基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的5G 通信頻段自適應(yīng)選擇方法

倪旭明，郭瑜

（國(guó)網(wǎng)金華供電公司，浙江金華 321001）

D2D 是5G 中一種非常重要的通信技術(shù)，在5G通信頻段中D2D 包含3 種通信模式：專用模式、蜂窩模式和復(fù)用模式[1-2]。

在專用模式下，為了更好地進(jìn)行自適應(yīng)選擇，D2D 設(shè)備通過專用通道進(jìn)行通信；在蜂窩模式下，D2D 用戶與5G 用戶共用同一網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行通信；在復(fù)用模式下，D2D 用戶通過5G 用戶使用的上行鏈路與外界進(jìn)行通信。在5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶與D2D 用戶相比，具有更高的優(yōu)先級(jí)，在復(fù)用或?qū)Ｓ媚Ｊ较?，一個(gè)5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶僅需要一個(gè)專用的上行鏈路即可進(jìn)行通信。

在之前的研究中，相關(guān)技術(shù)人員都關(guān)注全緩沖流量模型與通信模式，忽視了對(duì)5G 通信頻段自適應(yīng)選擇的研究，導(dǎo)致5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶不能在5G 通信頻段中選擇專用的通信信道進(jìn)行通信，降低了資源的利用效率，在不同模式下產(chǎn)生的信噪比具有不穩(wěn)定性，且頻譜利用率低[3]。

基于以上出現(xiàn)的問題，提出了基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的5G 通信頻段自適應(yīng)選擇方法。

1 5G通信頻段發(fā)送功率優(yōu)化

為了保持通信，需要從傳統(tǒng)基站轉(zhuǎn)入方式更改為D2D 通信方式來進(jìn)行通信，5G 用戶根據(jù)通信頻段的通信狀態(tài)優(yōu)化發(fā)送功率，假設(shè)第m個(gè)5G 用戶在第n個(gè)資源塊上的信噪比的計(jì)算公式為：

式中，Gm,n與Pm,n分別代表干擾路徑增益和信號(hào)路徑增益，其中包括有效信道增益、干擾信道增益、天線增益，可以在專用模式下進(jìn)行同步，或者通過路由查找獲得，σ2代表高斯白噪聲功率。

在基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的5G 通信頻段自適應(yīng)選擇方法中，5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶向網(wǎng)絡(luò)控制中心上報(bào)干擾路徑增益與信號(hào)路徑增益，網(wǎng)絡(luò)控制中心根據(jù)5G用戶上報(bào)的內(nèi)容將增益干擾考慮到資源塊的分配利用上，然而在專用模式、蜂窩模式以及復(fù)用模式下，缺少重要的中心控制節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)通信頻段自適應(yīng)選擇方法無法應(yīng)用在D2D 特殊的應(yīng)用場(chǎng)景中，致使B不能快速適應(yīng)路徑干擾和增益干擾，因此可使用模糊邏輯對(duì)通信頻段的發(fā)送功率進(jìn)行優(yōu)化[4-5]。

在模糊邏輯理論中，5G 通信頻段的發(fā)送功率是一個(gè)語言變量，其形成的語言值可分為低、中、高3個(gè)等級(jí)，可由模糊控制器中的控制經(jīng)驗(yàn)來表示。模糊控制器主要包括3 部分：將估計(jì)值轉(zhuǎn)換為觀察變量的模糊器、推理規(guī)則庫、根據(jù)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生模糊變量的解模糊器，其他種類的控制器包含時(shí)間延遲補(bǔ)償，模糊器負(fù)責(zé)聯(lián)系觀察值和測(cè)量值，每一個(gè)測(cè)量值產(chǎn)生的結(jié)果需要被變換成相應(yīng)的模糊規(guī)則，以提升模糊器的預(yù)測(cè)能力[6-8]。規(guī)則庫負(fù)責(zé)指示由控制器下發(fā)的控制行動(dòng)，在處理完規(guī)則后，模糊器將通過控制器下發(fā)的控制行動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)新的控制命令。該文為了優(yōu)化5G 通信頻段的發(fā)送功率采用了模糊邏輯推理，模糊推理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 模糊推理結(jié)構(gòu)

圖1 中推理規(guī)則庫包括資源塊分配功率變化、資源塊功率效率變化、模糊器、推理引擎、解模糊器和代價(jià)系數(shù)C。其中，前兩個(gè)為輸入變量，兩個(gè)變量具有降低、不變、增加3 個(gè)等級(jí)，同樣，輸出變量也被分成3 個(gè)不同的等級(jí)，在該文提出的基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的5G 通信頻段自適應(yīng)選擇方法中，推理規(guī)則庫包含的控制規(guī)則如表1 所示。

表1 推理規(guī)則庫

通過模糊邏輯推理系統(tǒng)獲得5G 通信頻段發(fā)送功率以及數(shù)據(jù)傳輸速率，使用集中式注水算法得到最優(yōu)的系數(shù)，進(jìn)而得到5G 用戶在當(dāng)前通信模式下的最佳發(fā)送功率[9-12]。

2 5G通信頻段自適應(yīng)選擇

在模糊邏輯推理系統(tǒng)中，假設(shè)5G 用戶使用上行鏈路進(jìn)行通信，由網(wǎng)絡(luò)基站負(fù)責(zé)分配和控制D2D 用戶與5G 用戶資源，選擇D2D 用戶的通信模式，發(fā)送節(jié)點(diǎn)i至網(wǎng)絡(luò)接收端，在這一過程中會(huì)受到節(jié)點(diǎn)j的干擾，因此，采用增強(qiáng)學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的突發(fā)流量模型可表示為：

其中，hi,j為節(jié)點(diǎn)i的傳輸功率，Pi為加性高斯白噪聲。為了減小端到端的時(shí)延，需要提升通信頻段的傳輸速率，并降低發(fā)送功率中的通信時(shí)延，在時(shí)間為Tj時(shí)，5G 用戶n中的上行鏈路通信信道狀態(tài)為Xk,n，當(dāng)通信信道為空，即Xk,n=0 時(shí)，選擇D2D 用戶的通信頻段，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站在計(jì)算D2D 用戶k的第n個(gè)端到端延遲時(shí)，通信模式選擇復(fù)用模式或者蜂窩模式，此時(shí)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站選擇Xk,n模式對(duì)端到端的延遲進(jìn)行優(yōu)化，Xk,n可表示為：

其中，Tj為在j的通信頻段下5G 用戶n的端到端的延遲。當(dāng)專用通信頻段被D2D 用戶j占用選擇通信頻段時(shí)，在蜂窩模式下5G 用戶n將受到來自D2D 用戶j的干擾，因此當(dāng)前5G 用戶n在端到端的延遲比較高。為了減小5G 用戶n的端到端延遲，需要增加D2D 用戶j的端到端的延遲，即D2D 用戶j受到5G 用戶n干擾所增加的延時(shí)，假設(shè)此時(shí)處于k模式的情況，當(dāng)前5G 用戶n增加的端到端的延時(shí)可以表示為γn。在這樣的情況下，D2D 用戶j可以使用專用模式進(jìn)行通信，此時(shí)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站會(huì)得到5G用戶n端到端的時(shí)延，同時(shí)也減少了D2D 用戶j的端到端的時(shí)延，這時(shí)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站可以對(duì)5G 用戶n模式進(jìn)行自適應(yīng)選擇[13-14]。5G 通信頻段自適應(yīng)選擇的流程如圖2 所示。

圖2 5G通信頻段自適應(yīng)選擇的流程

在復(fù)用模式下，當(dāng)上行鏈路通道為空時(shí)，5G 用戶n可以直接采用上行鏈路進(jìn)行通信，假設(shè)在復(fù)用模式下，5G 用戶n在進(jìn)行通信時(shí)沒有受到來自D2D用戶的干擾，此時(shí)在復(fù)用模式下，端到端的時(shí)延由通信持續(xù)時(shí)間和通信頻段被占用時(shí)間共同決定，通信持續(xù)時(shí)間可由qn來表示，通信頻段被占用時(shí)間由ΔTwait來表示，可得出：

在專用模式下，5G 用戶n的端到端的時(shí)延只由通信頻段被占用時(shí)間來決定，因?yàn)榉涓C模式下，通信頻段被占用的時(shí)間與通信持續(xù)時(shí)間相同，在蜂窩模式下，上行鏈路與專用通信頻段占用的時(shí)間可以通過γt得到，隊(duì)列的延時(shí)ζT可根據(jù)通信頻段的擁塞狀態(tài)而得到。在上行鏈路信道中，包的傳輸方式有兩種，一種是包已經(jīng)傳輸?shù)搅岁?duì)列中，另一種是包處于傳輸中，即將到達(dá)目標(biāo)路徑[15-16]。當(dāng)采用第二種傳輸方式進(jìn)行通信時(shí)，為了減少等待的時(shí)間，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站需要在時(shí)間節(jié)點(diǎn)m-1 處進(jìn)行傳輸，設(shè)定5G 用戶n在時(shí)間節(jié)點(diǎn)m處的傳輸鏈路為ΔTwait，D2D 用戶j在時(shí)間節(jié)點(diǎn)m處的傳輸鏈路為TSk,B，則5G 用戶n在上行鏈路中的資源函數(shù)可表示為：

3 實(shí)驗(yàn)研究

該文基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)，提出了5G 通信頻段自適應(yīng)選擇方法，為了驗(yàn)證該文方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

在其他通信頻段選擇方法中，不同模式下的信噪比具有一定的不穩(wěn)定性，該文對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，在不同模式下產(chǎn)生的信噪比與5G 用戶間距離有關(guān)，為了減少和控制5G 用戶和D2D 用戶間產(chǎn)生的干擾，需要選擇距離最短的5G 用戶進(jìn)行復(fù)用，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

復(fù)用模式下每?jī)蓚€(gè)5G 用戶通過多次實(shí)驗(yàn)得到的平均信噪比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 平均信噪比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶采用復(fù)用模式與蜂窩模式進(jìn)行通信時(shí)，信噪比不同。在蜂窩模式下，當(dāng)5G 通信頻段的發(fā)送功率比較穩(wěn)定時(shí)，影響信噪比大小的主要因素是5G 用戶與D2D 用戶之間的距離，5G 用戶與D2D 用戶間的距離保持在5～20 m，信噪比波動(dòng)范圍較小，基本保持不變，比較穩(wěn)定，而且在復(fù)用模式下只需要一個(gè)通信頻段資源，與其他模式相比，通信頻段資源被少部分利用。系統(tǒng)的專用模式和蜂窩模式吞吐量對(duì)比如圖4 所示。

圖4 專用模式和蜂窩模式吞吐量對(duì)比

圖4 給出了專用模式和蜂窩模式下的吞吐量對(duì)比，這是兩個(gè)5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶多次模擬操作得到的。由圖可知，專用模式與蜂窩模式相比吞吐量更大，并且復(fù)用蜂窩模式的吞吐量比傳統(tǒng)蜂窩通信的吞吐量高，這是因?yàn)?G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶采用專用模式，5G 用戶和D2D 用戶間產(chǎn)生了高斯白噪聲，直接影響了吞吐量，這種情況在圖中基本可以省略不計(jì)，因此，專用模式下的吞吐量與復(fù)用蜂窩模式相比更優(yōu)。除此之外，在專用模式下進(jìn)行通信，蜂窩用戶不需要占用額外的通信頻段資源，直接提升了通信頻段的利用率。

由以上針對(duì)吞吐量的實(shí)驗(yàn)可知，D2D 專用和復(fù)用模式下的吞吐量均比傳統(tǒng)蜂窩模式好，傳統(tǒng)蜂窩模式下的吞吐量較低，這是因?yàn)橥掏铝渴艿搅?G 用戶與D2D 用戶間距離的影響，需要占用部分信道資源，而專用蜂窩模式不需要分配通信頻段資源，提高了資源的利用效率，通過吞吐量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該文給出了兩種5G 通信頻段的選擇策略，根據(jù)頻譜資源、通信頻段資源以及5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶間的距離，選擇D2D 下最優(yōu)的模式進(jìn)行通信，并使吞吐量實(shí)現(xiàn)最大化。

由前兩種通信模式可知，產(chǎn)生的吞吐量均比傳統(tǒng)蜂窩模式高，當(dāng)采用復(fù)用模式時(shí)，可能產(chǎn)生高斯白噪聲，與專用模式相比，復(fù)用模式吞吐量更大，專用模式的吞吐量與復(fù)用模式的吞吐量相差無幾，在頻譜資源和通信頻段資源有限的條件下，專用模式具有很高的利用率，可以節(jié)省有限資源，屬于最優(yōu)的通信模式[17]。

4 結(jié)束語

該文提出的基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的5G 通信頻段自適應(yīng)選擇方法優(yōu)于其他方法，專用蜂窩模式下產(chǎn)生的吞吐量更高，提高了資源的利用效率，具有一定的有效性。