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国家自然科学基金资助项目
国家重大专项资助项目
作者简介:
王元
女
西安邮电大学硕士研究生
网络出版地址:
D2D 多播场景下面向节能的资源分配机制
王元赵季红
唐睿曲桦董姣姣
(
西安邮电大学 通信与信息工程学院,
陕西 西安
;
西安交通大学 电子与信息工程学院,
陕西 西安
)
摘要:设备间通信通过复用蜂窝通信的频谱
能够提升系统频带利用率
并大幅度降低终端能耗
在 内 容
分发网络场景中
借助设备间通信多播还能有效地增加系统容量
改善用户的服务感受
但是
考虑到 移 动
中继电量受限
而且设备间通信与蜂窝通信之间由于频带复用会产生严重的同频干扰
提出了 一 种基于 图
论的资源分配机制来最小化移动中继的总能耗
并同时保证蜂窝用户和设备间通信用户服务质量
此 外
还考虑了上述能耗优化与系统容量之间的折中关系
实现了在接入用户数量最大的前提下最小化能耗
关键词:设备间通信多播
移动中继
节能
系统容量
资源分配
二分图
中图分类号:
文献标识码:
文章 编号:
Ener
gy
-awareresourceallocationforunderlaidD2D multicast
Abstract:
Ke
yWords:
随着智能终端的普及和多媒体应用的涌现
用户对于传输速率的需求不断增加
在不改变通信模式的情况
下
更高的传输速率意味着更高的功率开销
这将大幅度增加终端的能耗
此外
随着生活方 式的改变
人们对
于近距离通信的需求不断增加
基于此
设备间通信
得
到了广泛的关注
其通过复用传统蜂 窝用 户的频带资 源
使得数据直接在移动终端之间进行传输
而无须经过
基站进行中继
它的引入不但能够大幅地提升系统的频谱利用率和用户的服务质量
降低终端能耗和传输时延
而且能够有效地拓展小区覆盖范围并缓解基站负荷
特别是
在内容分发网络场景
中
即当多用户请求相同内容时
可将其附近已经接收到相同的内容的移动终端作为发射端
通过设备间 通信
年月
第卷第期西安电子科技大学学报(自然科学版)
JOURNALOFXIDIANUNIVERSITY
http
www.xdxb.net
广播的形式向请求用户传送信息
设备间通信多播的引入进一步降低了基站对于相同信息的传输负荷
并且当
用户位于小区边缘时
系统的容量
即接入的用户数目
也能得到大幅提升
在传统通信系统中
主要的优化目标是系统的频带利用率
然而在上述内容分发场景中
由 于 移 动 中
继
电量受限
当它为其他的用户提供无偿的传送服务时
如果电量消耗过多
对其不公平
所以其能耗应得
到考虑
但是
不考虑用户服务质量要求
单纯的节能优化是没有意义的
而且由于设备间通信与蜂窝用户复
用相同的信道资源
他们之间会存在同频干扰
因此
优化终 端能耗 的 前提是 必须保证 设 备间通 信 多播请求
用户和传统蜂窝用户的服务质量需求
此外
随着通信数目的激增
系统容量
逐渐成为衡量系统性能
特别
是用户公平性
的重要指标
为了实现上述目标
功率控制和信道分配是两种有效的实现途径
目前已有较多的研究在关注蜂窝通信与设备间通信混合网络场景
文献
考虑的是只有一个传统通信
用户和一个设备间通信对的场景
联合频带复用模式选择和功率控制最大化上述两条链路的吞吐量
但是并
没有考虑设备间通信用户的服务质量需求
文献
考虑了多信道的场景
通过信道分配优化用户公平性
即
最大化最差用户的性能
但同样忽略了用户的服务质量需求
在上述相同场景下
文献
通过信道分配优化
了整体吞吐量
但是忽略了联合资源分配对于系统性能的提升效果
文献
考虑了与文献
相同的优化目
标
但加入了功率控制
保证了所有接入用户的服务质量需求
文献
考虑了蜂窝网络下设备间通信多播
场景
对内容请求用户 进行分组形成多 个 设备间通 信 多 播集群
并由每个集群中的中继对其内成员进行广
播
文献
通过用户之间的 协作形成集群 和 中继节点 来 最小化能耗
但没有考虑到用户的服务质量
文献
提出了一种基于 博弈理论的联合 集群策略和功率 控制的方 案来最 小化传输 时间并 同 时保证 用 户的服务
质量
但忽略了信道分配
基于此
笔者在同时保证设备间通信用户和传统蜂窝用户服务质量需求的前提上
通过联合多播信道分
配和功率控制来最小化移动中继的总能耗
在假设设备间通信用户已经形成集群的前提下
本方案通过两步
实现上述优化首先
分析了单设备间通信多播集群单信道的情况
得到最多能够接 入的请 求用户数 目以及
此时移动中继所需的最小发射功率
之后
考虑设备间通信多播集群和多信道场景
结合上一步得到的信息
将原最小化中继 总能耗问题等价于 图 论中经典 的 分配问 题
继而借助
算法得到 最 优
解
此外
上述机制同样可以拓展到最大化系统容量
即在能耗优化中加入用户公平性
通过仿真
观察了所
提资源分配机制的性能以及系统整体性能与用户公平性之间的折中关系
图 系统场景图
1系统模型和问题
考虑单小区场景
包含以下类用户
蜂 窝 用 户
称 为
内 容
请求用户
称为
以及存储上述服务内容的移动中继
称为
考
虑到上下行负载的不对称性
假设设备间通信链路复用蜂窝网络上行
频谱
为了保证集群复用信道资源的公平性
假设单个 用户仅能复
用单个信道
同时单个信道仅能被单个 用户复用
如图所示
用户已形成了两个集群
和分别是两个集群中的中继
复用
和用户 的 信 道
因 此
对集群的 用 户 和 进行多播时会对基站产生干扰
也会对集群中和产生干扰
集群与之间的干扰情况同上
分别用
和
表示上述类用户
并假设系统中的信道
数目等于 用户的数目
而且每个 用户已经分配了不同信道以及特定的发射功率
笔者仅 仅 关
注 用户的信道分配和功率控制
此外
假设 用户的集群过程已经完成
每个 用户附着在一个
用户上
并记附着在第
个 用户上的 用户集合为
但其是否能够最终接入系统需要通过文中
的资源分配机制进行决策
下面给出一种 用户附着到 用户的过程
所有 用户以相同的发射功率
在小 区 内广 播 信号
小区内的 用户在接收到上述信号后
选择信号最强的 用 户进行
附着
附着在相同中继节点的 用户形 成一个潜在的设备 间通信 多播集群
为了后续分析的方便
使用信
干噪 比
门限值来反映用户服务质量需求
针对第
个集群
第期王元等:
多播场景下面向节能的资源分配机制
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假设其复用了 用户
的信道资源
则如式
所示
集群
中 用户
和 用户
的信干噪比值分别定义为
和
其中
和
分别表示 用户
和集群
中 用户的发射功率值
和
分别表示 用户
和
用户
到基站
的路径增益
和
分别表 示 用 户
和集群
中 用户
的背景噪声
而
和
分别表示 用户
和 用户
到 用户成员
的路径增益
由于每个通信用户都有一定的服务质量需求
把 和 用 户的 信干噪比门 限值分 别 设定为
和
为了最终评 估本算 法的性能
定义
为移动中继的总功率消耗
为系统中接纳的 用户数量
其中
是计算相应集合中元素的数量
{ }
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
其中
是二进制离散的信道分配变量
如 果 用 户
的信道被分配给了集群
中 的 用 户
则
否则
因此
在给定
的情况下
笔者所要解决的优化问题为
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
其中
式
表示单个信道仅能被单个 用户复用和单个 用户仅能复用单个信道
式
表示 用
户的最大发射功率限制
式
是为了保证 用户 和 用户的服务质量需求
2资源分配机制
式
中构造的是一个混合整数非线性优化问题
属于 难题
如果将其中信道分配相关的二元
离散变量
转变为和之间的连续变量
并且引入新变量
可以验证上述
新问题是关 于
和
的凸优化问题
继而可以借助障碍法进行求解
但是
上述处理过程存在以下两方面
不足
首先
式
中可能出现限制集为空集的情况
即并不是所有 用户和 用户的服务质量需求能够
同时得到满足
其次
将二元离散变量 连续化处理之后 得到的 新 问题虽 然较原 问 题具有更 优 的目标 值
但其
取得最优值时所对应的自变量
可能为连续值
不符合约束条件式
因此
笔者提出了一个两步的资
源分配机制来解决上述两方面不足
其 中
第步考虑单集群单信道的场景
得到使最多 用户接入时
用户的最小发射功率
值得注意的是
上述过程虽涉及功率控制
但实际上并没有分配功率
而是用于衡
量各个集群在不同信道上的性能
为之后多集群多 信道场 景的建 模 提供必 要的信息
基于上述最优信息
将
原最小化能耗问题转化为图论中经典的分配问题
继而借助 算法得到最优解
2.1单集群单信道场景下的能耗优化
在单集群单信道场景下
考虑如何在 保 证 接入 用户数目最多的前提下
最小化 用户的发射功
率
不失一般性
考虑第
个集群复用第
个 用户信道的情况
优化模型为
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
其中
表示当集群
复用 用 户
的信道资源
西安电子科技大学学报(
自然科学版)
第卷
http
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时
集群
的可接入的 用户集合
对于集群
中任意 的 用 户
其接入系统所需要的最小发射
功率
而 第
个 用户的最大发射功率
{
}
因此
根据多播的传输特性
问题式
中最优的
是满足
的 用 户 集
合
即
此时的最优发射功率
需 要注 意 的 是
由于约束条件的限制
可能有一部分 用 户 不 能 使 用 集 群 复 用 信 道 资 源
即出现
的情况
此时
将集群的发射功率值设为
可接入 数设为零
2.2联合功率控制和信道分配
节仅仅考虑了单集群单信道的情况
而没有考虑集群 间信道选择 对于整体 性能的 影响
在 节的
基础上
原优化式
可转化为
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
图 二分图模型
原限制条件式
和式
已经包含在了式
中的
最优解
中
因此
这部分仅需要考虑
的优化
即如何实现 用 户与 用户信道之间的匹配
为
了更好地描述式
借助二分图
进行
建模
其中
是顶点集合
可分为两组互不相交的顶
点集合
分别用
和
表示
是边集合
每条边所关
联的两个顶点分别属于
和
表示边所对应的权值集合
如 图 所 示
如果令
表 示 集 合
表示 集合
表示 与 之间的信道复用关系
权值
表示第
个集群复用第
个 用
户信道时的最优功率开销的相反数
即
其中
是式
中最小的功率 开销
则式
等价地
转化为图论中经典的分配问题
继而可以借助 算法得到最优解
此 外
类似地
如果最大化接入系统的 用户数目
即
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
则其同样可以借助二分图进行建模
不同的是
此时权 值
其中
表示式
中接入用户数目
的最大值
因此
式
仍然可以借助 算法得到最优解
此外
最后
笔者所提资源分 配机制总的 算法复杂 度 为
(
)
其中
为 节
对所有 用户复用所有信道情况进行遍历的总复杂度
(
)
是节的复杂度
3仿真结果
考虑单小区场景
将小区分为中心 区 域和边缘 区 域 用户在小区中随机分布
而对于 和 用
户
考虑到文中设备间通信多播主要用于解决传统蜂窝网络覆盖不足的问题
因此将 用户随机分布在边
缘区域
另外
为了保证设备间通信的高效性
将 用户均匀分布在中心与边缘区域的交界处
从而保证设
备间通信对之间的距离小于最大距离约束
但是
笔者所提的资源分配机制同样适用于类用户完全随
机分布的场景
通过 软件对比了种算法笔者提出的算法
即通过 算法求解式
笔者提出的算法
即通过 算法求解式
文献
中的算法
根据节得到的能耗
从低到 高
第期王元等:
多播场景下面向节能的资源分配机制
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依次分配信道随机分配
将信道依次随机地分配给未接入的集群
而不考虑集群复用该信道时的性能
主
要仿真参数设置如表所示
表1仿真参数表
参数 设置值
小区半径
中心与边缘区域的间隔所在的半径为
天线参数 模型 全向型增益基站
移动终端为
功率限制
发 射功 率 文献
中开环部分功率补偿算法
噪声的功率谱密度和噪声系数
基 站
移动终端为
单信道带宽
蜂窝
设备间通信链路路径损耗模型
图显示了总功耗和可接入 用户数 随 数量的变化曲线
从图
可知
随着 的增多
各算
法的功耗都呈下降趋势
从图
看出
当 数量增多时
用户可以选择更佳的
因此可接入的
用户数会增多
影响功耗的有以下两个原因
一是集群中接入的 用户数增加时
的功率消耗会增
大
二是由于 的增多
用户可接入更优
使得它们的信道条件更好
发功率消耗减小
图 中继数量变化时的性能比较 图设备间通信请求用户数量变化时的性能比较
图显示了总功耗和可接入的 数量随 用户数的变化曲线
从图
看到
当 用户的数量逐
渐增 大时
总功耗也逐渐增大
从图
看出
当 用户数增多时
可接入的 用户数也逐渐增大
主要
原因是当 用户数增多时
每个集群中的平均可接入 用户增多
则集群中 与最差 用户的信道
质量变得更差
导致 的功率消耗增大
图显示了总功耗和可接入的 用户数随 用户的最小信干噪比阈值变化的曲线
从图
看出
随着 的最小信干噪比变大
功耗也逐渐减小
从图
看出
随着 用户最小信干噪比值的增大
可
接入的 用户数减少
主要原因是
可接入 用 户数的 减小使 得每个集 群中 的平均接 入 数减少
因
此
集群 和最差 用户之间的信道质量相对较好
使得 的功率消耗减少
图 蜂窝用户信噪比变化时的性能比较 图设备间通信请求用户信噪比变化时的性能
西安电子科技大学学报(
自然科学版)
第卷
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图显示了总功耗和可接入的 用户随 用户最小信干噪比的变化曲线
从图
看到
各算法的
功耗趋势是先增加后减少
从图
看到
曲线呈下降趋势
原因是当 用户最小信干噪比增大时
由于
的发射 功率有 限
使得一部分信道质量差的 无 法接入
因此可接入 数减少
导致功耗变化的因
素有以下两点
一是当 用户最小信干噪比值增大时
的发射功率会变大
二是由于可接入的 用
户的减少
使得 的发射功率减少
因此
当功耗变大时
前者占据主导地位
否则
后者趋于主导
综合图至图
随机算法在接入链路数目方面性能最差
原因在于其没有考虑信道分配与功率控制之
间的关联性
文献
算法则过于注重个体性能而损失了一定的系统性能
此外
系统整体性能与用户公平性
之间具有一定的折中关系
笔者提出的算法得到最小能耗
但相比于笔者提出的算法牺牲了一定的接入
链路数目
4结 束 语
针对设备间通信多播协助的内容分发场景
笔者提出了 一种联合 多播信 道 分配和 功 率控制机 制 来最小
化 的总能耗
并同时保证 和 用户的服务质量
首先从单集群单信道场景出发
得到任意集群分
配到不同信道上时最多可接入 用户数以及此时的功率开销
基于上述结果
将多集群多信道场景中的能
耗优化问题 转化为 用户与 用户信道的匹配问题
其等价于图论中经典的分配问题
继而借助
算法得到最优配对结果
此外
可以在上述模型中加入对于用户公平性的考虑
即最大化可接入的链路数目
在实际中可以按照不同的侧重目标灵活设置
通过仿真
观察了 总能耗与最多可接入 用户数目随系
统参数的变化趋势以及它们之间的折中关系
然而
笔者研究的是单信道只能被单链路复用
单链路只能复
用单信道的情况
所以接下来可研 究的方向是单信 道可被 多链路 复 用
单链路可复用多信道的情况
更好地
提高系统的性能
参考文献:
编辑郭华
第期王元等:
多播场景下面向节能的资源分配机制
