Heterojen Ağda D2D Kaynak Optimizasyon Algoritması Araştırması
Xue Jianbin 1, 2, Liang Yanhui 1
(1. Bilgisayar ve İletişim Okulu, Lanzhou Teknoloji Üniversitesi, Lanzhou 730050, Gansu; 2. Eyalet Anahtar Mobil İletişim Laboratuvarı, Güneydoğu Üniversitesi, Nanjing 210096, Jiangsu)
Hücresel kullanıcılar ve D2D (Aygıttan Aygıta) kullanıcılarından oluşan karma heterojen ağlarda düşük spektrumlu kaynak kullanımı sorununa yönelik olarak, Lagrangian dualitesine dayalı bir kaynak optimizasyon algoritması önerilmiştir. Algoritma ilk olarak D2D kullanıcılarının hücresel kullanıcıların QoS gereksinimlerini sağlarken hücresel kullanıcı bağlantısındaki en hafif kaynak bloğunu yeniden kullanmalarını sağlar ve Lagrangian ikili bir işlev oluşturur.Sürekli yinelemeli hesaplamalar sayesinde, D2D kullanıcı iletimi gerçekleştirilir. Optimal güç dağıtımı. Araştırma sonuçları, bu algoritmanın sistemdeki kaynak bloklarını tam olarak kullanabildiğini ve D2D kullanıcılarının verimini en üst düzeye çıkarabildiğini ve sistem verimini önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir. Ek olarak, D2D kullanıcılarının iletim gücü yineleme sayısı arttıkça kademeli olarak artacak ve yineleme sayısı 21'e ulaştığında bu eğilim sabitlenecektir.
Kaynak tahsisi; QoS; Lagrange ikiliği; yinelemeli optimizasyon; güç tahsisi
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN929.5
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.170281
Çince alıntı biçimi: Xue Jianbin, Liang Yanhui.Heterojen Ağlarda D2D Kaynak Optimizasyon Algoritmaları Araştırması. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (10): 99-102.
İngilizce alıntı biçimi: Xue Jianbin, Liang Yanhui. Heterojen ağda D2D kaynak optimizasyon algoritması üzerine araştırma.Elektronik Tekniği Uygulaması, 2017, 43 (10): 99-102.
0 Önsöz
5G'nin hızla gelişmesiyle, geleneksel hücresel iletişimin spektrum kaynakları, giderek artan yüksek iletişim gereksinimlerini artık karşılayamıyor. Bu nedenle D2D iletişiminin tanıtılması çok önemlidir, kaynak kıtlığı sorununu bir ölçüde hafifletir. D2D iletişimi, baz istasyonlarının bilgi aktarmasını gerektirmeyen kısa mesafeli uçtan uca bir iletişimdir. Hücresel kullanıcıların kablosuz kaynaklarını ortogonal olmayan bir şekilde yeniden kullanır ve bu da sistemin spektrum kullanımını büyük ölçüde geliştirir. Bununla birlikte, D2D kullanıcıları hücresel kullanıcıların kaynaklarını ayrıştırdığında, kaçınılmaz olarak hücresel kullanıcılara ortak kanal paraziti getirecektir. Bu nedenle, iki alt sistem arasındaki paraziti azaltmak ve sistemin verimini en üst düzeye çıkarmak için etkili bir mekanizmanın nasıl bulunacağı, araştırma açısından çok önemlidir. Literatür, ağ performansını önemli ölçüde artıran, ancak maliyeti yüksek olan ve kullanıcılar ile röleler arasındaki parazit etkili bir şekilde kontrol edilmeyen sağlam bir dağıtılmış kaynak tahsis şeması önermektedir. Literatür, çok hücreli senaryolar için uygun olan, ancak ayrıntılı bir güç kontrol şemasını dikkate almayan, coğrafi konuma dayalı bir kaynak tahsis şeması önermektedir. Literatür, kaynakların eşit bir şekilde dağıtılmasını sağlayan ikili ölçüm şeması ve tolerans girişim şeması olmak üzere iki kaynak tahsis şeması önermektedir, ancak sistemin verimi diğer yöntemlere kıyasla önemli ölçüde iyileştirilmemiştir. Literatür, güç dağıtımını sağlamak için dışbükey bir optimizasyon yöntemi kullanan alternatif bir optimizasyon algoritması önermektedir, ancak bu yöntem D2D'ye müdahale sorununu göz ardı etmekte ve tanıtılan D2D kullanıcılarının iletişim kalitesini etkilemektedir.
D2D kullanıcıları ve hücresel kullanıcılar arasındaki paraziti etkili bir şekilde kontrol etmek, sistem verimini artırmak ve radyo kaynağı bloklarından tam olarak yararlanmak için, bu makale kaynak seçimi ve güç tahsisi için ortak bir optimizasyon algoritması önermektedir. Bu algoritma, D2D kullanıcılarının hücresel kullanıcılara yol açtığı ciddi paraziti önler ve aynı zamanda ikincil kullanıcıların tanıtılmasının verimini sağlar.
1 Sistem modeli
Bir hücrede, baz istasyonunun tüm bağlantıların kanal kalitesi durumunu alabildiğini varsayalım. D = {Di | i = 1, 2, ..., M} olarak gösterilen M D2D kullanıcı çifti vardır ve C = {Cj | j = 1, 2, ..., N} olarak belirtilen N hücresel kullanıcı vardır. Hücredeki spektrum kaynaklarından tam olarak yararlanmak için, D2D kullanıcı çiftleri hücresel kullanıcıların yukarı bağlantı kaynaklarını seçici olarak yeniden kullanır, K = {1,2, ..., k}, yeniden kullanılabilir frekans kaynak bloklarını temsil eder. Sistem modeli Şekil 1'de gösterilmektedir.
Formülde gm, D2D iletişim bağlantısının kanal kazancıdır ve gn.m, hücresel kullanıcıdan D2D kullanıcısının alıcı ucuna girişim bağlantısının kanal kazancıdır.
Lagrangian dualitesine dayalı 2 kaynak tahsisi optimizasyon algoritması
Sistem modelinin analizine dayalı olarak, bu makale ilk olarak kaynakları hücresel kullanıcı QoS sağlama öncülü altında D2D kullanıcılarına tahsis eder. İkinci olarak, Lagrangian ikili algoritması, D2D kullanıcılarının en iyi aktarım gücünü elde etmek için D2D kullanıcılarının aktarım gücünü kontrol etmek ve koordine etmek için kullanılır. Bu sadece iletişim kalitesini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda sistem verimini ve spektrum kullanımını iyileştirir.
2.1 Kaynak tahsis algoritması
Ağ yükü şiddetli olduğunda, D2D iletişimi hücresel kullanıcıların kaynaklarını yeniden kullanmayı seçecektir. Terminal geçiş sisteminin ana iletişim yöntemi olarak, hücresel iletişimin iletim hızı garanti edilmelidir. Hücresel kullanıcılar D2D kullanıcıları tarafından çoklandıktan sonra veri aktarım hızı Shannonın formülüyle şu şekilde ifade edilebilir:
K kaynak bloğunun m tarafından yeniden kullanılması için D2D kullanıcısının yerine getirmesi gereken koşullar aşağıdaki gibidir:
Formülde Cmin, hücresel kullanıcının iletim hızı eşiğini temsil eder. D2D kullanıcısı kablosuz kaynak bloğuna erişirse, orijinal hücresel kullanıcı normal iletişim sırasında iletim hızına ulaşamaz, D2D kullanıcısı kaynak bloğunu yeniden kullanmayacaktır.
Denklemden (5) görülebileceği gibi, hücresel kullanıcının iletim hızı eşiğine ulaşıldığı gerekçesiyle, D2D kullanıcısı bir yukarı bağlantı kaynak bloğunu en küçük yükle çoklamayı seçer. Bununla birlikte, kaynakların tahsisi, yalnızca belirli bir aralıkta hücresel bağlantıya D2D iletişim bağlantısının girişimini kontrol etmemeli, aynı zamanda D2D kullanıcısının aktarım kalitesini de sağlamalıdır. D2D kullanıcı SNR'sinin karşıladığı koşullar aşağıdaki gibidir:
Formülde, HedefD, D2D kullanıcılarının sinyal-gürültü oranı eşiğini temsil eder. Bu koşulu karşılayın, sistemin verimi iyileştirilebilir. Bununla birlikte, D2D sinyal-gürültü oranı ne kadar yüksekse, hücresel iletişimde parazit o kadar fazla ve maliyet, enerji tüketimi ve ekipman gereksinimleri o kadar yüksek olur. Bu nedenle, D2D kullanıcı vericisinin gücünü kontrol etmek gerekir.
Denklem (7), heterojen bir ağda, D2D kullanıcılarının iletim gücünün izin verilen maksimum iletim gücü pmax'ı aşmadığını göstermektedir. D2D kullanıcıları yeniden kullanmak için yalnızca bir kaynak bloğu seçebildiğinden, bunlar:
Formülde a, D2D kullanıcısının yalnızca bir kaynak bloğunu yeniden kullanabileceğini belirtir. Bu formül, işbirliğine dayalı iletişim gerçekleştirilirken, öncelikle hücresel kullanıcıların normal iletişim kalitesinin sağlanması gerektiğini göstermektedir. Daha sonra, D2D kullanıcısı tarafından m'nin iletim gücü ayarlanarak, tüm radyo kaynağı blokları üzerindeki verim maksimize edilir.
2.2 Optimum güç tahsisi
Yukarıdaki kaynak tahsis yöntemine dayanarak, D2D kullanıcı verimini hedefleyen bir işlev oluşturulur. Bağımsız değişken olarak D2D kullanıcısının iletim gücü ile doğrusal olmayan bir fonksiyondur. Bu fonksiyonu çözmek için fayda fonksiyonu -Ck olarak değiştirilir, yani maksimizasyon problemi bir minimizasyon problemine dönüştürülür. Bu nedenle formül (10) şu şekilde yazılabilir:
3 Simülasyon ve performans analizi
Önerilen planın performansını ve sistem üzerindeki etkisini doğrulamak için bir dizi simülasyon deneyi gerçekleştirildi. Simülasyon senaryosu, 1 km yarıçaplı bir LTE tek hücrede, D2D kullanıcılarının hücresel kullanıcı yukarı bağlantı kaynaklarını yeniden kullanmasıdır. Ana simülasyon parametre ayarları Tablo 1'de gösterilmektedir. Önerilen kaynak tahsisi (TPRA) yöntemi ile rastgele kaynak tahsisi (RRA) yöntemi ve D2D oranı dikkate alınarak kaynak tahsisi (RCRA) yöntemi karşılaştırılarak, sistemin verimi ve farklı algoritmalar altındaki güç tahsisi esas olarak karşılaştırılır.
Şekil 2, iki algoritma altında sistem veriminin CDF dağılımını karşılaştırmaktadır. RRA veriminin TPRA'dan önemli ölçüde düşük olduğu şekilden görülebilmektedir. RRA algoritması, kaynakları birincil ve ikincil kullanıcılara makul bir şekilde tahsis etmediğinden, birincil ve ikincil kullanıcılar arasındaki girişim etkili bir şekilde kontrol edilmez. TPRA algoritması, verimli girişim koordinasyonu yoluyla sistem performansını iyileştirir.
Şekil 3'ten TPRA algoritması altında D2D'nin iletim gücünün RRA ve RCRA algoritmalarından daha yüksek olduğu ve iterasyon sayısı arttıkça iletim gücünün arttığı görülmektedir. Yineleme sayısı 21 katını aştığında, iletim gücü kademeli olarak dengelenme eğilimindedir ve 0,864 W'a ulaşır. Bu güç değeri, bu makalede verilen maksimum iletim gücünden düşüktür. Çünkü bu algoritma, D2D kullanıcılarının iletim gücünü belirli bir aralıkta yinelemeli olarak ayarlarken, hücresel kullanıcıların normal iletişimini sağlar ve bu da spektrum kullanımını büyük ölçüde artırır.
Şekil 4'ten, D2D logaritması arttığında sistemin veriminin de artacağı görülebilmektedir. Ancak erişim sisteminin farklı D2D logaritmalarına göre, farklı algoritmalar farklı avantajlar ve dezavantajlar gösterir. D2D kullanıcılarının sayısı M14 olduğunda, RCRA algoritmasının sistem verimi diğer algoritmalardan daha yüksektir. M16 olduğunda, bu makalede önerilen TPRA yöntemi hakim olmaya başlar. Tersine, RCRA algoritması yalnızca ikincil kullanıcının aktarım oranını artırır ve birincil kullanıcı ile arasındaki paraziti göz ardı eder. Bu nedenle, sistem tarafından erişilen D2D kullanıcı çifti sayısı fazla olduğunda, TPRA algoritmasının performansı en iyisidir.
4. Sonuç
Bu makale, heterojen ağlarda D2D kaynak tahsisi problemini çözmek için Lagrange dualitesi ve yinelemeli algoritmaları kullanır. Araştırma sonuçları, bu algoritmanın birçok D2D logaritması olan heterojen ağlar için diğer iki algoritmaya göre daha uygun olduğunu göstermektedir. Ve D2D iletim gücünün yinelemeli hesaplaması, sistem kaybını etkili bir şekilde azaltır ve D2D iletişiminin verimini sağlar. Bu, ağır yüklü kaynak bloklarının aşırı yüklenmesi ve hafif yüklü kaynak bloklarının tam olarak kullanılmaması sorununu ortadan kaldırır, böylece sistemin iletişim kalitesi önemli ölçüde iyileştirilmiştir.
Referanslar
ASADI A, WANG Q, MANCUSO V. Hücresel ağlarda Cihazdan Cihaza iletişim üzerine bir anket. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2014, 16 (4): 1801-1819.
DOPPLER K, RINNE M, WIJTING C, ve diğerleri LTE-gelişmiş ağların alt tabakası olarak Cihazdan Cihaza iletişim IEEE Communications Magazine, 2009, 47 (12): 42-49.
Huang Ya.D2D İletişim Sisteminde Mod Seçimi ve Sistem Kapasitesi Araştırması Nanjing: Nanjing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, 2015.
XU S, KWAK K S, RAO R. LTE-A ağlarının altında yatan D2D'de parazite duyarlı kaynak paylaşımı. Gelişen Telekomünikasyon Teknolojileri Üzerine İşlemler, 2015, 26 (12): 1306-1322.
HASAN M, HOSSAIN E, DONG I K. LTE-A hücresel ağların altında yatan röle destekli Cihazdan Cihaza iletişim için kanal belirsizlikleri altında kaynak tahsisi. Kablosuz İletişim Üzerine IEEE İşlemleri, 2014, 13 (4): 2322-2338.
WANG H, XIA K, CHU X. Hücresel ağların altında yatan Cihazdan Cihaza iletişim için konuma dayalı kaynak paylaşımı hakkında. IIEEE/CIC Çin'deki Uluslararası İletişim Konferansı, 2013: 135-140.
XU Y, LIU Y, LI D. Cihazdan cihaza iletişimde parazit azaltma için kaynak yönetimi IET Communications, 2015, 9 (9): 1199-1207.
ZHAO W, WANG S. Hücresel ağların altında yatan Cihazdan Cihaza iletişim için kaynak tahsisi: Alternatif bir optimizasyon yöntemi IEEE Communications Letters, 2015, 19 (8): 1398-1401.
