CN109600793B - 基于社会关系的d2d通信动态中继选择方法 - Google Patents

基于社会关系的d2d通信动态中继选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于移动通信动态组网技术领域，具体来说是基于社会关系的D2D通信动态中继选择方法。本发明涉及D2D中继、Lyapunov Optimization、能量效率(Energy Efficiency)等理论框架。本发明基于社会关系，在正交频分多址(OFDM)上行链路场景下，提出综合考虑物理层和社会层影响的能量效率收益函数，并增加时间平均最小速率约束，使用Lyponov Optimization优化框架来分析此长期非线性约束下的动态优化问题。相比于传统的静态优化目标中继选择方案，本发明在系统物理性能和社会关系间达到更好的平衡，且在长期性能的优化上更为稳定与高效。

Description

基于社会关系的D2D通信动态中继选择方法
技术领域
本发明属于移动通信动态组网技术领域，具体来说是基于社会关系的D2D通信动态中继选择方法。本发明涉及D2D中继、Lyapunov Optimization、能量效率(EnergyEfficiency)等理论框架。
背景技术
D2D(Device-to-Device)通信技术成为下一代蜂窝移动通信系统应对不断增加的智能终端移动设备及相关应用程序高速数据传输需求的前景技术之一。相较于传统依靠基站进行数据转发的通信方式，D2D通信直接在用户与D2D对设备间建立通信链路而无需基站转发，这大大降低了通信时延并一定程度缓解基站的通信网络负载。基于D2D通信技术，针对边缘蜂窝用户的D2D中继技术被提出，其主要思想是依靠D2D对设备作为中继节点，为远离中心基站的边缘蜂窝用户进行数据转发，在一定条件下可提高边缘蜂窝用户的通信质量。D2D中继的关键技术在于中继选择问题，即如何为多个边缘蜂窝用户分配中继节点来达到所需求的系统性能，目前D2D中继系统优化目标主要考虑系统吞吐量、能量效率、通信时延等方面。如此的优化目标大多集中在物理层，虽然可达到理论最优性能，但忽略了作为D2D对设备使用者与蜂窝用户间社会关系的影响，这导致实际应用中社会关系较差的用户间出现限制或者拒绝中继服务现象，使得实际系统性能远低于理论性能。本发明提出基于社会关系的能量效率中继选择系统优化目标，这可综合考虑物理层和社会层的影响，并在一定程度上提高数据传输的隐私性。
Lyponov Optimization是针对系统状态随时间动态变化的优化问题的分析方法。在要求系统长期性能达到最优的情况下，因为前一时刻的状态可能会影响下一时刻的优化选择，传统的瞬时静态优化分析方法无法很好解决如此问题。Lyponov Optimization基于Markov分析框架，将之前时刻的状态信息累积到当前时刻的系统目标函数中，使得当前时刻的优化目标考虑之前时刻的影响，从而达到对动态系统目标的长期优化效果。在D2D通信中继场景下，由于边缘蜂窝用户和中继D2D对设备不断移动，设备间的相对位置和信道状况等均随时间动态变化，且当前的中继选择会对下一时刻的中继方案产生影响，因此本发明基于Lyponov Optimization理论框架来分析D2D动态中继选择问题，在满足所给约束的同时达到系统长期性能的稳定优化。
发明内容
本发明基于社会关系，在正交频分多址(OFDM)上行链路场景下，提出综合考虑物理层和社会层影响的能量效率收益函数，并增加时间平均最小速率约束，使用LyponovOptimization优化框架来分析此长期非线性约束下的动态优化问题。相比于传统的静态优化目标中继选择方案，本发明在系统物理性能和社会关系间达到更好的平衡，且在长期性能的优化上更为稳定与高效。
基于社会关系的能量效率收益函数将用户间的社会关系作为权值因子，用于调节中继功率与带宽分配，从而体现社会层对中继选择的影响。具体地，考虑带有一中心基站的蜂窝小区，其中具有上行链路通信需求的边缘蜂窝用户集合定义为
Figure BDA0001917373930000021
可作为中继节点的D2D对设备集记为
Figure BDA0001917373930000022
由于边缘用户也可不通过中继直接与基站通信，为此，特别地，定义基站为中继节点
Figure BDA0001917373930000023
则边缘蜂窝用户的中继选择集合为
Figure BDA0001917373930000024
集合大小为M+1。考虑边缘蜂窝用户与D2D对中继设备为一对一关系，即同一时刻同一中继转发设备仅可为一个边缘用户转发数据，显然选基站作为”中继节点”直接发送时则无此限制。
为考虑社会层对中继选择的影响，引入社会关系权值的概念，并定义社会关系矩阵为w＝(wij)N×(M+1)，
Figure BDA0001917373930000025
表示第i个边缘用户与第j个中继节点间的社会关系，其取值范围为
Figure BDA0001917373930000026
特别地，定义
Figure BDA0001917373930000027
即边缘用户完全信任基站，社会关系权值为1.
当边缘蜂窝用户
Figure BDA0001917373930000028
选择某一D2D对设备
Figure BDA0001917373930000029
作为中继时，边缘蜂窝用户转发速率可表示为
Figure BDA00019173739300000210
其中，
Figure BDA00019173739300000211
表示蜂窝用户
Figure BDA00019173739300000212
分配给D2D对设备
Figure BDA00019173739300000213
用于中继转发的带宽，本发明考虑中继设备使用蜂窝用户的部分带宽来转发数据；
Figure BDA0001917373930000031
表示中继设备
Figure BDA0001917373930000032
用于帮助蜂窝用户
Figure BDA0001917373930000033
进行转发的功率，考虑中继设备使用自身部分功率来转发数据；
Figure BDA0001917373930000034
表示蜂窝用户的发送功率谱密度；hij,hj0分别表示源节点到中继节点、中继到基站的信道参数；由于蜂窝用户上行链路使用正交频分多址，而中继设备转发使用蜂窝用户部分频段，且考虑源节点到中继、中继到基站两部分通信链路使用时分双工(TDD)，因此D2D中继链路仅受背景噪声干扰，背景噪声功率谱密度记为N0；乘子0.5是考虑到TDD对平均转发速率的影响。
当边缘蜂窝用户
Figure BDA0001917373930000035
选择基站
Figure BDA0001917373930000036
作为中继节点直接发送时，其发送速率Ri0为
Figure BDA0001917373930000037
另一方面，中继设备进行转发需要牺牲自身部分功率
Figure BDA0001917373930000038
而其转发收益为蜂窝用户的部分带宽，可用于自身数据传输。中继设备的转发收益即可获得的自身数据传输速率
Figure BDA0001917373930000039
为
Figure BDA00019173739300000310
其中，
Figure BDA00019173739300000311
表示中继设备
Figure BDA00019173739300000312
的转发收益即获得的用于自身数据转发的蜂窝用户
Figure BDA00019173739300000313
部分带宽；
Figure BDA00019173739300000314
表示牺牲部分转发功率后余下的自身传输功率；gj表示D2D对收发设备间的信道参数。
据上，中继过程边缘蜂窝用户的转发代价为部分带宽，转发收益为中继节点的部分功率；中继节点的转发代价为部分功率，转发收益为获得蜂窝用户的部分带宽。为考虑社会层的影响，源节点
Figure BDA00019173739300000315
与中继节点
Figure BDA00019173739300000316
间的信道带宽与功率分配由社会关系决定，具体如下式所示
Figure BDA0001917373930000041
其中，BC表示每个蜂窝用户的信道带宽；pd表示每个中继节点的发送功率。
由于蜂窝用户和中继D2D对设备均随时间不断移动，为研究优化长期动态系统性能，引入帧结构的概念，定义蜂窝用户
Figure BDA0001917373930000042
发送数据更新的时刻为
Figure BDA0001917373930000043
其中，更新数据时隙定义为一帧，Ti[r]＝ti[r]-ti[r-1]定义为蜂窝用户
Figure BDA0001917373930000044
第r帧的帧长。第r帧初始时刻定义系统状态为S[r]＝(xC[r],xd[r],Q[r])，
Figure BDA0001917373930000045
为边缘蜂窝用户的位置向量，
Figure BDA0001917373930000046
表示第r帧初始时刻用户
Figure BDA0001917373930000047
的横纵坐标；类似的，
Figure BDA0001917373930000048
表示第r帧初始时刻中继转发设备的位置向量，特别地，定义基站位置
Figure BDA0001917373930000049
表示每个蜂窝用户第r帧需要发送的数据量。系统状态S[r]映射行动策略a[r]＝[a1[r],a2[r],...aN[r]]，其中ai[r]表示第r帧用户
Figure BDA00019173739300000410
的中继选择，
Figure BDA00019173739300000411
据上，基于社会关系的能量效率收益函数可表示为
Figure BDA00019173739300000412
进一步定义瞬时系统目标函数为
Figure BDA00019173739300000413
为考虑长期优化性能，定义时间帧平均系统目标函数为
Figure BDA0001917373930000051
增加蜂窝用户的时间平均速率约束后，基于社会关系的D2D通信中继选择优化问题可表示为
Figure BDA0001917373930000052
其中，A[r]＝(a[1],a[2],...a[r])表示直到第r帧每帧的行动策略集合；
Figure BDA0001917373930000053
表示蜂窝用户
Figure BDA0001917373930000054
的时间帧平均数据量，
Figure BDA0001917373930000055
表示蜂窝用户
Figure BDA0001917373930000056
的平均帧长，两者相除即为时间帧平均速率；
Figure BDA0001917373930000057
为
Figure BDA0001917373930000058
最小速率阈值。
考虑到中继设备自身发送速率的约束，进一步增加中继节点时间帧平均速率约束，构成优化问题(P2)如下
Figure BDA0001917373930000059
其中，
Figure BDA00019173739300000510
表示中继设备
Figure BDA00019173739300000511
的时间帧平均速率，当某一帧内中继节点不被任何边缘蜂窝用户选择时，其速率
Figure BDA00019173739300000512
设为最小速率阈值
Figure BDA00019173739300000513
中继节点为基站时无速率约束。
由于(P1)、(P2)为长期动态优化问题且上一时刻的状态会影响下一时刻的优化选择，因此传统的静态(逐帧)优化方法已无法很好解决上述问题，本发明使用LyponovOptimization理论框架来分析优化此中继选择问题。其主要思想在于构建与约束相关的虚拟序列(virtual queue)，虚拟序列值随帧更新，更新式为
Figure BDA0001917373930000061
获得虚拟序列后，根据Lyponov Optimization理论，可转化(P1)、(P2)问题为
Figure BDA0001917373930000062
其中，V为调节算法收敛速度与约束条件满足性间平衡的可调参数。基于LyponovOptimization，对上述问题求解的方法为：
S1、初始化输入参数S[r]，
Figure BDA0001917373930000063
S2、计算不同中继选择策略下的相关参数如Fi[r]，Ti[r]，
Figure BDA0001917373930000064
等
S3、根据(13)式分别发现(P1)、(P2)最优中继选择策略a[r]
S4、由(12)式更新虚拟序列
Figure BDA0001917373930000065
S5、若达到设定最大帧数则停止迭代，否则返回S2继续下一帧的中继选择优化.
本发明的技术方案综合考虑物理层和社会层对中继选择的影响，构建基于社会关系的能量效率收益函数，并且考虑到移动通信系统长期动态性能，进一步建立时间帧平均系统目标函数，使用Lyponov Optimization理论框架分析解决此优化问题，得到基于社会关系的D2D通信动态中继选择方案。本发明的有益效果是：基于社会关系的中继选择策略在物理性能和社会关系上取得更好的平衡，且动态优化使得系统的长期性能更为稳定和高效。
附图说明
图1是在不同D2D中继设备最大发送功率下不同中继选择方案的帧平均能量效率对比图，其中，“Peer selection for P1”、“Peer selection for P2”代表本发明方案下的中继选择性能；“Branch and Bound”表示静态(逐帧)优化的中继方案；“Randomselection”代表随机选择中继方案；“Direct uplink”表示直接发送给基站方案；
图2、图3分别是不同中继设备最大发送功率下不同中继选择方案下边缘蜂窝用户的时间帧平均速率及中继设备的时间帧平均速率对比图；
图4是不同中继选择方案的平均社会关系对比仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实例，详细描述本发明的技术方案：
本例中，设蜂窝小区半径为500m，边缘蜂窝用户数量N＝10，中继设备数量M＝20；边缘蜂窝用户分布范围为离中心基站[400,500]m，中继D2D对设备分布范围为[100,300]m，同一D2D对收发设备间的通信距离范围为[50,100]m；蜂窝用户发送功率谱密度
Figure BDA0001917373930000071
信道带宽BC＝0.18MHz，D2D中继设备最大发送功率pd＝23dBm，背景噪声功率谱密度N0＝-174dBm/Hz，信道模型采用对数正态阴影模型(Log-Normal ShadowingModel)，每帧数据量Qi[r]服从均值为1000kbps的泊松分布；用户移动模型采用高斯-马尔科夫模型(Gauss-Markov Mobile Model)；边缘蜂窝用户与中继节点间的社会关系服从均值为0.5的高斯分布；为简化分析，仿真时设定所有边缘蜂窝用户的帧平均最小速率约束为相同值
Figure BDA0001917373930000072
中继设备的帧平均最小速率为
Figure BDA0001917373930000073
具体步骤如下:
步骤一：输入初始化参数，获得各节点在帧初始时刻时的系统状态信息.
步骤二：根据公式计算相关参数，由Lyponov Optimization理论框架转化原问题到(13)式的形式.
步骤三：发现(13)式的最优解，获得当前帧下的最优中继选择策略.
步骤四:由(12)式更新虚拟序列，并更新用户位置信息.
步骤五：若达到所设定的最大帧数则停止迭代，否则，回到步骤一继续迭代过程来获得下一帧的中继选择策略.
通过仿真图可以看出，在不同D2D对中继设备最大发送功率条件下，相较于其它中继选择方案，本发明在满足边缘蜂窝用户帧平均最小速率约束和中继设备帧平均最小速率的同时，在能量效率和社会关系间取得较好的平衡。总体上，基于社会关系的D2D通信动态中继选择方法可以在物理性能和社会关系上达到长期稳定的性能优化。

Claims (1)

1.基于社会关系的D2D通信动态中继选择方法，该方法用于具有中心基站的蜂窝小区，其中具有上行链路通信需求的边缘蜂窝用户集合定义为
Figure FDA0002956277950000011
可作为中继节点的D2D对设备集记为
Figure FDA0002956277950000012
定义基站为中继节点
Figure FDA0002956277950000013
则边缘蜂窝用户的中继选择集合为
Figure FDA0002956277950000014
集合大小为M+1；其特征在于，包括以下步骤：
S1、引入帧结构的概念，建立系统目标函数，包括：
定义蜂窝用户
Figure FDA0002956277950000015
发送数据更新的时刻为：
Figure FDA0002956277950000016
Figure FDA0002956277950000017
其中，更新数据时隙定义为一帧，Ti[r]＝ti[r]-ti[r-1]定义为蜂窝用户
Figure FDA0002956277950000018
第r帧的帧长；Qi[r]表示第i个蜂窝用户第r帧需要发送的数据量，
Figure FDA0002956277950000019
表示第r帧蜂窝用户
Figure FDA00029562779500000110
选择D2D对中继节点
Figure FDA00029562779500000111
时的转发速率；第r帧初始时刻定义系统状态为S[r]＝(xC[r],xd[r],Q[r])，
Figure FDA00029562779500000112
为边缘蜂窝用户的位置向量，
Figure FDA00029562779500000113
表示第r帧初始时刻用户
Figure FDA00029562779500000114
的横纵坐标；类似的，
Figure FDA00029562779500000115
表示第r帧初始时刻中继转发设备的位置向量，定义基站位置
Figure FDA00029562779500000116
Q[r]＝[Q1[r],Q2[r],...QN[r]]表示每个蜂窝用户第r帧需要发送的数据量；系统状态S[r]映射行动策略a[r]＝[a1[r],a2[r],…aN[r]]，其中ai[r]表示第r帧用户
Figure FDA00029562779500000117
的中继选择，
Figure FDA00029562779500000118
定义基于社会关系的能量效率收益函数为：
Figure FDA00029562779500000119
其中
Figure FDA00029562779500000120
表示蜂窝用户的发送功率谱密度，
Figure FDA00029562779500000121
表示蜂窝用户
Figure FDA00029562779500000122
选择中继节点
Figure FDA00029562779500000123
时用于数据转发的分配带宽；
定义瞬时系统目标函数为：
Figure FDA0002956277950000021
定义时间帧平均系统目标函数为：
Figure FDA0002956277950000022
S2、建立基于蜂窝用户的时间平均速率约束的优化问题为：
Figure FDA0002956277950000023
Figure FDA0002956277950000024
其中，A[r]＝(a[1],a[2],...a[r])表示直到第r帧每帧的行动策略集合；
Figure FDA0002956277950000025
表示蜂窝用户
Figure FDA0002956277950000026
的时间帧平均数据量，
Figure FDA0002956277950000027
表示蜂窝用户
Figure FDA0002956277950000028
的平均帧长，两者相除即为时间帧平均速率；
Figure FDA0002956277950000029
为
Figure FDA00029562779500000210
最小速率阈值；
S3、进一步，建立增加考虑基于中继节点时间帧平均速率约束的优化问题为：
Figure FDA00029562779500000211
Figure FDA00029562779500000212
Figure FDA00029562779500000213
其中，
Figure FDA00029562779500000214
表示中继设备
Figure FDA00029562779500000215
的时间帧平均速率，
Figure FDA00029562779500000216
表示第τ帧D2D对设备
Figure FDA00029562779500000217
被蜂窝用户
Figure FDA00029562779500000218
选为中继节点时的自身发送速率，当某一帧内中继节点不被任何边缘蜂窝用户选择时，其速率
Figure FDA00029562779500000219
设为最小速率约束阈值
Figure FDA00029562779500000220
中继节点为基站时无速率约束；
S4、构建与约束相关的虚拟序列
Figure FDA00029562779500000221
虚拟序列值随帧更新，更新式为：
Figure FDA0002956277950000031
Figure FDA0002956277950000032
S5、根据步骤S4构建的虚拟序列，将步骤S2和步骤S3建立的优化问题转化为：
Figure FDA0002956277950000033
Figure FDA0002956277950000034
其中，V为调节算法收敛速度与约束条件满足性间平衡的可调参数；
S6、求解步骤S5建立的优化问题获得最优解，得到当前帧下的最优中继选择策略a[r]，根据步骤S4的更新公式，更新虚拟序列，并更新用户位置信息，以最大预设帧数为迭代条件，若达到所设定的最大帧数则停止迭代，否则，重复迭代过程来获得下一帧的中继选择策略。
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