无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的功率分配方案

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。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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：

1）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；

2）正交信道模式，该模式下D2D设备使用部分正交时频资源；

3）蜂窝模式，该模式下D2D设备通过BS或AP进行通信。

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。

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：

1）共信道模式下，M.Jung,K.Hwang,and S.Choi:Joint mode  selection and power allocation scheme for power-efficient  device-to-device(D2D)communication.（In IEEE75th Vehicular  Technology Conference(VTC Spring),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；

2）正交模式下X.Xiao,X.Tao,and J.Lu:A QoS-aware power  optimization scheme in OFDMA systems with integrated  device-to-device(D2D)communications.（In IEEE2011Vehicular  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 of D2D communication under heterogeneous networks on  multi-bands with outage constraints.（In IEEE2013International  Conference on Computing,Networking and Communications(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；

3）C.Yu,O.Tirkkonen,K.Doppler,and C.Ribeiro:Power  optimization of device-to-device communication underlaying cellular  communication.（In IEEE2009International 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。

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

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：

1）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；

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。

D2D通信中仅仅存在共信道模式或正交信道模式。

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。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

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 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模型，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。

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CSIγ₃，从D1处 得到CSIγ₁，从D3和BS之间的信道得到CSIγ₂和γ₄以及与BS相应 的γ₅，获得γ₁,γ₂,γ₃以及γ₄之后，BS将其发送给D1和D2。

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：

$\left(\begin{array}{c}{R}_1(P_1\left(v\right),P_2\left(v\right))=\mathrm{BT}{\log }_2[P_1\left(v\right){\gamma }_1+P_2\left(v\right){\gamma }_3+{\sigma }^2]-\mathrm{BT}{\log }_2[{\sigma }^2+P_2\left(v\right){\gamma }_3]\\ +\mathrm{BT}{\log }_2[P_2\left(v\right){\gamma }_2+P_2\left(v\right){\gamma }_4+{\sigma }^2]-\mathrm{BT}{\log }_2[{\sigma }^2+P_1\left(v\right){\gamma }_4]\end{array}\right)$

其中，v=(γ₁,γ₂,γ₃,γ₄,θ)为共信道模式下D2D蜂窝单元中与QoS相关 的CSI，

P₁(v)和P₂(v)分别表示D1和D2的瞬时发送功率，

B为带宽，

T为一帧数据的时间，

σ²为噪声功率。

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，瞬时传输速率R₁(P₁(v),P₂(v))结合信道容量表达式 C(θ)=-¹/_θlog(E{e^-θR[k]})得到有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，有效容量C₁定义 为最大常数到达率，该速率满足确保给定的QoS指数θ下的服务速率 要求，有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)具体的推导过程如下：

$\left(\begin{array}{c}{C}_1(P_1\left(v\right),P_2\left(v\right),\theta )=-\frac{1}{\theta }\log \left(E_{\gamma }\right\{e^{-\theta R_1(P_1\left(v\right),P_2\left(v\right))}\left\}\right)\\ =-\frac{1}{\theta }\log \left(E_{\gamma }\right\{e^{-\beta [\log (1+\frac{P_1\left(v\right){\gamma }_1}{{\sigma }^2+P_2\left(v\right){\gamma }_3})+\log (1+\frac{P_2\left(v\right){\gamma }_2}{{\sigma }^2+P_1\left(v\right){\gamma }_4})]}\left\}\right)\end{array}\right)$

其中，β为归一化QoS指数，E_γ{}表示关于γ的期望。

有效容量描述了不同时延QoS需求下的系统吞吐量，对于实时通 信例如视频会议，需要确保严格的延迟，此时有效容量为中断容量； 对于非实时通信例如数据传输，需要高吞吐量但是延迟限制宽松，此 时有效容量为遍历容量。因此之前有关D2D网络的工作仅仅对非实时 通信有效，该种情况下延迟限制很宽松。无线网络D2D和蜂窝通信中 为了支持实时服务的统计QoS保障，本文提出了无线网络D2D和蜂窝 通信中不同QoS需求的最优的功率分配方案，该方案最大化实时通信 系统的吞吐量。

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，对于固定的QoS指数θ，在总的功率E_γ[P₁(v),P₂(v)]≤ 限制下最大化C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，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(v)和(v)，其中P表示D2D 蜂窝单元中总功率限制。

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，共信道模式下不考虑QoS保障的功率分配方案，得 到最优功率分别为和对应的有效容量 为

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，固定QoS指数的功率分配方案，得 到最优功率分别为和对应的有效容量为

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，正交信道模式下，基站从D1处得到CSIγ₁，D2 通过D3到D2之间的反馈信道得到CSIγ₂，并将CSIγ₂发给BS，得 到CSIγ₁和γ₂之后，BS将其发送给D1和D2。

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。

附图说明

图1是本发明的D2D和蜂窝通信的系统组成示意图；

图2是共信道模式下不同功率分配方案下有效容量比较图；

图3是正交信道模式下不同功率分配方案下有效容量比较图。

图中附图标记的含义：1-基站或接入点，2-D2D设备，3-蜂窝设 备,4-D2D组。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明的无线网络下D2D和蜂窝通信的统计QoS保障的最优功 率分配方案，其特点是，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。

参照图1，在以上三种模式中，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模型，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。 其中，D1、D2以及D3为一个D2D蜂窝单元的所有设备。

为了支持无线网络D2D和蜂窝通信中统计QoS保障的实时服务， 需要研究D2D和蜂窝通信中一个D2D蜂窝单元下的统计QoS保障。

1、对共信道模式，BS从D2处得到CSIγ₃，从D1处得到CSIγ₁， 从D3和BS之间的信道得到CSIγ₂和γ₄以及与BS相应的γ₅，获得 γ₁,γ₂,γ₃以及γ₄之后，BS将其发送给D1和D2。

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：

$\left(\begin{array}{c}{R}_1(P_1\left(v\right),P_2\left(v\right))=\mathrm{BT}{\log }_2[P_1\left(v\right){\gamma }_1+P_2\left(v\right){\gamma }_3+{\sigma }^2]-\mathrm{BT}{\log }_2[{\sigma }^2+P_2\left(v\right){\gamma }_3]\\ +\mathrm{BT}{\log }_2[P_2\left(v\right){\gamma }_2+P_2\left(v\right){\gamma }_4+{\sigma }^2]-\mathrm{BT}{\log }_2[{\sigma }^2+P_1\left(v\right){\gamma }_4]\end{array}\right)$式  (1)

其中，v=(γ₁,γ₂,γ₃,γ₄,θ)为共信道模式下D2D蜂窝单元中与QoS相关 的CSI，

P₁(v)和P₂(v)分别表示D1和D2的瞬时发送功率，

B为带宽，

T为一帧数据的时间，

σ²为噪声功率。

瞬时传输速率R₁(P₁(v),P₂(v))结合信道容量表达式：

C(θ)=-¹/_θlog(E{e^-θR[k]})式（2）

得到有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，有效容量C₁定义为最大常数到达 率，该速率满足确保给定的QoS指数θ下的服务速率要求。

有效容量C₁(P₁(v),P₂(v),θ)具体的推导过程如下：

$\left(\begin{array}{c}{C}_1(P_1\left(v\right),P_2\left(v\right),\theta )=-\frac{1}{\theta }\log \left(E_{\gamma }\right\{e^{-\theta R_1(P_1\left(v\right),P_2\left(v\right))}\left\}\right)\\ =-\frac{1}{\theta }\log \left(E_{\gamma }\right\{e^{-\beta [\log (1+\frac{P_1\left(v\right){\gamma }_1}{{\sigma }^2+P_2\left(v\right){\gamma }_3})+\log (1+\frac{P_2\left(v\right){\gamma }_2}{{\sigma }^2+P_1\left(v\right){\gamma }_4})]}\left\}\right)\end{array}\right)$式 0（3）

其中，β为归一化QoS指数，E_γ{}表示关于γ的期望。

有效容量描述了不同时延QoS需求下的系统吞吐量，对于实时通 信例如视频会议，需要确保严格的延迟，此时有效容量为中断容量； 对于非实时通信例如数据传输，需要高吞吐量但是延迟限制宽松，此 时有效容量为遍历容量。因此之前有关D2D网络的工作仅仅对非实 时通信有效，该种情况下延迟限制很宽松。无线网络D2D和蜂窝通 信中为了支持实时服务的统计QoS保障，本专利提出了无线网络D2D 和蜂窝通信中不同QoS需求的最优的功率分配方案，该方案最大化 实时通信系统的吞吐量。

当无线网络中使用D2D通信可以得到的有效容量比仅使用蜂窝 通信大时，则使用D2D通信，共信道模式下蜂窝设备和D2D设备共享 相同的频带，如果共信道干扰得到有效的抑制，共信道模式获得的有 效容量比正交信道模式获得的有效容量大。

对于共信道模式，首先建立D2D蜂窝单元中最大化有效容量的优 化问题，然后得到共信道模式下QoS驱动的功率分配方案。

对于固定的QoS指数θ，在总的功率限制下最大 化C₁(P₁(v),P₂(v),θ)，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(v)和(v)。其中，表示D2D蜂窝 单元中总功率限制。

本发明的方案，还给出了共信道模式下两种次优的功率分配方案：

（1）共信道模式下不考虑QoS保障的功率分配方案，得到最优 功率分别为和对应的有效容量为

（2）共信道模式下，固定QoS指数的功率分配方案，得到最优 功率分别为和对应的有效容量为

共信道模式下，不同功率分配方案下有效容量的比较参见图2。

2、正交信道模式下，基站从D1处得到CSIγ₁，D2通过D3到 D2之间的反馈信道得到CSIγ₂，并将CSIγ₂发给BS，得到CSIγ₁和γ₂之后，BS将其发送给D1和D2。

正交信道模式下，不同功率分配方案下有效容量的比较参见图3。

3、对于蜂窝模式，BS可以通过D1和D2得到CSIγ₁和γ₃，然后将 其发送给D1和D2。

由图2和图3可知：

1、共信道模式和正交信道模式下QoS保障的有效容量比蜂窝模 式下QoS保障的有效容量大，这是因为当D2和D3之间信道的平均 SNR大于D2和BS之间信道的平均SNR时，使用D2和D3之间的 信道代替使用D2和BS之间的信道，我们提出的功率分配方案可以 有效获得信道平均SNR增益；

2、共信道模式和正交信道模式下不考虑QoS保障的有效容量总 是小于不同QoS延迟需求下我们提出的QoS保障的有效容量，然而 当QoS延迟需求很宽松(θ→0)，共信道模式和正交信道模式下不考 虑QoS保障的有效容量非常接近我们提出的QoS保障的有效容量， 这和当QoS延迟很宽松时(θ→0)有效容量趋于遍历容量是一致的；

3、使用给定θ₀=10^-2时的QoS驱动的功率分配方案，仅当QoS延 迟需求为θ₀=10^-2时可以获得最大的有效容量，当QoS延迟需求是其 他数时不能获得最大的有效容量。

由此可见，在无线网络D2D中使用本发明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。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等 同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范 围内。