本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體的說涉及一種基于最小同頻干擾的鏈路調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
隨著科技的不斷發(fā)展，智能手機(jī)與平板電腦逐漸普及，大量新型無線服務(wù)應(yīng)用的涌現(xiàn)，如網(wǎng)頁瀏覽、視頻、微信、微博等，這使得無線移動通信從最初的通話功能滲透到了辦公、娛樂、社交網(wǎng)絡(luò)等生活的方方面面，也促使了全球移動數(shù)據(jù)流量的急速增長。無線視頻業(yè)務(wù)已經(jīng)成為了無線數(shù)據(jù)流量的主要驅(qū)動力之一。數(shù)據(jù)流量的快速增長給現(xiàn)今的無線通信系統(tǒng)帶來了巨大的負(fù)擔(dān)，特別是在通信高峰期，無線通信網(wǎng)絡(luò)有著極大的壓力。
近年來，研究者們基于視頻特性以及硬盤存儲的現(xiàn)實，提出了一種新的解決方案，其基本思想就是在無線接入點處配置大容量的存儲器，利用非高峰期(如夜間時段)將受歡迎的視頻等文件提前緩存到接入點處的存儲器中。這樣，在用戶進(jìn)行業(yè)務(wù)請求時，如果緩存有請求文件，無線接入點可以直接將文件傳輸給用戶，使流量本地化。通過這種方式，不僅能夠大大降低了數(shù)據(jù)在回程鏈路及核心網(wǎng)絡(luò)的延遲，同時也能降低了高峰期時回程鏈路及核心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。另外，這也降低了系統(tǒng)在回程鏈路傳輸容量上的要求。當(dāng)視頻點播業(yè)務(wù)降低了回程鏈路容量的占用量時，就能釋放出更多的網(wǎng)絡(luò)資源來為其他業(yè)務(wù)服務(wù)，這種方式就間接地提升系統(tǒng)的吞吐量。
傳統(tǒng)的通信技術(shù)并沒有利用視頻文件的重要特性——內(nèi)容復(fù)用性，即少數(shù)的熱點視頻會在一段時間內(nèi)被大量用戶重復(fù)觀看。隨著計算能力、存儲能力的提高，緩存架構(gòu)應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)引起了越來越多研究者的關(guān)注，特別是d2d(device-to-device)無線緩存網(wǎng)絡(luò)。這項技術(shù)被視為是應(yīng)對無線視頻業(yè)務(wù)爆炸性增長的有效技術(shù)之一，并為未來無線通信的發(fā)展提供一個新的方向。在d2d無線緩存網(wǎng)絡(luò)中，流行的視頻文件可以在非高峰通信期間提前地緩存到終端。在緩存的幫助下，用戶可以從自身緩存或者通過d2d傳輸技術(shù)從周圍用戶的緩存中獲取請求的視頻文件，而不再是通過基站下載。這種方式不僅可以極大地降低系統(tǒng)的負(fù)載、空口擁塞、時延以及能耗，而且能夠為用戶帶來更好的服務(wù)體驗。
d2d無線緩存網(wǎng)絡(luò)的運作主要可以分為兩個階段，緩存階段和傳輸階段。而在傳輸階段中，用戶與用戶之間的鏈路傳輸?shù)呐鋵εc調(diào)度的問題又是十分關(guān)鍵的，如果鏈路對的配對與調(diào)度進(jìn)行得不理想，則會導(dǎo)致很多鏈路因為干擾過大而無法成功調(diào)度，影響用戶的qos(qualityofservice)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是在保證qos，即數(shù)據(jù)率不能低于一個閾值的基礎(chǔ)上，使得成功調(diào)度的d2d鏈路數(shù)量最大化，針對上述問題，提出一種基于最小同頻干擾的鏈路調(diào)度方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種基于最小同頻干擾的鏈路調(diào)度方法，定義v＝{(ua，ub)|ua∈u，ub∈u，ua≠ub}為網(wǎng)絡(luò)中所有可能的d2d用戶對的集合，其中(ua，ub)代表ua到ub的d2d用戶對，ua和ub分別為源用戶和目標(biāo)用戶，u為n個用戶的集合u＝{u1，u2，…，un}；v的元素個數(shù)，即|v|，是所有可能的用戶對的數(shù)量，定義所有的潛在鏈路集為
定義另一個二元變量
令所有被調(diào)度用戶的集合為
s1、初始化鏈路集w′＝w，鏈路l1＝(t1，r1)，
s2、從w′中移除與(t1，r1)相關(guān)的(ua，ub)后，判斷w′是否為非空集合，若是，則進(jìn)入步驟s3，若否，則退出；
s3、對所有的(ua，ub)∈w′：
通過如下公式1計算it：
獲得var＝{it最小的(ua，ub)}；
s4、對于(ua，ub)∈var，通過如下公式2計算ir：
獲得(tn+1，rn+1)＝ir最小的(ua，ub)；
s5、獲得調(diào)度鏈路ln+1＝(tn+1，rn+1)，
s6、從w′中移除與(tn+1，rn+1)相關(guān)的(ua，ub)，更新l′＝l′∪{ln+1}，鏈路數(shù)n＝n+1；重復(fù)執(zhí)行步驟s3-s6直至w′為空集，進(jìn)入步驟s7；
s7、輸出步驟s6中獲得的l′和n為調(diào)度結(jié)果；對于(ua，ub)∈v，得到
進(jìn)一步的，因上述方案中每條調(diào)度d2d鏈路的sinr還沒有計算，它們中的一些可能不滿足qos要求，如果發(fā)生這種情況，它們最終將不能被調(diào)度，需要被抑制。對于那些sinr不夠大的鏈路，最小同頻干擾調(diào)度算法的處理方法是對這些鏈路逐一進(jìn)行抑制，而不是同時抑制。具體來說，具有最小sinr的鏈路將被逐一抑制，并且從調(diào)度鏈路集移除，直到所有的調(diào)度d2d鏈路的sinr都是能夠接受的。這么做的理由是希望更多的鏈路能夠被成功調(diào)度，因為某些原本不滿足sinr約束的鏈路在經(jīng)過幾輪的鏈路抑制后有可能會滿足qos要求。所以本發(fā)明還提出鏈路抑制部分的方法，具體還包括以下步驟：
s8、設(shè)置門限值γt；
s9、令
s10、計算l′中所有鏈路的sinr，并抑制sinr最小的lk，
s11、更新l′＝l′\{lk}，n＝n-1；
s12、重復(fù)步驟s10-s11直至對每一條鏈路逐一完成抑制，對于(ua，ub)∈v,得到
本發(fā)明的有益效果在于，相對于傳統(tǒng)技術(shù)，本發(fā)明的方法具有更強(qiáng)的干擾管理能力，傳統(tǒng)的鏈路調(diào)度方法主要是根據(jù)信道增益來考慮潛在的d2d鏈路，使被調(diào)度的d2d鏈路有足夠大的信號功率；然而，對于同頻干擾，它們處理得不是很理想，一般來說，最后再考慮干擾，會導(dǎo)致所有被調(diào)度的d2d鏈路損失sinr，從而降低算法的性能；相反，本發(fā)明的方法從一開始的調(diào)度過程就考慮了同頻干擾，保證了所有調(diào)度的d2d鏈路之間的同頻干擾最小。
附圖說明
圖1為傳統(tǒng)的ctlinq算法與最小同頻干擾調(diào)度算法的鏈路激活數(shù)對比示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
以一個小區(qū)為例，在小區(qū)中間有一個基站，n個用戶均勻分布在基站的半徑rb內(nèi)。用戶集為u＝{u1,u2,…,un}。網(wǎng)絡(luò)的文件庫有m個大小相等的文件，分別記為f1,f2,…,fm。
假定每個用戶都已經(jīng)從文件庫緩存了一個文件，并且獨立地從文件庫里請求一個文件，請求概率服從zipf分布，即文件fi的請求概率為:
其中，γr是請求zipf分布參數(shù)。
因為每個用戶可以從無線d2d網(wǎng)絡(luò)中緩存文件。除了從基站獲取外，用戶可以從自己或從其鄰近用戶獲得其需求的文件。從自己處獲得文件需要自己的緩存空間里緩存了自己所需要的文件，而從臨近用戶獲得文件則是通過建立用戶間的通信鏈路，即d2d通信。
所有的d2d鏈路都在獨立于蜂窩通信的統(tǒng)一頻段上工作，并且要滿足qos的要求。在這種情況下，d2d通信不會受到蜂窩通信的干擾，但同頻干擾將是影響qos的一個關(guān)鍵因素。此外，假設(shè)d2d通信采用的是點到點的通信模式和半雙工工作模式，也就是說，在任何時候，用戶最多與另一個用戶通信，即只能發(fā)送或接收文件，而不是同時發(fā)送或接收。
基于上述的一個小區(qū)的系統(tǒng)模型，用戶首先在自己的緩存空間找是否有請求文件。如果自己緩存空間有所需文件，那么他們不再需要發(fā)送請求給其他用戶或基站，否則，他們向附近的用戶請求幫助，通過d2d通信獲得所需文件。
定義了v＝{(ua,ub)|ua∈u,ub∈u,ua≠ub}為網(wǎng)絡(luò)中所有可能的d2d用戶對的集合，其中(ua,ub)代表ua到ub的d2d用戶對，ua和ub分別為源用戶和目標(biāo)用戶。v的元素個數(shù)，即|v|，是所有可能的用戶對的數(shù)量；通過如下3個條件判斷一個d2d用戶對(ua,ub)是否有效：
(1)ub不能從自己的緩存空間找到所需文件，所以他需要向別的用戶或者基站請求文件，即：fr(ub)≠fc(ub)，這里fr(ub)和fc(ub)分別代表用戶ub的請求文件和緩存文件。
(2)ua與ub的距離必須在d2d通信范圍內(nèi)，也就是：
(2)ua緩存有ub的請求文件，即fc(ua)＝fr(ub)，這里fc(ua)代表ua的緩存文件。
本發(fā)明的方案中定義一個二元變量
其中，(ua,ub)∈v。
如果某d2d用戶對(ua,ub)對應(yīng)的
因此，在允許緩存的d2d網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)度算法的目的是從w中選一個鏈路子集，使得其中的元素個數(shù)盡可能多。在一定的約束條件下，為了更好地說明調(diào)度過程，本發(fā)明的方案定義一個二元變量
其中，(ua,ub)∈v。
記所有被調(diào)度用戶的集合為
一旦一個潛在的d2d鏈路被調(diào)度，文件將會從源用戶發(fā)送給目標(biāo)用戶，此時，源用戶作為發(fā)射機(jī)，目標(biāo)用戶作為接收機(jī)?；?imgfile="bda0001277028600000064.gif"wi="118"he="52"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>的定義，可以定義一個二元變量
這里，ua∈u。
在調(diào)度過程后，(ua,ub)∈v的數(shù)據(jù)率為：
其中，w代表帶寬，并且
其中，
基于上述的系統(tǒng)模型和所有的定義，這個鏈路調(diào)度問題可以歸納如下：
s.t.
其中，方程(1)是點到點約束，確保每個用戶最多只與一個用戶關(guān)聯(lián)；方程(2)是半雙工工作模式，確保沒有用戶同時當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)；方程(3)即qos要求，δt表示qos閾值。
本發(fā)明技術(shù)方案的核心思想是對已經(jīng)調(diào)度的鏈路造成同頻干擾最小的d2d潛在鏈路作為新的調(diào)度鏈路：
假設(shè)有n個d2d鏈路已經(jīng)被調(diào)度，分別記為l1,l2,…,ln，這里li＝(ti,ri)(i＝1,2,…,n；(ti,ri)∈w)。受貪婪算法啟發(fā)，如果(ua,ub)∈w與l1,l2,…,ln之間的同頻干擾最小，則將會被選為第(n+1)個被調(diào)度的鏈路，即ln+1＝(tn+1,rn+1)。具體地說，(ua,ub)與已被調(diào)度的鏈路間有最小的同頻干擾意味著：
(i)ua對ri(i＝1,2,…,n)造成的干擾最?。?/p>
(ii)ub從ti(i＝1,2,…,n)受到的干擾最小。
在這里，條件(i)優(yōu)先于(ii)。首先，找到滿足條件(i)的潛在鏈路，然后在這些鏈路中，滿足條件(ii)的將被調(diào)度。根據(jù)本規(guī)則，最小同頻干擾調(diào)度算法首先防止已經(jīng)被調(diào)度的鏈路受到過于嚴(yán)重的干擾，然后再保護(hù)即將調(diào)度的鏈路。
下面將其他相關(guān)算法同本發(fā)明方法的算法性能對比分析，以進(jìn)一步驗證本發(fā)明的性能。
圖1為傳統(tǒng)的ctlinq算法與最小同頻干擾調(diào)度算法的鏈路調(diào)度數(shù)對比示意圖。隨著d2d通信范圍增加，兩種算法的調(diào)度鏈路數(shù)都是先增加再減少，這是因為在增加鏈路數(shù)和減少同頻干擾之間存在一個折中。兩種方法都在d2d通信范圍為100m左右時達(dá)到最大調(diào)度鏈路數(shù)。
在這里，“隨機(jī)”是指第一條被調(diào)度鏈路是隨機(jī)取的；而“最佳”是分別將潛在鏈路集合的每一條鏈路作為第一條被調(diào)度的鏈路進(jìn)行仿真后，得到的最好的結(jié)果。事實上，“最佳”情況表現(xiàn)出了最小同頻干擾調(diào)度算法的潛力。如圖1所示，最小同頻干擾調(diào)度算法在通信范圍小于125m時有更多的調(diào)度鏈路數(shù)，這顯示了本發(fā)明的更大的潛力。
綜上所述，本發(fā)明提出了一個新的基于最小同頻干擾的鏈路調(diào)度方法。首先進(jìn)行鏈路調(diào)度，在這一步中，每次引入對之前已經(jīng)調(diào)度的鏈路造成干擾最小的鏈路來處理同頻干擾，這一步完成后具有最小sinr的鏈路將被抑制，并且從調(diào)度鏈路集中移除，直到所有d2d調(diào)度鏈路的sinr是能夠接受的。本發(fā)明提出的算法可以在滿足qos的情況下使得成功調(diào)度的鏈路數(shù)最大。