网络虚拟化LTE叠加D2D下基于收益的资源映射方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及网络虚拟化技术领域，尤其涉及一种网络虚拟化LTE叠加D2D下基于收益的资源映射方法。

背景技术：

近年来，网络虚拟化技术受到工业界和学术界的广泛关注，其核心思想是将底层物理网络资源抽象成虚拟资源，再按照用户需求进行动态分配和共享，从而达到降低成本、提升网络资源效率的目的。

另一方面，随着移动互联网和智能终端的迅速发展，现有长期演进系统(Long Term Evolution，LTE)的网络资源效率已难以满足巨大的无线数据需求。针对该问题，有研究提出了将网络虚拟化技术引入LTE网络来提升网络资源效率。例如，专利“长期演进系统中的网络虚拟化框架和资源块分配方法”(申请号：201510472472.1)提出将一个物理LTE蜂窝虚拟成多个网络虚拟化LTE蜂窝，供多个服务提供商(Service Provider，SP)共享，并给出了相应的虚拟化框架和资源块分配方法。然而，该方法只研究了单纯LTE蜂窝的网络虚拟化问题，没有考虑LTE叠加终端直通通信技术(Device-to-Device，D2D)的场景。

D2D技术是指通信网络中的近邻终端之间直接通信的技术，由于其无需基站等中间设备的转接，可以大大提升无线频谱效率和网络容量，因此已被标准化组织3GPP列入新一代移动通信系统的发展框架。由此可见，LTE叠加D2D通信将是未来主要的通信场景之一，具有重要的研究价值。针对该场景，文章(“Wireless Resource Virtualization With Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network”IEEE Transactions on Broadcasting，vol.61,2015,pp.734–740)提出了相应的解决方案。但是，该方法建立的优化模型中，其效用函数只包括了蜂窝用户与D2D用户的和速率，并没有考虑运营商提供网络资源所消耗的代价，因此，其优化结果无法有效提升运营商的实际收益。

技术实现要素：

针对现有虚拟化资源块映射方法的不足，比如未考虑叠加D2D通信、未在优化模型中涉及运营商消耗的资源代价等问题，本发明提出了一种网络虚拟化LTE蜂窝叠加D2D通信下基于运营商收益的资源块映射方法，该方法利用功率带宽积模型表征运营商消耗的网络资源代价，以此来改进现有模型，从而有效提高了运营商的实际收益，并且复杂度较低。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、在考虑的下行场景下，利用功率带宽积模型表征运营商网络资源代价，将其与蜂窝用户和D2D用户和速率联立，构建能有效反映运营商实际收益的效用函数。

步骤二、以最大化该效用函数为目标，通过将接入概率、信干噪比门限等抽象成约束条件，建立虚拟资源块映射优化模型。

步骤三、按照先保护蜂窝用户，再叠加D2D用户的原则，将上述模型分解成两个离散优化子问题，其中子问题1是解决在不考虑D2D叠加情况下，将资源块映射到蜂窝用户的问题，可以定义为

其中表示在不考虑D2D叠加下，SPm的蜂窝用户c与资源块l之间的占用关系，M_SP＝{1,…m,…M}表示SP集合，其中任一SPm服务两类用户集，一类为蜂窝用户集C_m，另一类为D2D用户集D_m，系统子载波数为L，每个子载波带宽为B kHz，LTE基站属于运营商，因此任意SPm在向运营商租用基站资源时，需要约定接入概率来维持接入公平性，用P_bs和P_d分别表示基站和D2D用户的发射功率，表示蜂窝用户c和D2D用户d之间的信道增益，其中通信所占用的资源块l属于SPm，表示基站和蜂窝用户c之间的信道增益，表示同一个D2D用户对中两个用户之间的信道增益。

子问题1通过分支界定法求解，再将最优解带入子问题2。

子问题2可以定义为

其中表示子问题1的最优解，表示属于SPm的蜂窝用户c和D2D用户d的联系关系，表示D2D用户d的信干噪比服务门限。

通过低信噪比假设，利用极限近似对子问题2进行化简和求解，最后将两个子问题优化结果合并作为最终映射方案。

在步骤一的实施方式中，所考虑的下行场景是指，在下行传输中，1个从属于运营商的LTE基站通过网络虚拟化技术，被多个服务提供商(SP)共享，而蜂窝用户和D2D用户通过向自己所属的SP请求分配资源块来获得无线接入及通信服务。

其中，每个SP服务的蜂窝用户数量多于其服务的D2D用户数量。

在步骤一的实施方式中，所指的运营商实际收益等于收入与代价的差值，这里的收入是指所有蜂窝用户与D2D用户的和速率，代价是指运营商消耗的网络资源。其中所涉及的运营商消耗的网络资源采用功率带宽积模型来表征，可以表示为

其中C_op表示运营商代价，ρ表示每比特下用户支付的费用与SP m支付租金之比，C_m表示SP m的蜂窝用户集合，L表示子载波集合，表示SP m的蜂窝用户c与子载波l之间的连接关系，P_bs表示LTE基站发射功率，B表示子载波频带宽度。

在步骤三的实施方式中，所指的低信噪比假设是指D2D通信的信噪比门限受到严格控制，使其对蜂窝用户造成的信噪比损失控制在3dB以内。

在步骤三的实施方式中，所指的极限近似是指

有益效果

1.与现有技术相比，本发明采用功率带宽积表征运营商提供网络资源所消耗的代价，所建立的效用函数和优化模型能够完整评价运营商的收入与消耗折中，其优化结果能有效提高运营商的实际收益。

2.本发明通过利用LTE蜂窝叠加D2D通信的特征以及低信噪比下的极限近似，将所建立的模型转化为两个一般性的离散优化子问题，从而大大降低了求解复杂度。

附图说明

图1为网络虚拟化LTE蜂窝叠加D2D通信的网络示意图。

图2为本发明算法流程图。

图3为仿真实验中本发明方法与现有未考虑网络资源消耗方法的运营商收益对比图。

图4为仿真实验中本发明方法与现有未考虑网络资源消耗方法的运营商代价对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，其具体实施方式如下：

步骤一、如图1所示，本发明考虑M个SP通过网络虚拟化共享一个LTE基站的下行传输场景，设M_SP＝{1,…m,…M}表示SP集合，其中任一SPm服务两类用户集，一类为蜂窝用户集C_m，另一类为D2D用户集D_m。假设系统子载波数为L，每个子载波带宽为B kHz。LTE基站属于运营商，因此任意SPm在向运营商租用基站资源时，需要约定接入概率来维持接入公平性。用P_bs和P_d分别表示基站和D2D用户的发射功率。表示蜂窝用户c和D2D用户d之间的信道增益，其中通信所占用的资源块l属于SPm。类似的，表示基站和蜂窝用户c之间的信道增益，表示同一个D2D用户对中两个用户之间的信道增益。由于D2D通信叠加在LTE蜂窝上，所以假设D2D用户在通信时只能使用被蜂窝用户占用的资源块。这样，运营商服务蜂窝用户得到的收入可以表示为

其中表示属于SP m的蜂窝用户c与资源块l的占用关系，当资源块l被蜂窝用户c占用时，否则表示属于SPm的蜂窝用户c和D2D用户d的联系关系，当D2D用户d使用被蜂窝用户c占用的资源块时，否则，

运营商服务D2D用户得到的收入可以表示为

本发明采用功率带宽积模型表征运营商出租基站资源所付出的代价，可以表示为

其中ρ表示每比特下用户支付的费用与SP m支付租金之比。

这样，运营商的实际收益可以用收入与代价之差来表征，构建如下效用函数：

U_op＝I_c+I_d-O_c (4)

步骤二、以最大化效用函数U_op为目标，建立如下优化模型:

约束(6)和(7)保证是二进制整数变量，约束(8)保证对于任意SPm，其占用的资源块不小于门限值，以保证接入概率。约束(9)表示任意一个资源块只能被一个蜂窝用户占用。约束(10)表示是二进制整数变量。约束(11)保证被某个蜂窝用户占用的资源块最多只能被分配给一个D2D用户对。约束(12)表示最多只有一组D2D用户对可以使用已被蜂窝用户占用的资源块。约束(13)表示对于任意蜂窝用户，其信干噪比需要超过服务门限约束(14)表示D2D用户d的信干噪比需要超过其服务门限

步骤三、为了降低求解复杂度，按照先保证服务蜂窝用户、再叠加D2D用户的原则，可以将步骤二建立的模型拆分成子问题1和2，其中子问题1在不考虑D2D通信叠加的情况下，对资源块进行分配，然后将分配结果带入子问题2，通过求解子问题2将D2D用户映射到资源块上。

子问题1表示为

其中表示在不考虑D2D叠加下，SPm的蜂窝用户c与资源块l之间的占用关系。由于子问题1只包含一个二进制变量因此复杂度大大降低，采用分支界定法对其求解得到最优值然后将其带入子问题2，

为了进一步降低求解复杂度，考虑如下极限近似：

由于D2D通信的特点是其不能干扰蜂窝用户正常通信，因此假设其信噪比在0db附近，可以利用(15)对子问题2的目标函数化简为

这样，子问题2的复杂度大大降低，通过分支界定法对其求解得到然后将作为虚拟资源映射方案输出执行。整个算法流程如图2所示。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

1.实验条件

为了方便性能比较，采用文献(“Wireless Resource Virtualization With Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network”IEEE Transactions on Broadcasting，vol.61,2015,pp.734–740)中的资源块映射方法作为对比算法。仿真中，假设有3个SP共存于一个正方形区域，该区域被属于运营商的一个LTE基站所覆盖。子载波个数|L|＝50，子载波频带宽度为180kHz。基站的发射功率为24dBm，D2D用户的发射功率为-5dBm。假设所有用户均匀分布在覆盖区域，每个SP服务30个蜂窝用户和3个D2D用户对。接入概率信干噪比门限价格比例因子ρ＝5。

2.实验结果分析

图3为本发明方法与现有未考虑网络资源消耗方法的运营商收益对比图，其中横坐标为平均信道衰落因子，纵坐标为运营商收益。可以看出，对于SP1，SP2和SP3，本发明方法均优于对比算法，能够提升运营商收益。其中在SP1下，本发明方法的优势最明显，这主要是由于SP1的接入概率最高，运营商收入也最高，所以本发明通过在收入和代价间进行折中来映射资源块，可以使运营商获得更高的收益。

图4为本发明方法与现有基于未考虑网络资源消耗方法的运营商收益对比图，其中横坐标为平均信道衰落因子，纵坐标为运营商代价。如图所示，无论是SP1，SP2，还是SP3，本发明方法所消耗的网络资源代价均低于对比方法，这主要是由于，本发明方法的效用函数中包含了运营商代价，其优化目标是运营商收益而非简单的运营商收入，因此，不会为了追求用户速率最大化而无节制地消耗网络资源。