无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，构建共信道模式、正交信道模式和蜂窝模式来给定QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量，在前述三种模式中，分别用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，假设信道为平稳块衰落，D1、D2以及D3受到BS控制，信道状态信息CSI通过BS和D1、D2以及D3或蜂窝设备之间进行传输；前述D1、D2以及D3为一个D2D蜂窝单元的所有设备。本发明的有益之处在于：无线网络D2D中使用我们提出的最优功率分配方案，可以得到QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量，确保了时间敏感通信的实时性以及传输的可靠性。
【专利说明】无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种统计QoS保障的功率分配方案，具体涉及一种无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，属于通信领域。
【背景技术】
[0002]无线网络中D2D通信通过在两个相邻的移动设备之间建立链路，这增加了系统的吞吐量，该网络中D2D和蜂窝通信同时存在并且共享相同的无线资源。
[0003]无线蜂窝网络中D2D和蜂窝通信技术近来引起研究关注，该技术能够增加频谱效率，既充满了前景又存在巨大的挑战。与传统的通过基站(BS)或接入点(AP)进行传输不同的是，无线网络D2D和蜂窝通信中两个邻近设备作为一个D2D通信对避开BS或者AP直接进行通信，该类通信和设备分别称为D2D通信和D2D设备。D2D通信可以是中心控制或分布式控制。对于中心控制的场景，BS或AP管理着D2D设备中D2D通信和传统的蜂窝通信之间的切换；对于分布式控制场景，D2D设备自身管理着D2D通信和传统的蜂窝通信。由于中心控制易于同步以及实现，本专利的功率分配方案围绕中心控制原理进行。
[0004]无线网络下D2D和蜂窝通信中，D2D设备可以使用三种传输模式:
[0005]I)共信道模式，该模式下D2D设备与蜂窝设备使用相同的时频资源；
[0006]2)正交信道模式，该模式下D2D设备使用部分正交时频资源；
[0007]3)蜂窝模式，该模式下D2D设备通过BS或AP进行通信。
[0008]共信道模式和正交模式统称为D2D模式。当D2D模式的系统吞吐量比蜂窝模式大时，则使用D2D模式，否则使用蜂窝模式。
[0009]由于D2D设备的发送功率决定着D2D通信的接收信噪比(SNR)和对蜂窝通信的干扰，M.Jung, X.Xiao以及K.Doppler等学者已经提出了一些功率分配策略来增加系统吞吐量或减小D2D和蜂窝通信的功率消耗，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)提出了联合功率分配和模式选择方案来最大化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系统D2D通信中联合子载波分配、自适应调制以及模式选择的功率最优化方案；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频带异构网D2D通信中的最大可达传输容量；
[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优的中心功率分配策略。
[0013]无线网络D2D和蜂窝通信中在不考虑延迟时以上的方案都是有效的。为了确保时间敏感通信的实时性以及传输的可靠性，需要考虑不同延迟需求，这对于无线网络D2D和蜂窝通信很关键。
【发明内容】
[0014]传统的D2D方案主要围绕最大化系统吞吐量但并未考虑QoS保障，为了克服该问题，我们构建了优化问题来探究QoS延迟需求对D2D和蜂窝通信性能的影响。我们提出了以下两种通信模式下QoS保障的最优功率分配方案:
[0015]I)共信道模式，该模式中D2D设备和蜂窝设备共享相同的时频资源；
[0016]2)正交信道模式，该模式中时频资源分别划分给D2D设备和蜂窝设备，即D2D设备和蜂窝设备的时频资源是正交。
[0017]D2D通信中仅仅存在共信道模式或正交信道模式。
[0018]无线网络D2D和蜂窝通信中使用我们提出的最优功率分配方案，分别得到以上两种模式在给定QoS延迟约束条件下的最大网络吞吐量。
[0019]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
[0020]一种无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，构建共信道模式、正交信道模式和蜂窝模式下给定QoS延迟约束条件的最大网络吞吐量，在前述三种模型中，分别用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，假设信道为平稳块衰落模型，DU D2以及D3受到BS控制，信道状态信息CSI通过BS和D1、D2以及D3或蜂窝设备之间进行传输；前述D1、D2以及D3为一个D2D蜂窝单元的所有设备。
[0021 ] 前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，对共信道模式，BS从D2处得到CSI Y 3，从Dl处得到CSI Y i，从D3和BS之间的信道得到CSI 丫2和Y4以及与BS相应的Y5，获得Y1, Y2, Y3以及Y4之后，BS将其发送给Dl和D2。
[0022]前述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下，推导得到了一个D2D蜂窝单元中的瞬时传输速率，用R1 (P1(V), P2(V))表示:
【权利要求】
1.无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，构建共信 道模式、正交信道模式和蜂窝模式中给定QoS延迟约束条件下最大网络吞吐量，在所述三 种模式中，分别用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，假设信道为平稳块衰落模型，D1、D2以及D3受到BS控制，信道状态 信息CSI通过BS和Dl、D2以及D3或蜂窝设备之间进行传输；所述Dl、D2以及D3为一个 D2D蜂窝单元的所有设备。
2.根据权利要求1所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方 案，其特征在于，对共信道模式，BS从D2处得到CSI Y 3，从D1处得到CSI y丨，从D3和BS之 间的信道得到051丫2和Y4以及与BS相应的y5，获得Y” Y2, Y3以及Y4之后，BS将其 发送给Dl和D2。
3.根据权利要求2所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配 方案，其特征在于，共信道模式下，推导得到了一个D2D蜂窝单元中的瞬时传输速率，用 Ri (Pi (v)，P2 (v))表示：
4.根据权利要求3所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分 配方案，其特征在于，瞬时传输速率RjPjvhPjv))结合信道容量表达式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)具体的 推导过程如下：
5.根据权利要求4所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方 案，其特征在于，对于固定的QoS指数e，在总的功率EjPjvhPjv)] 限制下最大化 c: (Pi (v) ,P2(v), 0),构建共信道模式下优化问题P1，可以证明P1为严格凸优化问题，通过 使用拉格朗日方法来得到共信道模式下D1和D2的QoS驱动功率分配方案if (v)和(v)； 所述户表示D2D蜂窝单元中总功率限制。
6.根据权利要求4所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下不考虑QoS保障的功率分配方案，得到最优功率分别为
7.根据权利要求4所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，共信道模式下，固定Q0S指数的功率分配方案，得到最优功率分别为
8.根据权利要求1所述的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案，其特征在于，正交信道模式下，基站从Dl处得到CSI Y 1；D2通过D3到D2之间的反馈信道得到 CSI Y2,并将CS I Y2发给BS,得到CSI Y !和Y2之后，BS将其发送给Dl和D2。
【文档编号】H04W28/16GK103517347SQ201310497500
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】程文驰, 张海林, 李丹萍, 李勇朝, 任智源, 崔建国 申请人:西安电子科技大学