的资源优化方案，方 案采用复用LTE网络上行链路频谱资源的方式，以最大化蜂窝用户以及D2D多 播组用户吞吐量为目标，在确保蜂窝用户和D2D多播组用户的信干噪比的同时， 实现载波分配以及功率控制。然而该方案仅针对单一的蜂窝网络实现蜂窝用户 和D2D用户的资源分配，考虑到实际网络环境中同一区域往往存在不同网络的 覆盖且用户业务类型同样存在差异化，采用单一的物理网络提供多样化的数据 业务，很难兼顾到多个用户对不同业务的体验度需求。因此需要对现有的D2D 多播场景框架进一步改进，引入无线网络虚拟化技术，通过共用基层网络基础 设施、构建多个相互独立的虚拟网络的方式，实现为用户提供差异化业务的目 的。另外，基于所提的新型框架，需要重新构造相匹配的资源分配方案，为未 来无限通信系统性能的进一步提升做出贡献。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术有关D2D技术和多播技术结 合发展不成熟，仅针对单一类型网络或单一类型业务实现蜂窝用户和D2D用户 的资源分配。未来网络的发展趋势是：网络多样化业务多样化，即同一个区域 往往不仅仅只有一类网络覆盖且用户需求的业务类型也各有不同。采用传统的 单一物理网络提供多样化的数据业务，很难兼顾到多个用户对不同业务的体验 度需求。本发明在现有的D2D多播场景上引入无线网络虚拟化技术，能够实现 网络的逻辑分离，即物理上同一的网络，逻辑上可以呈献给用户的是专门提供 不同业务的网络运营商；针对性的服务，相比于传统单一物理网络服务差异化用 户，无疑会带来体验度的进一步提升。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无线网络虚拟化场景下的 D2D多播资源分配方法。

本发明是这样实现的，一种无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方 法，所述无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方法具体如下：虚拟网络 运营商根据用户业务类型实现物理网络的虚拟化；根据用户地理位置及需求的 业务内容，确定蜂窝用户组以及D2D多播用户组；根据每组用户需要的业务类 型将其划分并签约至不同的虚拟网络；每个虚拟网络运营商针对其旗下签约的 多播用户组进行基站选择、频带分配、功率控制，并在确保多播组用户通信速 率以及资源受限的大前提下，实现系统吞吐量最大化的目标。

进一步，所述无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方法包括如下步 骤：

步骤一，虚拟网络运营商根据用户业务类型实现物理网络的虚拟化，虚拟 化后产生的多个虚拟网络皆可称为虚拟网络供应商；

步骤二，确定蜂窝用户组以及D2D多播用户组；

步骤三，确定每个多播组签约的虚拟网络供应商；

步骤四，为每一个虚拟网络供应商旗下签约的多播用户组确定虚拟资源分 配办法。

进一步，所述步骤二具体包括：

(1)需求相同业务类型且地理位置接近的用户可视为多播组用户，多播组 用户从相邻的D2D用户获取信息或从蜂窝网络基站处获取信息；

(2)基站集合为B，作为发送端的D2D用户集合为D，D2D用户多播组集 合为G_d2d，蜂窝用户多播组集合为G_cellular。

进一步，所述步骤三具体包括：

(1)根据每个多播组用户所需要的业务类型，选择虚拟网络供应商；

(2)虚拟网络供应商集合为S，与虚拟网络s签约的多播用户组集合为G_s， 且每个多播组只能签约一个虚拟网络供应商即

进一步，所述步骤四具体包括：

第一步，为每一个蜂窝用户多播组选择物理基站，为每一个D2D用户多播 组选择合适的用户作为D2D发送端；

第二步，为每一个蜂窝用户多播组以及每一个D2D用户多播组分配合适的 带宽资源，基于历史的平均发送功率，以最大化系统吞吐量为目标，在确保多 播用户组通信速率以及频带资源受限的条件下，采用凸优化工具确定最优的带 宽分配解；

第三步，对基站及D2D发送端进行功率控制，基于已获得的带宽分配解， 以最大化系统吞吐量为目标，在确保多播用户组通信速率以及功率资源受限的 条件下，采用凸优化工具确定最优的功率分配解；

第四步，重复第二步至第三步直至系统吞吐量达到收敛，收敛时得到的带 宽分配解以及功率分配解即是最终最优解。

进一步，所述第一步具体包括：

(1)D2D用户多播组复用蜂窝网络的上行链路；

(2)各D2D多播组内用户基于最小均方差的信道估计方法估计自身与不 同D2D发送端之间的瞬时信道增益，各蜂窝网络多播组内用户基于最小均方差 的信道估计方法估计自身与不同网络基站之间的瞬时信道增益，

和

分 别表示D2D多播组g∈G_d2d内用户u_g与D2D发送端d∈D之间的瞬时信道增益，以 及蜂窝多播组g∈G_cellular内用户u_g与基站n∈B之间的瞬时信道增益；

(3)从最大化信噪比的角度出发为每一个多播组选择合适的基站或发送 端，对于每一个D2D用户多播组g∈G_d2d寻找令组内最低用户瞬时信道增益最大 的D2D发送端

对于每一个蜂窝用户多播组g∈G_cellular寻找令组内 最低用户瞬时信道增益最大的基站或接入点

(4)

表示D2D用户多播组g由D2D发送端d^*提供服务，每个D2D 发送端只能服务一个D2D用户多播组，令

表示蜂窝用户多播组g由基站n^*提供服务，每个蜂窝用户多播组只能被一个基站服务。

进一步，所述第二步具体包括：

(1)基站以及D2D发送端的历史平均发送功率为p_t，用户处接收信息的平 均噪声为n₀，依据香农公式，整个虚拟化系统的吞吐量表示为：

其中|U_g|表示多播组g内的用户总数；

(2)以最大化系统吞吐量为目标，即

保证D2D多播以及蜂窝多播 用户组通信速率，即

以及

兼顾频带资源受限的条件，即保证 分配给D2D用户多播组的频带资源不超过蜂窝网络上行链路总频带资源

分配给所有蜂窝用户多播组的频带资源不超过每个基站的下行链路总频带资源

(3)采用凸优化工具确定最优的带宽分配解。

进一步，所述第三步具体包括：

(1)基于获得带宽分配解

及

依据香农公式，整个虚拟化系统的吞 吐量表示为：

(2)以最大化系统吞吐量为目标，即

保证D2D多播以及蜂窝多播 用户组通信速率，即

以及

兼顾设备功率受限的条件，即保 证每个D2D发送端的功率不超过其功率上限

分配给所有蜂 窝用户多播组的功率资源不超过每个基站的总功率资源

(3)采用凸优化工具确定最优的功率分配解。

本发明在现有的D2D多播场景中，引入无线网络虚拟化技术，构造新型的 D2D多播系统框架，该框架不再局限于单一网络或单一业务，可通过共用基层 网络基础设施、构建多个相互独立的虚拟网络的方式，为业务需求不同的蜂窝 用户和D2D用户分组并签约至不同的虚拟网络供应商，由此提升用户的服务质 量、体验质量，实现为用户提供差异化业务的目的。

本发明基于所提框架，提出一种新型的D2D多播资源分配方法，方法联合 考虑用户信道质量、基站频带资源受限、设备功率资源受限、用户服务速率需 求等问题，以最大化系统吞吐量为目标，解决了蜂窝用户和D2D多播组用户的 基站选择、带宽分配、功率控制等虚拟化资源分配问题。在所提的新型虚拟化 D2D多播系统框架下，完成D2D多播资源的合理分配，能够同时兼顾用户服务 质量与体验质量，实现运营商、用户双高收益的目标。

本发明结合无线网络虚拟化技术、多播技术、以及D2D技术，相比于传统 的D2D多播集成场景(传统方案1)，所构建的新型系统框架不再局限于单一 网络或单一业务；相比于传统的单一D2D或多播场景(传统方案2)，所提方 案能够进一步提升频谱效率。表格如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方 法流程图。

图2是本发明实施例提供的无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方 法的模型图。

图3是本发明实施例提供的无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方 法实现流程图。

图4是本发明实施例提供的与传统策略的对比示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明能够实现所提的新型虚拟化D2D多播系统下的资源合理分配，分配 内容包括基站选择、带宽分配、功率控制，同时能够在确保多播组用户通信速 率以及资源受限的大前提下，实现系统吞吐量最大化的目标。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源 分配方法包括以下步骤：

S101：虚拟网络运营商根据用户业务类型实现物理网络的虚拟化；

S102：根据用户地理位置及需求的业务内容，确定蜂窝用户组以及D2D多 播用户组；

S103：根据每组用户需要的业务类型将其划分并签约至不同的虚拟网络；

S104：每个虚拟网络运营商针对其旗下签约的多播用户组进行基站选择、 频带分配、功率控制，并在确保多播组用户通信速率以及资源受限的大前提下， 实现系统吞吐量最大化的目标。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例使用的基于无线网络虚拟化场景下的D2D多播 系统模型图，包括一个虚拟网络运营商、一个物理设备供应商、三个虚拟网络 供应商。其中，物理设备供应商包括1个基站、1个接入点，二者采用不同的无 线电接入技术，使用不同的频带资源，相互之间无干扰。设备供应商可为每一 个虚拟网络供应商提供物理设备资源，每个虚拟网络供应商旗下签约的多播用 户组不同，每个用户组根据自身的性质以及需求的业务类型，选择基站接入或 D2D发送端直传的方式获取业务。

如图3所示，本发明的实现步骤如下：

步骤1：虚拟网络运营商根据用户业务类型实现物理网络的虚拟化：

1.1)虚拟化后的整个系统主要由三个角色组成：虚拟网络运营商、物理设 备供应商、虚拟网络供应商，如图2所示；

1.2)虚拟网络运营商实现基层物理网络向多个虚拟网络的映射，物理设备 供应商为用户提供物理资源，包括设备资源、频带资源等；虚拟网络供应商为 用户提供针对性的业务服务，用户可根据自身需求的业务类型选择接入对应的 虚拟网络。

步骤2：确定蜂窝用户组以及D2D多播用户组：

2.1)需求相同业务类型且地理位置接近的用户可视为多播组用户，多播组 用户可以从相邻的D2D用户获取信息，也可以从蜂窝网络基站处获取信息；

2.2)假设基站集合为B，作为发送端的D2D用户集合为D，D2D用户多播 组集合为G_d2d，蜂窝用户多播组集合为G_cellular。

步骤3：确定每个多播组签约的虚拟网络供应商：

3.1)根据每个多播组用户所需要的业务类型，选择合适的虚拟网络供应商， 此处的多播组包括蜂窝用户多播组以及D2D用户多播组，如图2所示，基层物 理网络中分布的不同用户组分别签约至不同的虚拟网络供应商；

3.2)假设每个多播用户组只能签约至一个虚拟网络供应商，虚拟网络供应 商集合为S，与虚拟网络s签约的多播用户组集合为G_s，且每个多播组只能签约 一个虚拟网络供应商即

步骤4：为每一个虚拟网络供应商旗下签约的多播用户组确定合适的虚拟资 源分配办法，本步骤的具体流程如下：

4.1)为每一个蜂窝用户多播组选择合适的物理基站，为每一个D2D用户多 播组选择合适的用户作为D2D发送端：

4.1.1)本发明考虑蜂窝网络下行链路资源分配，且假设D2D用户多播组复 用蜂窝网络的上行链路，因此蜂窝用户多播组与D2D用户多播组之间的通信无 相互干扰；

4.1.2)各D2D多播组内用户基于最小均方差的信道估计方法估计自身与不 同D2D发送端之间的瞬时信道增益，各蜂窝网络多播组内用户基于最小均方差 的信道估计方法估计自身与不同网络基站之间的瞬时信道增益，

和

分 别表示D2D多播组g∈G_d2d内用户u_g与D2D发送端d∈D之间的瞬时信道增益，以 及蜂窝多播组g∈G_cellular内用户u_g与基站n∈B之间的瞬时信道增益；

4.1.3)从最大化信噪比的角度出发为每一个多播组选择合适的基站或发送 端，即对于每一个D2D用户多播组g∈G_d2d寻找令组内最低用户瞬时信道增益最 大的D2D发送端

对于每一个蜂窝用户多播组g∈G_cellular寻找令组 内最低用户瞬时信道增益最大的基站或接入点

4.1.4)令

表示D2D用户多播组g由D2D发送端d^*提供服务，假设每 个D2D发送端只能服务一个D2D用户多播组，令

表示蜂窝用户多播组g由 基站n^*提供服务，假设每个蜂窝用户多播组只能被一个基站服务；

4.2)为每一个蜂窝用户多播组以及每一个D2D用户多播组分配合适的带宽 资源：

4.2.1)假设基站以及D2D发送端的历史平均发送功率为p_t(可由步骤(4.3) 获得)，用户处接收信息的平均噪声为n₀，依据香农公式，整个虚拟化系统的吞 吐量即可表示为：

其中|U_g|表示多播组g内的用户总数；

4.2.2)以最大化系统吞吐量为目标，即

保证D2D多播以及蜂窝多 播用户组通信速率，即

以及

兼顾频带资源受限的条件，即保证 分配给D2D用户多播组的频带资源不超过蜂窝网络上行链路总频带资源

分配给所有蜂窝用户多播组的频带资源不超过每个基站的下 行链路总频带资源

4.2.3)采用一般的凸优化工具(如拉格朗日对偶法或内点法)即可确定最 优的带宽分配解；

4.3)对基站及D2D发送端进行功率控制：

4.3.1)基于步骤(4.2)获得带宽分配解

及

依据香农公式，整个虚拟 化系统的吞吐量即可表示为：

4.3.2)同样以最大化系统吞吐量为目标，即

保证D2D多播以及蜂 窝多播用户组通信速率，即

以及

兼顾设备功率受限的条件，即保 证每个D2D发送端的功率不超过其功率上限

分配给所有蜂 窝用户多播组的功率资源不超过每个基站的总功率资源

4.3.3)采用一般的凸优化工具(如拉格朗日对偶法或内点法)即可确定最 优的功率分配解；

4.4)重复步骤(4.2)至(4.3)直至系统吞吐量达到收敛，此时得到的带宽 分配解和功率分配解即是最终解。

下面结合对比对本发明的应用效果作详细的描述。

如图4所示，给出了本发明与传统策略在不同用户总数下的对比示例图。 图例假设2基站、2个D2D发送端、每个多播组内4用户、每基站频带资源总 量及功率总量皆归一化。从图中可以看出，相比传统的不采用D2D方式的方案， 本发明通过D2D多播组复用蜂窝网络上行链路频带资源的方式，使每个多播用 户组有更灵活的选择去获取业务，从而提高了系统总吞吐量；相比于传统的不 采用多播方式的方案，本发明通过利用相同频段为需求相同业务的用户提供服 务的方式，提高了频带利用率，从而进一步增加了系统吞吐量。此外，三种方 案中，系统吞吐量皆随着用户总数的增加而增加，且当用户数量较大，由于资 源有限，系统所能达到的吞吐量逐渐趋于饱和。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方法，其特征在于，所述无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方法具体如下：虚拟网络运营商根据用户业务类型实现物理网络的虚拟化；根据用户地理位置及需求的业务内容，确定蜂窝用户组以及D2D多播用户组；根据每组用户需要的业务类型将其划分并签约至不同的虚拟网络；每个虚拟网络运营商针对其旗下签约的多播用户组进行基站选择、频带分配、功率控制；

所述无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方法包括如下步骤：

步骤一，虚拟网络运营商根据用户业务类型实现物理网络的虚拟化，虚拟化后产生的多个虚拟网络皆可称为虚拟网络供应商；

步骤二，确定蜂窝用户组以及D2D多播用户组；

步骤三，确定每个多播组签约的虚拟网络供应商；

步骤四，为每一个虚拟网络供应商旗下签约的多播用户组确定虚拟资源分配办法；

所述步骤二具体包括：

(1)需求相同业务类型且地理位置接近的用户可视为多播组用户，多播组用户从相邻的D2D用户获取信息或从蜂窝网络基站处获取信息；

(2)基站集合为B，作为发送端的D2D用户集合为D，D2D用户多播组集合为G_d2d，蜂窝用户多播组集合为G_cellular；

所述步骤四具体包括：

第一步，为每一个蜂窝用户多播组选择物理基站，为每一个D2D用户多播组选择合适的用户作为D2D发送端；

(1)D2D用户多播组复用蜂窝网络的上行链路；

(2)各D2D多播组内用户基于最小均方差的信道估计方法估计自身与不同D2D发送端之间的瞬时信道增益，各蜂窝网络多播组内用户基于最小均方差的信道估计方法估计自身与不同网络基站之间的瞬时信道增益，

和

分别表示D2D多播组g∈G_d2d内用户u_g与D2D发送端d∈D之间的瞬时信道增益，以及蜂窝多播组g∈G_cellular内用户u_g与基站n∈B之间的瞬时信道增益；

(3)从最大化信噪比的角度出发为每一个多播组选择合适的基站或发送端，对于每一个D2D用户多播组g∈G_d2d寻找令组内最低用户瞬时信道增益最大的D2D发送端

对于每一个蜂窝用户多播组g∈G_cellular寻找令组内最低用户瞬时信道增益最大的基站或接入点

(4)

表示D2D用户多播组g由D2D发送端d^*提供服务，每个D2D发送端只能服务一个D2D用户多播组，令

表示蜂窝用户多播组g由基站n^*提供服务，每个蜂窝用户多播组只能被一个基站服务；

第二步，为每一个蜂窝用户多播组以及每一个D2D用户多播组分配合适的带宽资源，基于历史的平均发送功率，以最大化系统吞吐量为目标，在确保多播用户组通信速率以及频带资源受限的条件下，采用凸优化工具确定最优的带宽分配解；

(1)基站以及D2D发送端的历史平均发送功率为p_t，用户处接收信息的平均噪声为n₀，依据香农公式，整个虚拟化系统的吞吐量表示为：

其中|U_g|表示多播组g内的用户总数；

(2)以最大化系统吞吐量为目标

保证D2D多播以及蜂窝多播用户组通信速率

以及

兼顾频带资源受限的条件，保证分配给D2D用户多播组的频带资源不超过蜂窝网络上行链路总频带资源

分配给所有蜂窝用户多播组的频带资源不超过每个基站的下行链路总频带资源

(3)采用凸优化工具确定最优的带宽分配解；

第三步，对基站及D2D发送端进行功率控制，基于已获得的带宽分配解，以最大化系统吞吐量为目标，在确保多播用户组通信速率以及功率资源受限的条件下，采用凸优化工具确定最优的功率分配解；

(1)基于获得带宽分配解

及

依据香农公式，整个虚拟化系统的吞吐量表示为：

(2)以最大化系统吞吐量为目标

保证D2D多播以及蜂窝多播用户组通信速率

以及

兼顾设备功率受限的条件，保证每个D2D发送端的功率不超过其功率上限

分配给所有蜂窝用户多播组的功率资源不超过每个基站的总功率资源

(3)采用凸优化工具确定最优的功率分配解；

第四步，重复第二步至第三步直至系统吞吐量达到收敛，收敛时得到的带宽分配解以及功率分配解即是最终最优解；

其中b_n,g表示基站n分配给蜂窝用户多播组g的频带资源量；a_n,g为基站选择因子，a_n,g＝1意味着蜂窝用户多播组g由基站n提供服务；b_d,g表示D2D发送端d向D2D用户多播组g传输信息时占用的频带资源量；a_d,g为D2D发送端选择因子，a_d,g＝1意味着D2D用户多播组g由D2D发送端d提供服务；R_th表示D2D多播以及蜂窝多播用户组的速率需求门限；B_total表示蜂窝网络上行链路总频带资源量；

表示每个基站n的下行链路总频带资源量；p_n,g表示基站n向蜂窝用户多播组g发送信息时的传输功率；p_d,g表示D2D发送端d向D2D用户多播组g发送信息时的传输功率；

表示D2D发送端d的传输功率上限；

表示每个基站n的总传输功率上限。

2.如权利要求1所述的无线网络虚拟化场景下的D2D多播资源分配方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：

(1)根据每个多播组用户所需要的业务类型，选择虚拟网络供应商；

(2)虚拟网络供应商集合为S，与虚拟网络s签约的多播用户组集合为G_s，且每个多播组只能签约一个虚拟网络供应商即

Images