CN108271172B - 一种蜂窝d2d通信联合成簇及内容部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署方法，属于异构网络资源分配技术领域。该方法包括以下步骤：S1建模用户内容偏好标识；S2建模簇头选择变量；S3建模簇头内容推送变量；S4建模用户与簇头关联变量；S5建模用户总传输时延；S6建模簇内通信模式传输时延；S7建模蜂窝通信模式总传输时延；S8建模用户成簇及传输数据速率限制条件；S9基于用户总传输时延最小化确定成簇及内容部署优化策略。本发明综合考虑用户内容偏好，簇头缓存能力及用户业务传输特性，实现基于用户业务传输时延优化的蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署。

Description

一种蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署方法。

背景技术

随着移动通信技术的快速发展，用户业务需求不断增加，蜂窝网络面临前所未有的挑战，亟待研究新型通信技术以满足爆炸性增长的业务需求。终端直通技术(Device-to-Device，D2D)可支持邻近终端用户设备之间直接进行通信，而无需经基站中继。与传统基于基站中继的蜂窝通信技术相比，D2D通信可实现更高传输速率及终端能耗的显著降低。在蜂窝网络中引入D2D通信技术，还可有效提升频谱效率及用户服务质量(qualityofservice,QoS)。此外，用户设备内容获取服务的快速增加对接入网及核心网的业务传输能力提出更高要求，通过在接入网基站处或终端用户处缓存热点内容，用户直接向基站或D2D用户请求所需内容，可有效降低用户业务获取时延，提升业务体验。

近年来，已有文献对基于缓存的蜂窝网络D2D通信资源分配及用户关联问题开展了相关研究。针对多用户的单小区上行和下行蜂窝网络D2D通信场景，提出一种以信息为中心的无线虚拟化和D2D通信的新型网络架构，通过合理调度物理节点、缓存内容及带宽资源的虚拟化切片，实现虚拟移动运营商总收益的最大化。针对多用户的单小区下行蜂窝网络D2D通信场景，在考虑用户内容偏好和共享概率的前提下，提出基于网络卸载增益最大化的用户内容推送策略。

综上所述，现有基于缓存的蜂窝网络D2D通信的相关研究较多考虑单个用户的内容缓存问题，较少联合考虑用户偏好及多用户内容共享问题，难以保障网络中所有用户的业务需求体验。此外，现有相关研究较多关注网络收益、吞吐量、网络卸载增益的提升，较少考虑用户业务传输时延特性，可能导致业务传输时延较大，对于时延敏感用户设备而言，传输性能及用户体验难以保障。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署方法，在该方法中，假设用户以不同的偏好概率请求内容，簇头可缓存内容，通过成簇方法，基站可将用户偏好的内容推送到簇头上；用户位于簇内通信模式和蜂窝通信模式共存的网络覆盖区域，可选择与合适的网络模式建立关联；建模用户联合业务传输时延为优化目标，实现簇头选择、内容部署及用户通信模式关联策略的联合优化。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署方法，包括以下步骤：

S1：建模用户内容偏好标识；

S2：建模簇头选择变量；

S3：建模簇头内容推送变量；

S4：建模用户与簇头关联变量；

S5：建模用户总传输时延；

S6：建模簇内通信模式总传输时延；

S7：建模蜂窝通信模式总传输时延；

S8：建模用户成簇及传输数据速率限制条件；

S9：基于用户总传输时延最小化确定成簇及内容部署优化策略。

进一步，所述步骤S1具体为：令U＝{UE₁,…,UE_i,…,UE_M}表示网络内具有内容请求的用户集合，其中，UE_i表示第i个请求用户，1≤i≤M，M为请求用户数目，令Φ＝{φ₁,…,φ_k,…,φ_K}表示内容集合，其中，φ_k表示第k个内容，1≤k≤K，K为内容数目；假设用户以不同概率获取内容，令p_i,k∈[0,1]表示用户UE_i对内容φ_k的偏好概率标识，

进一步，所述步骤S2具体为：令α_j∈{0,1}表示簇头选择变量，若α_j＝1，表示将用户UE_j选择为簇头，记为S_j，反之，α_j＝0，1≤j≤M。

进一步，所述步骤S3具体为：蜂窝基站根据用户内容偏好推送内容至簇头，令β_j,k∈{0,1}为簇头S_j的内容推送变量，若β_j,k＝1，表示基站将内容φ_k推送至簇头S_j处，反之，β_j,k＝0。

进一步，所述步骤S4具体为：令δ_i,j∈{0,1}为用户UE_i与簇头S_j的关联变量，若δ_i,j＝1，表示用户UE_i与簇头S_j建立关联，反之，δ_i,j＝0。

进一步，在步骤S5中，建模用户总传输时延D为所有用户的业务传输时延之和，即D＝D^CH+D^CM+D^b，其中，D^CH表示网络中基站向簇头推送内容时对应的传输时延，D^CM表示网络中用户关联簇头获取内容时对应的簇内通信模式传输时延，D^b表示网络中用户关联基站获取内容时对应的蜂窝通信模式总传输时延；建模D^CH为

具体地：根据公式

计算基站向簇头S_j推送内容φ_k时对应的传输时延

其中，C_k表示内容φ_k的大小，

表示基站向簇头S_j推送内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，B表示基站的可用带宽，P^b表示基站的发送功率，

表示基站与簇头S_j之间的链路信道增益，N₀表示噪声功率谱密度。

进一步，在步骤S6中，建模簇内通信模式总传输时延D^CM为

具体地：根据公式

计算用户UE_i关联簇头S_j获取内容φ_k时对应的传输时延，其中，

表示簇内通信模式下用户UE_i关联簇头S_j获取内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，

表示簇头S_j进行簇内通信时的可用带宽，

表示簇头S_j的发送功率，

表示用户UE_i与簇头S_j之间的链路信道增益。

进一步，在步骤S7中，建模蜂窝通信模式总传输时延D^b为

具体地：根据公式

计算蜂窝通信模式下用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的传输时延，其中，

表示用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的数据传输时延，

表示用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的排队时延；

建模用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的数据传输时延

为：

表示蜂窝通信模式下用户UE_i关联基站获取内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，

表示基站与用户UE_i之间的链路信道增益；

建模用户UE_i关联基站获取内容时对应的排队时延

为：

其中，μ^b及λ^b分别表示蜂窝基站的平均服务速率及业务到达速率。

进一步，所述步骤S8具体为：簇头数目限制条件建模为

其中，N表示网络内最大簇头数目；簇内成员数量限制条件建模为

其中，N₀'表示簇头S_j可以关联的最多用户数目；用户关联与簇头选择限制条件建模为δ_i,j≤α_j，即仅当用户UE_j选择为簇头S_j时，用户UE_i与簇头S_j建立关联；用户关联簇头限制条件建模为

即用户UE_i最多可关联一个簇头；簇头缓存容量限制条件建模为

其中，

表示簇头S_j的最大容量；传输数据速率限制条件建模为

其中，R_i表示用户UE_i的传输数据速率，

表示用户UE_i的最低业务传输数据速率，

进一步，在步骤S9中，在满足用户成簇及用户业务需求限制条件下，以用户联合传输时延最小化为目标，优化确定用户成簇及内容部署优化策略，即

本发明的有益效果在于：本发明所述方法综合考虑用户内容偏好，簇头缓存能力及用户业务传输特性，可以在内容部署及用户通信模式关联策略最优条件下实现业务传输时延最小化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为蜂窝网络场景示意图；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提出一种蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署方法，综合考虑用户内容偏好，簇头缓存能力及用户业务传输特性，可实现基于用户业务传输时延优化的蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署。

本发明所述的一种蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署方法，假设在簇内通信模式和蜂窝通信模式共存的蜂窝网络中，两种不同的接入网络之间，以及同一接入网络内部因采用正交多址接入方式，因而信息传输无干扰；该蜂窝网络中存在多个用户，且用户位于簇内通信模式和蜂窝通信模式共存的网络覆盖区域，可选择与合适的网络模式建立关联；建模用户联合传输时延为所有接入网络用户的总业务传输时延之和，基于用户联合时延优化实现簇头选择、内容部署及用户通信模式关联策略。

图1蜂窝网络场景图，蜂窝网络中存在多个内容请求用户，用户通过簇头选择来进行通信，通过优化内容部署以及通信模式关联策略来最小化总业务传输时延。

图2为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明具体包括以下步骤：

1)建模用户内容偏好标识；

建模用户内容偏好标识，令U＝{UE₁,…,UE_i,…,UE_M}表示网络内具有内容请求的用户集合，其中，UE_i表示第i个请求用户，1≤i≤M，M为请求用户数目，令Φ＝{φ₁,…,φ_k,…,φ_K}表示内容集合，其中，φ_k表示第k个内容，1≤k≤K，K为内容数目。假设用户以不同概率获取内容，令p_i,k∈[0,1]表示用户UE_i对内容φ_k的偏好概率标识，

2)建模簇头选择变量；

建模簇头选择变量，具体为：令α_j∈{0,1}表示簇头选择变量，若α_j＝1，表示将用户UE_j选择为簇头，记为S_j，反之，α_j＝0，1≤j≤M。

3)建模簇头内容推送变量；

建模簇头内容推送变量，具体为：蜂窝基站根据用户内容偏好推送内容至簇头，令β_j,k∈{0,1}为簇头S_j的内容推送变量，若β_j,k＝1，表示基站将内容φ_k推送至簇头S_j处，反之，β_j,k＝0。

4)建模用户与簇头关联变量；

建模用户与簇头关联变量，令δ_i,j∈{0,1}为用户UE_i与簇头S_j的关联变量，若δ_i,j＝1，表示用户UE_i与簇头S_j建立关联，反之，δ_i,j＝0。

5)建模用户总传输时延；

建模用户总传输时延D为所有用户的业务传输时延之和，即D＝D^CH+D^CM+D^b，其中，D^CH表示网络中基站向簇头推送内容时对应的传输时延，D^CM表示网络中用户关联簇头获取内容时对应的簇内通信模式传输时延，D^b表示网络中用户关联基站获取内容时对应的蜂窝通信模式总传输时延。建模D^CH为

具体地：根据公式

计算基站向簇头S_j推送内容φ_k时对应的传输时延

其中，C_k表示内容φ_k的大小，

表示基站向簇头S_j推送内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，B_j表示基站向簇头S_j推送内容时的可用带宽，P^b表示基站的发送功率，

表示基站与簇头S_j之间的链路信道增益，N₀表示噪声功率谱密度。

6)建模簇内通信模式传输时延；

建模簇内通信模式传输时延D^CM为

具体地：根据公式

计算用户UE_i关联簇头S_j获取内容φ_k时对应的传输时延，其中，

表示簇内通信模式下用户UE_i关联簇头S_j获取内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，

表示簇头S_j进行簇内通信时的可用带宽，

表示簇头S_j的发送功率，

表示用户UE_i与簇头S_j之间的链路信道增益。

7)建模蜂窝通信模式总传输时延；

建模蜂窝通信模式总传输时延D^b为

具体地：根据公式

计算蜂窝通信模式下用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的传输时延，其中，

表示用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的数据传输时延，

表示用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的排队时延。

建模用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的数据传输时延

为：

表示蜂窝通信模式下用户UE_i关联基站获取内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，B_i表示用户UE_i进行蜂窝通信时的可用带宽，

表示用户UE_i与基站之间的链路信道增益。

建模用户UE_i关联基站获取内容时对应的排队时延

为：

其中，μ^b及λ^b分别表示蜂窝基站的平均服务速率及业务到达速率。

8)建模用户成簇及传输数据速率限制条件；

建模用户成簇及传输数据速率限制条件，具体地：簇头数目限制条件建模为

其中，N表示网络内最大簇头数目；簇内成员数量限制条件建模为

其中，N₀'表示簇头S_j可以关联的最多用户数目；用户关联与簇头选择限制条件建模为δ_i,j≤α_j，即仅当用户UE_j选择为簇头S_j时，用户UE_i与簇头S_j建立关联；用户关联簇头限制条件建模为

即用户UE_i最多可关联一个簇头；簇头缓存容量限制条件建模为

其中，

表示簇头S_j的最大容量；传输数据速率限制条件建模为

其中，R_i表示用户UE_i的传输数据速率，

表示用户UE_i的最低业务传输数据速率，

9)基于用户总传输时延最小化确定成簇及内容部署优化策略。

在满足用户成簇及用户业务需求限制条件下，以用户联合传输时延最小化为目标，优化确定用户成簇及内容部署优化策略，即

综合考虑用户成簇、内容部署及业务需求限定条件，基于用户联合传输时延最小化确定成簇及内容部署策略，即

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种蜂窝D2D通信联合成簇及内容部署方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：建模用户内容偏好标识；

S2：建模簇头选择变量；

S3：建模簇头内容推送变量；

S4：建模用户与簇头关联变量；

S5：建模用户总传输时延；

S6：建模簇内通信模式总传输时延；

S7：建模蜂窝通信模式总传输时延；

S8：建模用户成簇及传输数据速率限制条件；

S9：基于用户总传输时延最小化确定成簇及内容部署优化策略；

所述步骤S1具体为：令U＝{UE₁,…,UE_i,…,UE_M}表示网络内具有内容请求的用户集合，其中，UE_i表示第i个请求用户，1≤i≤M，M为请求用户数目，令Φ＝{φ₁,…,φ_k,…,φ_K}表示内容集合，其中，φ_k表示第k个内容，1≤k≤K，K为内容数目；假设用户以不同概率获取内容，令p_i,k∈[0,1]表示用户UE_i对内容φ_k的偏好概率标识，

所述步骤S2具体为：令α_j∈{0,1}表示簇头选择变量，若α_j＝1，表示将用户UE_j选择为簇头，记为S_j，反之，α_j＝0，1≤j≤M；

所述步骤S3具体为：蜂窝基站根据用户内容偏好推送内容至簇头，令β_j,k∈{0,1}为簇头S_j的内容推送变量，若β_j,k＝1，表示基站将内容φ_k推送至簇头S_j处，反之，β_j,k＝0；

所述步骤S4具体为：令δ_i,j∈{0,1}为用户UE_i与簇头S_j的关联变量，若δ_i,j＝1，表示用户UE_i与簇头S_j建立关联，反之，δ_i,j＝0；

在步骤S5中，建模用户总传输时延D为所有用户的业务传输时延之和，即D＝D^CH+D^CM+D^b，其中，D^CH表示网络中基站向簇头推送内容时对应的传输时延，D^CM表示网络中用户关联簇头获取内容时对应的簇内通信模式传输时延，D^b表示网络中用户关联基站获取内容时对应的蜂窝通信模式总传输时延；建模D^CH为

具体地：根据公式

计算基站向簇头S_j推送内容φ_k时对应的传输时延

其中，C_k表示内容φ_k的大小，

表示基站向簇头S_j推送内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，B表示基站的可用带宽，P^b表示基站的发送功率，

表示基站与簇头S_j之间的链路信道增益，N₀表示噪声功率谱密度；

在步骤S6中，建模簇内通信模式总传输时延D^CM为

具体地：根据公式

计算用户UE_i关联簇头S_j获取内容φ_k时对应的传输时延，其中，

表示簇内通信模式下用户UE_i关联簇头S_j获取内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，

表示簇头S_j进行簇内通信时的可用带宽，

表示簇头S_j的发送功率，

表示用户UE_i与簇头S_j之间的链路信道增益；

在步骤S7中，建模蜂窝通信模式总传输时延D^b为

具体地：根据公式

计算蜂窝通信模式下用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的传输时延，其中，

表示用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的数据传输时延，

表示用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的排队时延；

建模用户UE_i关联基站获取内容φ_k时对应的数据传输时延

为：

表示蜂窝通信模式下用户UE_i关联基站获取内容时对应的传输数据速率，根据公式

建模

其中，

表示基站与用户UE_i之间的链路信道增益；

建模用户UE_i关联基站获取内容时对应的排队时延

为：

其中，μ^b及λ^b分别表示蜂窝基站的平均服务速率及业务到达速率；

所述步骤S8具体为：簇头数目限制条件建模为

其中，N表示网络内最大簇头数目；簇内成员数量限制条件建模为

其中，N₀'表示簇头S_j可以关联的最多用户数目；用户关联与簇头选择限制条件建模为δ_i,j≤α_j，即仅当用户UE_j选择为簇头S_j时，用户UE_i与簇头S_j建立关联；用户关联簇头限制条件建模为

即用户UE_i最多可关联一个簇头；簇头缓存容量限制条件建模为

其中，

表示簇头S_j的最大容量；传输数据速率限制条件建模为

其中，R_i表示用户UE_i的传输数据速率，

表示用户UE_i的最低业务传输数据速率，

在步骤S9中，在满足用户成簇及用户业务需求限制条件下，以用户联合传输时延最小化为目标，优化确定用户成簇及内容部署优化策略，即

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