CN112423275A - 一种紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
一种紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，该方法给出了毫米波基站射频链路分配机制，借助D2D通信技术满足用户紧急通信，可减轻基站负载，增加用户接入率。实现包括：利用拍卖模型将基站射频链路进行分配，使用户分为蜂窝通信及D2D通信两种；在保证用户服务质量的条件下，利用线性规划方法选择D2D用户的可复用蜂窝用户，并提出了基于拉格朗日算法的最优功率分配方案，通过控制D2D用户发射功率，获得使系统吞吐量最大的用户发射功率。本发明能增加多用户毫米波通信系统中的用户接入率并有效缓解基站射频链路紧张状况，显著提升系统吞吐量，解决紧急场景中的用户通信问题，实现信息的高效传输。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波通信系统下的D2D协助通信方法，尤其涉及紧急救援情况下的毫米波基站射频链路分配及蜂窝、D2D用户的资源分配方法。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，在频谱资源短缺的当下，仅靠微波频段必然无法实现数据的高速率传输。为迎合高速发展的通信需求，增加频谱带宽是既简单又直接的方法。毫米波有丰富的频谱带宽可为现代通信提供大量可利用资源。在大型体育馆、演唱会等业务需求量大的密集型短距离传输场景或实时性要求高、需要传输大量视频、音频、数据的救援情况下，毫米波通信可凭借毫米波的高传输质量保证链路连接的稳定性，同时毫米波更易缩小电路元件和设备尺寸、通信设备重量轻，易于安装，尤其一些事故突发性强，难以预测事故发生地点，不易预先布置固定的地面通信设施，利用毫米波通信则可以满足应急通信需求。毫米波基站用于定向通信的射频链路无法满足所有用户通信需求，借助D2D通信技术，可以使终端不经过基站直接通信，有效缓解网络拥挤、频谱利用率低、基站负载较大等问题，从而保证更多用户的临时通信需求，并在救援抢险工作中发挥重要作用。在此背景下，将毫米波与D2D通信技术相结合充分发挥毫米波及D2D通信的优势，是当前研究的热点内容。因此，业内学者对毫米波及D2D网络系统中的资源分配问题展开了研究。
从目前的国内外研究现状来看，国内外专家和学者的研究重点主要在如何将蜂窝及D2D用户资源合理分配获得更高的系统性能上。专利CN110769514A公开了一种异构蜂窝网络D2D通信资源分配方法，在异构蜂窝网络中引入毫米波频段用于D2D用户通信，构建深度强化学习模型，更加智能地解决D2D用户通信的资源分配问题，有效降低了网络通信开销。专利CN105554808B公开了一种蜂窝网中的D2D对资源分配方法，通过收集基站覆盖范围内所有蜂窝用户和D2D对的信道状态信息再分别计算每个D2D对分别复用每个蜂窝用户的上、下行信道的吞吐量增益，进而确定该D2D对的复用模式，虽然使得系统吞吐量有所增加，但系统开销问题有待于进一步改进。为提升系统能效，专利CN108924799A公开了一种蜂窝网络中D2D通信的资源分配算法，该发明采用基于改进的功率控制算法进行功率控制，并通过匹配算法获得最佳信道分配，但实际通信过程需充分考虑用户QoS。专利CN109862610A公开了一种基于深度强化学习DDPG算法的D2D用户资源分配方法，该发明利用深度强化学习方法获得了最优的D2D用户信道分配和发射功率联合优化策略，在不影响蜂窝用户QoS的情况下实现了高效资源分配，提高了蜂窝网络的吞吐量，符合绿色通信的要求。需要指出的是，专利CN110769514A和专利CN109862610A都是在基站可以满足所有用户通信需求下提升系统吞吐量，并未充分考虑紧急情况下的多用户毫米波系统中资源分配情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法。
本发明是一种紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，其步骤为：
(1)建立基于多用户的射频链路分配机制，通过计算竞拍者的私有估价、成本，获得竞拍者报价，根据报价高低将其通信方式划分为D2D通信用户或蜂窝用户；
(2)根据步骤(1)划分出的不同通信方式，利用线性规划方法为D2D用户匹配可复用的蜂窝用户，建立D2D用户可复用蜂窝用户集合；
(3)根据步骤(2)建立的D2D与蜂窝用户集合，在结合实际可能场景的情况下将复用模式分为两种；
(4)在步骤(3)D2D用户资源复用基础上，建立基于拉格朗日的资源分配方案，通过优化D2D用户发射功率，使系统吞吐量最大化。
本发明与现有技术相比，具有有益效果是：所述方法是在毫米波通信系统中完成，在相同D2D用户间距离时，相比低频段下的系统吞吐量，毫米波频段使系统吞吐量整体得到提升，有效提高频谱利用率。
所述方法是在紧急情况下使用户可选择D2D通信方式，且考虑用户QoS的同时使蜂窝用户资源最大限度被D2D用户复用，对资源进行分配的同时兼顾了蜂窝用户及D2D用户的性能。
所述方法在针对不同蜂窝用户数为D2D用户选择最佳复用方案，在保证用户正常通信的情况下对D2D用户发射功率进行迭代调节达到最优，使系统获得更高的吞吐量。
附图说明
图1是毫米波多用户场景系统模型图，图2是不同方法下D2D协助通信系统吞吐量变化图。
具体实施方式
本发明的思路是：搭建由多个用户、单基站及基础通信设备组成的通信系统，基站无法同时满足所有用户通信，建立基于拍卖模型的射频链路分配机制，使得用户除蜂窝模式也可通过D2D通信方式进行数据传输。首先建立线性规划方案为D2D用户选择可复用资源的蜂窝用户，并给出满足所有用户QoS的约束条件，其次通过拉格朗日算法对D2D用户发射功率进行最优化，通过迭代获得使系统吞吐量最大的D2D用户发射功率。
具体而言，本发明采用如下技术方案：本发明所描述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法模型如图1所示，基站与蜂窝用户直接进行数据传输，D2D用户在基站的控制下通过复用满足通信条件的蜂窝用户资源进行通信。
所述任务特性请求信息包含D2D用户及蜂窝用户的信干燥比(SINR)、系统总吞吐量、用户发射功率等。
所述射频链路分配机制为竞拍过程中，竞拍者Nn(n＝1,2,L,N)提交报价，提供商根据对报价的满意度即报价高低，将K条射频链路全部分配给满意用户，δnm＝1表示分配，δnm＝0表示不分配。
所述D2D用户复用蜂窝下行链路资源时，其发送端dt对蜂窝用户产生干扰，同时接收端dr会受到来自基站的干扰。
所述目标函数构建为最大化整个系统用户吞吐量，即所有蜂窝用户及D2D用户的吞吐量，即:
其中，S表示蜂窝用户数，M表示D2D用户对，
和
分别表示蜂窝用户及D2D用户吞吐量。
所述资源分配方案是在紧急通信情况下，借助D2D通信技术使得用户可临时搭建通信环境，总之，本发明基于紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法可通过以下步骤实现：
(1)搭建毫米波多用户通信系统。
(2)建立的系统环境，将下行所有等待被服务的N个用户视为竞拍者，毫米波基站视为提供商，K条射频链路视为被竞拍的物品，其中N＞＞K。在竞拍过程中，竞拍者Nn(n＝1,2,L,N)提交报价，提供商根据对报价的满意度来确定其服务用户，获得服务的用户即为竞拍成功用户，为自身赢得某射频链路Km，从而与基站定向通信，其余用户进行D2D通信。
(3)利用步骤(3)得到的蜂窝及D2D用户，利用线性规划方法，在满足用户QoS条件下使D2D用户复用蜂窝用户资源。
当D2D用户存在可复用的蜂窝用户时，根据实际场景可分为两种情况：蜂窝用户数多于D2D用户对时可进行“一对一”复用，蜂窝用户数少于D2D用户对时可“一对多”复用。
本文假设蜂窝用户为优先级较高的主用户，不对其功率进行调整，在保证用户QoS的条件下，尽可能提高D2D用户的吞吐量，因此目标函数转化为最大化D2D用户吞吐量，利用拉格朗日最优功率分配算法可得到使系统吞吐量最大的D2D用户发射功率。
本发明是一种紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，其步骤为：
(1)建立基于多用户的射频链路分配机制，通过计算竞拍者的私有估价、成本，获得竞拍者报价，根据报价高低将其通信方式划分为D2D通信用户或蜂窝用户；
(2)根据步骤(1)划分出的不同通信方式，利用线性规划方法为D2D用户匹配可复用的蜂窝用户，建立D2D用户可复用蜂窝用户集合；
(3)根据步骤(2)建立的D2D与蜂窝用户集合，在结合实际可能场景的情况下将复用模式分为两种；
(4)在步骤(3)D2D用户资源复用基础上，建立基于拉格朗日的资源分配方案，通过优化D2D用户发射功率，使系统吞吐量最大化。
以上所述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，所述步骤(1)建立的多用户射频链路分配机制，具体按照以下过程实施：
在竞拍过程中，竞拍者提交报价，提供商根据对报价的满意度来确定其服务用户，获得服务的用户即为竞拍成功用户，为自身赢得某射频链路，从而与基站定向通信；与此同时会有剩余用户则通过复用蜂窝用户资源进行D2D通信；
定义变量δn,m表示射频链路分配结果，δnm＝1表示分配，δnm＝0表示不分配；竞拍者对提供商的效用函数可看为毫米波基站对竞拍用户的满意度，目标函数为：
以上所述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，所述步骤(2)建立D2D用户可复用蜂窝用户集合，具体按照以下过程实施：利用线性规划方法，为D2D用户选择复用用户，当D2D对j可以复用蜂窝用户i的频谱资源时要满足以下条件：
为尽可能降低干扰，在保证用户QoS条件下建立最大化系统吞吐量的优化目标
以上所述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，所述步骤(3)建立的D2D用户复用模式选择方案，具体按照以下过程实施：
1)当蜂窝用户数>D2D用户对，首先判断D2D用户对其潜在复用蜂窝用户的干扰是否满足式
若干扰超出某蜂窝用户的干扰容限，则将此蜂窝用户从D2D用户对的潜在复用用户集合Fc中剔除，得到D2D用户对的拟复用蜂窝用户集合Fc'，从集合Fc'中选择信道增益Gj,i最大的蜂窝用户进行复用，Gj,i越大表示信道条件越好，实现D2D用户和蜂窝用户的“一对一”复用；
2)蜂窝用户数<D2D用户对时，在干扰条件允许范围内，根据信道增益大小，从D2D用户拟复用蜂窝用户集合中选出其复用的蜂窝用户i；针对此蜂窝用户，选择使其吞吐量最大的D2D用户放入集合Td，即
最大化；判断
是否成立，若不成立，则把对蜂窝用户i干扰最大的D2D对从集合Td中剔除放入集合Td'中，直至
成立；此时，
表示D2D用户对可以复用蜂窝用户资源，否则
判断集合Td'是否为空，若空则结束分配，否则对集合Td'中D2D用户重复上述分配过程，直至集合Td'为空，实现多对D2D用户复用同一个蜂窝用户资源模式。
以上所述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，所述步骤(4)建立基于拉格朗日的资源分配方案，具体按照以下过程实施：将蜂窝用户看为优先级较高的主用户，不对其功率进行调整，在保证用户QoS的条件下，尽可能提高D2D用户的吞吐量，因此优化问题看为最大化D2D用户吞吐量，目标函数为凸函数，因此在功率限制范围内存在D2D用户的最大发射功率；以D2D用户的发射功率
为自变量，可构造拉格朗日函数有：
下面结合附图以具体实施例来详细说明本发明。本实施例仅表示对本发明的原理性说明，不代表对本发明的任何限制。
本发明一种紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，如图1所示，首先将下行所有等待被服务的N个用户视为竞拍者，毫米波基站视为提供商，K条射频链路视为被竞拍的物品，其中N＞＞K。在竞拍过程中，竞拍者Nn(n＝1,2,L,N)提交报价，提供商根据对报价的满意度来确定其服务用户，获得服务的用户即为竞拍成功用户，为自身赢得某射频链路Km，从而与基站定向通信，给定提供商的效用函数，则目标函数为：
约束有：
根据上述通信方式的划分，利用线性规划方法为D2D用户选择复用蜂窝用户，首先判断D2D用户对其潜在复用蜂窝用户的干扰是否满足式
若干扰超出某蜂窝用户的干扰容限，则将此蜂窝用户从D2D用户对的潜在复用用户集合Fc中剔除，得到D2D用户对的拟复用蜂窝用户集合Fc'，从集合Fc'中选择信道增益Gj,i最大的蜂窝用户进行复用，Gj,i越大表示信道条件越好，实现一个D2D用户对复用一个蜂窝用户资源的模式；当蜂窝用户数少于D2D用户对时，为满足用户的紧急通信需求，允许多对D2D用户复用同一个蜂窝用户i的资源。在满足干扰条件下，根据信道增益大小，从D2D用户拟复用蜂窝用户集合中选出其复用的蜂窝用户i。针对此蜂窝用户，选择使其吞吐量最大的D2D用户放入集合Td，即
最大化。判断
是否成立，若不成立，则把对蜂窝用户i干扰最大的D2D对从集合Td中剔除放入集合Td'中，直至
成立。此时，D2D用户对可以复用蜂窝用户资源，则
否则
判断集合Td'是否为空，若空则结束分配，否则对集合Td'中D2D用户重复上述分配过程，直至集合Td'为空，实现多对D2D用户复用同一个蜂窝用户资源模式。
考虑D2D用户复用蜂窝下行链路资源时，其发送端dt对蜂窝用户产生干扰，同时接收端dr会受到来自基站的干扰，以最大化整个系统用户吞吐量之和为优化目标，即所有蜂窝用户及D2D用户的吞吐量，则最大化问题可表述为
约束有：
以D2D用户的发射功率
为自变量，构造拉格朗日函数
最优发射功率表示如下
其中αj、βj表示拉格朗日乘子。
通过拉格朗日因子不断迭代更新，从而得到D2D用户的最优功率，该方法下借助D2D通信获得的系统吞吐量变化如图2所示。
上述实施例只是本发明较佳的可行实施例，只是为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，并非用于限制本发明的专利保护范围，因此，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，其特征在于，其步骤为：
(1)建立基于多用户的射频链路分配机制，通过计算竞拍者的私有估价、成本，获得竞拍者报价，根据报价高低将其通信方式划分为D2D通信用户或蜂窝用户；
(2)根据步骤(1)划分出的不同通信方式，利用线性规划方法为D2D用户匹配可复用的蜂窝用户，建立D2D用户可复用蜂窝用户集合；
(3)根据步骤(2)建立的D2D与蜂窝用户集合，在结合实际可能场景的情况下将复用模式分为两种；
(4)在步骤(3)D2D用户资源复用基础上，建立基于拉格朗日的资源分配方案，通过优化D2D用户发射功率，使系统吞吐量最大化。
2.根据权利要求1所述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，其特征在于，所述步骤(1)建立的多用户射频链路分配机制，具体按照以下过程实施：
在竞拍过程中，竞拍者提交报价，提供商根据对报价的满意度来确定其服务用户，获得服务的用户即为竞拍成功用户，为自身赢得某射频链路，从而与基站定向通信；与此同时会有剩余用户则通过复用蜂窝用户资源进行D2D通信；
定义变量δn,m表示射频链路分配结果，δnm＝1表示分配，δnm＝0表示不分配；竞拍者对提供商的效用函数可看为毫米波基站对竞拍用户的满意度，目标函数为：
3.根据权利要求1所述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，其特征在于，所述步骤(2)建立D2D用户可复用蜂窝用户集合，具体按照以下过程实施：利用线性规划方法，为D2D用户选择复用用户，当D2D对j可以复用蜂窝用户i的频谱资源时要满足以下条件：
为尽可能降低干扰，在保证用户QoS条件下建立最大化系统吞吐量的优化目标
4.根据权利要求1所述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，其特征在于，所述步骤(3)建立的D2D用户复用模式选择方案，具体按照以下过程实施：
1)当蜂窝用户数>D2D用户对，首先判断D2D用户对其潜在复用蜂窝用户的干扰是否满足式
若干扰超出某蜂窝用户的干扰容限，则将此蜂窝用户从D2D用户对的潜在复用用户集合Fc中剔除，得到D2D用户对的拟复用蜂窝用户集合Fc'，从集合Fc'中选择信道增益Gj,i最大的蜂窝用户进行复用，Gj,i越大表示信道条件越好，实现D2D用户和蜂窝用户的“一对一”复用；
2)蜂窝用户数<D2D用户对时，在干扰条件允许范围内，根据信道增益大小，从D2D用户拟复用蜂窝用户集合中选出其复用的蜂窝用户i；针对此蜂窝用户，选择使其吞吐量最大的D2D用户放入集合Td，即
最大化；判断
是否成立，若不成立，则把对蜂窝用户i干扰最大的D2D对从集合Td中剔除放入集合Td'中，直至
成立；此时，
表示D2D用户对可以复用蜂窝用户资源，否则
判断集合Td'是否为空，若空则结束分配，否则对集合Td'中D2D用户重复上述分配过程，直至集合Td'为空，实现多对D2D用户复用同一个蜂窝用户资源模式。
5.根据权利要求1所述的紧急通信场景中的毫米波多用户资源分配方法，其特征在于，所述步骤(4)建立基于拉格朗日的资源分配方案，具体按照以下过程实施：将蜂窝用户看为优先级较高的主用户，不对其功率进行调整，在保证用户QoS的条件下，尽可能提高D2D用户的吞吐量，因此优化问题看为最大化D2D用户吞吐量，目标函数为凸函数，因此在功率限制范围内存在D2D用户的最大发射功率；以D2D用户的发射功率
为自变量，可构造拉格朗日函数有：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20210226 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |