专利名称：蜂窝网络实现吞吐率最大化的d2d多播机会调度方法
技术领域：
本发明涉及一种D2D多播组内的机会调度技术，确切地说，涉及一种蜂窝网络实现吞吐率最大化的D2D多播机会调度方法，该方法适用于包含D2D多播组的蜂窝小区的高速率数据传输业务，属于无线通信传输技术领域。
背景技术：
随着LTE-A系统的深入研究和发展，更多移动通信系统的技术演进及发展都是在未来移动蜂窝网络的范畴下进行的。移动通信系统的演进带来带宽需求的不断加大，造成带宽的分配变得越来越拥挤。由于可用于移动通信的频谱资源十分有限，而可分配到的带宽又满足不了实际系统的需求。因此，如何在有限的带宽资源中实现高速率和大容量就成为业界研究的重点，以便能够满足用户的QoS要求一方面提高带宽资源的利用率，另一方面还要改进传统的无线传输技术，获得更好的网络吞吐率。
D2D (Device-to-Device)通彳目技术是是一种在网络系统控制下。允许终端之间通过复用小区资源、且不经过基站(eNB)转接而直接进行数据交换或通信的新型技术，它通过重用蜂窝网络用户的资源来实现端到端通信，因此，其能够提高带宽资源利用率，增加蜂窝通信系统的频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源的匮乏问题。与其他应用于非许可频段的同类技术相比，D2D具有干扰可控等优点。
文献《D2D技术在LTE-A系统中的应用》中提到，当用户向eNB提出D2D通信的请求，eNB根据请求将用户的通信方式切换到D2D连接模式。每个D2D通信链路占用的资源与一个蜂窝通信链路占用的相等。D2D通信将在宏蜂窝eNB的控制下获得通信所需的频率资源和传输功率。图I所示为D2D多播组内的通信链路，其中，Dt是D2D通信链路的源终端， Dei, De2,…，Den分别是各个D2D用户。Dt绕过eNB直接向Dki,Dr^Den发送数据。
D2D通信可应用于移动蜂窝网络中的多种通信业务，特别是近距离或同一区域内的通信。如某个热点覆盖区域内，用户可以不经过eNB而直接共享资料。与通过蜂窝小区 eNB提供的下载业务相比较，既能保证用户的服务需求，又减轻了 eNB的负载压力。且在进行D2D通信的同时，蜂窝eNB还可以提供话音和数据服务。另外，D2D还能用于实现本地通信，如将D2D应用于室内环境，特别是在系统覆盖不充分的部分室内场景时，多个用户之间可以通过D2D通信传输数据。不再需要通过固定网络接入核心网。
D2D通信在小区网络的控制下与小区各个用户共享资源，因此其频谱的利用率得到提升。此外，它还能带来的好处包括减轻蜂窝网络的负担、减少移动终端的电池功耗、增加比特传输速率、提高网络基础设施故障的鲁棒性等，还能支持小范围的点对点数据服务。 但是，它与蜂窝网络共享无线资源的同时，也会带来一定的干扰。它对蜂窝小区产生的干扰可以通过调整eNB对D2D通信的资源和eNB发射功率来进行控制。当D2D链路的功率控制在一定范围内时，它对蜂窝小区产生的干扰可以忽略不计。
D2D通信通过重用蜂窝网络用户的资源提高了频谱利用率，如果将高性能的无线传输技术应用于D2D通信，就能达到更高的网络吞吐率，获得更大的网络容量。单播、多播等传统的无线传输技术对D2D通信来说并不是最佳选择。因为使用单播方案时，eNB为当前可支持速率最高的用户提供服务，由于每次只服务于一个用户，因此eNB需要多次重复传输数据，才能使所有用户都成功接收。广播调度技术同时服务于所有用户，为了避免信道中断，eNB传输数据的速率受限于其中信道条件最差的用户。这两种方案都不能获得较高的网络吞吐率。因此，为了尽可能充分利用D2D通信的优势，需要改进现有的传输技术，将能够实现网络吞吐率最大化的传输技术应用于D2D通信。
作者Gopala 和 Gamal 的两篇文献《Opportunistic multicasting》和《On thethroughput-delay tradeoff in cellular multicast》提出一种能够提高网络吞吐率的传输方案，称为多播机会调度。每次传输中，eNB选择信道条件较好的50%用户作为目标用户，将能保证这部分用户成功接收的速率作为其发射速率。这时，另外50%用户出现信道中断，不能成功接收数据。系统使用这种传输方案达到的网络吞吐率高于单播方案和多播方案。然而，这两篇文献并没有说明如何选取该50%的比例，也无法获知这是否为最佳的选取比例。Tze-Ping Low 等人在文献《Optimized Opportunistic Multicast Scheduling Over Cellular Networks》中对网络吞吐率最大化的用户选择比例进行了研究,并得出结论最佳用户选择比例与平均信噪比SNR有关，并推导出这个比例随着平均SNR变化的规律。
上述这些方案中的用户选取比例都是定值。也就是说，在每一次传输中成功接收数据的用户数是一定的。但是，事实上，如果在每个时隙都适当地根据系统状态调整用户的选取数量，是有可能进一步提高网络吞吐率的。
喷泉码的研究进展推动了多播机会调度技术的发展。将数据用喷泉码进行信道编码后，不再需要保证用户端接收的数据包服从特定的顺序。相反的，一旦用户端接收到一定数量的数据包，就能够恢复出原始信息。又有人利用喷泉码的特性，在《On Maximizing the Throughput of Opportunistic Multicast in WirelessCellular Networks with Erasure Codes》提出了一种以最大化的最差用户吞吐率为准则的新调度技术，其具体实施方案是， 新的时隙开始时，eNB根据用户反馈的信道状态，计算出每个用户的信道速率，再根据这些数据判断应该选取多少用户才能使这个时隙的吞吐率最大。考虑到使用这种调度方案时， 优先接收数据的始终为信道条件较好的用户。假如将其应用于异构网络，就会产生公平性问题。因此，作者在扩展到异构网络时，对调度准则进行了一些改进，在用户的信道速率中引入用户的平均SNR作为加权因子，得到每个用户的相对信道速率，然后再用同构网络的选择方案选择用户。
上述所有方案在研究网络吞吐率时，并没有考虑前后时隙的相互影响，然而，由于网络吞吐率是各时隙的吞吐率的均值，前、后时隙的吞吐率是相关联的。因此，在每个时隙的开始阶段，综合考虑前面时隙的吞吐率和后续时隙吞吐率的估计值，就能有效提高网络吞吐率。
近年来，人们对多媒体业务的需求持续增加,刺激了无线网络中高效业务传输技术的发展。由于带宽资源有限，如何利用有限的频带资源提供高质量的无线多媒体业务始终成为学者和工程业界的研究热点。
近年来兴起的D2D通信是一种有效利用频带资源的通信方式。在D2D通信中，终端设备之间直接进行数据传输，不需要通过eNB，这样可以节省用户终端设备和eNB的发射功率。当D2D传输和蜂窝传输之间的干扰得到有效控制的情况下，D2D通信所需的无线资源只有蜂窝通信模式下的一半，并且能够有效降低时延、减少移动终端的电池功耗，从而带来更好的用户体验。
另一方面，如何提高网络吞吐率也是衡量服务质量和系统性能的一个研究热点， 因此人们提出了多种可以提高网络吞吐率的多播机会调度方案。多播机会调度的研究场景都是假定用户的信道条件是独立的、准静态随机过程，即不同时隙的信道状态相互独立，但并不意味着不同时隙的吞吐率也相互独立。如果前一时隙的数据速率较低，那么就有较多的用户首次成功接收数据；相应地，下一时隙尚未成功接收数据的用户数量也会相应地减少，从而影响下一时隙的吞吐率。然而，已有的多播机会调度方案并没有考虑前后时隙的吞吐率之间的相关性，因此，如果综合考虑前面时隙的吞吐率和后续时隙吞吐率的估计值，就能进一步提高网络吞吐率。如果将改进的最大化吞吐率的多播机会调度技术应用于D2D通信，那么就能在提高频带利用率的同时，提高D2D多播组的吞吐率，从而进一步提高整个蜂窝网络的吞吐率。发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种蜂窝网络实现吞吐率最大化的D2D多播机会调度方法，本发明综合考虑频谱利用率和网络吞吐率，将多播机会调度技术应用于D2D多播组，充分利用不同时隙的吞吐率之间相关性，克服现有技术未考虑前后时隙相互影响的缺陷，在提高频带利用率的同时，提高D2D多播组的吞吐率，从而提高整个蜂窝网络的吞吐率。本发明方法操作简单，计算难度低，技术上容易实现，稳定性和可操作性也较强，具有很好的实用化前景。
为了达到上述目的，本发明提供了一种蜂窝网络实现吞吐率最大化的D2D多播机会调度方法(Optimized 0MS)，其特征在于每个数据包的传输都是在多个时隙完成的在这些时隙中，源终端持续向D2D多播组用户发射该数据包，直至所有用户都成功接收后，源终端才发送下一个数据包；因D2D多播组的吞吐率是其每个时隙的吞吐率的均值，故提高 D2D多播组的吞吐率，必需综合考虑每个时隙的吞吐率Y=r (i) X qi，式中，自然数i是时隙序号，r(i)是源终端在每个时隙的数据发射速率，Qi是每个时隙首次成功接收数据的用户数；且r(i)与^的数值相互关联，即Qi的数值确定后，就能根据^计算得到r(i);因此， 每个时隙的吞吐率取决于该时隙中首次成功接收数据的用户数1，这样，D2D多播组吞吐率最大化的关键就是合理选择每个传输时隙中首次成功接收数据的用户数I ;该％的最佳取值的调度方法包括下列操作步骤
(1)D2D多播组发送第I个时隙至第(i - I)个时隙的数据包后，源终端根据每个时隙的数据发射速率r(i)和该时隙首次成功接收数据的用户数^，按照公式 Σ Y=r⑴Xq1+…+r (i-1) Xq^1计算前(i — I)个时隙的吞吐率的累加之和；
(2)源终端先按照下述公式统计当前第i个时隙开始时，网络系统中尚未成功接收数据的用户数n^N-Qi+…+C^1),式中，N是D2D多播组的用户总数；然后根据第i个时隙首次成功接收数据的用户数Qi分别为{1，2，…，的不同情况时，计算所对应的第i个时隙的吞吐率这样就能根据第i个时隙首次成功接收数据的用户数Qi推导得出源终端在该第i个时隙的数据发射速率r(i) if t，进而得到第i个时隙的吞吐率为7Ux I;
(3)源终端根据第i个时隙结束时，网络系统中尚未成功接收数据的用户数 (!1^-(^)和D2D多播组用户与源终端的传输信道状态统计特性，估算后续时隙能够达到的最大吞吐率rAl和后续时隙数Im,油于Qi有Hli个不同数值，因此(Hli-Cli)也有Hli个不同数值；相应地又,I和hi也有Hli个不同数值；
(4)源终端根据上述三个步骤(I)、(2)、(3)得到的数据 Σ Y=Hl) Xq1+…+r(i-l) Xqi^1, ηΛ xq 以及和 Lm「qi，基于第 i 个时隙里首次成功接收数据的用户数1，按照下述公式计算D2D多播组的吞吐率R的期望值
权利要求
1.一种蜂窝网络实现吞吐率最大化的D2D多播机会调度方法，其特征在于每个数据包的传输都是在多个时隙完成的在这些时隙中，源终端持续向D2D多播组用户发射该数据包，直至所有用户都成功接收后，源终端才发送下一个数据包；因D2D多播组的吞吐率是其每个时隙的吞吐率的均值，故提高D2D多播组的吞吐率，必需综合考虑每个时隙的吞吐率Y=r(i) Xqi,式中，自然数i是时隙序号，r(i)是源终端在每个时隙的数据发射速率，^是每个时隙首次成功接收数据的用户数；且^1)与qi的数值相互关联，即Qi的数值确定后， 就能根据Qi计算得到Hi);因此，每个时隙的吞吐率取决于该时隙中首次成功接收数据的用户数qi;这样，D2D多播组吞吐率最大化的关键就是合理选择每个传输时隙中首次成功接收数据的用户数Qi ;该Qi的最佳取值的调度方法包括下列操作步骤(OD2D多播组发送第I个时隙至第(i - I)个时隙的数据包后，源终端根据每个时隙的数据发射速率r(i)和该时隙首次成功接收数据的用户数^，按照公式Σ Y=HDXq1+-+r(i-l) Xqi^1计算前(i - I)个时隙的吞吐率的累加之和；(2)源终端先按照下述公式统计当前第i个时隙开始时，网络系统中尚未成功接收数据的用户数式中，N是D2D多播组的用户总数；然后根据第i个时隙首次成功接收数据的用户数Qi分别为{1，2，…，的不同情况时，计算所对应的第i个时隙的吞吐率这样就能根据第i个时隙首次成功接收数据的用户数Qi推导得出源终端在该第 i个时隙的数据发射速率Hi)为r, q,，进而得到第i个时隙的吞吐率为Ga(3)源终端根据第i个时隙结束时，网络系统中尚未成功接收数据的用户数Ui-Cii)和 D2D多播组用户与源终端的传输信道状态统计特性，估算后续时隙能够达到的最大吞吐率 ^-4和后续时隙数&I油于Qi有Hli个不同数值，因此(Hli-Cli)也有Hli个不同数值；相应地，1I和I I也有Hli个不同数值；(4)源终端根据上述三个步骤(1)、(2)、(3)得到的数据Σ丫可⑴父#… +r(i-l) Xqi+ rj%xq}，以及Γ ;和，基于第i个时隙里首次成功接收数据的用户数Qi，按照下述公式计算D2D多播组的吞吐率R的期望值,-r i r(l)xft+··· + /-(/-l+rq ><q,+Tm xL , .Γπ h L^J =-—-，因Qi有Hii个不同取值,相应地,E [R]也有Hli个不同取值；(5)根据吞吐率R的期望值E[R]，源终端根据计算公式％ = ar^ , /' [/ ]，从qi的叫个不同数值中选出能够使D2D多播组吞吐率R达到最大化的qi最佳值。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述方法的应用场景是在一个由基站、位于该小区内的多个用户组成的D2D多播组和其他普通移动终端用户构成的小区无线蜂窝网络中，该D2D多播组内各个用户的相互距离较近，且彼此位置相对稳定和移动速度不高， 并都订制了相同的高速率多媒体业务；其他普通移动终端用户的数据都由该基站直接发送，而D2D多播组内的数据传输则由组内的一个移动终端、即源终端绕过该基站直接传输给多播组内其他用户。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(2)包括下列操作步骤(21)分别计算所有Hii个尚未成功接收数据的用户的信道传输速率；(22)将得到的％个尚未成功接收数据的用户的信道传输速率值按照数值大小降序排列，则其中第Qi个数值,表示Hi)与qi之间的相互关联性；当源终端在第i个时隙的数据发射速率r(i)为时，该第i个时隙首次成功接收数据的用户数为Qi ;相应地，也能根据第i个时隙首次成功接收数据的用户数Qi推导得出该第i个时隙源终端的数据发射速率 r(i)为h ;也就是第i个时隙的吞吐率为x孓;因％有Hii个不同数值，故第i个时隙的吞吐率％, x务也有Hli个不同值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤(21)中，计算Hii个尚未成功接收数据中的每个用户的信道传输速率的操作包括下列内容(21A)源终端计算其与第g个D2D用户之间在第(i 一 I)个时隙中的信噪
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(3)中，估算后续时隙能够达到的最大吞吐率和后续时隙数的操作包括下列内容(31)因后续时隙能够达到的最大吞吐车I Λ和后续时隙数的估计值都是只取决于网络系统中尚未成功接收数据的用户数Ui-Cii),为描述简便，用自然数X替代该用户数 Cmi-Qi),以便详细描述Tx和Lx的求解操作步骤；(32)先计算一个X行X列的下三角矩阵J :
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(32)中，计算Sn,m的操作包括下列内容(32A) Sn, m表示在尚未成功接收数据的用户总数为η的D2D多播组中选择m个用户进行传输时，D2D多播组的总吞吐率的期望值；首先采用下述方法计算每个用户的信道速率期望值用f(r)和F(r)分别表示用户信道传输速率的概率密度函数及其累计分布函数，且假设在第i个时隙共有η个尚未成功接收数据的用户，再将这些用户的信道传输速率按照大小降序排列， 得到r1:n(i) ^ r2:n(i) ^ ^rnn(i);同时，因这些用户的位置相对稳定和移动速度慢，即每个用户的信道条件都为准静态随机过程，故能够删除上式的时隙序号而改写Srlm Sr2m彡...彡rn:n;从而得到排序后的第m个信道速率的期望值为EfcJ = ( 1i)x jO rx/(r)x[F(r)r 1χΡ-F(r)]H m xdr·,(32B)当源终端的数据发射速率为E[rm:n]时，尚未成功接收数据的用户总数为η 的D2D多播组中共有m个用户成功接收数据，得到D2D多播组的总吞吐率的期望值Sn, m=rnXE[rm:n]；(32C)将步骤(32A)中E[rm:n]的计算式代入步骤(32B)中Sn,m的计算式中，得到Sn，m的计算公式Snm =/wx n^；\)xrorxf(r)x[_F(r)j\\l-F{r)]\m^dr 。
全文摘要
一种蜂窝网络实现吞吐率最大化的D2D多播机会调度方法，基于D2D多播组的传输特性只有所有用户都成功接收数据包后，源终端才发送下一个数据包；因此提高D2D多播组的吞吐率，必需综合考虑每个时隙的吞吐率，而每个时隙的吞吐率取决于该时隙中首次成功接收数据的用户数qi，这样，D2D多播组吞吐率最大化的关键就是合理选择每个传输时隙中首次成功接收数据的用户数qi。本发明综合考虑频谱利用率和网络吞吐率，将多播机会调度技术应用于D2D多播组，利用不同时隙的吞吐率的相关性，在提高频带利用率的同时，提高D2D多播组的吞吐率，从而提高整个蜂窝网络的吞吐率。本发明方法操作步骤简单，计算难度低，技术上容易实现，具有很好的推广应用前景。
文档编号H04W72/12GK102917465SQ20121040088
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者王晓湘, 瞿静, 王冬宇, 王玉龙, 龚文熔, 张鸿涛 申请人:北京邮电大学