CN107493598B - 在异构通信共存网络中基于运动模型的基站功率控制方法 - Google Patents

在异构通信共存网络中基于运动模型的基站功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明在异构通信共存网络中基于运动模型的基站功率控制方法，具体指一种基于运动模型的中继和D2D异构通信共存网络下的基站功率控制方法，涉及无线通信信号处理技术领域。本方法通过步骤a.通信网络场景中的节点，包括一蜂窝用户(CU)，一基站(BS)，一中继(R)，一通过中继(R)和基站(BS)通信的边缘用户(EU)，D2D通信中的用户(D1)和用户(D2)；考虑通信网络场景中边缘用户(EU)和用户(D1)为运动状态，其他节点均为静止状态；b.建立用户(D1)，边缘用户(EU)运动速度和路径损耗相关的运动模型；c.考虑基站(BS)和中继(R)发射功率约束，兼顾用户通信质量实现网络吞吐量的最大化。

Description

在异构通信共存网络中基于运动模型的基站功率控制方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域的信号处理方法，具体是一种基于运动模型的中继和D2D异构通信共存网络下的基站功率控制方法。
背景技术
随着移动设备功能的逐渐强大，先进的无线接入技术和编码调制方式带来的无线资源利用效率的极大提高。与此同时，人们对移动通信及带宽无线接入业务的需求不断增长，无线频谱资源的匮乏越来越严重，但无线频谱资源紧张的问题没有从根本上得到解决。因此，设备到设备(Device-to-Device，D2D)技术便应运而生，在减少功率损耗，减轻基站负载，提高电池寿命等功能的同时也提高了频谱利用效率，为解决频谱资源稀缺性的问题提供了可能。
D2D技术能够使通信设备双方不经过基站的上行和下行链路直接进行通信，使基站能够同时服务于更多的通信设备。这在减轻了基站负担的同时，还提升了蜂窝网络的总的吞吐量。如将用户的运动纳入考虑范围之内的D2D通信，则更贴近实际的通信情况。进一步，双向中继的引入可以增大蜂窝网络的吞吐量，也成为了当今通信领域研究的热点。
目前，中继和功率分配技术已有了一些研究，并基于特定的场景提出了一些干功率分配的方案。经对现有文献检索发现，Yiyang Pei and Ying-Chang Liang：′ResourceAllocation for Device-to-Device Communication Overlsying Two-Way CellularNetworks′。IEEE Wireless Communication and Networking Conference，2013(D2D通信覆盖的双向蜂窝网络通信的资源分配，IEEE无线通信和网络会议)中，研究了，基站和蜂窝用户端的功率分配问题。通过中继端功率分配因子将功率分配优化目标函数转化成二次函数的形式并求最优解，从而增大了D2D网络和蜂窝网络的总速率，但没有考虑到设备与设备之间的距离带来的路径损耗的干扰。
又经检索发现，L.K.SaliyaJayasinghe，PraneethJayasinghe，NandanaRajatheva：′MIMO Physical Layer Network Coding based Underlay Device-to-Device Communication′IEEE 24th International Symposium on Personal，Indoorand Mobile Radio Communications，2013(基于MIMO物理层网络编码的D2D通信，个人、室内和移动无线电通信国际研讨会)中，研究了物理层网络编码的设计，文章通过设计各通信设备端的发送编码矩阵和接受时的均衡器矩阵，最后利用最小均方误差来建立优化函数使网络误码率达到最小。但该公开文献所在的场景没有考虑到用户的运动，整个网络设备均为静态。
从现有技术来看，对基于运动模型的中继和D2D共存网络下的基站功率控制方法的研究仍有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种基于用户运动速度和路径损耗的关系运动模型，利用该运动模型建立关于网络吞吐量的优化问题。在该优化问题中，由基站进行功率控制，继而控制中继的传输功率，最终在保证用户的通信质量的条件下，实现整体网络吞吐量的最大化。
本发明假设整个蜂窝网络中的信道状态信息都是已知的，是完美的信道信息状态；基站的发射功率对其所覆盖区域内的非目标用户会产生干扰。以基站和中继的功率以及用户接收信干噪比为约束条件，建立关于网络吞吐量优化问题的同时考虑了用户的运动速度对路径损耗产生的影响。
本发明基于运动模型的中继和D2D共存网络下的基站功率控制方法，具体步骤如下：
1、考虑通信网络场景中的节点，所述节点：基站BS、中继R和蜂窝用户CU、边缘用户EU和D2D通信中的用户D1和用户D2。
并且该通信场景中只考虑边缘用户EU和用户D1处于运动状态。蜂窝用户CU，基站BS，中继R，用户D2处于静止状态；
2、建立用户D1和边缘用户EU的运动速度和路径损耗相关的运动模型如式：
Figure GDA0002448938690000031
其中i表示网络中处于运动状态的节点，包括边缘用户EU和用户D1。j表示网络中处于静止状态的节点，这些节点包括基站BS、中继R、蜂窝用户CU和用户D2。
Pi j表示节点j接收到的来自处于运动状态的节点i的传输功率，Pi为运动状态的节点i的传输功率。dij表示节点i和j之间的距离。
αlg(|vi|+1)表示考虑边缘用户EU和用户D1的运动速度带来路径损耗的影响，重新定义的路径损耗因子，它随着边缘户用EU和用户D1瞬时运动速度的变化而变化。
对于处于静止状态，不受用户D1或边缘用户EU的运动速度带来的路径损耗影响的节点，建立路径损耗模型如式：
Figure GDA0002448938690000032
Figure GDA0002448938690000033
表示节点j接收到的来自节点j′的传输功率。djj′表示节点j′和j之间的距离，Pj′为节点j′的传输功率，j′和j均是处于静止状态的节点。
3、考虑基站和中继的发射功率约束，兼顾用户的通信质量条件下，网络吞吐量的最大化，具体为优化问题如式：
Figure GDA0002448938690000041
其中RCU、
Figure GDA0002448938690000045
REU分别表示蜂窝用户CU、用户D1、用户D2、边缘用户EU的传输速率。
在该优化问题的约束条件中PBS表示基站的发射功率，Pmin和Pmax表示基站最小和最大的发射功率，λBS表示由基站发射功率控制的中继的传输功率，λ∈(0，1)，
Figure GDA0002448938690000042
和
Figure GDA0002448938690000043
表示中继R最小和最大的传输功率。Ii表示节点i的信干噪比，
Figure GDA0002448938690000044
表示保证节点i通信质量的信干噪比阈值。
根据香农公式，由各节点的信干噪比Ii可以得到式(3)中各节点的传输速率Ri，根据基站BS以及中继R的发射功率的约束条件以及各个节点的信干噪比Ii的约束条件，利用非线性凸优化算法(SVD)，得到网络吞吐量最大化条件下的基站功率PBS。
整个网络通过对基站发射功率的控制，在保证了用户的通信质量条件下，实现网络吞吐量的最大化。
附图说明
图1为本发明在异构通信共存网络中基于运动模型的基站功率控制方法***示意框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述
一种基于运动模型的中继R和D2D通信共存网络下的基站功率控制方法(如附图1所示)，考虑路径损耗，建立和用户的运动速度相关的路径损耗模型。为了保证用户的通信质量的同时网络吞吐量的最大化，以功率和用户接收信干噪比为约束条件，建立优化问题模型。
在整个蜂窝网络中的信道状态信息都是已知的情况下，具体包括以下步骤：
a)考虑通信网络场景中节点，有一个蜂窝用户CU，一个基站BS，一个中继R，一个通过中继R与基站BS通信的边缘用户EU，D2D通信中的用户D1和用户D2。
考虑该通信场景中只有边缘用户EU和用户D1是处于运动状态。蜂窝用户CU，基站BS，中继R，用户D2均处于静止状态；
b)***网络中，考虑干扰的同时，建立用户D1、边缘用户EU运动速度和路径损耗相关的运动模型如式(1)：
Figure GDA0002448938690000051
Pi j表示节点j接收到的来自处于运动状态的节点i的传输功率，Pi为运动状态的节点i的传输功率。dij表示节点i和j之间的距离。α为路径损耗因子，vi表示节点i的瞬时运动速度。
对于处于静止状态，不受用户D1或边缘用户EU的运动速度带来的路径损耗影响的节点，建立路径损耗模型如式：
Figure GDA0002448938690000052
Figure GDA0002448938690000053
表示节点j接收到的来自节点j′的传输功率。djj′表示节点j′和j之间的距离。Pj′为节点j′的传输功率，j′和j均是处于静止状态的节点。
c)一种基于运动模型的中继R和D2D通信共存网络下的基站功率控制，关于网络吞吐量的优化问题。在各用户通信质量得到保证的前提下网络吞吐量的最大化。
关于网络吞吐量的优化问题建立如式：
Figure GDA0002448938690000061
其中RCU、
Figure GDA00024489386900000613
REU分别表示蜂窝用户CU、用户D1、用户D2、边缘用户EU的传输速率，PBS表示基站BS的发射功率，Pmin和Pmax表示基站BS最小和最大的发射功率，
Figure GDA0002448938690000062
和
Figure GDA0002448938690000063
表示中继R最小和最大的传输功率，λBS表示由基站BS发射功率控制的中继R的传输功率，λ∈(0，1)。
Ii表示节点i的信干噪比，
Figure GDA0002448938690000064
表示保证节点i通信质量的信干噪比阈值。
其中，对于处于静止状态的节点基站BS和蜂窝用户CU，蜂窝用户CU的通信速率，根据香农公式，用(2)式建立通信速率模型可以得到如式：
Figure GDA0002448938690000065
Figure GDA0002448938690000066
表示基站端的接收噪声。
在D2D通信中用户D1处于运动状态，则与用户D1有关的通信链路的路径损耗用(1)式建立运动模型。根据香农公式可以得到D2D通信中的用户D1的通信速率
Figure GDA0002448938690000067
如式(5)：
Figure GDA0002448938690000068
其中，
Figure GDA0002448938690000069
表示用户D1端的接收噪声。
D2D通信中处于静止状态的用户D2与以速度
Figure GDA00024489386900000614
运动的用户D1之间的通信链路损耗要用(1)式建立运动模型，根据香农公式，D2D通信中的用户D2的通信速率
Figure GDA00024489386900000610
如式(6)：
Figure GDA00024489386900000611
其中，
Figure GDA00024489386900000612
表示用户D2端的接收噪声。
边缘用户EU处于运动状态，则与用户EU有关的通信链路的路径损耗用(1)式建立运动模型。并且考虑到边缘用户EU和用户D1均处于运动状态，考虑两者运动速度的综合影响
Figure GDA0002448938690000071
因此在计算边缘用户EU的通信速率时，建立路径损耗模型
Figure GDA0002448938690000072
同样根据香农公式得到边缘用户EU的通信速率为式：
Figure GDA0002448938690000073
其中，
Figure GDA0002448938690000074
表示边缘用户EU端的接收噪声。
根据以上式子，不难得出蜂窝用户CU、用户D1、用户D2和边缘用户EU的信干噪比为式：
Figure GDA0002448938690000075
Figure GDA0002448938690000076
Figure GDA0002448938690000077
Figure GDA0002448938690000078
综上所述，本发明通过对基站BS和中继R的功率的约束条件，以及各个用户接收信干噪比的阈值约束条件，整个网络通过对基站发射功率的控制，在保证了用户的通信质量条件下，解决优化问题，实现网络的吞吐量的最大化。

Claims (1)

1.一种在异构通信共存网络中基于运动模型的基站功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.通信网络场景中的节点，有一个蜂窝用户CU，一个基站BS，一个中继R，一个通过中继R和基站BS通信的边缘用户EU，D2D通信中的用户D1和用户D2；
考虑通信网络场景中边缘用户EU和用户D1是运动状态，蜂窝用户CU，基站BS，中继R，用户D2均为静止状态；
b.建立运动用户D1，边缘用户EU运动速度和路径损耗相关的运动模型:
Figure FDA0002490564450000011
Pi j为节点j接收到的来自处于运动状态的节点i的传输功率，Pi为运动状态的节点i的传输功率；dij为节点i和j之间的距离，α为路径损耗因子，vi为节点i的瞬时运动速度；
对于处于静止状态，不受用户D1或边缘用户EU的运动速度带来的路径损耗影响的节点，建立路径损耗模型如式：
Figure FDA0002490564450000012
Figure FDA0002490564450000013
为节点j接收到的来自节点j′的传输功率；djj′为节点j′和j之间的距离，Pj′为节点j′的传输功率，j′和j均是处于静止状态的节点；
c.考虑基站BS和中继R发射功率的约束，兼顾用户通信质量条件下，建立网络吞吐量的最大化优化问题如式(3)：
Figure FDA0002490564450000014
其中RCU、
Figure FDA0002490564450000021
REU分别表示蜂窝用户CU、用户D1、用户D2、边缘用户EU的传输速率，PBS表示基站BS的发射功率，Pmin和Pmax表示基站BS最小和最大的发射功率，
Figure FDA0002490564450000022
和
Figure FDA0002490564450000023
表示中继R最小和最大的传输功率，λPBS表示由基站BS发射功率控制的中继R的传输功率，λ∈(0,1)；Ii表示节点i的信干噪比，
Figure FDA0002490564450000024
表示保证节点i通信质量的信干噪比阈值；
根据香农公式，相应的传输速率模型如下：
Figure FDA0002490564450000025
Figure FDA0002490564450000026
Figure FDA0002490564450000027
Figure FDA0002490564450000028
其中，
Figure FDA0002490564450000029
分别表示基站端、用户D1端、用户D2端、边缘用户EU端的接收噪声；
蜂窝用户CU、用户D1、用户D2和边缘用户EU的信干噪比为式：
Figure FDA00024905644500000210
Figure FDA00024905644500000211
Figure FDA00024905644500000212
Figure FDA00024905644500000213
根据各个节点的信干噪比Ii以及基站BS和中继R的发射功率约束条件，利用非线性凸优化算法SVD，得到网络吞吐量最大化条件下的基站功率PBS，整个网络通过对基站发射功率的控制，在保证用户的通信质量条件下，实现网络吞吐量的最大化。
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