本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的d2d通信方法。

背景技術(shù)：

d2d(device-to-device)通信使得兩個(gè)用戶設(shè)備(ues)可繞過蜂窩基站(bss)彼此直接通信。d2d通信可以復(fù)用已有的上下行鏈路資源，實(shí)現(xiàn)端到端的直接通信。這不僅能夠提高無線頻譜的資源利用率，降低終端發(fā)射功率，而且還能增大通信系統(tǒng)的容量，減輕基站的工作負(fù)載，從而有塞等問題。

但是，當(dāng)d2d用戶復(fù)用已有的上、下行鏈路資源時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)系統(tǒng)中原有的蜂窩用戶造成干擾，產(chǎn)生同頻干擾問題。如何為d2d用戶和蜂窩用戶選擇最佳的資源分配算法，盡量降低兩者之間的干擾，并保障蜂窩系統(tǒng)的整體性能，這點(diǎn)將變得至關(guān)重要。在之前的文獻(xiàn)中，作者分別為d2d和傳統(tǒng)蜂窩通信提出了一個(gè)最優(yōu)資源共享方案和一個(gè)基于圖形理論的無線資源管理機(jī)制。還有的提出了用于d2d和傳統(tǒng)蜂窩通信的半分布式無線資源管理機(jī)制。然而，所有這些工作僅考慮一對(duì)d2d用戶之間的單跳直接通信，這就需要兩d2d用戶彼此足夠接近。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的d2d通信方法，能夠減少數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間，從而相應(yīng)提高系統(tǒng)吞吐量。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的d2d通信方法，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒ㄖ辽僖粋€(gè)d2d對(duì)、一個(gè)中繼dr和多個(gè)蜂窩上行鏈路用戶，d2d通信的數(shù)據(jù)傳輸分為兩時(shí)隙：

在第一時(shí)隙中，d2d用戶da和d2d用戶db分別向中繼dr發(fā)送數(shù)據(jù)包sa和sb，然后在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)，中繼dr對(duì)接收到的兩個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或網(wǎng)絡(luò)編碼操作，并廣播編碼后的數(shù)據(jù)包；

在第一個(gè)時(shí)隙中，從dj到dr傳輸所需的時(shí)間tj,r：其中，sj為d2d用戶dj傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，j＝a,b，rj,r表示d2d用戶dj到中繼dr的數(shù)據(jù)包傳輸速率，第一個(gè)時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間采用窮盡搜索的算法，求出網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸周期中，傳輸數(shù)據(jù)包所需的最少時(shí)間tmin；

在第二個(gè)時(shí)隙中，中繼dr和d2d用戶dj之間的鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率rr,j：其中，b為帶寬，當(dāng)dr復(fù)用第i個(gè)子信道時(shí)否則是第i個(gè)子信道被分配給中繼dr時(shí)，從dr到dj的信噪比sinr，n為蜂窩上行鏈路用戶的總數(shù)；從dr到dj傳輸所需要的時(shí)間當(dāng)sa≥sb時(shí)，m＝rr,a，否則，m＝rr,b；因此，網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸周期中，da和db之間數(shù)據(jù)交換的總時(shí)間t為：

作為本發(fā)明所述的一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的d2d通信方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，在保證蜂窩上行鏈路用戶的服務(wù)質(zhì)量qos要求的情況下，最小化每個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸周期中的d2d通信所需要的時(shí)間，為此將無限資源管理作為一個(gè)優(yōu)化問題，該優(yōu)化問題被建模如下：

opt:argmint

s.t.

其中,表示dj復(fù)用第i個(gè)蜂窩上行鏈路用戶的鏈路資源時(shí)dj的發(fā)送功率，表示dr復(fù)用第i個(gè)蜂窩上行鏈路用戶的鏈路資源時(shí)dr的發(fā)送功率，分別是da和db的子信道分配的指標(biāo)；當(dāng)dj復(fù)用第i個(gè)蜂窩上行鏈路用戶的鏈路資源時(shí)否則是dj滿足信噪比sinr需求的最小傳輸功率，pmax是d2d用戶利用的最大傳輸功率，vi是第i個(gè)蜂窩上行鏈路用戶的服務(wù)質(zhì)量qos要求，表示第一個(gè)時(shí)隙中，復(fù)用第i個(gè)蜂窩上行鏈路用戶資源時(shí)的數(shù)據(jù)包傳輸速率，表示第二個(gè)時(shí)隙中，復(fù)用第i個(gè)蜂窩上行鏈路用戶資源時(shí)的數(shù)據(jù)包傳輸速率。

作為本發(fā)明所述的一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的d2d通信方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，

網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸周期中的兩個(gè)時(shí)隙是相互獨(dú)立的，因此所述優(yōu)化問題被分成兩個(gè)子問題，第一個(gè)時(shí)隙為opt1,第二個(gè)時(shí)隙為opt2，其中，opt1如下：

其中，表示d2d用戶da到中繼dr的路徑增益，表示d2d用戶db到中繼dr的路徑增益，表示第c個(gè)蜂窩上行鏈路用戶到中繼dr的路徑增益，n0表示信道噪聲，表示蜂窩上行鏈路用戶在第一個(gè)時(shí)隙的功率。

作為本發(fā)明所述的一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的d2d通信方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，采用窮盡搜索的算法計(jì)算opt1，具體如下：

設(shè)n個(gè)蜂窩上行鏈路用戶共有k個(gè)子信道，n＝k，每個(gè)蜂窩上行鏈路用戶一一對(duì)應(yīng)1個(gè)子信道，設(shè)第i個(gè)子信道被分配給第i個(gè)蜂窩上行鏈路用戶ci；

步驟a、當(dāng)d2d用戶da復(fù)用第i個(gè)蜂窩上行鏈路用戶ci，即：計(jì)算出da向中繼dr傳輸數(shù)據(jù)包所需時(shí)間然后d2d用戶db依次復(fù)用第q個(gè)蜂窩上行鏈路用戶cq，計(jì)算出用戶db向中繼dr傳輸數(shù)據(jù)包所需時(shí)間1≤q≤n且q≠i，q為整數(shù)，然后求出為中的最小值，再求出為和中的最大值；

步驟b、求出tmin,tmin為中的最小值，tmin即為opt1。

作為本發(fā)明所述的一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的d2d通信方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，n＝100。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本方法根據(jù)選擇復(fù)用不同的上行鏈路的蜂窩用戶，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間最少，與傳統(tǒng)的隨機(jī)選則復(fù)用的蜂窩用資源的方法相比，本發(fā)明能較好的提高系統(tǒng)性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法所適用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；其中，(a)為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牡谝粋€(gè)時(shí)隙時(shí)的干擾鏈路，(b)為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牡诙€(gè)時(shí)隙時(shí)的干擾鏈路。

圖2是使用本發(fā)明中窮經(jīng)搜索算法的流程圖。

圖3是具體實(shí)施方式中所述仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明所述的d2d通信復(fù)用蜂窩小區(qū)系統(tǒng)的上行鏈路無線電資源方式如圖1中(a)的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牡谝粋€(gè)時(shí)隙時(shí)的干擾鏈路，圖1中(b)的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)牡诙€(gè)時(shí)隙時(shí)的干擾鏈路所示。有n個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶均勻分布在一個(gè)基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)，每個(gè)用戶直接與基站進(jìn)行通信。da和db是一對(duì)d2d用戶，通過基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)的中繼用戶dr互相通信。上行鏈路系統(tǒng)帶寬被正交地劃分成k個(gè)子信道，每個(gè)子信道帶寬為b。在不失一般性的情況下，我們假設(shè)每個(gè)子信道被唯一地分配給一個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶ci，即n＝k。這個(gè)假設(shè)只是為了簡(jiǎn)化理論分析，可以在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中刪除。此外，我們假設(shè)每個(gè)上行鏈路子信道最多可被一個(gè)d2d鏈路復(fù)用。最后，我們可假設(shè)用于d2d通信的無線資源管理由基站控制。

考慮由距離相關(guān)的路徑損耗，多徑衰落和陰影組成的信道模型。因此，鏈路的信道增益可以表示為：

g＝kd^-αζ

其中k是環(huán)境相關(guān)常數(shù)，α是路徑損耗距離指數(shù)，d是發(fā)射機(jī)和接收器之間的距離，ζ表示對(duì)數(shù)正態(tài)分布的陰影。

d2d通信的數(shù)據(jù)傳輸包括兩個(gè)步驟。在第一時(shí)隙中，da和db分別向中繼dr發(fā)送數(shù)據(jù)包sa和sb。然后在第二個(gè)時(shí)隙內(nèi)，對(duì)接收到的兩個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行異或網(wǎng)絡(luò)編碼操作，并廣播編碼后的數(shù)據(jù)包。da和db可以通過對(duì)從中繼接收的數(shù)據(jù)包和它們?cè)诘谝徊襟E中發(fā)送的數(shù)據(jù)包執(zhí)行xor來完成網(wǎng)絡(luò)譯碼操作，即節(jié)點(diǎn)b完成的操作為節(jié)點(diǎn)a完成的操作為

在第一步驟中，兩個(gè)d2d發(fā)射機(jī)對(duì)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路通信產(chǎn)生干擾，而d2d中繼端則遭受由傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路造成的干擾。在不失一般性的情況下，假設(shè)子信道i(i∈{1,···,k})被分配給第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶，在時(shí)隙1中傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶i的信號(hào)干擾噪聲比(sinr)可以表示為：

其中為第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的發(fā)射功率，為d2d的發(fā)射機(jī)da和db的發(fā)射功率，是在時(shí)隙1中從第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶到基站的鏈路的信道增益，和分別是從da和db到基站的干擾鏈路的信道增益。是在時(shí)隙1中由基站在子信道i中接收的小區(qū)間干擾功率，n0是加性白高斯噪聲(awgn)功率，分別是da和db的子信道分配的指標(biāo)，定義為：注：

如果第i個(gè)子信道被分配給dj(j＝a,b)，在dr處的第i個(gè)子信道的sinr可以寫為：

其中和分別表示從dj、第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶到dr鏈路的信道增益，為d2d的發(fā)射機(jī)da和db的發(fā)射功率，為第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的發(fā)射功率，是第i個(gè)子信道通過dr接收到的小區(qū)間干擾功率。將網(wǎng)絡(luò)編碼應(yīng)用到d2d通信，它要求d2d中繼dr能夠正確的解碼從dj(j＝a,b)接收到的數(shù)據(jù)包，即：其中β是在中繼dr處正確解碼所需的sinr的閾值。

在第二階段，假設(shè)第i個(gè)子信道被分配給第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶，如果(否則)，在第i個(gè)子信道中dr廣播數(shù)據(jù)包給da和db，則dr對(duì)第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶產(chǎn)生干擾，而第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶對(duì)da和db產(chǎn)生干擾。在第二個(gè)時(shí)隙中，第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的sinr可以寫成：

其中和分別表示傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶i和d2d中繼dr的傳輸功率，和分別表示從第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶和dr到基站的鏈路的信道增益。是第二個(gè)時(shí)隙中在第i個(gè)子信道中通過基站接收的小區(qū)間干擾功率。

在dj(j＝a,b)的sinr可被表示為：

其中和分別表示從dr到dj和從第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶到dj的鏈路的信道增益，是第二個(gè)時(shí)隙中在i個(gè)子信道中通過dj接收的小區(qū)間干擾功率。

在第一個(gè)時(shí)隙中第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的數(shù)據(jù)速率：

在第二個(gè)時(shí)隙中第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的數(shù)據(jù)速率如下：

在第一個(gè)時(shí)隙中從dj(j＝a,b)到dr傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率：

在第一個(gè)時(shí)隙中，從dj(j＝a,b)到dr傳輸所需的時(shí)間tj,r(j＝a,b)：其中sj為所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)量。所以第一個(gè)時(shí)隙傳輸所需的最少時(shí)間可被表示為：

在第二個(gè)時(shí)隙中，dr和dj(j＝a,b)之間的鏈路的傳輸數(shù)據(jù)速率rr,j(j＝a,b)可被表示為：

在第二個(gè)時(shí)隙中，從dr到dj(j＝a,b)傳輸所需要的時(shí)間可被表示為：

其中當(dāng)sa≥sb時(shí)，分母選擇rr,a，否則，選擇rr,b。因此，網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸?shù)膬蓚€(gè)時(shí)隙期間，da和db之間數(shù)據(jù)交換的總時(shí)間為：

假定每個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的信道分配和發(fā)射功率是預(yù)先確定的，并且在每個(gè)d2d通信完成周期內(nèi)不會(huì)改變。

本發(fā)明的目標(biāo)是在保證傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的qos要求前提條件下，最小化每個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸周期中的d2d通信所需要的時(shí)間。因此，該優(yōu)化問題可以被公式化如下：

opt:argmint

s.t.

其中，為1則表示dj復(fù)用第i個(gè)蜂窩用戶的鏈路資源，是dj滿足相應(yīng)的sinr需求的最小傳輸功率。pmax是d2d用戶可以利用的最大傳輸功率，vi是第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的服務(wù)質(zhì)量qos要求。

在網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸周期中的兩個(gè)時(shí)隙是相互獨(dú)立的。opt可以被分成兩個(gè)子問題，第一個(gè)時(shí)隙為opt1,第二個(gè)時(shí)隙為opt2。

本發(fā)明首先解決子問題opt1。因?yàn)槲ㄒ坏南拗拼_保了在子信道i的傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶至多只收到一個(gè)d2d傳輸?shù)母蓴_。在第i個(gè)子信道對(duì)dj(j＝a,b)有如下的傳輸功率限制：

其中：表示d2d用戶dj到中繼dr的路徑增益，表示從第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶到基站的鏈路的信道增益，為第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶的發(fā)射功率。我們可以相應(yīng)得到傳輸功率限制為：

對(duì)于給定的xj(j＝a,b)，rj,r是隨著pj單調(diào)增長的，在為所分配的子信道分配最大發(fā)送功率時(shí)可相應(yīng)達(dá)到其最大值，即：

子問題opt1可相應(yīng)被表示為下：

可使用窮盡搜索算法來解決上述非線性優(yōu)化問題，該算法的流程圖如圖2所示。首先我們假設(shè)有n個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶，有k個(gè)子信道，假設(shè)子信道i被分配給第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶，即：n＝k。窮盡搜索算法(如圖2所示)的思想是：

設(shè)有n個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶，共有k個(gè)子信道，n＝k，設(shè)第i個(gè)子信道被分配給傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶ci；

步驟a、當(dāng)d2d用戶da復(fù)用第i個(gè)傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶ci，即：計(jì)算出da向中繼dr傳輸數(shù)據(jù)包所需時(shí)間然后d2d用戶db依次復(fù)用傳統(tǒng)蜂窩上行鏈路用戶cq，計(jì)算出用戶db向中繼dr傳輸數(shù)據(jù)包所需時(shí)間1≤q≤n且q≠i，q為整數(shù)，然后求出為中的最小值，再求出為和中的最大值；

步驟b、求出tmin,tmin為中的最小值，tmin即為opt1。

我們可以利用仿真實(shí)驗(yàn)分別得到采用本發(fā)明算法與傳統(tǒng)隨機(jī)方法進(jìn)行選擇所復(fù)用的蜂窩用戶資源時(shí)，在第一個(gè)時(shí)隙，d2d通信傳輸數(shù)據(jù)包所需要的時(shí)間，并對(duì)二者進(jìn)行比較。所采用的仿真實(shí)驗(yàn)具體為：系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生100個(gè)蜂窩用戶資源，分別采用兩種選擇算法的條件下，繪制當(dāng)路徑損耗距離指數(shù)α改變時(shí)，最終得到的結(jié)果如附圖3所示。

從該圖可以看出，當(dāng)路徑損耗距離指數(shù)α增大時(shí)，該發(fā)明方法的d2d通信傳輸數(shù)據(jù)包的時(shí)間不斷減少。仿真結(jié)果顯示本發(fā)明所提出的窮盡搜索算法的性能明顯優(yōu)于隨機(jī)選擇算法方法的性能。