無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，其特征在于，構(gòu)建共信道模式、正交信道模式和蜂窩模式來給定QoS延遲約束條件下最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在前述三種模式中，分別用γ1,γ2,γ3,γ4和γ5表示D1到BS、D2到D3、D2到BS、D1到D3以及BS到D3的信道功率增益，假設(shè)信道為平穩(wěn)塊衰落，D1、D2以及D3受到BS控制，信道狀態(tài)信息CSI通過BS和D1、D2以及D3或蜂窩設(shè)備之間進行傳輸；前述D1、D2以及D3為一個D2D蜂窩單元的所有設(shè)備。本發(fā)明的有益之處在于：無線網(wǎng)絡(luò)D2D中使用我們提出的最優(yōu)功率分配方案，可以得到QoS延遲約束條件下最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，確保了時間敏感通信的實時性以及傳輸?shù)目煽啃浴?br> 【專利說明】無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，具體涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，屬于通信領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無線網(wǎng)絡(luò)中D2D通信通過在兩個相鄰的移動設(shè)備之間建立鏈路，這增加了系統(tǒng)的吞吐量，該網(wǎng)絡(luò)中D2D和蜂窩通信同時存在并且共享相同的無線資源。
[0003]無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D和蜂窩通信技術(shù)近來引起研究關(guān)注，該技術(shù)能夠增加頻譜效率，既充滿了前景又存在巨大的挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的通過基站(BS)或接入點(AP)進行傳輸不同的是，無線網(wǎng)絡(luò)D2D和蜂窩通信中兩個鄰近設(shè)備作為一個D2D通信對避開BS或者AP直接進行通信，該類通信和設(shè)備分別稱為D2D通信和D2D設(shè)備。D2D通信可以是中心控制或分布式控制。對于中心控制的場景，BS或AP管理著D2D設(shè)備中D2D通信和傳統(tǒng)的蜂窩通信之間的切換；對于分布式控制場景，D2D設(shè)備自身管理著D2D通信和傳統(tǒng)的蜂窩通信。由于中心控制易于同步以及實現(xiàn)，本專利的功率分配方案圍繞中心控制原理進行。
[0004]無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信中，D2D設(shè)備可以使用三種傳輸模式:
[0005]I)共信道模式，該模式下D2D設(shè)備與蜂窩設(shè)備使用相同的時頻資源；
[0006]2)正交信道模式，該模式下D2D設(shè)備使用部分正交時頻資源；
[0007]3)蜂窩模式，該模式下D2D設(shè)備通過BS或AP進行通信。
[0008]共信道模式和正交模式統(tǒng)稱為D2D模式。當(dāng)D2D模式的系統(tǒng)吞吐量比蜂窩模式大時，則使用D2D模式，否則使用蜂窩模式。
[0009]由于D2D設(shè)備的發(fā)送功率決定著D2D通信的接收信噪比(SNR)和對蜂窩通信的干擾，M.Jung, X.Xiao以及K.Doppler等學(xué)者已經(jīng)提出了一些功率分配策略來增加系統(tǒng)吞吐量或減小D2D和蜂窩通信的功率消耗，例如:
[0010]I)共信道模式下，M.Jung, K.Hwang, and S.Cho1: Joint mode selectionand power allocation scheme for power-efficient device-to-device (D2D)communication.(In IEEE75th Vehicular Technology Conference(VTCSpring)，2012，1-5)提出了聯(lián)合功率分配和模式選擇方案來最大化D2D通信的功率效率；
[0011]2)正交模式下 X.Xiao, X.Tao, and J.Lu: A QoS -aware power optimizationscheme in OFDMA systems with integrated device-to-device(D2D)communications.(In IEEE201IVehicular Technology Conference (VTC Fall)，2011，1- 5)提出了OFDMA系統(tǒng)D2D通信中聯(lián)合子載波分配、自適應(yīng)調(diào)制以及模式選擇的功率最優(yōu)化方案；Z.Liu，H.Chen，T.Peng，and W.Wang:Optimal density and power allocation ofD2D communication under heterogeneous networks on mult1-bands with outageconstraints.(In IEEE2013International Conference on Computing, Networking andCommunications (ICNC)，2013，1179 - 1183)分析了正交信道模式下多頻帶異構(gòu)網(wǎng)D2D通信中的最大可達傳輸容量；
[0012]3) C.Yu, 0.Tirkkonen, K.Doppler, and C.Ribeiro: Power optimization ofdevice-to-device communication underlaying cellular communication.(InIEEE2009International Conference on Communications (ICC)，2009，1- 5)提出了共信道模式和正交模式下最優(yōu)的中心功率分配策略。
[0013]無線網(wǎng)絡(luò)D2D和蜂窩通信中在不考慮延遲時以上的方案都是有效的。為了確保時間敏感通信的實時性以及傳輸?shù)目煽啃?，需要考慮不同延遲需求，這對于無線網(wǎng)絡(luò)D2D和蜂窩通信很關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]傳統(tǒng)的D2D方案主要圍繞最大化系統(tǒng)吞吐量但并未考慮QoS保障，為了克服該問題，我們構(gòu)建了優(yōu)化問題來探究QoS延遲需求對D2D和蜂窩通信性能的影響。我們提出了以下兩種通信模式下QoS保障的最優(yōu)功率分配方案:
[0015]I)共信道模式，該模式中D2D設(shè)備和蜂窩設(shè)備共享相同的時頻資源；
[0016]2)正交信道模式，該模式中時頻資源分別劃分給D2D設(shè)備和蜂窩設(shè)備，即D2D設(shè)備和蜂窩設(shè)備的時頻資源是正交。
[0017]D2D通信中僅僅存在共信道模式或正交信道模式。
[0018]無線網(wǎng)絡(luò)D2D和蜂窩通信中使用我們提出的最優(yōu)功率分配方案，分別得到以上兩種模式在給定QoS延遲約束條件下的最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
[0019]為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0020]一種無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，其特征在于，構(gòu)建共信道模式、正交信道模式和蜂窩模式下給定QoS延遲約束條件的最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在前述三種模型中，分別用Y1, Y2, Y3, Y 4和Y5表示Dl到BS、D2到D3、D2到BS、Dl到D3以及BS到D3的信道功率增益，假設(shè)信道為平穩(wěn)塊衰落模型，DU D2以及D3受到BS控制，信道狀態(tài)信息CSI通過BS和D1、D2以及D3或蜂窩設(shè)備之間進行傳輸；前述D1、D2以及D3為一個D2D蜂窩單元的所有設(shè)備。
[0021 ] 前述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，其特征在于，對共信道模式，BS從D2處得到CSI Y 3，從Dl處得到CSI Y i，從D3和BS之間的信道得到CSI 丫2和Y4以及與BS相應(yīng)的Y5，獲得Y1, Y2, Y3以及Y4之后，BS將其發(fā)送給Dl和D2。
[0022]前述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下，推導(dǎo)得到了一個D2D蜂窩單元中的瞬時傳輸速率，用R1 (P1(V), P2(V))表示:
【權(quán)利要求】
1.無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，其特征在于，構(gòu)建共信 道模式、正交信道模式和蜂窩模式中給定QoS延遲約束條件下最大網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在所述三 種模式中，分別用Yi, y2, y3) Y4和Y5表示D1到BS、D2到D3、D2到BS、D1到D3以及BS 到D3的信道功率增益，假設(shè)信道為平穩(wěn)塊衰落模型，D1、D2以及D3受到BS控制，信道狀態(tài) 信息CSI通過BS和Dl、D2以及D3或蜂窩設(shè)備之間進行傳輸；所述Dl、D2以及D3為一個 D2D蜂窩單元的所有設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方 案，其特征在于，對共信道模式，BS從D2處得到CSI Y 3，從D1處得到CSI y丨，從D3和BS之 間的信道得到051丫2和Y4以及與BS相應(yīng)的y5，獲得Y” Y2, Y3以及Y4之后，BS將其 發(fā)送給Dl和D2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配 方案，其特征在于，共信道模式下，推導(dǎo)得到了一個D2D蜂窩單元中的瞬時傳輸速率，用 Ri (Pi (v)，P2 (v))表示：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分 配方案，其特征在于，瞬時傳輸速率RjPjvhPjv))結(jié)合信道容量表達式CP):-1/ elOg(E{e_0K[k]})得到有效容量仏汜卜久己⑴，0)，有效容量(：1(?1卜)，己卜)，0)具體的 推導(dǎo)過程如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方 案，其特征在于，對于固定的QoS指數(shù)e，在總的功率EjPjvhPjv)] 限制下最大化 c: (Pi (v) ,P2(v), 0),構(gòu)建共信道模式下優(yōu)化問題P1，可以證明P1為嚴格凸優(yōu)化問題，通過 使用拉格朗日方法來得到共信道模式下D1和D2的QoS驅(qū)動功率分配方案if (v)和(v)； 所述戶表示D2D蜂窩單元中總功率限制。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下不考慮QoS保障的功率分配方案，得到最優(yōu)功率分別為
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下，固定Q0S指數(shù)的功率分配方案，得到最優(yōu)功率分別為
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線網(wǎng)絡(luò)下D2D和蜂窩通信的統(tǒng)計QoS保障的功率分配方案，其特征在于，正交信道模式下，基站從Dl處得到CSI Y 1；D2通過D3到D2之間的反饋信道得到 CSI Y2,并將CS I Y2發(fā)給BS,得到CSI Y !和Y2之后，BS將其發(fā)送給Dl和D2。
【文檔編號】H04W28/16GK103517347SQ201310497500
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】程文馳, 張海林, 李丹萍, 李勇朝, 任智源, 崔建國 申請人:西安電子科技大學(xué)