一種d2d與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法
【專利摘要】一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，本發(fā)明涉及啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法。本發(fā)明是要解決目前大部分文獻(xiàn)在以吞吐量最大作為網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度目標(biāo)而忽略用戶之間公平性的問(wèn)題，提出了一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法。該方法是通過(guò)一、計(jì)算信道增益；二、計(jì)算第T個(gè)時(shí)隙D2D用戶的信干燥比、瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率和比例公平函數(shù)；三、計(jì)算平均傳輸速率；四、得到數(shù)學(xué)模型：五、利用啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法求解得到P*；六、根據(jù)步驟五計(jì)算得到的P*進(jìn)行多用戶比例公平調(diào)度得到X*；七、多用戶混合網(wǎng)絡(luò)用戶平均傳輸速率初始化階段等步驟實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明應(yīng)用于啟發(fā)式比例公平調(diào)度領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
-種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，特別設(shè)及一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā) 式比例公平調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002] D2D通信定義為終端到終端的直接通信，不需要經(jīng)過(guò)基站的轉(zhuǎn)發(fā)，屬于近場(chǎng)通信。 近距離的通信使得D2D通信鏈路具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如高的數(shù)據(jù)傳輸速率，高的頻譜利用率和 能量效率，大的小區(qū)覆蓋率，低的傳輸時(shí)延，減緩網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量等。運(yùn)些優(yōu)點(diǎn)使得D2D技術(shù)迅速 發(fā)展，有望成為5G網(wǎng)絡(luò)中最具潛能的技術(shù)之一。為了提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率，D2D用戶 可W復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源。盡管D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶資源會(huì)帶來(lái)相互之間的共信道 干擾，但是在基站的集中管理下，運(yùn)些干擾都是可控的。因此，D2D網(wǎng)絡(luò)復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源成 為了許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
[0003] 然而現(xiàn)有技術(shù)在研究D2D復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，大部分都將研究目標(biāo)設(shè)定為了系 統(tǒng)吞吐量最大上面。由于用戶信道的時(shí)變性和獨(dú)立性，導(dǎo)致用戶信道狀態(tài)是不同的。如果總 是W系統(tǒng)吞吐量最大作為研究目標(biāo)，就會(huì)使得信道條件好的用戶一直分配到干擾小的頻譜 資源，獲得高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而信道條件差的用戶則滿足不了自己的傳輸速率需求。因此 對(duì)基于用戶公平性的資源調(diào)度方法的研究在D2D通信中具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決了目前大部分文獻(xiàn)在W吞吐量最大作為網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度 目標(biāo)而忽略用戶之間公平性的問(wèn)題，提出了一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào) 度方法。
[0005] 上述的發(fā)明目的是通過(guò)W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 步驟一、計(jì)算蜂窩用戶ic與基站之間的信道增益、6、D2D對(duì)之間的信道增益％、 蜂窩用戶ie與D2D對(duì)iD接收端之間的干擾信道增益\，:。^及D2D對(duì)iD到基站干擾鏈路的信道 增益\，3 ^其中，1〇為第1個(gè)020用戶;山為第1個(gè)蜂窩用戶；
[0007] 步驟二、假設(shè)信道的高斯白噪聲為第T個(gè)時(shí)隙，當(dāng)用戶iD復(fù)用用戶ic時(shí)，計(jì)算第 T個(gè)時(shí)隙D2D用戶的信干燥比綜*，7、瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率，己和比例公平函數(shù)如下：
[00川其中，為D2D對(duì)iD第Τ個(gè)時(shí)隙的發(fā)射功率，《.kj.為蜂窩用戶ic第Τ個(gè)時(shí)隙的發(fā) 射功率，為前Τ-1時(shí)隙內(nèi)D2D用戶的平均傳輸速率;\，r為第Τ個(gè)時(shí)隙，D2D對(duì)之間的信 道增益Λ，,。，Γ為第T個(gè)時(shí)隙，蜂窩用戶ic與D2D對(duì)i戚收端之間的干擾信道增益；
[001^ 利用相同方法獲取復(fù)用情況下，蜂窩用戶當(dāng)前時(shí)隙T的信干燥比《IkJ、瞬時(shí)數(shù)據(jù) 速率吃ν，Γ和比例公平函數(shù)《，ν，Γ如下：
[0016] 其中，為前Τ-1時(shí)隙內(nèi)蜂窩用戶的平均傳輸速率Λ，ΑΓ為第Τ個(gè)時(shí)隙，W蜂窩 用戶ie與基站之間的信道增益;為第Τ個(gè)時(shí)隙，D2D對(duì)iD到基站干擾鏈路的信道增益；
[0017] 計(jì)算未被復(fù)用蜂窩用戶在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)的信燥比瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率和比例公 平函數(shù)谷為：
[0021] 其中，是蜂窩用戶ic在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)不被復(fù)用時(shí)，沒(méi)有干擾情況下的發(fā)射功率， 是前T-1時(shí)隙內(nèi)未被復(fù)用蜂窩用戶的平均傳輸速率；
[0022] 步驟Ξ、計(jì)算用戶i在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率Ri,T;
[0023] 步驟四、將D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)模型的公平性問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到數(shù)學(xué) 模型；W第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)所有用戶比例公平函數(shù)之和最大為目標(biāo)函數(shù)即得到數(shù)學(xué)模型：
[0024]
[0025] 其中，乂^是公式（12)達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的信道分配矩陣乂的最優(yōu)解，？^是公式（12) 達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的功率矩陣即P的最優(yōu)解;Nc為蜂窩用戶的個(gè)數(shù);Nd為D2D對(duì)的個(gè)數(shù);X是一 個(gè)NdX化的信道分配矩陣，X中的元素\，!一·為第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)，D2D對(duì)iD和蜂窩用戶ic的復(fù)用因 子，復(fù)用時(shí)Y,-。,,,，了=1，否則-Y,。，,，Γ=〇 :
[0026] 步驟五、利用啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法將步驟四得到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解得到 p*;
[0027] 步驟六、根據(jù)步驟五計(jì)算得到的P*進(jìn)行多用戶比例公平調(diào)度得到X*;
[0028] 步驟屯、多用戶混合網(wǎng)絡(luò)用戶平均傳輸速率初始化階段；
[0029] 步驟屯一、當(dāng)時(shí)隙T = 1時(shí)，Ri,i = ri,i，即第一時(shí)隙內(nèi)用戶i的平均傳輸速率Ri,i等于 第一時(shí)隙內(nèi)的瞬時(shí)速率ri,i;將第一時(shí)隙D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大化問(wèn)題建 模；
[0030] 步驟屯二、當(dāng)接入控制元素巧。，,,，1=1或時(shí)求解得到時(shí)隙T=1時(shí)的ΡΛ
[0031] 步驟屯^、根據(jù)步驟屯二計(jì)算得到的？1^進(jìn)行求解得到乂1%獲得最優(yōu)功率控制后， 公式(21)轉(zhuǎn)換為：
[0032]
[0033] 其中，下標(biāo)1代表第一時(shí)隙。
[0034] 發(fā)明效果
[0035] 本發(fā)明能夠通過(guò)聯(lián)合功率控制對(duì)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶資源產(chǎn)生的共信道干擾起 到很好的抑制作用，從而保證了用戶最小信干燥比的需求，同時(shí)對(duì)多對(duì)D2D用戶和其復(fù)用對(duì) 象之間的頻譜資源進(jìn)行比例公平調(diào)度，使系統(tǒng)總吞吐量和系統(tǒng)公平性之間達(dá)到很好的折 中，使得系統(tǒng)的公平性和吞吐量都得到了提升。
[0036] 本發(fā)明所研究D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存混合網(wǎng)絡(luò)中的比例公平調(diào)度算法，綜合考慮了 網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量和公平性問(wèn)題，能夠在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)公平性。
[0037] 本發(fā)明W混合網(wǎng)絡(luò)中所有用戶包含D2D用戶和蜂窩用戶，比例公平函數(shù)之和最大 作為目標(biāo)函數(shù)，W信道分配因子，用戶最小信干燥比和最大發(fā)射功率作為約束條件，通過(guò)對(duì) 一對(duì)D2D用戶和其復(fù)用對(duì)象最優(yōu)功率控制使得他們和比例公平函數(shù)最大，W及通過(guò)使用低 復(fù)雜度匈牙利算法對(duì)多對(duì)D2D用戶和其復(fù)用對(duì)象的資源進(jìn)行了分配，從而得到了所研究問(wèn) 題的一個(gè)次優(yōu)解。
[0038] 本發(fā)明所研究的目標(biāo)函數(shù)與用戶的平均速率密切相關(guān)，為了更接近真實(shí)通信系 統(tǒng)，本發(fā)明對(duì)用戶平均速率的初始化進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并給出了相應(yīng)的低復(fù)雜度算法。在 系統(tǒng)初始化階段，由于在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)不需考慮用戶的平均速率，因此本發(fā)明在第一個(gè)時(shí) 隙內(nèi)W系統(tǒng)總吞吐量最大作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的信道資源進(jìn)行了分配， 從而得到了每個(gè)用戶在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的瞬時(shí)傳輸速率，并將該傳輸速率作為用戶的初始化 平均傳輸速率。之后用戶的平均傳輸速率都是在初始化傳輸速率的基礎(chǔ)上，隨著時(shí)隙的增 加迭代累加得到的。
[0039] 本發(fā)明的目的是為了解決了目前大部分文獻(xiàn)在W吞吐量最大作為網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度 目標(biāo)而忽略用戶之間公平性的問(wèn)題，提出了一種啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法，該算法能夠在 保證用戶最小信干燥比的需求下，使系統(tǒng)總吞吐量和系統(tǒng)公平性之間達(dá)到很好的折中。本 發(fā)明針對(duì)D2D網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存混合網(wǎng)絡(luò)中的資源調(diào)度問(wèn)題，提出了一種啟發(fā)式比例公 平調(diào)度算法，該算法能夠在保證用戶最小信干燥比的需求下，使系統(tǒng)總吞吐量和系統(tǒng)公平 性之間達(dá)到很好的折中，解決了目前大部分文獻(xiàn)在w吞吐量最大作為網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度目標(biāo)而 忽略用戶之間公平性帶來(lái)的問(wèn)題。
[0040] 本發(fā)明W混合網(wǎng)絡(luò)中所有用戶包含D2D用戶和蜂窩用戶，比例公平函數(shù)之和最大 作為目標(biāo)函數(shù)，W信道分配因子，用戶最小信干燥比和最大發(fā)射功率作為約束條件，通過(guò)對(duì) 一對(duì)D2D用戶和其復(fù)用對(duì)象最優(yōu)功率控制使得他們和比例公平函數(shù)最大，W及通過(guò)使用低 復(fù)雜度匈牙利算法對(duì)多對(duì)D2D用戶和其復(fù)用對(duì)象的資源實(shí)現(xiàn)了比例公平調(diào)度，從而得到了 所研究問(wèn)題的一個(gè)次優(yōu)解。
[0041] 本發(fā)明所述的可實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶可復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源進(jìn)行通 信，蜂窩用戶之間的頻譜資源相互正交，因此，網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾只有D2D用戶和蜂窩用戶 之間的共信道干擾。當(dāng)D2D用戶復(fù)用正在通信的蜂窩用戶上行鏈路資源是，基站接收的信號(hào) 會(huì)受到D2D發(fā)送端的干擾信號(hào)，同時(shí)D2D接收端也會(huì)受到蜂窩用戶發(fā)送端的干擾。考慮到蜂 窩用戶和D2D用戶通信的最小信噪比需求和最大發(fā)射功率的約束，本發(fā)明在設(shè)計(jì)算法時(shí)分 別將用戶最小信噪比和最大發(fā)射功率最為約束條件，通過(guò)對(duì)用戶發(fā)射功率合理的控制，保 證了用戶通信質(zhì)量。
【附圖說(shuō)明】
[0042] 圖1為【具體實(shí)施方式】四提出的混合網(wǎng)絡(luò)中D2D通信復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源的 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。
[0043] 圖2為【具體實(shí)施方式】一提出的一種針對(duì)D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存混合網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)式比 例公平調(diào)度算法流程圖；
[0044] 圖3為實(shí)施例提出的一種針對(duì)D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存混合網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)式比例公平調(diào) 度算法系統(tǒng)初始化流程圖；
[0045] 圖4為實(shí)施例提出的混合網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量仿真結(jié)果；
[0046] 圖5為實(shí)施例提出的混合網(wǎng)絡(luò)公平性測(cè)量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0047] 一:結(jié)合圖2本實(shí)施方式的一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公 平調(diào)度方法，具體是按照W下步驟制備的：
[004引步驟一、計(jì)算蜂窩用戶ic與基站(BS)之間的信道增益％，b、D2D對(duì)之間的信道增益 也、蜂窩用戶ic與D2D對(duì)iD接收端之間的干擾信道增益A ,, W及D2D對(duì)iD到基站(BS)干擾鏈 路的信道增益.其中，iD為第i個(gè)D2D用戶；ie為第i個(gè)蜂窩用戶；
[0049]步驟二、假設(shè)信道的高斯白噪聲為磚。第T個(gè)時(shí)隙，當(dāng)用戶iD復(fù)用用戶ic時(shí)，計(jì)算第 T個(gè)時(shí)隙D2D用戶的信干燥比#:，,。,，>瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率《，,。，7.和比例公平函數(shù)《4^如下：
[ο化2]
(4)
[005；3]其中，戍k.,r為D2D對(duì)iD第Τ個(gè)時(shí)隙的發(fā)射功率，為蜂窩用戶ic第Τ個(gè)時(shí)隙的發(fā) 射功率，為前Τ-1時(shí)隙內(nèi)D2D用戶的平均傳輸速率;為第Τ個(gè)時(shí)隙，D2D對(duì)之間的信 道增益Λα.，γ為第T個(gè)時(shí)隙，蜂窩用戶ic與D2D對(duì)iD接收端之間的干擾信道增益；
[0054]利用相同方法獲取復(fù)用情況下，蜂窩用戶當(dāng)前時(shí)隙T的信干燥比、瞬時(shí)數(shù)據(jù) 速率和比例公平函數(shù)《，,。了如下：
[0化引其中，i^；，,,，r_i為前T-1時(shí)隙內(nèi)蜂窩用戶的平均傳輸速率;\，ΑΓ為第T個(gè)時(shí)隙，W蜂窩 用戶ie與基站(BS)之間的信道增益;Α,,,αγ為第Τ個(gè)時(shí)隙，D2D對(duì)iD到基站(BS)干擾鏈路的信 道增益；
[0059]純蜂窩網(wǎng)絡(luò)中蜂窩用戶頻譜資源之間相互正交，因此不考慮蜂窩用戶之間的干 擾;本發(fā)明所述的混合網(wǎng)絡(luò)模型中蜂窩用戶的個(gè)數(shù)大于D2D用戶對(duì)數(shù)，有一些蜂窩用戶將不 會(huì)被復(fù)用，計(jì)算未被復(fù)用蜂窩用戶在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)的信燥比瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率<，r和比例公 平函數(shù)為：
[0063] 其中，iCr是蜂窩用戶ic在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)不被復(fù)用時(shí)，沒(méi)有干擾情況下的發(fā)射功率， 八;，r_i是前T-1時(shí)隙內(nèi)未被復(fù)用蜂窩用戶的平均傳輸速率；
[0064] 步驟Ξ、計(jì)算用戶i在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率Ri,T;
[0065] 步驟四、將D2D(Device-t〇-Device，終端直通)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)模型的公平 性問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到數(shù)學(xué)模型；信道具有時(shí)變特性和用戶的獨(dú)立性，為了提高整體網(wǎng) 絡(luò)的公平性，本發(fā)明W第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)所有用戶比例公平函數(shù)之和最大為目標(biāo)函數(shù)即得到數(shù) 學(xué)模型：
[0066]
[0067] 其中，乂^是公式（12)達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的信道分配矩陣乂的最優(yōu)解，？^是公式（12) 達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的功率矩陣即P的最優(yōu)解;Nc為蜂窩用戶的個(gè)數(shù);Nd為D2D對(duì)的個(gè)數(shù);X是一 個(gè)Nd X化的信道分配矩陣，X中的元素為第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)，D2D對(duì)iD和蜂窩用戶ic的復(fù)用因 子，復(fù)用時(shí)，否則Xwe，r=Q ;
[0068] 公式（12)是一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，該問(wèn)題在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)不能夠求解，因此為 NP-hard問(wèn)題，因此本發(fā)明將公式（12)分為兩個(gè)子問(wèn)題進(jìn)行解決，一個(gè)是對(duì)用戶的功率控制 問(wèn)題，另一個(gè)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的比例公平調(diào)度問(wèn)題，將運(yùn)兩個(gè)問(wèn)題的求解，得到公式（12)的一 個(gè)次優(yōu)解；
[0069] 步驟五、利用啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法將步驟四得到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解得到 P*;
[0070] 步驟六、根據(jù)步驟五計(jì)算得到的P*進(jìn)行多用戶比例公平調(diào)度得到X*;
[0071] 步驟屯、多用戶混合網(wǎng)絡(luò)用戶平均傳輸速率初始化階段；
[0072] 計(jì)算用戶比例公平函數(shù)時(shí)，除了獲取本時(shí)隙內(nèi)的瞬時(shí)速率W外，還必須獲得用戶i 前T-1時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率Ri,T-i;由公式（11)得用戶i的平均傳輸速率Ri,T是一個(gè)隨著時(shí) 隙不斷迭代累加的結(jié)果，且用戶i在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率= 在第一個(gè)時(shí)隙 內(nèi)，不存在用戶的比例公平函數(shù)，因此，不能采用比例公平調(diào)度策略進(jìn)行用戶的資源調(diào)度； 鑒于此，在第一時(shí)隙，W系統(tǒng)總的吞吐量最大化為目標(biāo)對(duì)多用戶共存混合網(wǎng)絡(luò)中的資源進(jìn) 行分配;在保證所有用戶最小信噪比需求和最大功率限制的條件下，通過(guò)功率控制和資源 調(diào)度共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大的目的；
[0073] 步驟屯一、當(dāng)時(shí)隙T = 1時(shí)，Ri,i = ri,i，即第一時(shí)隙內(nèi)用戶i的平均傳輸速率Ri,i等于 第一時(shí)隙內(nèi)的瞬時(shí)速率ri,i;將第一時(shí)隙D2D(Device-t〇-Device，終端直通)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的 混合網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大化問(wèn)題建模；
[0074] 步驟屯二、當(dāng)接入控制元素",。，,,，,=域巧。，,,.1=〇時(shí)求解得到時(shí)隙T = 1時(shí)的ΡΛ
[0075] 步驟屯^、根據(jù)步驟屯二計(jì)算得到的？1^進(jìn)行求解得到乂1%獲得最優(yōu)功率控制后， 公式(21)轉(zhuǎn)換為：
[0076]
[0077] 其中，下標(biāo)1代表第一時(shí)隙；
[0078] 公式(25)描述的是多對(duì)D2D用戶和多個(gè)蜂窩用戶共存時(shí)，D2D用戶復(fù)用對(duì)象的選擇 問(wèn)題;通過(guò)功率控制得到每對(duì)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的和速率/\一':，多對(duì)復(fù)用對(duì)象對(duì)應(yīng)的和 速率矩陣r為：
[0081] 其中，為第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)用戶ic和iD復(fù)用時(shí)的和速率；
[0082] 公式（25)的最優(yōu)解為從r中選取Nd個(gè)元素，通過(guò)經(jīng)典的匈牙利算法進(jìn)行求解使得 網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量最大；
[0083] 在匈牙利算法計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于行數(shù)大于Nd的元素，本發(fā)明引入虛擬元素0進(jìn)行填 充。
[0084] 本實(shí)施方式效果：
[0085] 本發(fā)明所研究D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存混合網(wǎng)絡(luò)中的比例公平調(diào)度算法，綜合考慮了 網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量和公平性問(wèn)題，能夠在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)公平性。
[0086] 本發(fā)明W混合網(wǎng)絡(luò)中所有用戶包含D2D用戶和蜂窩用戶，比例公平函數(shù)之和最大 作為目標(biāo)函數(shù)，W信道分配因子，用戶最小信干燥比和最大發(fā)射功率作為約束條件，通過(guò)對(duì) 一對(duì)D2D用戶和其復(fù)用對(duì)象最優(yōu)功率控制使得他們和比例公平函數(shù)最大，W及通過(guò)使用低 復(fù)雜度匈牙利算法對(duì)多對(duì)D2D用戶和其復(fù)用對(duì)象的資源進(jìn)行了分配，從而得到了所研究問(wèn) 題的一個(gè)次優(yōu)解。
[0087] 本發(fā)明所研究的目標(biāo)函數(shù)與用戶的平均速率密切相關(guān)，為了更接近真實(shí)通信系 統(tǒng)，本發(fā)明對(duì)用戶平均速率的初始化進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并給出了相應(yīng)的低復(fù)雜度算法。在 系統(tǒng)初始化階段，由于在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)不需考慮用戶的平均速率，因此本發(fā)明在第一個(gè)時(shí) 隙內(nèi)W系統(tǒng)總吞吐量最大作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的信道資源進(jìn)行了分配， 從而得到了每個(gè)用戶在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的瞬時(shí)傳輸速率，并將該傳輸速率作為用戶的初始化 平均傳輸速率。之后用戶的平均傳輸速率都是在初始化傳輸速率的基礎(chǔ)上，隨著時(shí)隙的增 加迭代累加得到的。
[0088] D2D通信由于高的數(shù)據(jù)傳輸速率，高的頻譜利用率和能量效率，低的傳輸時(shí)延，減 輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量等，使得D2D技術(shù)迅速發(fā)展，有望成為5G網(wǎng)絡(luò)中最具潛能的技術(shù)之一。為了進(jìn) 一步提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率，D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源，帶來(lái)了相互之間的共 信道干擾問(wèn)題，但是在基站的集中式管理下，運(yùn)些干擾都是可控的。因此，D2D網(wǎng)絡(luò)復(fù)用蜂窩 網(wǎng)絡(luò)資源成為了研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本發(fā)明針對(duì)D2D用戶復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)的資源調(diào)度問(wèn) 題，提出了一種啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法，該算法能夠在保證用戶最小信干燥比的需求下， 使系統(tǒng)總吞吐量和公平性之間達(dá)到很好的折中，解決了目前大部分文獻(xiàn)在W吞吐量最大作 為網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度目標(biāo)而忽略用戶之間公平性帶來(lái)的問(wèn)題。
[0089]
【具體實(shí)施方式】二：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是：步驟一中計(jì)算 趕8、^成，*。和\，島具體過(guò)程為： %，公
[0090] W蜂窩用戶ie與基站(BS)之間的信道增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0091]
(1)
[OOW]其中，G是路徑損耗常數(shù)，4，s為蜂窩用戶到基站的服從指數(shù)分布的快速衰落，爲(wèi)，B 為蜂窩用戶到基站服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落因子，α是路徑損耗因子，是蜂窩用戶ic 和基站之間的距離；ic為第i個(gè)蜂窩用戶；蜂窩與D2D用戶共存的混合網(wǎng)絡(luò)中，所有用戶的瞬 時(shí)信道增益由多徑效應(yīng)，陰影效應(yīng)和路徑損耗構(gòu)成；
[0093] 同樣方法得至化2D對(duì)之間的信道增益％蜂窩用戶ic與D2D對(duì)iD接收端之間的干擾 .、： 信道增益\相、D2D對(duì)iD到基站(BS)干擾鏈路的信道增益。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施 方式一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0094] Ξ:本實(shí)施方式與一或二不同的是:步驟Ξ中將用戶i 在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率用下式表示為：
[00 巧]
CIO
[0096] 其中，Ri,T-i表不第i個(gè)用戶在前T-1時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率，；Ti,T表不第i個(gè)用戶在 第T個(gè)時(shí)隙的瞬時(shí)傳輸速率;Ri,T是用戶i在T個(gè)時(shí)隙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)吞吐量累加求和求平均的一個(gè) 值，Ri,T會(huì)隨著時(shí)隙的變化而不斷更新。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0097] 【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至Ξ之一不同的是：步驟四中數(shù) 學(xué)模型約束條件具體為：
[0104]其中，茲。定義了蜂窩用戶ic最小SINR需求;鉛。定義了D2D用戶iD最小SINR需求;C 為蜂窩用戶的集合;D為0細(xì)用戶的集合;P=[p:,,一，口:^/^^屯^促義了當(dāng)前刊寸隙內(nèi)用戶發(fā) 射功率矩陣:矩陣，r和Ka.，,大小和矩陣X-樣；P；；,,，r為D2D用戶的發(fā)射功率矩陣， 中的元素由娩構(gòu)成；咕W(wǎng)為蜂窩用戶被復(fù)用時(shí)的發(fā)射功率矩陣，PfiAJ中的元素由 /Ck，r構(gòu)成；Pitr為蜂窩用戶不被復(fù)用時(shí)的發(fā)射功率矩陣，P^，r中的元素由巧1,構(gòu)成；巧'。、為 蜂窩用戶和D2D用戶的最大發(fā)射功率;巧已為D2D用戶的最大發(fā)射功率；
[010日]限制條件（12a)和（1化)表不在時(shí)隙T內(nèi)，一個(gè)D2D對(duì)和一個(gè)蜂窩用戶之間一對(duì)一的 復(fù)用關(guān)系，（12c)和（12d)分別代表了蜂窩用戶和D2D用戶的最小信噪比需求，（12e)和（12f) 表示蜂窩用戶和D2D用戶的功率限制；
[0106] 所述D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)中D2D通信復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源的網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)模型包含一個(gè)基站1，化個(gè)蜂窩用戶2和Nd個(gè)D2D發(fā)送端3和Nd個(gè)D2D接收端4(如圖1)，且蜂 窩用戶的數(shù)量大于D2D用戶，即Nc^Nd;
[0107] 該模型中所有蜂窩用戶CU和D2D發(fā)送端DUT均勻分布在W基站為圓屯、，半徑為R的 圓內(nèi)，D2D接收端DUR均勻分布在WDUT為圓屯、半徑為r的圓內(nèi)；基站分配給蜂窩用戶的信道 之間完全正交，蜂窩用戶之間不存在干擾;每個(gè)蜂窩用戶被分配一個(gè)正交信道，一個(gè)正交信 道至多分給一個(gè)蜂窩用戶;且D2D用戶只能復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶的資源，一個(gè)蜂窩用戶的資源 至多被一個(gè)D2D用戶進(jìn)行復(fù)用;所在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下，D2D用戶只能夠?qū)Ψ涓C用戶的上行鏈路資 源進(jìn)行復(fù)用，因?yàn)樯闲墟溌返母蓴_比下行鏈路資源更可控;所有用戶包括蜂窩用戶和D2D用 戶，蜂窩用戶和D2D用戶都有最小的SINR需求;基站能夠通過(guò)控制信道獲取所有通信鏈路的 完美信道信息;所有鏈路經(jīng)歷了多徑效應(yīng)引起的快速衰落，陰影效應(yīng)引起的慢衰落和長(zhǎng)距 離傳輸所帶來(lái)的路徑損耗。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至Ξ之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0108] 五:本實(shí)施方式與一至四之一不同的是：步驟五中利 用啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法將步驟四得到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解得到P*具體過(guò)程：
[0109] 步驟五一、利用D2D用戶接入控制確定接入控制矩陣A中的元素 ％，,t =1或
[0110] 為了求解公式（12)中的優(yōu)化問(wèn)題，首先基站需要對(duì)D2D用戶能否接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)資 源進(jìn)行決策;運(yùn)是可行的，因?yàn)榛究蒞通過(guò)控制信道獲取用戶的位置信息，通過(guò)D2D用戶 和蜂窩用戶之間的距離判斷D2D用戶能否復(fù)用蜂窩用戶資源；運(yùn)一步可W通過(guò)文獻(xiàn)1 (D.Feng，L.Lu，Yi YW，GY Li，G Feng,S Li，"Device-t〇-device communications underlaying cellular networks，"IEEE Trans.Commun.，vol.61，no.8，pp.3541-3551， Aug.2013.)中的接入控制實(shí)現(xiàn);通過(guò)限制條件α2c)、α2d)、α2e)和α2f)獲得Da)用戶接 收端iD到蜂窩用戶發(fā)送端ie的最小通信距離?;::。如下：
[0111]
[0112] 計(jì)算每個(gè)D2D對(duì)接收端與所有蜂窩用戶之間的距離馬。，。:，假設(shè)D2D對(duì)iD接收端位置 為(.\，乂。)，蜂窩用戶i。位置為(\，義。)，貝化2D用戶接收端iD到蜂窩用戶發(fā)送端ie的距離 王如，[為：
[0113]
(14)
[0114] 定義接入控制矩陣A，矩陣大小為NdX化;如果與接入控制矩陣A中的元 素 α,。,:。=1，則iD用戶可W復(fù)用ic用戶的資源;否則α,。，,，=0;
[011引其中，爲(wèi)。,,。為用戶i翊用戶iD的服從指數(shù)分布的快速衰落，知。為用戶i翊用戶iD月良 從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落因子；
[0116] 步驟五二、D2D網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共同組成的混合網(wǎng)絡(luò)的功率控制問(wèn)題是指通過(guò)合 理控制用戶的發(fā)送功率來(lái)抑制網(wǎng)絡(luò)中的干擾，同時(shí)使得用戶比例公平函數(shù)達(dá)到最大；
[0117] 當(dāng)=1時(shí)，進(jìn)行用戶ic和用戶iD的功率控制；
[0118] 當(dāng)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源時(shí)，D2D接收端會(huì)接收到來(lái)自蜂窩用戶的干 擾信號(hào)，而基站會(huì)收到來(lái)自D2D發(fā)送端的干擾信號(hào);可通過(guò)對(duì)D2D用戶和其復(fù)用蜂窩用戶功 率的合理控制，抑制復(fù)用帶來(lái)的共信道干擾問(wèn)題，同時(shí)使得復(fù)用情況下，D2D用戶和復(fù)用對(duì) 象的比例公平函數(shù)之和最大；由于網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶和復(fù)用蜂窩用戶之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因 此本發(fā)明只考慮一對(duì)D2D用戶復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶時(shí)的功率控制問(wèn)題；
[0119] 步驟五Ξ、當(dāng)=0時(shí)，進(jìn)行用戶ic的功率控制；
[0120] 對(duì)于未被復(fù)用純蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的蜂窩用戶，由于蜂窩用戶之間的頻譜資源相互正 交，不存在干擾，因此確定純蜂窩網(wǎng)絡(luò)中蜂窩用戶的最大比例公平函數(shù)幻；·；^所對(duì)應(yīng)的發(fā)射 功率為蜂窩用戶的最大發(fā)送功率巧，即：
[0121]
(18)
[0122]因此，第Τ個(gè)時(shí)隙內(nèi)，純蜂窩用戶最大發(fā)射功率iCr所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速率<>通過(guò)公式 (8)(9)計(jì)算得到，最大比例公平函數(shù)由公式（10)計(jì)算得到
平均傳輸速率 為瑪;r由公式(11)計(jì)算得到；
[012；3]步驟五四、根據(jù)/C,,r、戍和片:r計(jì)算得到第T〉1時(shí)的P*。其它步驟及參數(shù)與具 體實(shí)施方式一至四之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0124] 六:本實(shí)施方式與一至五之一不同的是：步驟五二中 當(dāng)α,。,。=1時(shí)，進(jìn)行用戶ie和用戶iD的功率控制具體過(guò)程：
[0125] 步驟五二一、在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)，D2D用戶iD復(fù)用蜂窩用戶ic時(shí)的最大比例公平函數(shù)之 和的最優(yōu)功率控制問(wèn)題建模為：
[0126]
(15)
[0127] 其中，心,:,。，,，<,。^；)為（也。^:。.,）的最優(yōu)解即最優(yōu)控制功率；
[0128] 步驟五二二、由于對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)前T-1時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率是一個(gè)定值，因此對(duì) 于公式（13)求解的最優(yōu)功率控制等價(jià)于對(duì)于D2D用戶iD和蜂窩用戶ie復(fù)用時(shí)和速率最大所 對(duì)應(yīng)的最優(yōu)功率解;求解和速率公式如下：
[0129]
(化）
[0130] 公式(16)可通過(guò)文獻(xiàn)1進(jìn)行求解；由最優(yōu)控制功率能夠通過(guò)公式(2) (3)和(5)(6)分別計(jì)算出蜂窩用戶和020用戶在時(shí)隙1'的瞬時(shí)速率<，>,。^和?;；二.^，并通過(guò)公式 (11)計(jì)算出平均傳輸速率巧;和巧；:。,7.，貝撮大比例公平函數(shù)之和為：
[0131]
(17)；
[0132] 其中，為蜂窩用戶在第T時(shí)隙的瞬時(shí)速率，為D2D用戶在第T時(shí)隙的瞬時(shí) 速率。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0133] 屯:本實(shí)施方式與一至六之一不同的是：步驟六中根 據(jù)步驟五計(jì)算得到的P*進(jìn)行多用戶比例公平調(diào)度得到X*具體過(guò)程為：
[0134] D2D網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)組成的混合網(wǎng)絡(luò)中，多對(duì)D2D用戶和蜂窩用戶共存；如何對(duì)多 對(duì)D2D對(duì)的復(fù)用對(duì)象進(jìn)行選擇使得系統(tǒng)總的比例公平函數(shù)最大，是本發(fā)明接下來(lái)要討論的 問(wèn)題;混合網(wǎng)絡(luò)中多對(duì)D2D對(duì)的復(fù)用對(duì)象的選擇問(wèn)題實(shí)際上就是針對(duì)多個(gè)用戶的比例公平 調(diào)度問(wèn)題；
[0135] 通過(guò)最優(yōu)的功率控制矩時(shí)
，公式（12)中的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)一步 轉(zhuǎn)化為：
[0136]
[0137] 本發(fā)明通過(guò)計(jì)算獲得每對(duì)D2D用戶復(fù)用所有蜂窩用戶時(shí)的比例公平函數(shù)矩陣化： 如果接入控制元素％<:。=1，則D2D對(duì)iD可W復(fù)用蜂窩用戶發(fā)送端ie的資源，此時(shí)復(fù)用的比例 公平函數(shù)之和斯。，知Γ通過(guò)公式（17)獲得，否則巧。=〇，D2D對(duì)不能復(fù)用蜂窩用戶發(fā)送端ic 的資源，比例公平函數(shù)之和徑為0;第T時(shí)隙內(nèi)，D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶頻譜時(shí)的比例公 平函數(shù)矩陣化為：
[0140] 為第T個(gè)時(shí)隙的接入控制元素；
[0141] 考慮到網(wǎng)絡(luò)中一對(duì)D2D用戶只能復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶的頻譜資源，同時(shí)一個(gè)蜂窩用 戶也至多能夠被一對(duì)D2D用戶復(fù)用，因此，將（19)中的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為從比例公平矩陣化中 選取Nd個(gè)元素使得它們的總和最大，且每行每列只能選擇一個(gè)元素;運(yùn)樣，將優(yōu)化問(wèn)題式 (19)轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的指派問(wèn)題，將指派問(wèn)題通過(guò)經(jīng)典的匈牙利算法化ungarian Algorithm) 獲得時(shí)隙T〉1時(shí)的信道分配的最優(yōu)解滬；
[0142] 由于混合網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶的個(gè)數(shù)小于蜂窩用戶的個(gè)數(shù)Nd<Nc，而匈牙利算法要求代 價(jià)函數(shù)的行數(shù)和列數(shù)必須相等，因此，比例公平矩陣需要被擴(kuò)充為化XNc的矩陣;對(duì)于比例 公平函數(shù)中行數(shù)大于Nd的元素，本發(fā)明引入虛擬元素0進(jìn)行填充。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí) 施方式一至六之一相同。
[0143]
【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至屯之一不同的是：步驟屯一中 將第一時(shí)隙D2D(Device-t〇-Device，終端直通)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大化問(wèn) 題建模如下：
[0144]

[0151] 其中，下標(biāo)1代表第一時(shí)隙；
[0152] 該吞吐量?jī)?yōu)化的問(wèn)題是一個(gè)非凸的優(yōu)化問(wèn)題，不能夠直接求解；因此，將吞吐量最 大化問(wèn)題分為單個(gè)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶時(shí)的功率控制和多用戶共存網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度兩個(gè) 子問(wèn)題進(jìn)行求解。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至屯之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0153] 九:本實(shí)施方式與一至八之一不同的是：步驟屯二中 當(dāng)接入控制元素 a,0，W =域0，。，,一 =Q時(shí)求解得到時(shí)隙T = 1時(shí)Pi巧體過(guò)程為：
[0154] 步驟屯二一、通過(guò)接入控制策略獲得T=1時(shí)的接入控制矩陣Ai，當(dāng)接入控制元素 ",。，,,.，1=1時(shí)，〇20對(duì)1〇復(fù)用蜂窩用戶^的頻譜資源；當(dāng)巧。,,，=1時(shí)，進(jìn)行用戶1沸用戶1〇的功率 控制，得到和速率最大值，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0157] 其中，巧;;分別是和速率最大時(shí)，蜂窩用戶ie和復(fù)用D2D對(duì)iD對(duì)應(yīng)的發(fā)射 功率;復(fù)用情況下，與：。,為蜂窩用戶對(duì)應(yīng)的平均傳輸速率，復(fù)用情況下，為D2D用戶對(duì) 應(yīng)的平均傳輸速率為，且
I復(fù)用和速率最大時(shí)，蜂窩用戶 ic在第一時(shí)隙對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速率是復(fù)用和速率最大時(shí)，復(fù)用D2D用戶iD在第一時(shí)隙對(duì)應(yīng) 的瞬時(shí)速率；
[0158] 步驟屯二二、當(dāng)接入控制元素一 =G，蜂窩用戶ie沒(méi)被復(fù)用，此時(shí)蜂窩用戶最大瞬 時(shí)速率;等于純蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的最大瞬時(shí)速率，其表達(dá)式如下：
[0159]
(:4)
[0160] 其中，巧；1為蜂窩用戶不受干擾情況下，瞬時(shí)速率最大時(shí)的最優(yōu)發(fā)射功率，其值等 于蜂窩用戶的最大發(fā)射功率巧：、；蜂窩用戶的平均傳輸速率為《：，1，且其它步驟 及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0161] 采用W下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：
[0162] 實(shí)施例一；
[0163] 本實(shí)施例一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，具體是按照W下 步驟制備的：
[0164] 步驟一:算法開(kāi)始；
[01化]步驟二：輸入網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)：小區(qū)半徑R，D2D半徑r，G，的.，託，亂和
[0166] 步驟系統(tǒng)初始化得到第一時(shí)隙內(nèi)所有D2D用戶的平均傳輸速率矩陣
和所有蜂窩用戶的平均傳輸速率矩陣
[0167] 所述步驟Ξ所述的第一時(shí)隙內(nèi)所有D2D用戶的平均傳輸速率矩陣和所有蜂窩用戶 的平均傳輸速率矩陣通過(guò)W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0168] 結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本發(fā)明所述的一種針對(duì)D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存混合網(wǎng)絡(luò)的 啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法系統(tǒng)初始化通過(guò)W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0169] 步驟Ξ-:建立網(wǎng)絡(luò)框架，W基站為圓屯、，Nc個(gè)蜂窩用戶發(fā)送端和Nd個(gè)D2D用戶發(fā)送 端隨機(jī)均勻分布在WR米為半徑的圓內(nèi)，Nd個(gè)D2D用戶接收端隨機(jī)分布在W相對(duì)應(yīng)D2D發(fā)送 端為圓屯、半徑為r的圓內(nèi)；
[0170] 步驟Ξ二:計(jì)算所有蜂窩用戶到基站之間的信道增益％，S，計(jì)算所有D2D對(duì)之間的 信道增益\ :，蜂窩用戶ic與D2D對(duì)iD接收端之間的干擾信道增益,D2D對(duì)iD到基站(BS)干 擾鏈路的信道增益\，E.
[0171 ]步驟ΞΞ:判斷D2D用戶對(duì)數(shù)是否達(dá)到最大值Nd，未達(dá)到轉(zhuǎn)到步驟Ξ四；否則轉(zhuǎn)步 驟二十；
[0172] 步驟Ξ四：判斷蜂窩用戶個(gè)數(shù)是否達(dá)到最大值化，未達(dá)到轉(zhuǎn)到步驟Ξ五；否則，D2D 對(duì)數(shù)加1，返回步驟ΞΞ;
[0173] 步驟Ξ五:進(jìn)入階段1接入控制:計(jì)算D2D對(duì)i和蜂窩用戶發(fā)射端j之間的最小距離 Γ，"
[0174] 步驟Ξ六:計(jì)算D2D對(duì)i和蜂窩用戶發(fā)射端j之間的實(shí)際距離以^;
[01巧]步驟Ξ屯:判斷是否成立，如果成立轉(zhuǎn)到步驟Ξ八，否則轉(zhuǎn)到步驟Ξ九；
[0176] 步驟Ξ八:進(jìn)入階段2最優(yōu)功率控制:接入控制元素計(jì)算D2D對(duì)iD復(fù)用蜂窩 用戶ie時(shí)通過(guò)功率控制得到的最大和速率<，,。，1，及蜂窩用戶和D2D用戶分別對(duì)應(yīng)的平均傳 輸速率為和i?；；。，,，蜂窩用戶個(gè)數(shù)加1，返回步驟Ξ四；
[0177] 步驟Ξ九:接入控制元素計(jì)算蜂窩用戶ie沒(méi)有被D2D對(duì)iD復(fù)用時(shí)的最大瞬 時(shí)速率f，'i，蜂窩用戶的平均傳輸速率為，蜂窩用戶個(gè)數(shù)加1，返回步驟Ξ四；
[0178] 步驟Ξ十:獲得代價(jià)矩陣r，利用匈牙利算法對(duì)代價(jià)矩陣求取系統(tǒng)整體吞吐量最大 時(shí)所對(duì)應(yīng)的信道分配矩陣X。
[0179] 步驟Ξ十一：輸出第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)所有D 2 D用戶的平均傳輸速率矩陣 醉=[解，嫣V..，錢(qián);，1]和所有蜂窩用戶的平均傳輸速率矩陣-嶺=[媒，攝，…，馬，1;。
[0180]步驟Ξ十二:系統(tǒng)初始化結(jié)束；
[0181 ]步驟四：判斷是否達(dá)到時(shí)隙T，若未達(dá)到轉(zhuǎn)到步驟五，否則轉(zhuǎn)到步驟十六；
[0182] 步驟五:建立網(wǎng)絡(luò)框架，W基站為圓屯、，Nc個(gè)蜂窩用戶發(fā)送端和Nd個(gè)D2D用戶發(fā)送端 隨機(jī)均勻分布在WR米為半徑的圓內(nèi)，Nd個(gè)D2D用戶接收端隨機(jī)分布在W相對(duì)應(yīng)D2D發(fā)送端 為圓屯、半徑為r的圓內(nèi)；
[0183] 步驟六:計(jì)算所有蜂窩用戶到基站之間的信道增益\，3,計(jì)算所有D2D對(duì)之間的信 道增益\?！し涓C用戶ic與D2D對(duì)iD接收端之間的干擾信道增益\，，:1 D2D對(duì)iD到基站(BS)干擾 鏈路的信道增益
[0184] 步驟屯:判斷D2D用戶對(duì)數(shù)是否達(dá)到最大值Nd，未達(dá)到轉(zhuǎn)到步驟八；否則轉(zhuǎn)步驟十 四；
[0185] 步驟八:判斷蜂窩用戶個(gè)數(shù)是否達(dá)到最大值化，未達(dá)到轉(zhuǎn)到步驟九；否則，D2D對(duì)個(gè) 數(shù)加1返回步驟屯；
[0186] 步驟九：進(jìn)入階段1接入控制：計(jì)算D2D對(duì)i和蜂窩用戶發(fā)射端j之間的最小距離 r mill L!、1 ·、
[0187] 步驟十:計(jì)算D2D對(duì)i和蜂窩用戶發(fā)射端j之間的實(shí)際距離以^;
[0188] 步驟十一:判斷是否成立，如果成立轉(zhuǎn)到步驟十二，否則轉(zhuǎn)到步驟十
[0189] 步驟十二：進(jìn)入階段2最優(yōu)功率控制：接入控制元素0，。,，一 =1，通過(guò)功率控制獲取 D2D對(duì)iD復(fù)用蜂窩用戶ie時(shí)得到的最大比例公平函數(shù)之和《，,,，r，及蜂窩用戶和D2D用戶分 別對(duì)應(yīng)的平均傳輸速率為if；；。，~和式，蜂窩用戶個(gè)數(shù)加1，返回步驟八；
[0190] 步驟十接入控制元素巧。,。，7=〇,計(jì)算蜂窩用戶i誠(chéng)有被D2D對(duì)iD復(fù)用時(shí)的最大比 例公平函數(shù)蜂窩用戶的平均傳輸速率為蜂窩用戶個(gè)數(shù)加1，返回步驟八；
[0191] 步驟十四：獲得代價(jià)矩陣Q，利用匈牙利算法對(duì)代價(jià)矩陣求取系統(tǒng)所有比例公平函 數(shù)之和最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的信道分配矩陣X。
[0192] 步驟十五：輸出當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)所有D 2 D用戶的平均傳輸速率矩陣 賊=[塔，譚;，…，媒J]和所有蜂窩用戶的平均傳輸速率矩陣游=[塔，爲(wèi);，…，馬：,r]，當(dāng) 前時(shí)隙個(gè)數(shù)巧日1，返回步驟四。
[0193] 步驟十六:算法結(jié)束。
[0194] 對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的描述：
[01M] A.網(wǎng)絡(luò)框架及仿真參數(shù)
[0196] 本發(fā)明仿真參數(shù)見(jiàn)表1
[0197] 表1仿真參數(shù)
[019 引
[0199] B.仿真結(jié)果與分析
[0200] 本方面的仿真結(jié)果分別從網(wǎng)絡(luò)總吞吐量，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)公平性兩方面分析所提出算法 對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能的提升。網(wǎng)絡(luò)總體吞吐量定義為所有D2D用戶和蜂窩用戶的吞吐量之和。整 體網(wǎng)絡(luò)公平性利用化in's公平性指標(biāo)進(jìn)行度量Jain's表達(dá)式為：
[0201]
[0202] 其中F為化in's公平性因子，Ri為第i個(gè)用戶當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率，K為用戶 個(gè)數(shù)。當(dāng)F=1時(shí)系統(tǒng)是最公平的，當(dāng)F = 0時(shí)系統(tǒng)是最不公平的。Jain's公平性指標(biāo)F越大，系 統(tǒng)公平性越高。
[0203] 圖4是本發(fā)明所述的混合網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量，單位是bit/s/HZ，從圖4中可W看出 與文獻(xiàn)[1]中最大化系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)的算法相比，提出算法得到的系統(tǒng)吞吐量率低于文 獻(xiàn)[1]算法。運(yùn)是因?yàn)槲墨I(xiàn)[1]算法只考慮了系統(tǒng)吞吐量而忽略了系統(tǒng)中用戶之間的公平 性。而提出算法采用比例公平調(diào)度綜合考慮了吞吐量和公平性兩個(gè)因素。同時(shí)，隨著D2D對(duì) 數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量也在逐漸增加，運(yùn)是因?yàn)镈2D通信能提高系統(tǒng)頻譜利用率。
[0204] 圖5是本發(fā)明所述的混合網(wǎng)絡(luò)中利用Jain's公平性因子（Jain's fairness index)測(cè)量整體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)公平性的結(jié)果，從圖中明顯看到提出算法比文獻(xiàn)[1]中所提算法 公平性高，運(yùn)就進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出的比例公平算法能夠很好地在系統(tǒng)吞吐量和公平性之 間做出一個(gè)很好的折中，且提出算法明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[1 ]中算法。
[0205] 本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域 技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但運(yùn)些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于 本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在于，該方法具體是按 照以下步驟進(jìn)行的： 步驟一、計(jì)算蜂窩用戶ic與基站之間的信道增益\^、〇20對(duì)之間的信道增益氣^蜂窩用 戶ic與D2D對(duì)iD接收端之間的干擾信道增益A，，以及D2D對(duì)iD到基站干擾鏈路的信道增益 .其中，iD為第i個(gè)D2D用戶；k為第i個(gè)蜂窩用戶； ? 步驟二、假設(shè)信道的高斯白噪聲為< 第Τ個(gè)時(shí)隙，當(dāng)用戶iD復(fù)用用戶ic時(shí)，計(jì)算第Τ個(gè)時(shí) 隙D2D用戶的信干燥比瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率<，,^和比例公平函數(shù)如下：其中，iC，r為D2D對(duì)iD第Τ個(gè)時(shí)隙的發(fā)射功率，為蜂窩用戶k第Τ個(gè)時(shí)隙的發(fā)射功 率，為前T-1時(shí)隙內(nèi)D2D用戶的平均傳輸速率;為第T個(gè)時(shí)隙，D2D對(duì)之間的信道增 益；\,,e，r為第Τ個(gè)時(shí)隙，蜂窩用戶i^D2D對(duì)i D接收端之間的干擾信道增益； 利用相同方法獲取復(fù)用情況下，蜂窩用戶當(dāng)前時(shí)隙T的信干燥比、瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率 ^ri ^ 和比例公平函數(shù)如下：其中，為前Τ-1時(shí)隙內(nèi)蜂窩用戶的平均傳輸速率;為第Τ個(gè)時(shí)隙，以蜂窩用戶 ic與基站之間的信道增益;\,^為第T個(gè)時(shí)隙，D2D對(duì)iD到基站干擾鏈路的信道增益； 計(jì)算未被復(fù)用蜂窩用戶在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)的信燥比瞬時(shí)數(shù)據(jù)速率和比例公平函 數(shù)β::，Γ為：其中，是蜂窩用戶ic在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)不被復(fù)用時(shí)，沒(méi)有干擾情況下的發(fā)射功率， 是前T-ι時(shí)隙內(nèi)未被復(fù)用蜂窩用戶的平均傳輸速率； 步驟三、計(jì)算用戶i在第Τ個(gè)時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率Ri, Τ; 步驟四、將D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)模型的公平性問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模得到數(shù)學(xué)模型； 以第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)所有用戶比例公平函數(shù)之和最大為目標(biāo)函數(shù)即得到數(shù)學(xué)模型：其中，X+是公式（12)達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的信道分配矩陣X的最優(yōu)解，P+是公式（12)達(dá)到 最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的功率矩陣即P的最優(yōu)解;NC為蜂窩用戶的個(gè)數(shù);Nd為D2D對(duì)的個(gè)數(shù);X是一個(gè)Nd XN C的信道分配矩陣，X中的元素 XWc，r為第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)，D2D對(duì)iD和蜂窩用戶ic的復(fù)用因子， 復(fù)用時(shí)，:τ=1，否則 步驟五、利用啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法將步驟四得到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解得到產(chǎn)； 步驟六、根據(jù)步驟五計(jì)算得到的產(chǎn)進(jìn)行多用戶比例公平調(diào)度得到X、 步驟七、多用戶混合網(wǎng)絡(luò)用戶平均傳輸速率初始化階段； 步驟七一、當(dāng)時(shí)隙T = 1時(shí)，Ri, i = ri, i，即第一時(shí)隙內(nèi)用戶i的平均傳輸速率Ri,:等于第一 時(shí)隙內(nèi)的瞬時(shí)速率ri>1;將第一時(shí)隙D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大化問(wèn)題建模； 步驟七二、當(dāng)接入控制元素氣*^=1或氣^，1=〇時(shí)求解得到時(shí)隙丁=1時(shí)的? 1、 步驟七三、根據(jù)步驟七二計(jì)算得到的P廣進(jìn)行求解得到X，;獲得最優(yōu)功率控制后，公式 (21)轉(zhuǎn)換為：其中，下標(biāo)1代表第一時(shí)隙。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在 于:步驟一中計(jì)算'^ ~&和\^具體過(guò)程為： 以蜂窩用戶ic與基站(BS)之間的信道增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中，G是路徑損耗常數(shù)，為蜂窩用戶到基站的服從指數(shù)分布的快速衰落，心為蜂 窩用戶到基站服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落因子，α是路徑損耗因子，是蜂窩用戶ic和基 站之間的距離;ic為第i個(gè)蜂窩用戶； 同樣方法得到D2D對(duì)之間的信道增益\蜂窩用戶ic與D2D對(duì)iD接收端之間的干擾信道 增益氣，&、D2D對(duì)iD到基站干擾鏈路的信道增益。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在 于:步驟三中將用戶i在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率用下式表示：其中，Rrn表示第i個(gè)用戶在前Τ-1時(shí)隙內(nèi)的平均傳輸速率，ri,T表示第i個(gè)用戶在第Τ個(gè) 時(shí)隙的瞬時(shí)傳輸速率;Ri, τ是用戶i在T個(gè)時(shí)隙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)吞吐量累加求和求平均的一個(gè)值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在 于:步驟四中數(shù)學(xué)模型約束條件具體為：其中，€""定義了蜂窩用戶最小SINR需求;定義了D2D用戶iD最小SINR需求;C為蜂 窩用戶的集合;D為D2D用戶的集合；:^^^^^^:^^^定義了當(dāng)前丁時(shí)隙內(nèi)用戶發(fā)射功 率矩陣:矩陣iC.,r和大小和矩陣X-樣;Ptw為D2D用戶的發(fā)射功率矩陣，P:，沖的 元素由，：r構(gòu)成;:PU，r為蜂窩用戶被復(fù)用時(shí)的發(fā)射功率矩陣，中的元素由構(gòu) 成;P&為蜂窩用戶不被復(fù)用時(shí)的發(fā)射功率矩陣，P&中的元素由/C構(gòu)成為蜂窩用戶 和D2D用戶的最大發(fā)射功率；為D2D用戶的最大發(fā)射功率。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在 于:步驟五中利用啟發(fā)式比例公平調(diào)度算法將步驟四得到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解得到產(chǎn)具體 過(guò)程： 步驟五一、利用D2D用戶接入控制確定接入控制矩陣Α中的元素氣& =1或氣Α ; 通過(guò)限制條件（12C)、（12d)、（12e)和（12f)獲得D2D用戶接收端iD到蜂窩用戶發(fā)送端ic 的最小通信距離?如下： 計(jì)算每個(gè)D2D對(duì)接收端與所有蜂窩用戶之間的距離，假設(shè)D2D對(duì)iD接收端位置為 (V>J，蜂窩用戶4位置，則D2D用戶接收端iD到蜂窩用戶發(fā)送端k的距離~，, e 為：定義接入控制矩陣A，矩陣大小為NdXNc;如果接入控制矩陣A中的元素 氣々=1，貝丨Jio用戶可以復(fù)用ic用戶的資源；否貝=〇 ; 其中，為用戶k到用戶iD的服從指數(shù)分布的快速衰落，^為用戶k到用戶iD服從對(duì) 數(shù)正態(tài)分布的慢衰落因子； 步驟五二、當(dāng)氣A. =1時(shí)，進(jìn)行用戶ic和用戶iD的功率控制； 步驟五三、當(dāng)氣+ = &時(shí)，進(jìn)行用戶ic的功率控制;確定純蜂窩網(wǎng)絡(luò)中蜂窩用戶的最大比 例公平函數(shù)(?；τ所對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率為蜂窩用戶的最大發(fā)送功率i^x，即：因此，第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)，純蜂窩用戶最大發(fā)射功率所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速率通過(guò)公式(8) (9)計(jì)算得到，最大比例公平函數(shù)由公式（10)計(jì)算得到 平均傳輸速率為 由公式(11)計(jì)算得到； 步驟五四、根據(jù)和/<：》計(jì)算得到第Τ>塒的產(chǎn)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在 于:步驟五二中當(dāng)=1時(shí)，進(jìn)行用戶ic和用戶iD的功率控制具體過(guò)程： 步驟五二一、在第T個(gè)時(shí)隙內(nèi)，D2D用戶iD復(fù)用蜂窩用戶ic時(shí)的最大比例公平函數(shù)之和的 最優(yōu)功率控制問(wèn)題建模為：其中，為( phjW' )的最優(yōu)解即最優(yōu)控制功率； 步驟五二二、對(duì)于公式（13)求解的最優(yōu)功率控制等價(jià)于對(duì)于D2D用戶iD和蜂窩用戶ic復(fù) 用時(shí)和速率最大所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)功率解;求解和速率公式如下：通過(guò)公式(11)計(jì)算出平均傳輸速率和C.M，則最大比例公平函數(shù)之和^為：其中，為蜂窩用戶在第T時(shí)隙的瞬時(shí)速率，<，l,r*D2D用戶在第T時(shí)隙的瞬時(shí)速率。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在 于:步驟六中根據(jù)步驟五計(jì)算得到的產(chǎn)進(jìn)行多用戶比例公平調(diào)度得到X+具體過(guò)程為： 通過(guò)最優(yōu)的功率控制矩陣1^[卩二7屮二14：^]，公式（12)中的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)一步轉(zhuǎn)化 為：如果接入控制元素=i，則D2D對(duì)iD可以復(fù)用蜂窩用戶發(fā)送端k的資源，此時(shí)復(fù)用的 比例公平函數(shù)之和通過(guò)公式（17)獲得，否則％_ =〇，D2D對(duì)iD不能復(fù)用蜂窩用戶發(fā) 送端ic的資源，比例公平函數(shù)之和0~,^為〇;第T時(shí)隙內(nèi)，D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶頻譜時(shí)的 比例公平函數(shù)矩陣Q T為：%*·,r為第T個(gè)時(shí)隙的接入控制元素;將優(yōu)化問(wèn)題式（19)轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的指派問(wèn)題，將指派 問(wèn)題通過(guò)經(jīng)典的匈牙利算法獲得時(shí)隙T>1時(shí)的信道分配的最優(yōu)解8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在 于:步驟七一中將第一時(shí)隙D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大化問(wèn)題建模如下： 其中，下標(biāo)1代表第一時(shí)隙。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種D2D與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的啟發(fā)式比例公平調(diào)度方法，其特征在 于:步驟七二中當(dāng)接入控制元素\+，1=1或《_，1=〇時(shí)求解得到時(shí)隙1 = 1時(shí)?廣具體過(guò)程為： 步驟七二一、當(dāng)氣+ = 1時(shí)，進(jìn)行用戶k和用戶iD的功率控制，得到和速率最大值^ 具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中，(<,。1，<,。1)分別是和速率最大時(shí)，蜂窩用戶^和復(fù)用〇20對(duì)^對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率； 復(fù)用情況下，C為蜂窩用戶對(duì)應(yīng)的平均傳輸速率，復(fù)用情況下，C為D2D用戶對(duì)應(yīng)的 平均傳輸速率為，且=/Q.y :<；",是復(fù)用和速率最大時(shí)，蜂窩用戶ic在 第一時(shí)隙對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速率； 是復(fù)用和速率最大時(shí)，復(fù)用D2D用戶iD在第一時(shí)隙對(duì)應(yīng)的瞬 時(shí)速率； 步驟七二二、當(dāng)接入控制元素4=〇,蜂窩用戶沒(méi)被復(fù)用，此時(shí)蜂窩用戶最大瞬時(shí)速 率等于純蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的最大瞬時(shí)速率，其表達(dá)式如下：其中為蜂窩用戶不受干擾情況下，瞬時(shí)速率最大時(shí)的最優(yōu)發(fā)射功率，其值等于蜂 窩用戶的最大發(fā)射功率<ax;蜂窩用戶的平均傳輸速率為^ α，且=ο
【文檔編號(hào)】H04W72/08GK106060872SQ201610686081
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月18日
【發(fā)明人】徐玉濱, 李小帥, 馬琳, 張文彬, 劉寧慶, 王孝
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)