基于排队理论的D2D蜂窝异构网络的性能分析方法

摘要

本发明公开一种基于排队理论的D2D蜂窝异构网络的性能分析方法，属于移动通信技术领域。针对D2D用户复用蜂窝用户上行信道的场景，考虑D2D的传输性能受蜂窝用户与D2D接收端的距离的影响，结合考虑有限动态业务到达模型，本发明提出了一种基于排队理论的蜂窝异构网络中的D2D通信性能的分析方法，对D2D接收端的干扰区域进行划分，由蜂窝用户落入干扰区域的概率进行统计分析，通过M/G/1排队模型对D2D用户的数据状态进行描述，利用嵌入式马尔可夫链分析D2D用户缓冲区中等待发送的数据数量的转移概率，进而由稳态分布推导获得平均队长、平均吞吐量、平均延时和丢包率的表达式。最后通过系统仿真，能够理论分析计算的正确性，证明了建立的分析模型的合理性。

主权项

一种基于排队理论的D2D蜂窝异构网络的性能分析方法，其特征在于，包括：步骤一：建立系统模型；在单小区场景下，N个蜂窝用户占用N个正交信道，记其集合为共有M个D2D用户对，集合为D＝{1,2,...,M}，蜂窝用户和D2D用户在小区内都服从均匀分布，假设N＞M，一对D2D用户只复用一个蜂窝用户的上行信道，D2D用户随机选择复用的信道，任意D2D接收端只受到与其共享信道的蜂窝用户的干扰,只考虑大尺度衰落，路径损耗模型可表示为P(d)＝P·d^‑α，其中P表示发射功率，P(d)表示在离发射端d处测量的接收功率，α是路损因子,当参考距离设定为宏蜂窝的近地参考距离，不考虑发射频率，天线高度，传输环境等因素对路径损耗的影响时，接收功率P(d)与距离成正比。可以得到D2D接收端SINR为：其中P_c是蜂窝用户的发射功率，P_d是D2D发射端的发射功率，N₀是噪声功率，r_d表示D2D接收端与发射端间的链路距离，r_c,d表示蜂窝用户到与之共享行道的D2D接收端的距离，α是路损因子，D2D接收端受到的干扰信号功率表示为P_c,d|r_c,d|；步骤二：建立排队模型；一个D2D发送端对应一个队列，D2D发送端都配置了一个数据缓冲区，容量为L_max，到达D2D发射端的数据寄存在缓冲区等待传输，当队列长度达到L_max时，后续进入的数据包就被丢弃，发送端的数据到达服从均值为λ的泊松分布，传输时隙间隔为ΔT，假设在每个时隙内SINR不变，即在ΔT时间内传输速率不变，则每个时隙到达缓冲区的数据包的个数λΔT，队列的服务速率就是发送速率，与其瞬时SINR有关，令事件为在时隙t_n新到达的数据包且只能在t_n+1开始时发出，在ΔT的时间区间内，事件发生的次数服从参数为λΔT＞0的泊松分布：其中a为t_n时隙到达的数据包个数，在时隙t_n，当D2D的缓冲区中数据包的比特数小 于传输能力时，缓冲区中的数据包能够全部发送，新到达的数据包排在队尾等待t_n+1时刻开始发送，否则，当D2D的缓冲区中数据多于一个时隙能够传输比特数时，发送后剩余的比特数加上新到的比特数成为t_n+1时隙开始时的瞬时队长，瞬时队长的表达式可写为：式中，表示在时隙t_n开始时的队长，表示时隙t_n由AMC确定的传输速率，以Kbs为单位，表示在t_n时隙的持续时间发送的数据包数，数据包的长度定为B bits，是小于·的最大整数；步骤三：推导稳态概率；在M/G/1排队系统中，采用嵌入式马尔可夫链来分析D2D节点缓冲区中等待传输的数据包状态，对任意n≥0，用X_n表示队列中的数据包数，其状态空间为L∈{0,1,...,L_max}，缓冲区的容量为L_max，该嵌入马尔可夫链有L_max+1个状态，D2D节点队长的状态转移图如图3所示，其中p_ij为状态转移概率，D2D链路的队列长度从时隙t_n的i状态转移到t_n+1的j状态的转移概率可以表示为：初始状态下，队列中数据包的个数可以为0,1,2,…L_max，由于假设发送速率不再是随机变量，而是受SINR影响的由AMC确定的三种速率，从时隙t_n到时隙t_n+1的ΔT持续时间内，在三种发送速率下队长状态从i转移到j的状态转移概率p_ij可以表示为：步骤四：系统性能分析；根据上述过程求出系统的稳态概率矩阵π后，D2D链路的平均队长表示为各状态的队长l与该状态稳态概率的乘积之和：D2D链路的平均吞吐量表示为：其中表示以γ_k发送数据包时的吞吐量；平均延时是数据包在发送前在队列中的等待时间，由little定理可以得到：其中是队列中的平均数据包个数，是数据包进入排队系统的有效到达率；定义为D2D链路在Q(t_n)＝l时丢失的数据包数，因为其中b表示在t_n时隙丢掉的数据包个数，平均丢包率可以写成其中：