CN111669834B - 毫米波蜂窝网络中基于d2d辅助的资源分配方法 - Google Patents

毫米波蜂窝网络中基于d2d辅助的资源分配方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111669834B
CN111669834B CN202010640138.3A CN202010640138A CN111669834B CN 111669834 B CN111669834 B CN 111669834B CN 202010640138 A CN202010640138 A CN 202010640138A CN 111669834 B CN111669834 B CN 111669834B
Authority
CN
China
Prior art keywords
link
sbs
mth
nth
relay
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010640138.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111669834A (zh
Inventor
桂劲松
戴湘文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN202010640138.3A priority Critical patent/CN111669834B/zh
Publication of CN111669834A publication Critical patent/CN111669834A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111669834B publication Critical patent/CN111669834B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/04—Wireless resource allocation
    • H04W72/044—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource
    • H04W72/0473—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource the resource being transmission power
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/06—Testing, supervising or monitoring using simulated traffic
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/70—Services for machine-to-machine communication [M2M] or machine type communication [MTC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法，包括获取毫米波蜂窝网络的网络通信参数；建立接入与回程资源联合分配优化子问题和D2D接入与转发链路资源联合分配优化子问题；采用博弈模型对子问题进行建模；对建立的博弈模型进行求解得到最终的资源分配结果。本发明将资源分配优化问题分解成两个子问题来降低问题的复杂度，并将子问题分别构建成了新的非合作博弈并设计了算法进行求解；因此，本发明方法不仅能够实现毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配，而且方法复杂度较低，可靠性较高且效果较好。

Description

毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法。
背景技术
在第五代移动通信网络时代，移动数据流量呈指数增长。为了能够更好地应对这种增长，研究者们已经提出了许多方案来增加网络容量。进一步密集化部署毫米波频段的无线网络，并结合大规模多输入多输出技术与波束成形技术，可以提供一个能够实现每秒千兆比特吞吐量的技术方案。然而，由于毫米波信号传播的路径损耗大、易受阻挡影响等特性，增加了使用毫米波的相关方案来解决这个问题的难度。为了能够同时保证较高的网络容量和用户的一致性体验，需要密集部署毫米波网络基础设施以提高链路的LOS概率。但是由于网络密度的增加，有线光纤回程方案将变得不可行。其原因在于，密集的蜂窝网络需要大量回程，而使用有线光纤回程将会大大增加开销。在这样的情形下，无线自回程成为了一个极具吸引力的替代方案。在该方案中公共无线电频谱既用于接入传输也用于回程传输。因此可以减少甚至避免对有线回程的需求。
在带无线回程的超密集毫米波蜂窝网络中，由于接入链路与回程链路成对存在并且共用毫米波频段，因此会存在资源的竞争问题。如何合理地分配资源从而使得网络吞吐量或者网络能量效率尽可能高在近些年引起了许多研究者们的关注，其中也不乏对超密集毫米波网络中的资源分配方案进行研究的工作。但是，在接入端，由于用户设备(UserEquipment，UE)位置的随机性变动，NLOS(Non-line-of-sight，非视距)链路和LOS(Line-of-sight，视距)链路都可能存在。当遇到NLOS情况时，传输链路的能量效率将显著降低。然而，利用空闲的UE进行辅助，有可能用多段LOS链路构成的路径来替代NLOS链路，从而解决这个阻挡问题。被阻挡UE与空闲UE之间的通信模式即为D2D(Device-to-device，设备对设备)通信模式，其相关技术已成为下一代蜂窝网络中的一个关键技术，并且由于它固有的物理邻近性和频谱重用增益，使得它有缓解频谱的不足、降低能量消耗和减轻蜂窝通信的流量负担的作用。
虽然将D2D通信技术应用到带无线回程的超密集毫米波蜂窝网络之中具有潜在的发展前景，但是它也带来了新的问题。对于使用D2D通信的接入端而言，不同的资源分配结果对网络能量效率有着重大影响；而且，在引入D2D通信之后，无论是网络环境还是资源分配问题的复杂度都是有所增加。因此，如何在引入D2D通信技术后解决通信资源的分配问题，就成为了重中之重。
但是，目前的通信资源分配方案，其效果较为不理想，而且复杂性极高，严重影响了D2D通信技术在带无线回程的超密集毫米波蜂窝网络中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂度较低、可靠性较高且效果较为理想的毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法。
本发明提供的这种毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法，包括如下步骤：
S1.获取毫米波蜂窝网络的网络通信参数；
S2.建立接入与回程资源联合分配优化子问题；
S3.建立D2D接入与转发链路资源联合分配优化子问题；
S4.采用博弈模型对步骤S2和步骤S3得到的子问题进行建模；
S5.对步骤S4建立的博弈模型进行求解，从而得到最终的毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配结果。
步骤S2所述的建立接入与回程资源联合分配优化子问题，具体为采用如下模型作为接入与回程资源联合分配优化子问题：
Figure BDA0002571221560000031
式中tta为含有元素
Figure BDA0002571221560000032
的1×M维矩阵；pu为含有元素
Figure BDA0002571221560000033
和
Figure BDA0002571221560000034
的1×Ntra维矩阵；
Figure BDA0002571221560000035
为第m个SBS(Small Base Station，小基站)的接入传输时间；
Figure BDA0002571221560000036
为第n个UE到第m个SBS的接入链路或第n个UE到第r个中继UE的D2D链路的传输功率；
Figure BDA0002571221560000037
为第r个中继UE的转发功率；Ef为中间能量效率，且
Figure BDA0002571221560000038
Figure BDA0002571221560000039
为第m个SBS的接入吞吐量，
Figure BDA00025712215600000310
Figure BDA00025712215600000311
为第m个SBS的索引号；
Figure BDA00025712215600000312
为第m个SBS在时间段
Figure BDA00025712215600000313
中的接入链路吞吐量，且
Figure BDA00025712215600000314
W为带宽；Nm为与第m个SBS关联的UE节点的集合；sgn(Dn)为符号函数，且当Dn＞0时sgn(Dn)＝1，Dn＝0时sgn(Dn)＝0，Dn＜0时sgn(Dn)＝-1；Dn为第n个UE是否选择D2D通信的标志变量，若取1，则表示第n个UE是选择了D2D通信，若取0，则表示它没有选择D2D通信；Rm为第m个SBS覆盖区内所有中继UE的集合；
Figure BDA0002571221560000041
为在时间段
Figure BDA0002571221560000042
中，第n个UE到第m个SBS的接入链路在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000043
中的信号干扰噪比值估算值，且
Figure BDA0002571221560000044
Figure BDA0002571221560000045
为第n个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000046
为第n个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000047
为第n个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000048
为第n个UE到第个m SBS的接入链路中，在时间段
Figure BDA0002571221560000049
中，受到除列表L中索引小于i的SBS外的所有剩余SBS的接入链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600000410
列表L为所有的SBS的接入传输时间按照从小到大的顺序重新排列得到
Figure BDA00025712215600000411
后，所对应的SBS的索引列表；Mi为在列表L中索引小于i的所有SBS的集合；Nm'为所有与第m'个SBS连接的UE的集合；
Figure BDA00025712215600000412
为第n'个UE到第m个SBS的接入链路或第n'个UE到第r个UE的D2D链路的传输功率；
Figure BDA00025712215600000413
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600000414
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000415
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600000416
为第n个UE到第m个SBS的接入链路中，在时间段
Figure BDA00025712215600000417
中，受到列表L中索引小于i的所有SBS的回程链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600000418
Figure BDA00025712215600000419
为第m'个SBS在回程链路上的发射功率；
Figure BDA00025712215600000420
为第m'个SBS到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600000421
为第m'个SBS到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000422
为第m'个SBS到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600000423
为任意一个第m'个SBS，m'∈M\Mi，在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600000424
中，受到的除列表Lm'中索引小于j的所有其它属于集合Rm'的中继UE的D2D链路对从第n个UE到第m个SBS的接入链路造成的干扰，且
Figure BDA0002571221560000051
Figure BDA0002571221560000052
为任意一个第m'个SBS，m'∈M\Mi，在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000053
中，列表Lm'中索引小于j的所有属于集合Rm'的中继UE的转发链路会对从第n个UE到第m个SBS的接入链路造成的干扰，且
Figure BDA0002571221560000054
Figure BDA0002571221560000055
为与第m'个SBS相连并在列表Lm'中索引小于j的中继UE的集合；
Figure BDA0002571221560000056
为第r'个中继UE的发射功率；
Figure BDA0002571221560000057
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000058
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000059
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的接收增益；N0为背景噪声功率谱密度；
Figure BDA00025712215600000510
为第m个SBS，在时间段
Figure BDA00025712215600000511
中的接入路径的吞吐量，且
Figure BDA00025712215600000512
Figure BDA00025712215600000513
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的D2D链路的吞吐量，且
Figure BDA00025712215600000514
Figure BDA00025712215600000515
为第m个SBS覆盖区内第r个中继UE的索引号；
Figure BDA00025712215600000516
为每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600000517
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路的SINR值，且
Figure BDA00025712215600000518
Figure BDA00025712215600000519
为第n个UE到第r个中继UE的链路的发射增益，且
Figure BDA00025712215600000520
Figure BDA00025712215600000521
Figure BDA00025712215600000522
为第n个UE的波束宽度；ξ为旁瓣增益；
Figure BDA00025712215600000523
为第n个UE的发射波束中心线与从第n个UE到第r个中继UE的连线之间的夹角；
Figure BDA0002571221560000061
为第n个UE到第r个中继UE的链路的信道增益，且
Figure BDA0002571221560000062
Figure BDA0002571221560000063
为对应链路的振幅，且
Figure BDA0002571221560000064
λ为波长；δ()为狄拉克三角函数；τn,r为对应链路的传输延迟，且
Figure BDA0002571221560000065
dn,r为第n个UE到第r个中继UE的距离；c为光速；
Figure BDA0002571221560000066
为第n个UE到第r个中继UE的链路的接收增益，且
Figure BDA0002571221560000067
Figure BDA0002571221560000068
Figure BDA0002571221560000069
为第r个中继UE的波束宽度；
Figure BDA00025712215600000610
为第r个中继UE的接收波束中心线与从第n个UE到第r个中继UE的连线之间的夹角；
Figure BDA00025712215600000611
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600000612
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自接入链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600000613
Figure BDA00025712215600000614
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600000615
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000616
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600000617
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600000618
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自D2D链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600000619
Figure BDA00025712215600000620
为第m'个UE到第r个中继UE的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600000621
为第m'个UE到第r个中继UE的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000622
为第m'个UE到第r个中继UE的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600000623
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600000624
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自转发链路的干扰，且
Figure BDA0002571221560000071
Figure BDA0002571221560000072
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000073
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000074
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000075
为在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000076
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自回程链路的干扰，且
Figure BDA0002571221560000077
Figure BDA0002571221560000078
为第r'个UE到第r个中继UE的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000079
为第r'个中继UE到第r个中继UE的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000710
为第r'个中继UE到第r个中继UE的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600000711
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的转发链路的吞吐量，且
Figure BDA00025712215600000712
Figure BDA00025712215600000713
为第m个SBS覆盖区内第r个中继UE的索引号；
Figure BDA00025712215600000714
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600000715
中第r个中继UE到第m个SBS的转发链路的SINR估算值，且
Figure BDA00025712215600000716
Figure BDA00025712215600000717
为第r个中继UE到第m个SBS的转发链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600000718
为第r个中继UE到第m个SBS的转发链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000719
为第r个中继UE到第m个SBS的转发链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600000720
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600000721
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自接入链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600000722
Figure BDA00025712215600000723
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600000724
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000725
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000081
为在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000082
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自D2D链路的干扰，且
Figure BDA0002571221560000083
Figure BDA0002571221560000084
为第m'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000085
为第m'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000086
为第m'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000087
为在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000088
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自转发链路的干扰，且
Figure BDA0002571221560000089
Figure BDA00025712215600000810
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600000811
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000812
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600000813
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600000814
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自回程链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600000815
Figure BDA00025712215600000816
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600000817
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600000818
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600000819
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入链路的能量消耗，且
Figure BDA00025712215600000820
Figure BDA00025712215600000821
为第m个SBS的接入传输时间；PRF为射频链的能量消耗；
Figure BDA00025712215600000822
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入路径的能量消耗，且
Figure BDA00025712215600000823
Figure BDA00025712215600000824
为在一个调度周期内，第m个SBS的回程链路的能量消耗，且
Figure BDA00025712215600000825
Figure BDA00025712215600000826
为第m个SBS在回程链路上的发射功率。
步骤S3所述的建立D2D接入与转发链路资源联合分配优化子问题，具体为采用如下模型作为接入与回程资源联合分配优化子问题：
Figure BDA0002571221560000091
式中tD2D为包含元素
Figure BDA0002571221560000092
的1×R维矩阵；pu为包含元素对
Figure BDA0002571221560000093
的2×R维矩阵；Er为所有接入路径的平均吞吐量，且
Figure BDA0002571221560000094
Figure BDA0002571221560000095
为D2D接入吞吐量，且
Figure BDA0002571221560000096
Figure BDA0002571221560000097
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的D2D链路的吞吐量，且
Figure BDA0002571221560000098
Figure BDA0002571221560000099
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入链路的回程链路的能量消耗，且
Figure BDA00025712215600000910
步骤S4所述的采用博弈模型对步骤S2和步骤S3得到的子问题进行建模，具体为采用如下步骤进行建模：
A.将步骤S2得到的子问题P1建模为非合作博弈模型
Figure BDA00025712215600000911
作为第一阶段博弈；集合K1的所有元素为{1,2,...,M,M+1,...,K1}，表示所有参与者的集合，且集合元素中K1＝M+Ntra；Ntra为所有源UE的数量；当一个源UE选择使用D2D通信时，它会将自己获得的接入资源让给D2D中继使用，因此，未使用D2D通信的源UE和所有中继UE的数量之和同样为Ntra；
Figure BDA00025712215600000912
为第k个参与者可用的行动策略集合，
Figure BDA00025712215600000913
为第k个参与者的效用函数，且
Figure BDA0002571221560000101
η1为惩罚系数；φ(x,y)为惩罚函数，且当x＜y时φ(x,y)＝-1，当x≥y时φ(x,y)＝0；对于第k个参与者，若1≤k≤M则该参与者认定为SBS且行动策略为
Figure BDA0002571221560000102
若M+1≤k≤M+R则该参与者认定为中继UE且行动策略为
Figure BDA0002571221560000103
若M+R+1≤k≤K1则该参与者认定为未使用D2D通信的源UE且行动策略为
Figure BDA0002571221560000104
再定义
Figure BDA0002571221560000105
表示最大能量效率；
B.将步骤S3得到的子问题P2建模为非合作博弈
Figure BDA0002571221560000106
作为第二阶段博弈；集合K2的所有元素为K2＝{1,2,...,K2}，为所有参与者的集合，K2＝2R；
Figure BDA0002571221560000107
为第k个参与者可用的行动策略集合，
Figure BDA0002571221560000108
为第k个参与者的效用函数，且
Figure BDA0002571221560000109
η2为惩罚系数；对于第k个参与者，若1≤k≤R则该参与者认定为中继UE且行动策略为
Figure BDA00025712215600001010
若R+1≤k≤K2则该参与者认定为源UE且行动策略为
Figure BDA00025712215600001011
步骤S5所述的对步骤S4建立的博弈模型进行求解，具体为采用如下步骤进行求解：
第一阶段博弈：
步骤1.1：对于第一阶段博弈的每个参与者，若它是SBS，则将它的接入传输时间设置为集合
Figure BDA00025712215600001012
中的最小值
Figure BDA00025712215600001013
若它是UE，则将它的发射功率设置为集合pu中的最小发射功率；进入步骤1.2；
步骤1.2：设置t1为第一阶段博弈的迭代次数变量并初始化为0；设置k1为第一阶段博弈的参与者的指代变量并初始化为1；进入步骤1.3；
步骤1.3：判断k1是否不大于参数K1；若是，则进入步骤1.4，否则进入步骤1.6；K1为第一阶段博弈的参与者数量；
步骤1.4：对于第k1个参与者，在保持其它参与者策略不变的情况下，从其行动策略中找出能使它获得最大效用值的行动策略，进入步骤1.5；
步骤1.5：更新第t1次迭代中的第k1个参与者的最大效用值策略，记为
Figure BDA0002571221560000111
k1自身加1，返回步骤1.3；
步骤1.6：t1自身加1，进入步骤1.7；
步骤1.7：若第一阶段博弈的所有参与者的效用值在策略改变前后的变化比值小于第一预设值，进入步骤1.8；否则k1重置为1，返回步骤1.3；
第二阶段博弈：
步骤1.8：对于第二阶段博弈的每个参与者，若它是源UE，则将它的接入传输时间设置为集合
Figure BDA0002571221560000112
中的最小值
Figure BDA0002571221560000113
并将它的发射功率设置为集合pu中的最小发射功率；若它是中继UE，则维持它前期的发射功率不变；进入步骤1.9；
步骤1.9：设置t2为第二阶段博弈的迭代次数变量并初始化为0；设置k2为第二阶段博弈的参与者指代变量并初始化为1；进入步骤1.10；
步骤1.10：判断k2是否不大于参数K2；若是，则进入步骤1.11，否则进入步骤1.13；K2为第二阶段博弈的参与者数量；
步骤1.11：对于第k2个参与者，在保持其它参与者策略不变的情况下，从其行动策略中找出能使它获得最大效用值的行动策略，进入步骤1.12；
步骤1.12：更新第t2次迭代中的第k2个参与者的最大效用值策略，记为
Figure BDA0002571221560000114
k2自身加1，返回步骤1.10；
步骤1.13：t2自身加1，进入步骤1.14；
步骤1.14：若第二阶段所有参与者的效用值在策略改变前后的变化比值小于第二预设值，则算法结束；否则k2重置为1，返回步骤1.10。
本发明提供的这种毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法，通过将资源分配优化问题分解成两个子问题来降低问题的复杂度，使用中继UE代替源UE，在不考虑D2D链路的情况进行第一轮资源分配，从而确定每个SBS的接入传输时间和未使用D2D通信的UE与中继UE的传输功率，然后再对接入路径进行资源分配以确定源UE的传输功率和中继UE的最终传输功率与D2D传输时间；通过两个子问题，本发明能够在考虑到两种接入情况的同时确定所有的网络参数；同时，本发明方法将子问题分别构建成了新的非合作博弈并设计了算法进行求解，设计了一个基于D2D通信的集中式资源分配算法来求博弈的纯策略纳什均衡，这样便大大降低了求解的复杂度；因此，本发明方法不仅能够实现毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配，而且方法复杂度较低，可靠性较高且效果较好。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法的实施例的随着SBS数量变化的网络能量效率变化趋势示意图。
图3为本发明方法的实施例的随着SBS数量变化的网络总速率变化趋势示意图。
图4为本发明方法的实施例的随着SBS半径变化的网络能量效率变化趋势示意图。
图5为本发明方法的实施例的随着SBS半径变化的网络总速率变化趋势示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法，包括如下步骤：
S1.获取毫米波蜂窝网络的网络通信参数；
S2.建立接入与回程资源联合分配优化子问题；具体为采用如下模型作为接入与回程资源联合分配优化子问题：
Figure BDA0002571221560000131
式中tta为含有元素
Figure BDA0002571221560000132
的1×M维矩阵；pu为含有元素
Figure BDA0002571221560000133
和
Figure BDA0002571221560000134
的1×Ntra维矩阵；
Figure BDA0002571221560000135
为第m个SBS(Small Base Station，小基站)的接入传输时间；
Figure BDA0002571221560000136
为第n个UE到第m个SBS的接入链路或第n个UE到第r个中继UE的D2D链路的传输功率；
Figure BDA0002571221560000137
为第r个中继UE的转发功率；Ef为中间能量效率，且
Figure BDA0002571221560000138
Figure BDA0002571221560000139
为第m个SBS的接入吞吐量，
Figure BDA00025712215600001310
Figure BDA00025712215600001311
为第m个SBS的索引号；
Figure BDA00025712215600001312
为第m个SBS在时间段
Figure BDA00025712215600001313
中的接入链路吞吐量，且
Figure BDA00025712215600001314
W为带宽；Nm为与第m个SBS关联的UE节点的集合；sgn(Dn)为符号函数，且当Dn＞0时sgn(Dn)＝1，Dn＝0时sgn(Dn)＝0，Dn＜0时sgn(Dn)＝-1；Dn为第n个UE是否选择D2D通信的标志变量，若取1，则表示第n个UE是选择了D2D通信，若取0，则表示它没有选择D2D通信；Rm为第m个SBS覆盖区内所有中继UE的集合；
Figure BDA0002571221560000141
为在时间段
Figure BDA0002571221560000142
中，第n个UE到第m个SBS的接入链路在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000143
中的信号干扰噪比值估算值，且
Figure BDA0002571221560000144
Figure BDA0002571221560000145
为第n个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000146
为第n个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000147
为第n个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000148
为第n个UE到第个m SBS的接入链路中，在时间段
Figure BDA0002571221560000149
中，受到除列表L中索引小于i的SBS外的所有剩余SBS的接入链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600001410
列表L为所有的SBS的接入传输时间按照从小到大的顺序重新排列得到
Figure BDA00025712215600001411
后，所对应的SBS的索引列表；Mi为在列表L中索引小于i的所有SBS的集合；Nm'为所有与第m'个SBS连接的UE的集合；
Figure BDA00025712215600001412
为第n'个UE到第m个SBS的接入链路或第n'个UE到第r个UE的D2D链路的传输功率；
Figure BDA00025712215600001413
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600001414
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600001415
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600001416
为第n个UE到第个m SBS的接入链路中，在时间段
Figure BDA00025712215600001417
中，受到列表L中索引小于i的所有SBS的回程链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600001418
Figure BDA00025712215600001419
为第m'个SBS在回程链路上的发射功率；
Figure BDA00025712215600001420
为第m'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000151
为第m'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000152
为第m'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000153
为任意一个第m'个SBS，m'∈M\Mi，在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000154
中，受到的除列表Lm'中索引小于j的所有其它属于集合Rm'的中继UE的D2D链路对从第n个UE到第m个SBS的接入链路造成的干扰，且
Figure BDA0002571221560000155
Figure BDA0002571221560000156
为任意一个第m'个SBS，m'∈M\Mi，在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000157
中，列表Lm'中索引小于j的所有属于集合Rm'的中继UE的转发链路会对从第n个UE到第m个SBS的接入链路造成的干扰，且
Figure BDA0002571221560000158
Figure BDA0002571221560000159
为与第m'个SBS相连并在列表Lm'中索引小于j的中继UE的集合；
Figure BDA00025712215600001510
为r'个UE的发射功率；
Figure BDA00025712215600001511
为第r'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600001512
为第r'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600001513
为第r'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；N0为背景噪声功率谱密度；
Figure BDA00025712215600001514
为第m个SBS，在时间段
Figure BDA00025712215600001515
中的接入路径的吞吐量，且
Figure BDA00025712215600001516
Figure BDA00025712215600001517
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的D2D链路的吞吐量，且
Figure BDA00025712215600001518
Figure BDA00025712215600001519
为第m个SBS覆盖区内第r个中继UE的索引号；
Figure BDA00025712215600001520
为每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600001521
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路的SINR值，且
Figure BDA00025712215600001522
Figure BDA00025712215600001523
为第n个UE到第r个中继UE的链路的发射增益，且
Figure BDA0002571221560000161
Figure BDA0002571221560000162
Figure BDA0002571221560000163
为第n个UE的波束宽度；ξ为旁瓣增益；
Figure BDA0002571221560000164
为第n个UE的发射波束中心线与从第n个UE到第r个中继UE的连线之间的夹角；
Figure BDA0002571221560000165
为第n个UE到第r个中继UE的链路的信道增益，且
Figure BDA0002571221560000166
Figure BDA0002571221560000167
为对应链路的振幅，且
Figure BDA0002571221560000168
λ为波长；δ()为狄拉克三角函数；τn,r为对应链路的传输延迟，且
Figure BDA0002571221560000169
dn,r为第n个UE到第r个中继UE的距离；c为光速；
Figure BDA00025712215600001610
为第n个UE到第r个中继UE的链路的接收增益，且
Figure BDA00025712215600001611
Figure BDA00025712215600001612
Figure BDA00025712215600001613
为第r个中继UE的波束宽度；
Figure BDA00025712215600001614
为第r个中继UE的接收波束中心线与从第n个UE到第r个中继UE的连线之间的夹角；
Figure BDA00025712215600001615
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600001616
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自接入链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600001617
Figure BDA00025712215600001618
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600001619
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600001620
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600001621
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600001622
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自D2D链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600001623
Figure BDA00025712215600001624
为第m'个UE到第r个中继UE的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000171
为第m'个UE到第r个中继UE的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000172
为第m'个UE到第r个中继UE的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000173
为在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000174
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自转发链路的干扰，且
Figure BDA0002571221560000175
Figure BDA0002571221560000176
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000177
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000178
为第n'个UE到第r个中继UE的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000179
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600001710
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自回程链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600001711
Figure BDA00025712215600001712
为第r'个中继UE到第r个中继UE的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600001713
为第r'个中继UE到第r个中继UE的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600001714
为第r'个中继UE到第r个中继UE的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600001715
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的转发链路的吞吐量，且
Figure BDA00025712215600001716
Figure BDA00025712215600001717
为第m个SBS覆盖区内第r个中继UE的索引号；
Figure BDA00025712215600001718
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600001719
中第r个中继UE到第m个SBS的转发链路的SINR估算值，且
Figure BDA00025712215600001720
Figure BDA00025712215600001721
为第r个中继UE到第m个SBS的转发链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600001722
为第r个中继UE到第m个SBS的转发链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600001723
为第r个中继UE到第m个SBS的转发链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600001724
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600001725
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自接入链路的干扰，且
Figure BDA0002571221560000181
Figure BDA0002571221560000182
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000183
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA0002571221560000184
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA0002571221560000185
为在每个时间片的时间段
Figure BDA0002571221560000186
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自D2D链路的干扰，且
Figure BDA0002571221560000187
Figure BDA0002571221560000188
为第m'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA0002571221560000189
为第m'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600001810
为第m'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600001811
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600001812
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自转发链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600001813
Figure BDA00025712215600001814
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600001815
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600001816
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600001817
为在每个时间片的时间段
Figure BDA00025712215600001818
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自回程链路的干扰，且
Figure BDA00025712215600001819
Figure BDA00025712215600001820
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure BDA00025712215600001821
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure BDA00025712215600001822
为第r'个中继UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure BDA00025712215600001823
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入链路的能量消耗，且
Figure BDA00025712215600001824
Figure BDA00025712215600001825
为第m个SBS的接入传输时间；PRF为射频链的能量消耗；
Figure BDA00025712215600001826
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入路径的能量消耗，且
Figure BDA0002571221560000191
Figure BDA0002571221560000192
为在一个调度周期内，第m个SBS的回程链路的能量消耗，且
Figure BDA0002571221560000193
Figure BDA0002571221560000194
为第m个SBS在回程链路上的发射功率；约束C1.1指定了每个SBS的可用接入传输时间集合；约束C1.2指定了每个没有使用D2D通信的UE和所有中继UE的可用传输功率集合；约束C1.3确保了每个SBS的上行链路的吞吐量是单方面地由回程控制而不是接入；
S3.建立D2D接入与转发链路资源联合分配优化子问题；具体为采用如下模型作为接入与回程资源联合分配优化子问题：
Figure BDA0002571221560000195
式中tD2D为包含元素
Figure BDA0002571221560000196
的1×R维矩阵；pu为包含元素对
Figure BDA0002571221560000197
的2×R维矩阵；Er为所有接入路径的平均吞吐量，且
Figure BDA0002571221560000198
Figure BDA0002571221560000199
为D2D接入吞吐量，且
Figure BDA00025712215600001910
Figure BDA00025712215600001911
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的D2D链路的吞吐量，且
Figure BDA00025712215600001912
Figure BDA00025712215600001913
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入链路的回程链路的能量消耗，且
Figure BDA00025712215600001914
约束C2.1指定了每个中继UE的可用接入传输时间集合；约束C2.2和C2.3分别指定了每个源UE和中继UE的可用传输功率集合；约束C2.4指定了每条接入路径的D2D接入吞吐量不会超过转发吞吐量；
S4.采用博弈模型对步骤S2和步骤S3得到的子问题进行建模；具体为采用如下步骤进行建模：
A.将步骤S2得到的子问题P1建模为非合作博弈模型
Figure BDA0002571221560000201
作为第一阶段博弈；集合K1的所有元素为{1,2,...,M,M+1,...,K1}，表示所有参与者的集合，且集合元素中K1＝M+Ntra；Ntra为所有源UE的数量；当一个源UE选择使用D2D通信时，它会将自己获得的接入资源让给D2D中继使用，因此，未使用D2D通信的源UE和所有中继UE的数量之和同样为Ntra；
Figure BDA0002571221560000202
为第k个参与者可用的行动策略集合，
Figure BDA0002571221560000203
为第k个参与者的效用函数，且
Figure BDA0002571221560000204
η1为惩罚系数；φ(x,y)为惩罚函数，且当x＜y时φ(x,y)＝-1，当x≥y时φ(x,y)＝0；对于第k个参与者，若1≤k≤M则该参与者认定为SBS且行动策略为
Figure BDA0002571221560000205
若M+1≤k≤M+R则该参与者认定为中继UE且行动策略为
Figure BDA0002571221560000206
若M+R+1≤k≤K1则该参与者认定为未使用D2D通信的源UE且行动策略为
Figure BDA0002571221560000207
再定义
Figure BDA0002571221560000208
表示最大能量效率；
B.将步骤S3得到的子问题P2建模为非合作博弈
Figure BDA0002571221560000209
作为第二阶段博弈；集合K2的所有元素为K2＝{1,2,...,K2}，为所有参与者的集合，K2＝2R；
Figure BDA00025712215600002010
为第k个参与者可用的行动策略集合，
Figure BDA00025712215600002011
为第k个参与者的效用函数，且
Figure BDA0002571221560000211
η2为惩罚系数；对于第k个参与者，若1≤k≤R则该参与者认定为中继UE且行动策略为
Figure BDA0002571221560000212
若R+1≤k≤K2则该参与者认定为源UE且行动策略为
Figure BDA0002571221560000213
S5.对步骤S4建立的博弈模型进行求解，从而得到最终的毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配结果；具体为采用如下步骤进行求解：
第一阶段博弈：
步骤1.1：对于第一阶段博弈的每个参与者，若它是SBS，则将它的接入传输时间设置为集合
Figure BDA0002571221560000214
中的最小值
Figure BDA0002571221560000215
若它是UE，则将它的发射功率设置为集合pu中的最小发射功率；进入步骤1.2；
步骤1.2：设置t1为第一阶段博弈的迭代次数变量并初始化为0；设置k1为第一阶段博弈的参与者的指代变量并初始化为1；进入步骤1.3；
步骤1.3：判断k1是否不大于参数K1；若是，则进入步骤1.4，否则进入步骤1.6；K1为第一阶段博弈的参与者数量；
步骤1.4：对于第k1个参与者，在保持其它参与者策略不变的情况下，从其行动策略中找出能使它获得最大效用值的行动策略，进入步骤1.5；
步骤1.5：更新第t1次迭代中的第k1个参与者的最大效用值策略，记为
Figure BDA0002571221560000216
k1自身加1，返回步骤1.3；
步骤1.6：t1自身加1，进入步骤1.7；
步骤1.7：若第一阶段博弈的所有参与者的效用值在策略改变前后的变化比值小于第一预设值，进入步骤1.8；否则k1重置为1，返回步骤1.3；
第二阶段博弈：
步骤1.8：对于第二阶段博弈的每个参与者，若它是源UE，则将它的接入传输时间设置为集合
Figure BDA0002571221560000221
中的最小值
Figure BDA0002571221560000222
并将它的发射功率设置为集合pu中的最小发射功率；若它是中继UE，则维持它前期的发射功率不变；进入步骤1.9；
步骤1.9：设置t2为第二阶段博弈的迭代次数变量并初始化为0；设置k2为第二阶段博弈的参与者指代变量并初始化为1；进入步骤1.10；
步骤1.10：判断k2是否不大于参数K2；若是，则进入步骤1.11，否则进入步骤1.13；K2为第二阶段博弈的参与者数量；
步骤1.11：对于第k2个参与者，在保持其它参与者策略不变的情况下，从其行动策略中找出能使它获得最大效用值的行动策略，进入步骤1.12；
步骤1.12：更新第t2次迭代中的第k2个参与者的最大效用值策略，记为
Figure BDA0002571221560000223
k2自身加1，返回步骤1.10；
步骤1.13：t2自身加1，进入步骤1.14；
步骤1.14：若第二阶段所有参与者的效用值在策略改变前后的变化比值小于第二预设值，则算法结束；否则k2重置为1，返回步骤1.10。
以下，结合一个具体实施例，对本发明方法进行进一步说明：
考虑在一个蜂窝覆盖半径为500米的宏蜂窝中，布置若干蜂窝覆盖半径为100米的小蜂窝。小蜂窝分为五组均匀地布置在宏蜂窝覆盖范围内，且每个小蜂窝的覆盖范围不重复。每个SBS距离MBS最少200米。除此之外，简单而不失一般性地，假设每个SBS的覆盖范围中随机坐落4个UE，但是每个SBS最多同时与两个UE相连。本发明使用文献：D.Zhu,J.Choi,and R.W.Heath,Jr.,“Auxiliary beam pair ena-bled AOD and AOA estimation inclosed-loop large-scale milli-meter-wave MIMO systems,”IEEE Trans.WirelessCommun.,vol.16,no.7,pp.4770–4785,Jul.2017.中的方法来估计每条链路的波束对的离去角(Angle of departure，AOD)和到达角(Angle of arrive，AOA)。
本发明应用28GHz带宽的毫米波信道模型，并且考虑LOS和NLOS两类毫米波链路状态。为了能够更好地对比出使用D2D通信和不使用D2D通信的网络性能差别，本发明假设每个SBS最初连接的两条链路都处于NLOS状态。此外，本发明假设回程段MBS的波束宽度和SBS的发射波束宽度都为5度，接入端UE和SBS的波束宽度都为30度。其他参数如表1所示。
表1仿真参数
Figure BDA0002571221560000231
采用OMNeT++4.6网络仿真器得到图2至图5所示结果。在仿真过程中，本发明使用了文献：L.Yanping,F.Xuming and X.Ming,“Discrete Power Control and TransmissionDuration Allocation for Self-Backhauling Dense mmWave Cellular Networks,”IEEETransactions on Communications,vol.66,no.1,pp.432-447,Jan.2018.中的一种没有涉及D2D通信的集中式资源分配算法(Centralized resource allocation algorithmwithout D2D communication，CRA-ND2D)来与本发明所提出的算法进行对比。
通过图2和图3，可以看出使用CRA-D2D求得的网络能量效率和网络总速率都优于使用CRA-ND2D求得的结果。这是因为NLOS链路会大大影响网络性能，特别在网络吞吐量方面，所以D2D通信减少NLOS链路对网络性能的影响的效果也会比较明显。
图4和图5是在SBS数量为10，UE数量为40的网络规模下进行的实验。通过图4，能够看出，随着SBS的覆盖半径的增加，使用CRA-ND2D求得的网络能量效率会逐渐减少，但是使用CRA-D2D求得的网络能量效率则相对比较稳定。通过图5可以知道，随着SBS半径的增加，网络的总速率将会减少。除此之外，在SBS半径为100米时，CRA-D2D的网络能量效率和网络总速率都超过了CRA-ND2D。这个原因是当SBS半径增加的时候，所有链路的平均SINR会减少，因此NLOS链路对网络性能的影响会变大，故D2D通信的效果也会更显著。但是值得注意的是，虽然较大的SBS半径会减少网络总速率，但它也能减少网络布置带来的成本。

Claims (3)

1.一种毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法，包括如下步骤：
S1.获取毫米波蜂窝网络的网络通信参数；
S2.建立接入与回程资源联合分配优化子问题；具体为采用如下模型作为接入与回程资源联合分配优化子问题：
Figure FDA0003630904450000011
Figure FDA0003630904450000012
Figure FDA0003630904450000013
Figure FDA0003630904450000014
式中tta为含有元素
Figure FDA0003630904450000015
的1×M维矩阵；pu为含有元素
Figure FDA0003630904450000016
和
Figure FDA0003630904450000017
的1×Ntra维矩阵；
Figure FDA0003630904450000018
为第m个SBS的接入传输时间；
Figure FDA0003630904450000019
为第n个UE到第m个SBS的接入链路或第n个UE到第r个中继UE的D2D链路的传输功率；
Figure FDA00036309044500000110
为第r个中继UE的转发功率；Ef为中间能量效率，且
Figure FDA00036309044500000111
Figure FDA00036309044500000112
为第m个SBS的接入吞吐量，
Figure FDA00036309044500000113
Figure FDA00036309044500000114
为第m个SBS的索引号；
Figure FDA00036309044500000115
为第m SBS在时间段
Figure FDA00036309044500000116
中的接入链路吞吐量，且
Figure FDA00036309044500000117
W为带宽；Nm为与第m个SBS关联的UE节点的集合；sgn(Dn)为符号函数，且当Dn＞0时sgn(Dn)＝1，Dn＝0时sgn(Dn)＝0，Dn＜0时sgn(Dn)＝-1；Dn为第n个UE是否选择D2D通信的标志变量，若取1，则表示第n个UE是选择了D2D通信，若取0，则表示它没有选择D2D通信；Rm为第m个SBS覆盖区内所有中继UE的集合；
Figure FDA00036309044500000118
为在时间段
Figure FDA00036309044500000119
中，第n个UE到第m个SBS的接入链路在每个时间片的时间段
Figure FDA0003630904450000021
中的信号干扰噪比值估算值，且
Figure FDA0003630904450000022
Figure FDA0003630904450000023
为第n个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure FDA0003630904450000024
为第n个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure FDA0003630904450000025
为第n个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure FDA0003630904450000026
为第n个UE到第m个SBS的接入链路中，在时间段
Figure FDA0003630904450000027
中，受到除列表L中索引小于i的SBS外的所有剩余SBS的接入链路的干扰，且
Figure FDA0003630904450000028
列表L为所有的SBS的接入传输时间按照从小到大的顺序重新排列得到
Figure FDA0003630904450000029
后，所对应的SBS的索引列表；Mi为在列表L中索引小于i的所有SBS的集合；Nm'为所有与第m'个SBS连接的UE的集合；
Figure FDA00036309044500000210
为第n'个UE到第m个SBS的接入链路或第n'个UE到第r个UE的D2D链路的传输功率；
Figure FDA00036309044500000211
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000212
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure FDA00036309044500000213
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure FDA00036309044500000214
为第n个UE到第个m SBS的接入链路中，在时间段
Figure FDA00036309044500000215
中，受到列表L中索引小于i的所有SBS的回程链路的干扰，且
Figure FDA00036309044500000216
Figure FDA00036309044500000217
为第m'个SBS在回程链路上的发射功率；
Figure FDA00036309044500000218
为第m'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000219
为第m'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure FDA00036309044500000220
为第m'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure FDA00036309044500000221
为任意一个第m'个SBS，m'∈M\Mi，在每个时间片的时间段
Figure FDA00036309044500000222
中，受到的除列表Lm'中索引小于j的所有其它属于集合Rm'的中继UE的D2D链路对从第n个UE到第m个SBS的接入链路造成的干扰，且
Figure FDA00036309044500000223
Figure FDA0003630904450000031
为任意一个第m'个SBS，m'∈M\Mi，在每个时间片的时间段
Figure FDA0003630904450000032
中，列表Lm'中索引小于j的所有属于集合Rm'的中继UE的转发链路会对从第n个UE到第m个SBS的接入链路造成的干扰，且
Figure FDA0003630904450000033
Figure FDA0003630904450000034
为与第m'个SBS相连并在列表Lm'中索引小于j的中继UE的集合；
Figure FDA0003630904450000035
为r'个中继UE的发射功率；
Figure FDA0003630904450000036
为第r'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure FDA0003630904450000037
为第r'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure FDA0003630904450000038
为第r'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；N0为背景噪声功率谱密度；
Figure FDA0003630904450000039
为第m个SBS，在时间段
Figure FDA00036309044500000310
中的接入路径的吞吐量，且
Figure FDA00036309044500000311
Figure FDA00036309044500000312
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的D2D链路的吞吐量，且
Figure FDA00036309044500000313
Figure FDA00036309044500000314
为第m个SBS覆盖区内第r个中继UE的索引号；
Figure FDA00036309044500000315
为每个时间片的时间段
Figure FDA00036309044500000316
中，从第n个UE到第r个UE的D2D链路的SINR值，且
Figure FDA00036309044500000317
Figure FDA00036309044500000318
为第n个UE到第r个UE的链路的发射增益，且
Figure FDA00036309044500000319
Figure FDA00036309044500000320
为第n个UE的波束宽度；ξ为旁瓣增益；
Figure FDA00036309044500000321
为第n个UE的发射波束中心线与从第n个UE到第r个UE的连线之间的夹角；
Figure FDA00036309044500000322
为第n个UE到第r个UE的链路的信道增益，且
Figure FDA00036309044500000323
Figure FDA00036309044500000324
为对应链路的振幅，且
Figure FDA0003630904450000041
λ为波长；δ()为狄拉克三角函数；τn,r为对应链路的传输延迟，且
Figure FDA0003630904450000042
dn,r为第n个UE到第r个UE的距离；c为光速；
Figure FDA0003630904450000043
为第n个UE到第r个UE的链路的接收增益，且
Figure FDA0003630904450000044
Figure FDA0003630904450000045
为第r个UE的波束宽度；
Figure FDA0003630904450000046
为第r个UE的接收波束中心线与从第n个UE到第r个UE的连线之间的夹角；
Figure FDA0003630904450000047
为在每个时间片的时间段
Figure FDA0003630904450000048
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自接入链路的干扰，且
Figure FDA0003630904450000049
Figure FDA00036309044500000410
为第n'个UE到第r个UE的链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000411
为第n'个UE到第r个UE的链路的信道增益；
Figure FDA00036309044500000412
为第n'个UE到第r个UE的链路的接收增益；
Figure FDA00036309044500000413
为在每个时间片的时间段
Figure FDA00036309044500000414
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自D2D链路的干扰，且
Figure FDA00036309044500000415
Figure FDA00036309044500000416
为第m'个UE到第r个UE的链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000417
为第m'个UE到第r个UE的链路的信道增益；
Figure FDA00036309044500000418
为第m'个UE到第r个UE的链路的接收增益；
Figure FDA00036309044500000419
为在每个时间片的时间段
Figure FDA00036309044500000420
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自转发链路的干扰，且
Figure FDA00036309044500000421
Figure FDA00036309044500000422
为第n'个UE到第r个UE的链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000423
为第n'个UE到第r个UE的链路的信道增益；
Figure FDA0003630904450000051
为第n'个UE到第r个UE的链路的接收增益；
Figure FDA0003630904450000052
为在每个时间片的时间段
Figure FDA0003630904450000053
中，从第n个UE到第r个中继UE的D2D链路受到的来自回程链路的干扰，且
Figure FDA0003630904450000054
Figure FDA0003630904450000055
为第r'个UE到第r个UE的链路的发射增益；
Figure FDA0003630904450000056
为第r'个UE到第r个UE的链路的信道增益；
Figure FDA0003630904450000057
为第r'个UE到第r个UE的链路的接收增益；
Figure FDA0003630904450000058
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的转发链路的吞吐量，且
Figure FDA0003630904450000059
Figure FDA00036309044500000510
为第m个SBS覆盖区内第r个中继UE的索引号；
Figure FDA00036309044500000511
为在每个时间片的时间段
Figure FDA00036309044500000512
中第r个UE到第m个SBS的转发链路的SINR估算值，且
Figure FDA00036309044500000513
Figure FDA00036309044500000514
为第r个UE到第m个SBS的转发链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000515
为第r个UE到第m个SBS的转发链路的信道增益；
Figure FDA00036309044500000516
为第r个UE到第m个SBS的转发链路的接收增益；
Figure FDA00036309044500000517
为在每个时间片的时间段
Figure FDA00036309044500000518
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自接入链路的干扰，且
Figure FDA00036309044500000519
Figure FDA00036309044500000520
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000521
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure FDA00036309044500000522
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure FDA00036309044500000523
为在每个时间片的时间段
Figure FDA00036309044500000524
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自D2D链路的干扰，且
Figure FDA00036309044500000525
Figure FDA00036309044500000526
为第m'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000527
为第m'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure FDA0003630904450000061
为第m'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure FDA0003630904450000062
为在每个时间片的时间段
Figure FDA0003630904450000063
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自转发链路的干扰，且
Figure FDA0003630904450000064
Figure FDA0003630904450000065
为第n'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure FDA0003630904450000066
为第n'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure FDA0003630904450000067
为第n'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure FDA0003630904450000068
为在每个时间片的时间段
Figure FDA0003630904450000069
中，第r个中继UE到第m个SBS的转发链路受到的来自回程链路的干扰，且
Figure FDA00036309044500000610
Figure FDA00036309044500000611
为第r'个UE到第m个SBS的链路的发射增益；
Figure FDA00036309044500000612
为第r'个UE到第m个SBS的链路的信道增益；
Figure FDA00036309044500000613
为第r'个UE到第m个SBS的链路的接收增益；
Figure FDA00036309044500000614
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入链路的能量消耗，且
Figure FDA00036309044500000615
Figure FDA00036309044500000616
为第m个SBS的接入传输时间；PRF为射频链的能量消耗；
Figure FDA00036309044500000617
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入路径的能量消耗，且
Figure FDA00036309044500000618
Figure FDA00036309044500000619
为在一个调度周期内，第m个SBS的回程链路的能量消耗，且
Figure FDA00036309044500000620
Figure FDA00036309044500000621
为第m个SBS在回程链路上的发射功率；Qts为单个调度周期的时间片数量；
S3.建立D2D接入与转发链路资源联合分配优化子问题；具体为采用如下模型作为接入与回程资源联合分配优化子问题：
Figure FDA0003630904450000071
Figure FDA0003630904450000072
Figure FDA0003630904450000073
Figure FDA0003630904450000074
Figure FDA0003630904450000075
式中tD2D为包含元素
Figure FDA0003630904450000076
的1×R维矩阵；ppu为包含元素对
Figure FDA0003630904450000077
的2×R维矩阵；Er为所有接入路径的平均吞吐量，且
Figure FDA0003630904450000078
Figure FDA0003630904450000079
为D2D接入吞吐量，且
Figure FDA00036309044500000710
Figure FDA00036309044500000711
为与第m个SBS连接的第r个中继UE的D2D链路的吞吐量，且
Figure FDA00036309044500000712
Figure FDA00036309044500000713
为在一个调度周期内，第m个SBS的接入链路的回程链路的能量消耗，且
Figure FDA00036309044500000714
约束C2.1指定了每个中继UE的可用接入传输时间集合；约束C2.2和C2.3分别指定了每个源UE和中继UE的可用传输功率集合；约束C2.4指定了每条接入路径的D2D接入吞吐量不会超过转发吞吐量；Qra为单个时间片中的小时间片数量；psu为源UE的传输功率集合；
S4.采用博弈模型对步骤S2和步骤S3得到的子问题进行建模；
S5.对步骤S4建立的博弈模型进行求解，从而得到最终的毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配结果。
2.根据权利要求1所述的毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法，其特征在于步骤S4所述的采用博弈模型对步骤S2和步骤S3得到的子问题进行建模，具体为采用如下步骤进行建模：
A.将步骤S2得到的子问题P1建模为非合作博弈模型
Figure FDA0003630904450000081
作为第一阶段博弈；集合K1的所有元素为{1,2,...,M,M+1,...,K1}，表示所有参与者的集合，且集合元素中K1＝M+Ntra；Ntra为所有源UE的数量；当一个源UE选择使用D2D通信时，它会将自己获得的接入资源让给D2D中继使用，因此，未使用D2D通信的源UE和所有中继UE的数量之和同样为Ntra；
Figure FDA0003630904450000082
为第k个参与者可用的行动策略集合，
Figure FDA0003630904450000083
为第k个参与者的效用函数，且
Figure FDA0003630904450000084
η1为惩罚系数；φ(x,y)为惩罚函数，且当x＜y时φ(x,y)＝-1，当x≥y时φ(x,y)＝0；对于第k个参与者，若1≤k≤M则该参与者认定为SBS且行动策略为
Figure FDA0003630904450000085
若M+1≤k≤M+R则该参与者认定为中继UE且行动策略为
Figure FDA0003630904450000086
若M+R+1≤k≤K1则该参与者认定为未使用D2D通信的源UE且行动策略为
Figure FDA0003630904450000087
再定义
Figure FDA0003630904450000088
表示最大能量效率；
B.将步骤S3得到的子问题P2建模为非合作博弈
Figure FDA0003630904450000089
作为第二阶段博弈；集合K2的所有元素为K2＝{1,2,...,K2}，为所有参与者的集合，K2＝2R；
Figure FDA00036309044500000810
为第k个参与者可用的行动策略集合，
Figure FDA00036309044500000811
为第k个参与者的效用函数，且
Figure FDA00036309044500000812
η2为惩罚系数；对于第k个参与者，若1≤k≤R则该参与者认定为中继UE且行动策略为
Figure FDA00036309044500000813
若R+1≤k≤K2则该参与者认定为源UE且行动策略为
Figure FDA00036309044500000814
3.根据权利要求2所述的毫米波蜂窝网络中基于D2D辅助的资源分配方法，其特征在于步骤S5所述的对步骤S4建立的博弈模型进行求解，具体为采用如下步骤进行求解：
第一阶段博弈：
步骤1.1：对于第一阶段博弈的每个参与者，若它是SBS，则将它的接入传输时间设置为集合
Figure FDA0003630904450000091
中的最小值
Figure FDA0003630904450000092
若它是UE，则将它的发射功率设置为集合pu中的最小发射功率；进入步骤1.2；
步骤1.2：设置t1为第一阶段博弈的迭代次数变量并初始化为0；设置k1为第一阶段博弈的参与者的指代变量并初始化为1；进入步骤1.3；
步骤1.3：判断k1是否不大于参数K1；若是，则进入步骤1.4，否则进入步骤1.6；K1为第一阶段博弈的参与者数量；
步骤1.4：对于第k1个参与者，在保持其它参与者策略不变的情况下，从其行动策略中找出能使它获得最大效用值的行动策略，进入步骤1.5；
步骤1.5：更新第t1次迭代中的第k1个参与者的最大效用值策略，记为
Figure FDA0003630904450000093
k1自身加1，返回步骤1.3；
步骤1.6：t1自身加1，进入步骤1.7；
步骤1.7：若第一阶段博弈的所有参与者的效用值在策略改变前后的变化比值小于第一预设值，进入步骤1.8；否则k1重置为1，返回步骤1.3；
第二阶段博弈：
步骤1.8：对于第二阶段博弈的每个参与者，若它是源UE，则将它的接入传输时间设置为集合
Figure FDA0003630904450000094
中的最小值
Figure FDA0003630904450000095
并将它的发射功率设置为集合pu中的最小发射功率；若它是中继UE，则维持它前期的发射功率不变；进入步骤1.9；
步骤1.9：设置t2为第二阶段博弈的迭代次数变量并初始化为0；设置k2为第二阶段博弈的参与者指代变量并初始化为1；进入步骤1.10；
步骤1.10：判断k2是否不大于参数K2；若是，则进入步骤1.11，否则进入步骤1.13；K2为第二阶段博弈的参与者数量；
步骤1.11：对于第k2个参与者，在保持其它参与者策略不变的情况下，从其行动策略中找出能使它获得最大效用值的行动策略，进入步骤1.12；
步骤1.12：更新第t2次迭代中的第k2个参与者的最大效用值策略，记为
Figure FDA0003630904450000101
k2自身加1，返回步骤1.10；
步骤1.13：t2自身加1，进入步骤1.14；
步骤1.14：若第二阶段所有参与者的效用值在策略改变前后的变化比值小于第二预设值，则算法结束；否则k2重置为1，返回步骤1.10。
CN202010640138.3A 2020-07-06 2020-07-06 毫米波蜂窝网络中基于d2d辅助的资源分配方法 Active CN111669834B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010640138.3A CN111669834B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 毫米波蜂窝网络中基于d2d辅助的资源分配方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010640138.3A CN111669834B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 毫米波蜂窝网络中基于d2d辅助的资源分配方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111669834A CN111669834A (zh) 2020-09-15
CN111669834B true CN111669834B (zh) 2022-06-24

Family

ID=72391013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010640138.3A Active CN111669834B (zh) 2020-07-06 2020-07-06 毫米波蜂窝网络中基于d2d辅助的资源分配方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111669834B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112616189B (zh) * 2020-12-10 2022-09-09 北京邮电大学 一种静态和动态相结合的毫米波波束资源分配与优化方法
CN113301532B (zh) * 2021-05-26 2022-04-26 中南大学 一种用于无人机辅助毫米波应急通信网的信道分配方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015021185A1 (en) * 2013-08-07 2015-02-12 Interdigital Patent Holdings, Inc. Distributed scheduling for device-to-device communication
CN104618934A (zh) * 2015-01-14 2015-05-13 西安交通大学 一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法
CN106714093A (zh) * 2017-02-22 2017-05-24 重庆邮电大学 一种蜂窝d2d通信联合用户接入及切片划分方法
CN108462950A (zh) * 2018-03-26 2018-08-28 南京邮电大学 基于noma的d2d通信联合子信道与功率分配方法
CN110401936A (zh) * 2019-07-24 2019-11-01 哈尔滨工程大学 一种基于d2d通信的任务卸载与资源分配方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9402262B2 (en) * 2013-03-14 2016-07-26 Fujitsu Limited Wireless resource allocation of device-to-device communication

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015021185A1 (en) * 2013-08-07 2015-02-12 Interdigital Patent Holdings, Inc. Distributed scheduling for device-to-device communication
CN104618934A (zh) * 2015-01-14 2015-05-13 西安交通大学 一种基于吞吐量预测的整体优化中继节点选择方法
CN106714093A (zh) * 2017-02-22 2017-05-24 重庆邮电大学 一种蜂窝d2d通信联合用户接入及切片划分方法
CN108462950A (zh) * 2018-03-26 2018-08-28 南京邮电大学 基于noma的d2d通信联合子信道与功率分配方法
CN110401936A (zh) * 2019-07-24 2019-11-01 哈尔滨工程大学 一种基于d2d通信的任务卸载与资源分配方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Energy-Efficient Resource Allocation With Hybrid TDMA–NOMA for Cellular-Enabled Machine-to-Machine Communications;ZEMING LI;《IEEE Access》;20190729;第7卷;全文 *
Energy-Efficient Resource Sharing Scheme With Out-Band D2D Relay-Aided Communications in C-RAN-Based Underlay Cellular Networks;Zeming Li;《IEEE Access》;20190110;第7卷;全文 *
LTE-A 上行终端直通中面向能效的资源分配方案;朱正仓;《通信学报》;20170228;第38卷(第2期);全文 *
移动中继协助下终端直通中面向能效的联合中继选择和资源分配方案;曲桦;《电子与信息学报》;20171030;第39卷(第10期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111669834A (zh) 2020-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Polese et al. Toward end-to-end, full-stack 6G terahertz networks
US10103800B2 (en) Method and apparatus for adaptive beam hopping in multi cell multi user communication system
Zheng et al. 10 Gb/s hetsnets with millimeter-wave communications: access and networking-challenges and protocols
CN112468196B (zh) 一种基于pzf预编码的去蜂窝大规模mimo系统中功率分配方法
CN111669834B (zh) 毫米波蜂窝网络中基于d2d辅助的资源分配方法
CN107071914A (zh) 一种能量捕获d2d网络中的动态模式选择与能量分配方法
Moussa et al. Energy-and delay-aware two-hop NOMA-enabled massive cellular IoT communications
CN105451322A (zh) D2D网络中一种基于QoS的信道分配和功率控制方法
CN107070520B (zh) 一种基于级联预编码和esinr准则的d2d通信干扰对齐方法
Georgakopoulos et al. Coordination multipoint enabled small cells for coalition-game-based radio resource management
CN114189870A (zh) 基于多智能体深度强化学习的多小区多业务资源分配方法
Mauricio et al. A low complexity solution for resource allocation and SDMA grouping in massive MIMO systems
Jaiswal et al. Performance evaluation of non-orthogonal multiple access in V2V communications over double-Rayleigh fading channels
Zhong et al. STAR-RISs assisted NOMA networks: A distributed learning approach
Yao et al. Multi-path routing based QoS-aware fairness backhaul-access scheduling in mmWave UDN
Li et al. Interference coordination for FD-MIMO cellular network with D2D communications underlaying
Ahsan et al. Reinforcement learning for user clustering in NOMA-enabled uplink IoT
CN110114983B (zh) 用于支持通信网络中的用户通信设备分组的设备和方法
Hua et al. Maximizing the throughput of large ad hoc wireless networks
Song et al. Resource management in non-orthogonal multiple access systems: State of the art and research challenges
WO2017213633A1 (en) Randomized mesh network routing
Wang et al. Relay assisted concurrent scheduling to overcome blockage in full-duplex millimeter wave small cells
CN105072686A (zh) 一种基于ofdma中继网络的无线资源分配方法
Ito et al. Joint AP on/off and user-centric clustering for energy-efficient cell-free massive MIMO systems
Ammar et al. Optimizing RRH placement under a noise-limited point-to-point wireless backhaul

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant