[发明专利]一种基于软件定义无线网络的三维D2D匹配算法

说明书

本发明提出了一种基于软件定义无线网络(SDWN)的三维D2D匹配算法，在软件定义网络和无线网络融合的架构下，通过控制器对全局网络中设备缓存信息的感知，对用户进行集中控制从而实现D2D全双工通信。本发明利用DAC(D2D‑aware caching)缓存策略和全双工D2D的特点，通过建立混合整数规划问题实现全网D2D用户传输速率最大化。算法先针对全双工D2D用户共享CUE用户频谱资源而带来的传输速率下降的问题，应用一种复杂度低、运算速度快的功率控制算法；再基于图论模型，构建了三维匹配算法来进行D2D全双工匹配和复用信道分配，实现一对一匹配。该算法区别于已有的基于价格的三维匹配算法，算法复杂度低，且实现效果略好。

技术领域

本发明属于在软件定义无线网络架构下的联合功率控制的三维D2D匹配算法，涉及SDWN架构、DAC缓存策略以及解决混合整数规划问题，具体表现在功率控制算法和基于超图模型的三维匹配算法。

背景技术

软件定义网络(SDN)是一种基于软件的网络技术，它倡导控制与数据的分离。软件定义网络架构将网络分为应用层、控制层、数据层。应用层通过北向接口向控制层提供开放的编程接口和网络视图，控制层包括控制器和网络操作系统，并通过南向接口控制数据层进行数据处理、转发和收集。控制平面与数据平面的解耦、开放的可编程接口、集中化的控制使软件定义网络技术在简化网络基础设施，提升网络管理效率方面具有独特优势。因此，学术界试图将内容中心网络和软件定义网络这两种网络架构相融合，以期创建既能高效管理，又能满足海量数据流量分发的网络架构。

将软件定义网络的设计思想引入到无线网络中，依据SDN基本特性，控制器利用网络的全局视图，可提取整个网络的全部信息来提高网络资源分配的有效性，然后可通过控制器中的模块运算来实现全网优化。

另一方面，尽管有大量的内容存储在核心网里，但实际上只有很小数量的较为流行的内容能被大部分移动数据用户请求，且这些内容遵循一定的内容流行度分布，大量研究表明其为Zipf分布。因为大部分的数据流量都是由于多次重复下载一些流行的内容，如流行的视频和音乐，因此研究人员将关注放在内容缓存以防止冗余流量产生。缓存一般有两种方式：一是边缘缓存，内容被存储在辅助节点上，比如小区基站，通过减少核心网络的传输来减轻小区的回程消耗；二是设备缓存，即内容存储在用户设备上，通过减少蜂窝传输来降低基站的负载，从而增加了蜂窝小区用户的速率，减少了基站的动态能量消耗。由于缓存的内容是即时提供的，且通过局部设备缓存的D2D通信，用户接受信号的延迟也会更低。

随着移动数据流量的增加，无线同频同时的全双工通信引发关注。相比半双工通信，全双工能潜在的提升一倍的频谱效率，实现更加灵活的频谱使用，同时降低端到端的时延。全双工D2D通信也有助于实现5G系统高频谱效率和高能量的需求。其信道增益、跳数增益、复用增益和双工增益可提高系统总体频谱效率并减少用户的能量消耗，其高效的频谱利用，可显著增加接入用户数，从而减少未来超密集网络中基站的部署密度，降低网络复杂度和成本。

基于同时同频收发的全双工通信可以进一步提升D2D通信的性能，但也给现有的网络带来了更加复杂的用户间干扰和自干扰，而干扰影响接受信号质量，如果不能得到有效控制，会严重损坏网络的总体性能和用户服务体验。因此，D2D资源优化配置和干扰管理机制一直是业界研究的重点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于软件定义无线网络的三维D2D匹配算法，在软件定义网络和无线网络融合的架构下，基于DAC设备缓存，对用户进行集中控制从而实现D2D全双工通信，本发明算法复杂度低，且实现效果好。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：