多源多宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多源多宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設計方法，該方法能夠增強D2D鏈路性能，提升系統(tǒng)資源利用率，并且能夠降低D2D發(fā)射方功率，降低對蜂窩用戶干擾，通過跨層設計和中繼輔助將帶來更大性能提升。技術方案是：本發(fā)明是一種蜂窩用戶與D2D用戶共存時多源多宿D2D用戶使用中繼通信的實現(xiàn)方法，該方法為實現(xiàn)多源多宿D2D用戶簇內各個用戶公平使用資源，得到滿意的用戶體驗提供方案，適用于下一代蜂窩系統(tǒng)，該方法提出了使用圖論分級和跨層設計的資源分配和利用問題。
【專利說明】多源多宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機通信【技術領域】，特別涉及一種基于終端直通通信的多源多宿中繼通信方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中引入直通技術(D2D)可以克服MT-Advanced系統(tǒng)中隨著無線多媒體業(yè)務發(fā)展帶來的以基站為中心的小區(qū)業(yè)務提供模式在適應本地業(yè)務發(fā)展方面的局限性，D2D技術能夠改善網絡結構、增強覆蓋、提高系統(tǒng)容量。
[0003]但是，D2D技術的提出帶來新的問題:直通用戶很多應用場景是在高密度用戶環(huán)境下對大流量多媒體數(shù)據(jù)大量需求的場景，這就需要I)、基站協(xié)助對其進行合適的資源分配；2)、在用戶設備的體積功耗限制使D2D通信的功率和距離受限的情況下，高效利用資源；3)、保證直通服務的有效性、公平性和可靠性，提高每個直通用戶的用戶體驗。
[0004]為了解決以上的問題，本發(fā)明提出通過圖論和分級的方法解決資源分配問題，同時通過自適應編碼調制和混合自動請求重傳結合方案可以很好地解決資源的高效利用問題。本發(fā)明中的方案一方面可以增強D2D鏈路性能，提升系統(tǒng)容量，另一方面可降低D2D發(fā)射方功率，降低對蜂窩用戶干擾。
【發(fā)明內容】
[0005]技術問題:本發(fā)明目的在于提供了一種多源多宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設計方法，該方法能夠增強D2D鏈路性能，提升系統(tǒng)資源利用率，并且能夠降低D2D發(fā)射方功率，降低對蜂窩用戶干擾，通過`跨層設計和中繼輔助將帶來更大性能提升。
[0006]技術方案:本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是:本發(fā)明是一種蜂窩用戶與D2D用戶共存時多源多宿D2D用戶使用中繼通信的實現(xiàn)方法，該方法為實現(xiàn)多源多宿D2D用戶簇內各個用戶公平使用資源，得到滿意的用戶體驗提供方案，適用于下一代蜂窩系統(tǒng)，該方法提出了使用圖論分級和跨層設計的資源分配和利用問題。
[0007]方法流程:
[0008]首先，這里定義的術語定義如下:
[0009]BS:基?占
[0010]D2D:端到端
[0011]C1:第i個蜂窩用戶
[0012]SINR:信干燥比
[0013]HARQ:混合自動請求重傳
[0014]AMC:自適應編碼調制方式
[0015]ACK:接收端發(fā)送給發(fā)送端的應答信號
[0016]M:在D2D鏈路層備選的AMC方案數(shù)
[0017]N0:加性白高斯噪聲功率[0018]α:路徑損耗因子
[0019]G (V, E):端集為V，邊集為E的圖
[0020]Vi, i = 1，2，...η:端集 V 中的第 i 端點
[0021]i = 1，2，…η:邊集E中的第i條邊
[0022]η:端集中端點的個數(shù)
[0023]a u，i, j e V, i ^ j:節(jié)點i到節(jié)點j鏈路上傳輸單位比特數(shù)據(jù)所需要的費用
[0024]f1； f2:基站分配給直通用戶的頻率
[0025]G:由端和邊組成的圖
[0026]Gp:直定端集
[0027]1:簇內第i個節(jié)點
[0028]G1:第i級置定端集
[0029]N1:第i級置定端集中節(jié)點數(shù)
[0030]j:未置定端集中的任意一點
[0031]Gi+1:第i+Ι級置定端集
[0032]Ni+1:第i+Ι級置定端集中節(jié)點數(shù)
[0033]fu:節(jié)點i到節(jié)點j鏈路上的流量
[0034]Clij:節(jié)點i到節(jié)點j的通信距離
[0035]Pij:節(jié)點i發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)到節(jié)點j所需要的功率
[0036]a u:在鏈路ij上傳輸單位比特數(shù)據(jù)產生的費用
[0037]riJ:在鏈路ij上的數(shù)據(jù)傳輸速率
[0038]vi；1, I = 1,2,…隊:集合Gi中的元素，表示第i級節(jié)點集合中的第I個節(jié)點
[0039]vi+1；1, I = 1,2,…Ni+1:集合Gi+i中的元素表示第i+Ι級節(jié)點集合中的第I個節(jié)點，φ (fij, Pij):鏈路ij上產生的總費用函數(shù)
[0040]fk1:上一級節(jié)點k到本級節(jié)點i鏈路上的流量
[0041]fmax1:節(jié)點i的最大節(jié)點流量
[0042]fmaxiJ:鏈路i j上的最大鏈路流量
[0043]Clij:節(jié)點i和j之間的距離
[0044]Ilij:節(jié)點i和j之間的路徑衰落因子
[0045]I:j節(jié)點接收的干擾功率
[0046]Y Jth: j節(jié)點正確接收信號的接收信噪比(SINR)門限值
[0047]Pmin1:節(jié)點i的最小單位比特發(fā)送功率
[0048]Pmax1:節(jié)點i的最大單位比特發(fā)送功率
[0049]本發(fā)明的多源多宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設計方法實現(xiàn)如下:
[0050]1)通信場景
[0051]在蜂窩小區(qū)中，可能會存在一個區(qū)域內集中分布大量密集直通用戶的場景，該區(qū)域內用戶有相同的或者不同的多媒體業(yè)務下載需求，將這樣的區(qū)域稱為一個簇，簇內的用戶實現(xiàn)分布式的直通通信；具體的通信方式為:簇內有一個簇首用戶，該用戶首先通過其附近的蜂窩用戶向基站請求獲得信道資源和相應的多媒體業(yè)務，簇首向基站申請的是一組可用的信道資源，信道根據(jù)簇所在的位置，采用網格化頻譜資源分配方法向該簇分配所需要的一組頻率資源；
[0052]簇內的用戶對多媒體業(yè)務數(shù)據(jù)進行分級中繼轉發(fā)，對于簇首用戶節(jié)點，簇首節(jié)點稱為零級節(jié)點，零級節(jié)點對通信距離范圍內的向其申請轉發(fā)數(shù)據(jù)服務的節(jié)點根據(jù)端間最佳路徑原則進行選擇，被選的節(jié)點從簇首節(jié)點處下載數(shù)據(jù)，同時，從簇首節(jié)點處下載數(shù)據(jù)的節(jié)點成為一級節(jié)點，一級節(jié)點用同樣的方式為下一級節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，以此類推；在同一級節(jié)點中，沒有申請到服務的節(jié)點，繼續(xù)在其通信距離范圍內尋找下一級節(jié)點中可以轉發(fā)服務的節(jié)點，直到找到為止；
[0053]2)基站對直通用戶的資源分配流程:
[0054]簇首向基站申請資源分配時，除了告知基站本簇的地理位置外，還需要向基站申請可使用足夠長時間的、不能在簇內和簇外對蜂窩系統(tǒng)產生干擾的頻率資源，將基站覆蓋范圍劃分為若干網格區(qū)域，基站根據(jù)“不在有效通信范圍內不產生干擾”的距離原則為簇內用戶分配頻率資源；如果簇內用戶都使用相同的頻率資源，在用戶申請同一種業(yè)務時是有利的，如果用戶之間需要轉發(fā)的業(yè)務數(shù)據(jù)類型不一樣，同一個頻率資源就會在簇內用戶間產生干擾，因此，基站在分配頻率資源的時候，需要根據(jù)簇內用戶的業(yè)務狀況進行分配；如果是相同類型業(yè)務，基站可以向簇首分配相距所在簇區(qū)域較遠的區(qū)內的頻率資源，如果簇內用戶所轉發(fā)的數(shù)據(jù)類型不相同，則基站根據(jù)情況向簇首分配兩個以上的頻率資源；
[0055]直通用戶簇的簇首用戶向基站發(fā)送資源請求后，基站根據(jù)簇首用戶所在的位置和簇首用戶發(fā)來的關于簇的范圍的信息，將簇所在的區(qū)域定義為O區(qū)域，以簇所在區(qū)域對應的圓心角為準，將整個蜂窩系統(tǒng)按該圓心角劃分為若干區(qū)域，與O區(qū)相鄰的區(qū)域定義為I區(qū)，與I區(qū)相鄰的區(qū)域定義為II區(qū)，以此類推；基站將與O區(qū)不相鄰區(qū)域的頻率資源分配給簇內用戶，以此避免簇內用戶之間以及簇內用戶和蜂窩用戶之間的干擾；
[0056]3)簇內節(jié)點用戶分級方案
[0057]首先定義簇首節(jié)點`為O級節(jié)點，通過O級節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點定義為I級節(jié)點，所有同級節(jié)點定義為置定端集Gi,置定端集中端的個數(shù)即為該級中節(jié)點的個數(shù)，根據(jù)這種劃分，在簇內節(jié)點在轉發(fā)數(shù)據(jù)的鏈路連接過程中可以協(xié)調使用基站分配的資源，即:第一級轉發(fā)使用頻率Π，第二級轉發(fā)使用頻率f2，第三級轉發(fā)使用頻率Π，第四級轉發(fā)使用頻率f2，以此類推，有效地避免簇內的相互干擾；
[0058]簇內節(jié)點按照端間優(yōu)化的原則進行節(jié)點的分級，具體方法如下:
[0059]假設節(jié)點i為置定端集中的一個元素，該置定端集定義為i級置定端集Gi,假設集合中一共有Ni個節(jié)點；節(jié)點j是未置定端集中的任意一點，該未置定端集定義為Gi+1，該集合中的端點由向Gi由節(jié)點申請轉發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點構成，假設集合中一共有Ni+1個節(jié)點；通過優(yōu)化方案選出的節(jié)點保留在集合Gi+1中，同時更新集合中節(jié)點數(shù)Ni+1，剩余節(jié)點放在下一級未置定端集Gi+2中，進入選擇程序，依此類推；定義表示節(jié)點i到節(jié)點j鏈路上的流量，Clu表示節(jié)點i到節(jié)點j的通信距離，Pij表示從節(jié)點i發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)到節(jié)點j所需要的功率，a u表示在鏈路ij上傳輸單位比特數(shù)據(jù)產生的費用，表示在鏈路ij上的數(shù)據(jù)傳輸速率，集合Gi中的元素vu，I = 1,2,…隊表示第i級節(jié)點集合中的第I個節(jié)點，集合Gi+1中的元素vi+u，I = 1,2, -Ni+1表示第i+Ι級節(jié)點集合中的第I個節(jié)點，定義函數(shù)Φ (fu，Pij)表示鏈路ij上產生的總費用；
【權利要求】
1.一種多源多宿直通中繼通信系統(tǒng)中的跨層優(yōu)化設計方法，其特征在于，該方法實現(xiàn)如下: 1)通信場景 在蜂窩小區(qū)中，可能會存在一個區(qū)域內集中分布大量密集直通用戶的場景，該區(qū)域內用戶有相同的或者不同的多媒體業(yè)務下載需求，將這樣的區(qū)域稱為一個簇，簇內的用戶實現(xiàn)分布式的直通通信；具體的通信方式為:簇內有一個簇首用戶，該用戶首先通過其附近的蜂窩用戶向基站請求獲得信道資源和相應的多媒體業(yè)務，簇首向基站申請的是一組可用的信道資源，信道根據(jù)簇所在的位置，采用網格化頻譜資源分配方法向該簇分配所需要的一組頻率資源； 簇內的用戶對多媒體業(yè)務數(shù)據(jù)進行分級中繼轉發(fā)，對于簇首用戶節(jié)點，簇首節(jié)點稱為零級節(jié)點，零級節(jié)點對通信距離范圍內的向其申請轉發(fā)數(shù)據(jù)服務的節(jié)點根據(jù)端間最佳路徑原則進行選擇，被選的節(jié)點從簇首節(jié)點處下載數(shù)據(jù)，同時，從簇首節(jié)點處下載數(shù)據(jù)的節(jié)點成為一級節(jié)點，一級節(jié)點用同樣的方式為下一級節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，以此類推；在同一級節(jié)點中，沒有申請到服務的節(jié)點，繼續(xù)在其通信距離范圍內尋找下一級節(jié)點中可以轉發(fā)服務的節(jié)點，直到找到為止； 2)基站對直通用戶的資源分配流程: 簇首向基站申請資源分配時，除了告知基站本簇的地理位置外，還需要向基站申請可使用足夠長時間的、不能在簇內和簇外對蜂窩系統(tǒng)產生干擾的頻率資源，將基站覆蓋范圍劃分為若干網格區(qū)域，基站根據(jù)“不在有效通信范圍內不產生干擾”的距離原則為簇內用戶分配頻率資源；如果簇內用戶都使用相同的頻率資源，在用戶申請同一種業(yè)務時是有利的，如果用戶之間需要轉發(fā)的業(yè)務數(shù)據(jù)類型不一樣，同一個頻率資源就會在簇內用戶間產生干擾，因此，基站在分配頻率資源的時候，需要根據(jù)簇內用戶的業(yè)務狀況進行分配；如果是相同類型業(yè)務，基站可以向簇首分配相距所在簇區(qū)域較遠的區(qū)內的頻率資源，如果簇內用戶所轉發(fā)的數(shù)據(jù)類型不相同，則基站根據(jù)情況向簇首分配兩個以上的頻率資源； 直通用戶簇的簇首用戶向基站發(fā)送資源請求后，基站根據(jù)簇首用戶所在的位置和簇首用戶發(fā)來的關于簇的范圍的信息，將簇所在的區(qū)域定義為O區(qū)域，以簇所在區(qū)域對應的圓心角為準，將整個蜂窩系統(tǒng)按該圓心角劃分為若干區(qū)域，與O區(qū)相鄰的區(qū)域定義為I區(qū)，與I區(qū)相鄰的區(qū)域定義為II區(qū)，以此類推；基站將與O區(qū)不相鄰區(qū)域的頻率資源分配給簇內用戶，以此避免簇內用戶之間以及簇內用戶和蜂窩用戶之間的干擾； 3)簇內節(jié)點用戶分級方案 首先定義簇首節(jié)點為O級節(jié)點，通過O級節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點定義為I級節(jié)點，所有同級節(jié)點定義為置定端集Gi,置定端集中端的個數(shù)即為該級中節(jié)點的個數(shù)，根據(jù)這種劃分，在簇內節(jié)點在轉發(fā)數(shù)據(jù)的鏈路連接過程中可以協(xié)調使用基站分配的資源，即:第一級轉發(fā)使用頻率fl，第二級轉發(fā)使用頻率f2，第三級轉發(fā)使用頻率fl，第四級轉發(fā)使用頻率f2，以此類推，有效地避免簇內的相互干擾； 簇內節(jié)點按照端間優(yōu)化的原則進行節(jié)點的分級，具體方法如下: 假設節(jié)點i為置定端集中的一個元素，該置定端集定義為i級置定端集Gi,假設集合中一共有Ni個節(jié)點；節(jié)點j是未置定端集中的任意一點，該未置定端集定義為Gi+1，該集合中的端點由向Gi由節(jié)點申請轉發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點構成，假設集合中一共有Ni+1個節(jié)點；通過優(yōu)化方案選出的節(jié)點保留在集合Gi+1中，同時更新集合中節(jié)點數(shù)Ni+1，剩余節(jié)點放在下一級未置定端集Gi+2中,進入選擇程序,依此類推；定義t表示節(jié)點i到節(jié)點j鏈路上的流量，(Iij表示節(jié)點i到節(jié)點j的通信距離，Pij表示從節(jié)點i發(fā)送單位比特數(shù)據(jù)到節(jié)點j所需要的功率，a u表示在鏈路ij上傳輸單位比特數(shù)據(jù)產生的費用，表示在鏈路ij上的數(shù)據(jù)傳輸速率，集合Gi中的元素vu，I = 1,2,…隊表示第i級節(jié)點集合中的第I個節(jié)點，集合Gi+1中的元素vi+u，I = 1,2,…Ni+1表示第i+Ι級節(jié)點集合中的第I個節(jié)點，定義函數(shù)Φ (fu，Pij)表示鏈路ij上產生的總費用；
【文檔編號】H04L1/18GK103826196SQ201410049834
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權日:2014年2月13日
【發(fā)明者】孫君, 朱洪波 申請人:南京郵電大學