一个全双工D2D基于集群资源分配方案则算法

文摘

虽然在蜂窝网络设备间(D2D)技术可以提高蜂窝系统的性能,它创造了大量的干扰在传统通信。摘要单细胞现场的资源分配和控制问题进行了研究。首先,限制的概念D2D交流区和限制D2D user-reusage区域提出减少资源分配的复杂性和干扰强度。第二,满足的前提下的QoS(服务质量)要求每个系统用户,资源分配算法改进,进行资源的优化配置,并详细给出了算法的流程。我们的模拟实验表明,该方法极大地提高了系统频谱效率和公平。

1。介绍

近年来,智能手机的崛起和快速发展已经深刻改变了我们交流和享受数字娱乐的方式。无线应用程序的广泛使用,比如云计算,上网,和下载和观看数字多媒体,产生了一个巨大的高速、高效的无线通信技术的需求。5 g是下一代移动通信系统,正在开发的预期需求信息和通讯2020年之后。它将有更高的频谱利用率和传输速率,显著提高传输延迟和QoS(服务质量)感知,和访问链接和安全的数量增加1]。

设备间(D2D)技术(2,3是移动通信领域的一个热门话题。使用D2D技术,相邻终端可以近距离内传输数据通过直接联系没有中央节点。在这种情况下,基站发送只有一些控制信息,大大减少了负载的基站2,4,5]。D2D用户可以有效地重用无线资源授权的网络提高重复使用的无线频谱和扩大异构蜂窝网络的吞吐量和覆盖6,7]。在全双工模式下,频谱的好处是由于允许用户同步翻了一倍,同时发送和接收信号8,9]。这项技术可以极大提高无线传输速率,它有巨大的技术优势和应用前景。因此,它是一种很有前途的选择未来5 g通信。

然而,在相同的细胞,频道资源重用同时D2D通信和手机用户。因此,尽管D2D通信技术带来方便,它还导致频率干扰10]。随着用户数量的增加,它们之间的干扰也上涨。网络容量优化和权力分配的问题也出现了,导致增加整个系统的功耗。在异构网络中,资源分配方案有两个:一个是本地的资源分配(fixed-cell用户资源和一双D2D自适应资源分配),另一个是全球资源配置(细胞服务用户和D2D对分配资源共同)(11]。因为D2D通信可以竞争和相互合作,资源共享,个人或群体的行为符合博弈论的固有特性,它允许他们有效地建模和分析(12]。

D2D通信技术和认知无线电(CR)可以有效地减少干扰(13]。CR技术,通过与外部环境相互作用的多维光谱检测、实时和交互式环境中,能够感知任何干涉,使随后的判断,这样的认知用户可以选择最合适的通信频率,以避免干扰主用户的前提下与主用户频谱共享(14]。如何管理社区的频谱资源作为一个整体,合理确定每台设备的通信能力,并最小化之间的干扰设备的主要瓶颈已经成为D2D通信进入实用阶段。值得努力实现权力稳定(15,16)或通过上下文敏感率从软件可靠性预测学习布尔控制网络(17]。

考虑到当前D2D通信研究的优点和缺点,我们学习了资源分配和功率控制在单细胞的情况下工作的基础上(18]。首先,限制的概念D2D交流区和限制D2D使用区提出了减少资源分配的复杂性和干扰强度。第二,的前提下满足所有用户的QoS系统中,资源分配算法改进,进行资源的优化配置,详细描述算法的流程。我们的模拟实验表明,该方法极大地提高了频谱效率和系统公平。

2。问题描述

单细胞模型,它假定细胞包括手机用户和D2D用户对和子信道的细胞数量 。手机用户的集合 ,而D2D用户对的集合 。D2D用户对手机用户的上行资源重用。基站与用户设备相比,具有较强的抗干扰能力和处理能力,和手机网络的数据量是不对称的,上行资源的不充分利用19,20.]。因此,D2D沟通探讨选择细胞系统的上行资源重用。

假设每个用户设备的位置坐标已知基站,之间的任何用户和用户之间的信道增益和基站可以计算。在蜂窝系统模型中,基站BS,th D2D用户对的上行资源重用手机用户。参见图1。

如图1,b发送信号,信道增益在哪里 。发射机的th D2D双将信号发送给接收者 ,通道增益在哪里吗 。当传递一个信号,干扰 ,通道增益在哪里吗 。此外,有干扰基站传递一个信号,信道增益和高斯白噪声 。

关于road-loss模型、多路径效应引起的慢衰落和快衰落造成的阴影效果也应该被考虑。因此,收益D2D对发射机的频道基站和来可以表示为 其中,road-loss常数和吗α是路上损失指数都是由蜂窝系统环境。是距离基站,是距离来 。 快衰落获得吗基站,指数分布,快衰落获得吗来 ,也有一个指数分布,慢衰落获得吗基站,对数分布,和慢衰落获得吗来 ,也有一个对数分布。

上述描述表明,有三种干涉认为场景:从D2D发射机干扰细胞系统;手机用户的干扰D2D接收器;和干扰D2D之间对共享同一频谱资源。本文要解决的问题是建立一个细胞资源重用状态下系统模型考虑的三种干扰和使用它来确定最佳的资源分配计划。

3所示。资源分配方案满足系统QoS

3.1。D2D用户对划定沟通限制区域

D2D用户重用蜂窝用户的上游资源,越接近D2D用户基站,干扰量越大的铜(手机用户)的b接收信号。因此,减少干扰,我们提出一个系统的总吞吐量的提高同时也降低了计算复杂度;我们建议限制D2D通信区域的大小。在这个领域,D2D被认为是贡献大量的干扰基站。这个区域,任何D2D干扰基站可以忽略。假设是所有D2D用户的最大传输功率,表示所有D2D用户的干扰阈值到基站,必须满足 所有D2D用户的干扰基站必须小于这个阈值;否则,它将导致更严重的干扰到基站,这手机用户无法进行有效的沟通。其中,通过长期的观察获得细胞的细胞。通过结合(1)和(3),我们就可以求出半径 ,这是D2D通信半径有限的面积: 因此,有限D2D沟通区域半径的圆形区域中心与BS(见图2)。当基站接收到请求建立D2D链接,第一基站确定D2D发射机在D2D交流区,如果是这样,那么这个禁止建立D2D链接。

3.2。手机用户被限制到重复使用区域

我们可以看到从图1当D2D用户和手机用户使用相同的上行资源,会有干扰来 ,它们之间的距离越近,就越会干涉。因此,我们建议划定限制为手机用户重复使用区域减少这种干扰。假设代表了最大传输功率的手机用户,代表细胞的阈值D2D用户用户的干扰。因此,从所有手机用户的总干扰D2D用户必须小于这个阈值;否则D2D用户无法正常沟通。也就是说,应该满足以下公式: 其中,是由长期的观察细胞的细胞。如果我们结合(2)和(5),我们就可以计算出禁区半径的手机用户: 有限,为手机用户重复使用面积与半径的一个圆 ,在哪里位于中心(图2)。任何手机用户在这方面没有任何D2D双选为潜在的重复使用对象。

3.3。系统模型建立

为了满足所有用户的QoS请求,我们必须确保D2D用户和手机用户达到各自的最低SINR (signal-to-interference-plus-noise比率)。为设备在细胞 ,设备的SINR通信时 其中, 显示设备的有效信号强度从细胞 , 每个基站的传动功率RB(资源块), 之间的信道增益的废话和设备,然后呢 总结所有其他设备干扰。

我们的目标是最大化系统吞吐量: 其中,代表的实际SINR蜂窝用户,代表的实际SINR D2D用户。和 ,分别代表实际的传动功率的手机用户和D2D用户 ,而表示手机用户之间的信道增益和基站。模型是 ,在那里移动用户之间的距离,以公里为单位BS。 , , ,和 ,分别代表用户之间的信道增益,模型在哪里 和在单位的两个用户之间的距离。是一个二进制的值:如果用户和共享相同的资源, ;否则 。最后,和 ,分别代表细胞的最小SINR用户和一双D2D时正常交流。

上述目标函数代表了完整系统的最大吞吐量。前两个限制条件(见 和 )确保移动用户和D2D用户满足其QoS需求。只有那些D2D用户,满足这两个条件可以同时连接到网络。最后两个限制条件(见 和 )表明,细胞和D2D用户的传输功率不应超过最大传输功率。

3.4。D2D对集群解决问题D2D对和相互之间的干扰

在蜂窝通信系统中,干扰D2D双和彼此之间的关系。有效地使用可用的系统资源,有必要减少这种干扰分组D2D双到集群。认为,在相同的集群,D2D对和彼此之间的干扰可以忽略,而且它可以重用相同的铜资源。作为他们的位置坐标已知,D2D对之间的距离可以计算。D2D对之间的距离越近,干扰就越大;也就是说,之间的距离D2D对干扰值成反比。距离的倒数值用于表示的干扰,在一个矩阵之间的干扰值D2D双就可以形成。然后,聚类方法则是用来把D2D集群根据他们的干扰值矩阵。假设D2D双的总数 ,所有D2D设备分组 。聚类后,集群形成和记录 。具体的算法流程如下:

随机选择初始聚类中心作为 。

计算样本之间的距离,他们的干扰值矩阵是由相互距离的值,和样本添加到集群与最小的干扰值。

计算集群总结广场点之间的距离和集群中心 ,以及总总结平方距离: 根据最小二乘法和拉格朗日原理,集群中心需要每个采样点的平均内相应的集群 。

根据我们重复这些步骤,并更新集群之前迭代收敛到最小值,即完成。

次迭代后,我们输出的中心集群和决定哪些D2D设备都包含在每个集群。

3.5。资源分配的D2D用户集群下的QoS保证

通过上述步骤,所有D2D双分为集群,每个 。由于干扰引起的D2D网络是不同的每个创科实业(传输时间间隔),数量和集群的大小并不是固定的,这使得充分利用瞬时信道状态信息的D2D网络。本部分的主要任务是确定哪些子通道分配给哪个集群。

让我们考虑以下资源共享模型:手机用户分配资源之前,和每个用户占用一个细胞RB。单个D2D集群可以重用的大部分手机用户的频谱资源;否则,细胞频谱资源是仅由单个集群D2D重用。信道分配是由矩阵表示 。元素 表明,通道被分配到D2D集群 ;否则,它等于0。本文的目标是找到一种分配方法整个系统的吞吐量最大化;也就是说, 其中代表集群的数据速率到 。确保在原来的手机网络正常通信,在实际的资源分配阶段,有必要屏幕任何D2D用户不仅满足D2D QoS要求每个集群,也确保所有手机用户的正常通信,授予他们访问网络。因此,D2D对在同一集群是不同的,不同的资源共享块相同的手机用户。集群用于表示一组D2D可以分享吗在集群 。

对于特定的RB,筛选过程最终D2D用户可以访问网络如下: 初始化:考虑一个特定的集群分享 ,创建两个新的集群和 为 做计算距离之间的和在计算距离之间的和基站BS计算的如果 满足 和 和 把在集群如果结束了 为 做计算的干扰值手机用户结束了珍稀化石D2D所有用户的干扰值 为D2D用户排序后做计算细胞的SINR D2D对用户后添加如果细胞的SINR用户满足≥打破如果其他的把这个D2D用户集群其他结束结束了

一步过滤器的D2D对集群通过考虑之间的干扰D2D双基站和手机用户的D2D用户。如果无法满足QoS请求,然后我们获得集群 。一步计算集群的每一对D2D干扰值根据干扰值类型对应的D2D用户。一步开始的D2D对细胞干扰用户的最小值在集群然后计算蜂窝用户的SINR当这个D2D共享 。如果SINR小于最低SINR的手机用户,系统不允许D2D分享 ;否则,它将D2D对集群 。然后系统考虑了D2D用户提供第二个最小的干扰值,并计算这些手机用户的SINR。重复整个过程直到所有D2D一对已经被计算。最后,所有D2D用户集群可以分享获得由集群 。

在本文中,我们使用描述每个RB的吞吐量达到每个集群。最后,我们构造一个二维的矩阵基于集群数量和RB数量和分配资源为每个集群根据所构造的矩阵。

的集群的价值分享被定义为 其中,在集群是D2D用户的SINR吗在和手机用户的SINR的指示当集群D2D用户的干扰 。

具体的资源配置过程如下: 初始化:根据(11),计算每个集群的每个RB,然后构造矩阵。假设是一组尚未分配的苏格兰皇家银行,显示了一个单一的RB, 。 而( ):在矩阵,找到最大的值,其对应的和集群 ;分配集群 ;设置所有对应于−1000。 ;结束时 配电:最后每个D2D副的传动功率是

传动功率的手机用户在哪里吗 。

4所示。仿真结果和分析

4.1。仿真参数

单细胞的情况下500米半径是,所有客户和杜细胞中的随机分布均匀。D2D对铜是静态的,每个接收机和发射机有一个天线。在模拟,它假定的自干扰消除的全双工D2D节点110分贝(24),天线增益为14.0 dBi (25),上行带宽设置为1.4 MHz,资源块RB是6。所有参数如表所示1。使用Matlab仿真进行,我们方案的目标是确定优化整个系统的吞吐量和平均SINR,然后与随机资源分配方案的全双工18,26)来验证它的正确性。

4.2。验证分析

4.2.1。准备D2D沟通禁区验证

图3是一个图的平均SINR改变系统的增加D2D通信区域的半径。从图3,我们可以看到,随着D2D通信区域半径从0增加到150米,平均SINR增加不是很明显。然而,当半径超过150时,系统的平均SINR的半径增加而增加D2D通信区域。可以看出,减少干扰的D2D用户基站,细胞必须划定限制D2D通信区域。在本文实验条件下,限制D2D通信区域的半径150米。同时,从图可以看出4,该算法明显优于其他作者所使用的资源块随机分配算法(18,26]。

4.2.2。影响的数量D2D对总系统吞吐量的验证

图4显示了两个资源分配方案的总系统吞吐量随着D2D对数量的增加。从这个图中,我们可以看到,当D2D双的数量< 20日提出的资源分配方案的吞吐量是类似于随机分配方案。随着D2D对数量的增加,这两个方案的总吞吐量逐渐增加,但是我们的方案的吞吐量明显高于随机的资源分配方案。

4.2.3。比较总累积分布的系统吞吐量

图5显示了累积分布函数(CDFs)系统的总吞吐量的两个方案。因为我们的方法使用——集群算法D2D对,每一对干扰可以忽略,然后分配最优RB D2D集群,我们能够充分利用系统的可用和可重用的苏格兰皇家银行,和D2D链接的数量建立在细胞系统最大化。因此,与参考算法相比,系统的总吞吐量已显著提高。

5。结论

我们分析的状态D2D对手机用户的资源重用相同的5 g通道的蜂窝通信系统消除干扰D2D双基站,铜用户D2D接收器,和D2D对彼此。我们提出一些对策和解决方案,构建功能模型,系统的效率最大化。消除D2D用户基站的干扰,D2D有限的概念提出了通信领域。D2D用户的干扰基站禁区外的可以忽略不计。重复使用面积有限的概念战斗铜用户D2D用户的干扰。有可能D2D用户禁区外的铜资源重用。解决D2D双之间的干扰,我们建议使用干扰强度集群D2D对基于价值则算法,D2D双之间的干扰值越大,越小的概率被放置在一个集群中。在同一集群,D2D双之间的干扰可以忽略;也就是说,他们可以重用相同的铜资源。然后,我们描述了资源分配算法,我们铜资源块分配给集群D2D双和最好的苏格兰皇家银行D2D对分配。作为与Matlab演示所使用的模拟执行,我们的方法可以消除干扰,提高系统的整体性能。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作在一定程度上支持中国的国家自然科学基金(61202290,61202290,61772198)。

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