一种高密度无线网络中信道资源分配方法与流程

本发明涉及无线网络通信领域，具体而言，涉及一种高密度无线网络中信道资源分配方法。

背景技术：

如今，无线通信技术已经渗透到人们生活和工作的方方面面，发挥着越来越重要的作用。随着无线通信技术的飞速发展，无线局域网已广泛应用于住宅、商业和公共服务等领域。因此，如何利用新技术来降低网络负载，提高信道利用率，降低用户终端的功耗成为无线网络面临的主要挑战。最近，d2d通信的概念已经成为5g中频谱效率问题的潜在解决方案。因此，近距离的两个用户可以在不依赖于诸如ap或基站的网络基础设施实体的情况下以简单和快速的方式进行直接通信。特别是在高密度场景下，d2d通信可以通过复用蜂窝用户的资源，极大减轻数据业务对网络的影响，缓解无线资源约束问题，提高系统的频谱效率。

ieee802.11ax是第一个借鉴蜂窝网络采用的正交频分多址接入(orthogonalfrequencydivisionmultipleaccess,ofdma)技术的wi-fi标准。ofdma将wlan中所有带宽的子载波分为若干子信道或ru。其中，20mhz、40mhz、80mhz和160mhz的wi-fi信道分别可划分为9、18、37和74个ru资源。基于此，多个站点可以同时访问不同的ru以实现多用户并行发传输。ieee802.11ax信道接入包括调度访问和随机访问两种机制。在调度访问模式下，ap通过随机访问机制从站点接收到缓冲状态报告(bufferstatusreport,bsr)帧后，通过预先定义的方式将ru集中分配给用户。在调度访问模式中，调度站的数据可以无冲突地传输。然而，由于采用传统的随机访问机制，导致网络中的冲突不可避免。尤其是高密度网络中，大量站点争夺信道会导致更高的冲突，这将显著降低网络性能。

技术实现要素：

基于现有技术存在的问题，本发明受传统蜂窝网络中d2d通信的启发，将d2d概念引入到wi-fi网络中，将会极大提高网络性能。在wi-fi网络中，在某些设备空间位置非常接近并且与ap的通信信号质量较差时，使用d2d通信技术可以提高频谱效率并减少ap上的负载。因此，借鉴和改进适合802.11ax的蜂窝网络模式的d2d通信资源分配算法具有重要意义。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括：

在本发明的第一方面，一种高密度无线网络中信道资源分配方法，包括：

将信道划分为多个子信道即资源单元；并将信道划分为多个阶段，包括上行随机接入阶段以及上行资源分配阶段；并将站点划分为d2d站点和非d2d站点即wi-fi站点；

在上行随机接入阶段，非d2d站点即wi-fi站点采用退避机制随机接入资源单元，并发送bsr帧竞争信道资源；当成功竞争到资源单元的站点数量大于或等于ru数量，或者当上行周期达到时，

进入上行资源分配阶段，ap根据预先建立的d2d链路对信息，将d2d链路对之间的干扰关系建模为干扰图，并生成包含所有d2d链路对的多个最大独立集mis信息，以及wi-fi站点和所有d2d链路对之间的干扰关系矩阵lrsd；ap依次给成功竞争到信道的wi-fi站点分配ru资源，并根据所述最大独立集信息和所述干扰关系矩阵信息为每个ru分配无干扰的d2d链路对。

在本发明的第二方面，本发明还提供了适用于数据传输的一种高密度无线网络中信道资源分配方法，包括：

将信道划分为多个资源单元ru；并将信道划分为多个阶段，包括上行随机接入阶段、上行资源分配阶段以及上行数据传输阶段；

在上行随机接入阶段，非d2d站点采用退避机制随机接入资源单元，并发送bsr帧竞争信道资源；当成功竞争到资源单元的站点数量大于或等于ru数量，或者当上行周期达到时，

进入上行资源分配阶段，ap根据预先建立的d2d链路对信息，将d2d链路对之间的干扰关系抽象为干扰图，并生成包含所有d2d链路对的最大独立集信息mis，以及站点和所有d2d链路对之间的干扰关系矩阵lrsd；ap依次给成功竞争到信道的站点分配ru资源(信道资源)，并根据所述最大独立集信息和所述干扰关系矩阵信息为每个ru分配无干扰的d2d链路对；

在上行数据传输阶段，站点和d2d链路根据tf帧中的资源分配结果，进行无冲突数据传输。

本发明的有益效果：

本发明在上行随机接入阶段通过减少网络中竞争站点数量，即降低网络密度从而减少冲突，此外，通过最大化上行随机接入过程的ru(子信道)吞吐量来调整最优竞争窗口值，以此提高mac效率。在上行资源分配阶段，通过引用最大独立集的概念和特点，极大提高上行资源分配效率，使尽可能多的d2d链路对复用ru(子信道)资源，极大提高了信道资源复用率。在上行数据传输阶段，站点和d2d链路对可在其分配的ru资源上实现无冲突的数据传输，从而提高信道利用率和系统吞吐量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的网络拓扑图示例；

图2是本发明总体结构图；

图3是本发明上行接入机制示例；

图4是本发明实施例在时域上的信道状态说明；

图5是本发明实施例提供的d2d通信对的干扰图建模过程图；

图5(a)是本发明提供的网络拓扑结构图；图5(b)本发明提供的干扰示意图；图5(c)是本发明提供的干扰图；

图6是本发明的资源分配流程图；

图7是本发明的d2d链路对分配ru资源示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提出的一种高密度无线网络中信道资源分配方法，主要包括以下内容：上行随机接入、上行资源分配两个阶段，以及d2d链路对干扰图的建模和生成最大独立集及其更新过程。

图1示出了本发明实施例的网络架构图，无线接入点ap部署在基本服务集bss的几何中心，所有站点(wi-fi站点和d2d链路对即d2d站点)随机分布在ap的覆盖区域。假设在所研究的网络中有m个wi-fi站点和n个d2d链路对，其中am表示通过wi-fi基础设施进行通信的站，m＝1,2，…，m；dn表示满足直接通信链路条件的d2d链路，n＝1,2，…，n。因此，本发明分别用a＝{a1，a2，…，am}和d＝{d1，d2，…，dn}来表示wi-fi站点集合和d2d链路对集合。此外，ieee802.11ax在上行链路传输中采用ofdma技术，将整个信道划分为r个ru(资源单元或子信道)，支持低数据速率的多个用户同时传输。因此，信道资源可以表示为r＝{ru1，ru2，…，rur}，每个ru由特定数量的子载波组成，其中每个ru中至少包含26个子载波。

基于上述网络架构图，本发明设计的主要思想如下：

i)ap根据网络中各站点的信息，为满足链路建立条件的站点建立d2d链路对，并重置d2d链路对的功率以最小化干扰。

ii)将d2d链路对抽象为干扰图。

iii)基于生成的干扰图，进一步生成并更新一系列的最大独立集。

iv)ap可调度属于同一mis的d2d链路对以复用同一ru，在确保较高的资源复用的同时避免了d2d链路对之间的干扰。

可以理解的是，在本发明中，若未明确指代，站点一般指的是wi-fi站点，只有在未选择出d2d站点时，站点指的是所有站点包括wi-fi站点和d2d站点。

在一个实施例中，一种高密度无线网络中信道资源分配方法，包括上行链路随机接入阶段和上行资源分配阶段。

在另一个实施例中，本发明还提供了适用于数据传输的一种高密度无线网络中信道资源分配方法，包括上行随机接入阶段、上行资源分配阶段以及上行数据传输阶段。

图2示出了本发明的总体结构图主要包含三个阶段：上行随机接入阶段、上行资源分配阶段和上行数据传输阶段。

在进行上行随机接入阶段之前，优先将整个信道划分为多个ru；上行随机接入阶段由多个退避阶段组成。为了提高频谱利用率，站点在时域和频域上进行双重退避以参与介质竞争。此外，结合ieee802.11axmac层集中控制特性，本发明实施例通过最大化上行随机接入过程中ru吞吐量来调整最优竞争窗口从而优化mac层效率，即将最大化ru的吞吐量作为目标函数来计算最优的竞争窗口cw*值。

图3给出了上行随机接入的过程站点的退避机制，其详细过程如下：

步骤1：ap在其随机接入触发(triggerframeforrandomaccess，tf-r)帧中公布最优的竞争窗口值cw*值和可用的ru数目r。

步骤2：如果wi-fi站点有数据要发送，其将从[0，cw*]中随机选择一个值作为其ofdma退避计数(ofdmabackoff，obo)。

步骤3：wi-fi站点执行退避阶段，判断该退避阶段中退避计数obo是否大于0，若大于0，则将该退避阶段的退避计数obo减少r；否则执行步骤4；

步骤4：wi-fi站点将从r个可用的ru资源中随机选择一个ru并发送其bsr帧给ap；并将wi-fi站点的obo值将重置为cw*；即wi-fi站点在本轮随机接入阶段将不再参与介质竞争；

步骤5：若ap成功接收到来自wi-fi站点的bsr帧，则记录这些wi-fi站点的信息；当成功竞争到ru的wi-fi站点数目大于或等于ru的数量，ap将发送tf帧通知上行随机接入阶段结束，否则进入下一个退避阶段，执行步骤3。

因此，在上行随机接入阶段，本实施例通过时域和频域的双重退避来接入信道，且基于最大化资源单元(resourceunit，ru)吞吐量为目标函数优化mac效率。本发明提出的退避机制不仅可以通过将网络中的节点卸载到d2d通信模式来减少冲突，还可通过优化每个随机接入阶段的竞争窗口(contentionwindow,cw)值来提高mac效率。

相关文献指出优化上行随机接入阶段周期，可以获得更高的吞吐量，即通过设置最优mac参数可以在上行随机接入阶段实现最大吞吐量。因此，本发明实施例，通过建立最大化ru吞吐量的目标来获取最优cw值，理论模型如下：

设τ为wi-fi站点试图在随机时隙时间，随机选择ru中发送数据包的概率，可以表示为公式(1)。

其中，cw是上行随机接入阶段的争用窗口。cw也表示上行随机接入周期和ap的退避值，r是可用的ru资源数目。ptr表示在随机时隙的随机ru上的传输概率，即在所考虑的ru中至少有一个站点在传输数据的概率，则ptr为：

ptr＝1-(1-τ)ⁿ(2)

pi用于来表示所考虑的ru中没有站点进行数据传输时的概率，即空闲概率，则pi为：

pi＝(1-τ)ⁿ(3)

ps用于表示在随机时隙上选择随机ru来传输数据的成功概率，即在该ru上相同时域上只有一个站点进行数据传输。则成功传输概率ps可通过公式(4)进行计算。

类似地，在随机时隙上的随选择的ru上的碰撞概率pc＝ptr-ps。因此，在每个ru上的吞吐量sru可通过公式(5)进行计算。

其中，e[p]表示传输的数据包的平均长度。ts和tc分别是传输成功和发生冲突的平均时间。ti信道空闲的时间。假设ts等于tc，其表达式如公式(6)。

tc＝ts＝tbsr+2*tsifs(6)

其中，tbsr表示成功发送bsr帧的平均时间。tsifs是短帧间隔时间。因此，将上述公式带入公式(5)中，可将sru重写为：

为了使公式(7)中的ru吞吐量最大化，且由于e[p]是常数，只需最大化公式(8)即可。

对于给定的n，存在一个最优的cw使其最大化ru的吞吐量。为了求cw*，需计算公式(8)关于τ的偏导数，其中τ是cw的函数。公式(9)给出相应的表达式。

其中，k＝tc/ti。利用相关的简化规则，公式(10)近似地导出了关于τ的表达式。

因此，通过将公式(10)的τ值代入公式(1)中，可以得到最优cw值和站点数量的近似关系：

本发明允许多用户并行传输，其中可用ru数目为r。因此，系统吞吐量可由公式(11)导出的cw*进行计算，则s为：

其中，ps'和pi'分别是成功传输概率和空闲概率。站点在频域和时域采用双退避机制，在时域采用传统退避机制，则ps'和pi'分别为：

最后，将上述相关公式带入公式(7)中，并将公式(12)重写，则系统吞吐量表达式如公式(15)所示。

为了便于理解，用图4来进一步说明时域上的三个信道状态，即空闲、成功传输和冲突情况。

在上行资源分配阶段中，为了避免浪费信道利用率，ap可以同时调度下行传输。上行链路资源分配的目标是使资源分配算法简单高效。本发明实施将资源分配模型主要分为三个阶段：d2d干扰图的建模、生成最大独立集和资源分配决策，如图5所示。

子阶段一：d2d干扰图的建模

上行资源分配阶段的第一个子阶段是根据d2d链路对的干扰关系构造干扰图。图5示出了网络中d2d链路对的网络拓扑并建模为相应的干扰图的过程，用g＝<v，e>表示。如图5(a)所示，网络结构由ap为中心，其周围覆盖有多个d2d链路对；分别以d1、d2、…、d12进行表示；集合v中的顶点表示d2d通信链路对，因此由d1、d2、…、d12表示，而边集合e中的元素则表示d2d对之间的干扰关系。干扰关系是通过两条链路接收端的sinr值来定义。图5(b)示出了当d2d1和d2d2使用相同ru进行数据传输时产生干扰的情况。图5(c)给出了将d2d链路对的干扰关系进行建模后的干扰图；其中，s1(发送端1)到r1(接收端1)和s2(发送端2)到r2(接收端2)的通信链路将分别引起从s2到r1和s1到r2的两个干扰链路。如果任一链路的接收端sinr小于sinr门限，则认为这两个通信链路之间存在干扰关系。接收端的瞬时sinr如公式(16)所示。

式中，pd为d2d通信设备的发射功率，β为sinr门限，αn→d为d2d通信链路从发送端到目的端的路径损耗，可用公式(17)表示。

其中，ρ是d2d通信链路对的距离，λ是理想自由空间传输模型中可见光的波长。

此外，一旦d2d链路建立完成，根据d2d通信对的最大干扰距离来调整d2d通信链路的发射功率，以进一步减少d2d链路对之间，以及d2d链路对和sta之间的干扰。

子阶段二：生成最大独立集

鉴于本发明实施的目标是找到d2d链路对的最佳ru复用方案以最大化网络性能。因此，本发明实施借鉴图论中的mis的概念和特点，即相同mis中的任意两个节点之间不存在邻居关系，这意味着同一mis中的节点可以同时传输数据而不受彼此干扰。因此，根据如上所述的d2d干扰图g<v，e>将d2d链路对根据其干扰关系划分为不同的mis。用s＝[s1，s2，s3，…，sk]表示更新的干扰图的k个最大独立集，其中k是可变的，不同的干扰图对应于不同的k。sk存储第k个mis中的d2d链路对的id。此外，用nr(n×n)＝[nri，j]来表示d2d链路对之间的干扰关系，nri,j(i，j∈n)的值表示为：

子阶段三：资源分配

当上行随机接入阶段结束时。ap将根据生成的最大独立集，以及站点与d2d链路对的干扰关系，将ru分配给站点和d2d链路对。类似地，让lrsd＝[lri,j]表示sta和d2d链路对的干扰关系，其中i∈m，j∈n。因此，lri,j可以表示为

本发明实施例的主要贡献是实现高效的ru资源分配，其核心思想是确保竞争到ru的站点能够成功传输数据的同时，调度无干扰的d2d链路对复用非干扰ru资源以实现相同ru资源上的并行传输。因此，基于mis和lrsd信息，不仅可以实现资源复用的目标，还能提高资源分配效率。

图6示出了上行资源分配的流程图，本实施例描述的是ap根据成功竞争到信道资源的站点信息、生成的最大独立集信息，以及站点和d2d链路对之间的干扰关系进行资源分配过程流程，所述方法包括：

步骤1：ap获取竞争到ru资源的wi-fi站点的干扰关系矩阵信息；

步骤2：ap将ru资源依次分配给竞争到信道的wi-fi站点，并初始化ru索引i＝1；

步骤3：将竞争到第i个ru资源的wi-fi站点的干扰关系矩阵与元素最多的最大独立集进行匹配；

步骤4：判断当前的最大独立集中是否有d2d链路与该站点之间不存在干扰，若不存在干扰，则进行步骤5；否则进行步骤6；

步骤5：将第i个ru分配给非干扰的d2d链路，将已经分配到ru的d2d链路从最大独立集中删除，并更新最大独立集；

步骤6：将该wi-fi站点的干扰关系矩阵和剩余的最大独立集中元素最多的最大独立集进行匹配；

步骤7：判断是否将所有的ru分配完成或者所有的最大独立集均为空，若分配完成或者最大独立集为空，则令i＝i+1，返回步骤2，否则结束流程。

其中，本实施例中，属于相同mis的d2d链路对可复用同一ru资源或子信道，但要求这些d2d链路对和占用该ru的wi-fi站点之间不存在干扰。当ap为每个ru都分配d2d链路对或不存在d2d链路对没有分配ru时，上行资源分配阶段结束。

图7示出了在资源分配中的一个实例。在每个资源分配子阶段，ap将基于s_sta(存储成功竞争到ru资源的wi-fi站点)和lrsd信息为每个ru分配可复用的d2d链路对。例如，当i等于1时，ap将信道资源ru1分配给s_sta(i)，假设该wi-fi站点为sta1。因此，ap获取从s(1)获取最大独立集信息以及sta1和d2d链路对之间的干扰关系矩阵，lrsd(sta1)＝[1，1，0，0，1，1，0，1]，其中，lrsd中的元素的数目等于d2d链路对的数目。然后，ap将lrsd(sta1)和s(1)进行匹配，并最后将结果存储在dr(i)中，并更新s。

在一个实施例中，上行数据传输阶段，所进行的操作包括：

在上行链路数据传输阶段，ap发送一个tf帧，接收到该帧的wi-f站点和d2d链路对根据该帧中包含的资源分配信息，在其分配到的ru上进行无冲突的数据传输，当ap成功接收到站点发送的数据后，ap将回复一个多用户块确认(multiuserblockack,简称mba)帧。

还可以包括站点和d2d链路对根据ap发送的tf帧中的信息，在其可用的ru上进行无冲突的数据传输。假设上行数据传输周期长为txop，则这些站点和d2d链路对可以在给定的txop期间传进行数据传输。在接收到来自站点的分组之后，ap将使用多块确认机制来应答站点。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等；此外，本发明的信道资源分配算法不仅局限于分配ru资源也适用于分配子信道资源。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。