本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種網(wǎng)絡(luò)虛擬化LTE疊加D2D下基于收益的資源映射方法。

背景技術(shù)：

近年來，網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，其核心思想是將底層物理網(wǎng)絡(luò)資源抽象成虛擬資源，再按照用戶需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配和共享，從而達(dá)到降低成本、提升網(wǎng)絡(luò)資源效率的目的。

另一方面，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的迅速發(fā)展，現(xiàn)有長期演進(jìn)系統(tǒng)(Long Term Evolution，LTE)的網(wǎng)絡(luò)資源效率已難以滿足巨大的無線數(shù)據(jù)需求。針對(duì)該問題，有研究提出了將網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)引入LTE網(wǎng)絡(luò)來提升網(wǎng)絡(luò)資源效率。例如，專利“長期演進(jìn)系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)虛擬化框架和資源塊分配方法”(申請(qǐng)?zhí)枺?01510472472.1)提出將一個(gè)物理LTE蜂窩虛擬成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬化LTE蜂窩，供多個(gè)服務(wù)提供商(Service Provider，SP)共享，并給出了相應(yīng)的虛擬化框架和資源塊分配方法。然而，該方法只研究了單純LTE蜂窩的網(wǎng)絡(luò)虛擬化問題，沒有考慮LTE疊加終端直通通信技術(shù)(Device-to-Device，D2D)的場(chǎng)景。

D2D技術(shù)是指通信網(wǎng)絡(luò)中的近鄰終端之間直接通信的技術(shù)，由于其無需基站等中間設(shè)備的轉(zhuǎn)接，可以大大提升無線頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)容量，因此已被標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP列入新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展框架。由此可見，LTE疊加D2D通信將是未來主要的通信場(chǎng)景之一，具有重要的研究價(jià)值。針對(duì)該場(chǎng)景，文章(“Wireless Resource Virtualization With Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network”IEEE Transactions on Broadcasting，vol.61,2015,pp.734–740)提出了相應(yīng)的解決方案。但是，該方法建立的優(yōu)化模型中，其效用函數(shù)只包括了蜂窩用戶與D2D用戶的和速率，并沒有考慮運(yùn)營商提供網(wǎng)絡(luò)資源所消耗的代價(jià)，因此，其優(yōu)化結(jié)果無法有效提升運(yùn)營商的實(shí)際收益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有虛擬化資源塊映射方法的不足，比如未考慮疊加D2D通信、未在優(yōu)化模型中涉及運(yùn)營商消耗的資源代價(jià)等問題，本發(fā)明提出了一種網(wǎng)絡(luò)虛擬化LTE蜂窩疊加D2D通信下基于運(yùn)營商收益的資源塊映射方法，該方法利用功率帶寬積模型表征運(yùn)營商消耗的網(wǎng)絡(luò)資源代價(jià)，以此來改進(jìn)現(xiàn)有模型，從而有效提高了運(yùn)營商的實(shí)際收益，并且復(fù)雜度較低。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟一、在考慮的下行場(chǎng)景下，利用功率帶寬積模型表征運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)資源代價(jià)，將其與蜂窩用戶和D2D用戶和速率聯(lián)立，構(gòu)建能有效反映運(yùn)營商實(shí)際收益的效用函數(shù)。

步驟二、以最大化該效用函數(shù)為目標(biāo)，通過將接入概率、信干噪比門限等抽象成約束條件，建立虛擬資源塊映射優(yōu)化模型。

步驟三、按照先保護(hù)蜂窩用戶，再疊加D2D用戶的原則，將上述模型分解成兩個(gè)離散優(yōu)化子問題，其中子問題1是解決在不考慮D2D疊加情況下，將資源塊映射到蜂窩用戶的問題，可以定義為

其中表示在不考慮D2D疊加下，SPm的蜂窩用戶c與資源塊l之間的占用關(guān)系，M_SP＝{1,…m,…M}表示SP集合，其中任一SPm服務(wù)兩類用戶集，一類為蜂窩用戶集C_m，另一類為D2D用戶集D_m，系統(tǒng)子載波數(shù)為L，每個(gè)子載波帶寬為B kHz，LTE基站屬于運(yùn)營商，因此任意SPm在向運(yùn)營商租用基站資源時(shí)，需要約定接入概率來維持接入公平性，用P_bs和P_d分別表示基站和D2D用戶的發(fā)射功率，表示蜂窩用戶c和D2D用戶d之間的信道增益，其中通信所占用的資源塊l屬于SPm，表示基站和蜂窩用戶c之間的信道增益，表示同一個(gè)D2D用戶對(duì)中兩個(gè)用戶之間的信道增益。

子問題1通過分支界定法求解，再將最優(yōu)解帶入子問題2。

子問題2可以定義為

其中表示子問題1的最優(yōu)解，表示屬于SPm的蜂窩用戶c和D2D用戶d的聯(lián)系關(guān)系，表示D2D用戶d的信干噪比服務(wù)門限。

通過低信噪比假設(shè)，利用極限近似對(duì)子問題2進(jìn)行化簡和求解，最后將兩個(gè)子問題優(yōu)化結(jié)果合并作為最終映射方案。

在步驟一的實(shí)施方式中，所考慮的下行場(chǎng)景是指，在下行傳輸中，1個(gè)從屬于運(yùn)營商的LTE基站通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，被多個(gè)服務(wù)提供商(SP)共享，而蜂窩用戶和D2D用戶通過向自己所屬的SP請(qǐng)求分配資源塊來獲得無線接入及通信服務(wù)。

其中，每個(gè)SP服務(wù)的蜂窩用戶數(shù)量多于其服務(wù)的D2D用戶數(shù)量。

在步驟一的實(shí)施方式中，所指的運(yùn)營商實(shí)際收益等于收入與代價(jià)的差值，這里的收入是指所有蜂窩用戶與D2D用戶的和速率，代價(jià)是指運(yùn)營商消耗的網(wǎng)絡(luò)資源。其中所涉及的運(yùn)營商消耗的網(wǎng)絡(luò)資源采用功率帶寬積模型來表征，可以表示為

其中C_op表示運(yùn)營商代價(jià)，ρ表示每比特下用戶支付的費(fèi)用與SP m支付租金之比，C_m表示SP m的蜂窩用戶集合，L表示子載波集合，表示SP m的蜂窩用戶c與子載波l之間的連接關(guān)系，P_bs表示LTE基站發(fā)射功率，B表示子載波頻帶寬度。

在步驟三的實(shí)施方式中，所指的低信噪比假設(shè)是指D2D通信的信噪比門限受到嚴(yán)格控制，使其對(duì)蜂窩用戶造成的信噪比損失控制在3dB以內(nèi)。

在步驟三的實(shí)施方式中，所指的極限近似是指

有益效果

1.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用功率帶寬積表征運(yùn)營商提供網(wǎng)絡(luò)資源所消耗的代價(jià)，所建立的效用函數(shù)和優(yōu)化模型能夠完整評(píng)價(jià)運(yùn)營商的收入與消耗折中，其優(yōu)化結(jié)果能有效提高運(yùn)營商的實(shí)際收益。

2.本發(fā)明通過利用LTE蜂窩疊加D2D通信的特征以及低信噪比下的極限近似，將所建立的模型轉(zhuǎn)化為兩個(gè)一般性的離散優(yōu)化子問題，從而大大降低了求解復(fù)雜度。

附圖說明

圖1為網(wǎng)絡(luò)虛擬化LTE蜂窩疊加D2D通信的網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖2為本發(fā)明算法流程圖。

圖3為仿真實(shí)驗(yàn)中本發(fā)明方法與現(xiàn)有未考慮網(wǎng)絡(luò)資源消耗方法的運(yùn)營商收益對(duì)比圖。

圖4為仿真實(shí)驗(yàn)中本發(fā)明方法與現(xiàn)有未考慮網(wǎng)絡(luò)資源消耗方法的運(yùn)營商代價(jià)對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，其具體實(shí)施方式如下：

步驟一、如圖1所示，本發(fā)明考慮M個(gè)SP通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化共享一個(gè)LTE基站的下行傳輸場(chǎng)景，設(shè)M_SP＝{1,…m,…M}表示SP集合，其中任一SPm服務(wù)兩類用戶集，一類為蜂窩用戶集C_m，另一類為D2D用戶集D_m。假設(shè)系統(tǒng)子載波數(shù)為L，每個(gè)子載波帶寬為B kHz。LTE基站屬于運(yùn)營商，因此任意SPm在向運(yùn)營商租用基站資源時(shí)，需要約定接入概率來維持接入公平性。用P_bs和P_d分別表示基站和D2D用戶的發(fā)射功率。表示蜂窩用戶c和D2D用戶d之間的信道增益，其中通信所占用的資源塊l屬于SPm。類似的，表示基站和蜂窩用戶c之間的信道增益，表示同一個(gè)D2D用戶對(duì)中兩個(gè)用戶之間的信道增益。由于D2D通信疊加在LTE蜂窩上，所以假設(shè)D2D用戶在通信時(shí)只能使用被蜂窩用戶占用的資源塊。這樣，運(yùn)營商服務(wù)蜂窩用戶得到的收入可以表示為

其中表示屬于SP m的蜂窩用戶c與資源塊l的占用關(guān)系，當(dāng)資源塊l被蜂窩用戶c占用時(shí)，否則表示屬于SPm的蜂窩用戶c和D2D用戶d的聯(lián)系關(guān)系，當(dāng)D2D用戶d使用被蜂窩用戶c占用的資源塊時(shí)，否則，

運(yùn)營商服務(wù)D2D用戶得到的收入可以表示為

本發(fā)明采用功率帶寬積模型表征運(yùn)營商出租基站資源所付出的代價(jià)，可以表示為

其中ρ表示每比特下用戶支付的費(fèi)用與SP m支付租金之比。

這樣，運(yùn)營商的實(shí)際收益可以用收入與代價(jià)之差來表征，構(gòu)建如下效用函數(shù)：

U_op＝I_c+I_d-O_c (4)

步驟二、以最大化效用函數(shù)U_op為目標(biāo)，建立如下優(yōu)化模型:

約束(6)和(7)保證是二進(jìn)制整數(shù)變量，約束(8)保證對(duì)于任意SPm，其占用的資源塊不小于門限值，以保證接入概率。約束(9)表示任意一個(gè)資源塊只能被一個(gè)蜂窩用戶占用。約束(10)表示是二進(jìn)制整數(shù)變量。約束(11)保證被某個(gè)蜂窩用戶占用的資源塊最多只能被分配給一個(gè)D2D用戶對(duì)。約束(12)表示最多只有一組D2D用戶對(duì)可以使用已被蜂窩用戶占用的資源塊。約束(13)表示對(duì)于任意蜂窩用戶，其信干噪比需要超過服務(wù)門限約束(14)表示D2D用戶d的信干噪比需要超過其服務(wù)門限

步驟三、為了降低求解復(fù)雜度，按照先保證服務(wù)蜂窩用戶、再疊加D2D用戶的原則，可以將步驟二建立的模型拆分成子問題1和2，其中子問題1在不考慮D2D通信疊加的情況下，對(duì)資源塊進(jìn)行分配，然后將分配結(jié)果帶入子問題2，通過求解子問題2將D2D用戶映射到資源塊上。

子問題1表示為

其中表示在不考慮D2D疊加下，SPm的蜂窩用戶c與資源塊l之間的占用關(guān)系。由于子問題1只包含一個(gè)二進(jìn)制變量因此復(fù)雜度大大降低，采用分支界定法對(duì)其求解得到最優(yōu)值然后將其帶入子問題2，

為了進(jìn)一步降低求解復(fù)雜度，考慮如下極限近似：

由于D2D通信的特點(diǎn)是其不能干擾蜂窩用戶正常通信，因此假設(shè)其信噪比在0db附近，可以利用(15)對(duì)子問題2的目標(biāo)函數(shù)化簡為

這樣，子問題2的復(fù)雜度大大降低，通過分支界定法對(duì)其求解得到然后將作為虛擬資源映射方案輸出執(zhí)行。整個(gè)算法流程如圖2所示。

下面結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明的效果做進(jìn)一步說明。

1.實(shí)驗(yàn)條件

為了方便性能比較，采用文獻(xiàn)(“Wireless Resource Virtualization With Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network”IEEE Transactions on Broadcasting，vol.61,2015,pp.734–740)中的資源塊映射方法作為對(duì)比算法。仿真中，假設(shè)有3個(gè)SP共存于一個(gè)正方形區(qū)域，該區(qū)域被屬于運(yùn)營商的一個(gè)LTE基站所覆蓋。子載波個(gè)數(shù)|L|＝50，子載波頻帶寬度為180kHz?；镜陌l(fā)射功率為24dBm，D2D用戶的發(fā)射功率為-5dBm。假設(shè)所有用戶均勻分布在覆蓋區(qū)域，每個(gè)SP服務(wù)30個(gè)蜂窩用戶和3個(gè)D2D用戶對(duì)。接入概率信干噪比門限價(jià)格比例因子ρ＝5。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為本發(fā)明方法與現(xiàn)有未考慮網(wǎng)絡(luò)資源消耗方法的運(yùn)營商收益對(duì)比圖，其中橫坐標(biāo)為平均信道衰落因子，縱坐標(biāo)為運(yùn)營商收益?？梢钥闯?，對(duì)于SP1，SP2和SP3，本發(fā)明方法均優(yōu)于對(duì)比算法，能夠提升運(yùn)營商收益。其中在SP1下，本發(fā)明方法的優(yōu)勢(shì)最明顯，這主要是由于SP1的接入概率最高，運(yùn)營商收入也最高，所以本發(fā)明通過在收入和代價(jià)間進(jìn)行折中來映射資源塊，可以使運(yùn)營商獲得更高的收益。

圖4為本發(fā)明方法與現(xiàn)有基于未考慮網(wǎng)絡(luò)資源消耗方法的運(yùn)營商收益對(duì)比圖，其中橫坐標(biāo)為平均信道衰落因子，縱坐標(biāo)為運(yùn)營商代價(jià)。如圖所示，無論是SP1，SP2，還是SP3，本發(fā)明方法所消耗的網(wǎng)絡(luò)資源代價(jià)均低于對(duì)比方法，這主要是由于，本發(fā)明方法的效用函數(shù)中包含了運(yùn)營商代價(jià)，其優(yōu)化目標(biāo)是運(yùn)營商收益而非簡單的運(yùn)營商收入，因此，不會(huì)為了追求用戶速率最大化而無節(jié)制地消耗網(wǎng)絡(luò)資源。