CN109788540B - D2d***中基于能量采集的功率控制和信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G D2D***中基于能量采集的功率控制和信道分配方法，该方法首先根据D2D用户之间的信道增益比值构建干扰权重图，依据干扰权重图将D2D用户分簇使得同一簇内D2D用户的共信道干扰最小；然后将同一簇内的D2D用户建模为非合作博弈，通过构建拉格朗日函数和利用KKT条件推导出D2D用户发送功率和采集时间的最优表达式，通过联合迭代优化的方法为D2D用户分配最优发送功率和采集时间；最后根据每个D2D簇分别复用每个蜂窝用户信道资源时的容量，利用KM算法以最大化D2D用户总容量为目标为D2D簇分配信道。本发明同时考虑共信道干扰和采集能量的限制，能量分配更加优化合理，为蜂窝用户分配功率时考虑蜂窝用户的最小信干噪比要求，有效降低了功率消耗。

Description

D2D***中基于能量采集的功率控制和信道分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用在第五代移动通信网络的D2D***中的基于能量采集的功率控制和信道分配方法。

背景技术

随着智能移动终端设备数量地增多，更多的用户需要接入无线通信网络，然而频谱资源是有限的，如何利用有限的频谱资源使得更多的用户可以进行无线通信成为急需解决的问题。考虑用户之间进行信息共享的业务越来越多，地理位置较近的用户之间产生的数据流量显著增多，D2D通信在第五代移动通信网络中作为关键技术之一被提出，通过解决近距离用户的通信在很大程度上缓解了频谱资源短缺问题。

D2D通信允许两个物理距离较近的用户终端之间建立直接通信链路而不需要经过基站或其他核心网络，复用蜂窝网络的授权频段进行点到点通信。由于共享频谱资源，D2D通信允许更多的用户终端接入到网络中，可以有效提高频谱利用率；相比于传统蜂窝通信，D2D通信不需要经过基站或者其他核心网络，可以减小端到端的传输延迟、提高数据传输速率和减轻基站或其他核心网络的工作负荷；近距离通信时，路径损耗较小，终端设备的发送功率也较小，可降低用户的能量损耗。考虑D2D用户的发送功率较小，可以将D2D通信与能量采集技术相结合，基于能量采集的D2D通信设备可从周围环境射频信号中采集能量，解决设备能量供给的问题。

但是，由于D2D通信与传统蜂窝通信使用相同频谱资源，D2D用户与蜂窝用户存在层间干扰，如果某一蜂窝用户的频谱资源被多对D2D用户复用，则D2D用户对之间也存在层内干扰。因此，在蜂窝用户和D2D用户共存的混合网络中干扰管理成为一个很重要的问题。另外，由于环境的不确定性，能量采集也成为资源分配中的重要考虑因素。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用在5GD2D***中的基于能量采集的功率控制和信道分配方法，通过优化D2D用户的发送功率和能量采集时间以及蜂窝用户的发送功率、为D2D用户分配合理的信道资源，提高D2D用户的总容量。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种5G D2D***中的基于能量采集的功率控制和信道分配方法，具体包括以下步骤：

1)用C＝{1,2,...,i,...,M}、D＝{1,2,...,j,...,N}和DR＝{1,2,...,k,...,K}分别表示蜂窝用户集、D2D用户集和复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户集，其中M表示***中蜂窝用户数，N表示***中D2D用户对数，K表示复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户对数；

2)根据D2D用户间的信道增益计算D2D用户间的干扰权重及每个D2D用户的干扰权重和，以最小化D2D用户间的共信道干扰为目标利用启发式动态分簇方法将N个D2D用户分为M个D2D簇，用DC＝{1,2,...,m,...M}表示D2D簇集；

3)初始化

t_j,i＝2，其中

为D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的最大簇容量，

为D2D簇m内D2D用户j(1≤j≤K)的发送功率，变量

θ_j,i表示D2D发送端的能量采集时间；

4)计算D2D用户的发送功率和信息传输时间变量；

5)求出D2D簇m复用蜂窝用户i信道资源时簇内K个D2D用户的

t_j,i值，代入公式

计算更新

的值；

6)重复步骤4和步骤5直至收敛条件成立，得到D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时D2D用户j的最优发送功率

和最优信息传输时间变量

7)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时蜂窝用户i的最优发送功率和D2D用户j的最优能量采集时间；

8)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量

9)重复步骤3至步骤8求出M个D2D簇分别复用M个蜂窝用户信道资源时的簇容量，比较得到M×M个簇容量中的最大值，将其与簇容量

的差值作为D2D簇m与蜂窝用户i的权重，将M个D2D簇与M个蜂窝用户之间的权重值代入KM算法后得到D2D簇与蜂窝用户信道资源之间的信道复用因子矩阵Y；

10)根据矩阵Y中信道复用因子的值和M个D2D簇分别复用M个蜂窝用户信道资源时的簇容量值计算D2D用户的总容量。

进一步地，所述步骤4中D2D用户的发送功率和信息传输时间变量的计算公式分别为

和

其中A＝h_ijrth_ch_jB/h_iB，B＝h_ijrth_cN₀h_iB+N₀，C＝h_ijrth_ch_kB/h_iB+h_kj，D＝ξP_BSh_Bj，

式中h_j为D2D发送端j与D2D接收端j的信道增益，h_ij为复用同一信道的蜂窝用户i与D2D接收端j间的信道增益，rth_c表示蜂窝用户的SINR阈值，h_kB为D2D发送端k与基站间的信道增益，h_iB为蜂窝用户i与基站间的信道增益，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度，h_kj为复用同一信道的D2D发送端k与D2D接收端j间的信道增益，ξ∈(0,1)表示D2D发送端的能量采集效率，P_BS表示基站的发射功率，h_Bj表示基站与第j个D2D发送端之间的信道增益，T表示能量采集与信息传输的总时间周期。

进一步地，所述步骤6中收敛条件为：

其中ε为允许误差，ε是一个数值很小的常量，且取值为ε＝10^-3。

进一步地，所述步骤7中根据公式

和

分别计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时蜂窝用户i的最优发送功率和D2D用户j的最优能量采集时间。

进一步地，所述步骤8中D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量

的计算公式为：

本发明首先构建了基于能量采集D2D通信的***模型，多个D2D用户可复用相同蜂窝用户的信道资源，基站采用无线能量传输的方式为D2D发送端供电；然后针对***中蜂窝用户与D2D用户、D2D用户间的同信道干扰和能量采集的时间分配问题，构建最大化D2D用户总容量的优化问题，采用功率控制和信道分配分步进行的处理方法，该方法首先根据D2D用户之间的信道增益比值构建干扰权重图，依据干扰权重图将D2D用户分簇使得同一簇内D2D用户的共信道干扰最小；然后将同一簇内的D2D用户建模为非合作博弈，通过构建拉格朗日函数和利用KKT条件推导出D2D用户发送功率和采集时间的最优表达式，通过联合迭代优化的方法为D2D用户分配最优发送功率和能量采集时间；最后根据每个D2D簇分别复用每个蜂窝用户信道资源时的容量，利用KM算法以最大化D2D用户总容量为目标为D2D簇分配信道。

本发明在保证蜂窝用户服务质量和发送功率受限的条件下构建了最大化D2D用户总容量的优化问题。首先利用启发式动态分簇方法为D2D用户分簇，位于同一簇内的D2D用户可以共享同一信道，然后采用拉格朗日乘子法并利用KKT条件求得D2D用户发送功率的最优表达式，进而得到D2D发送端的最优能量采集时间，最后利用KM算法完成D2D簇与蜂窝用户信道资源的最优匹配使D2D用户总容量最大。

本发明在基于能量采集的D2D***中联合优化用户的功率分配和信道分配。在功率分配过程中，保证蜂窝用户的最小信干噪比要求，加入采集能量对发送功率的限制，运用拉格朗日乘子法和KKT条件推导出最优的功率分配方案，在信道分配过程中，首先以最小化共信道干扰为原则为D2D用户分簇，然后利用KM算法完成D2D簇与蜂窝用户信道资源的最佳匹配，最大化D2D用户总容量。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、在D2D用户功率分配过程中，同时考虑共信道干扰和采集能量的限制，以最大化D2D用户的总容量为目标来获得D2D用户的最优发送功率，进而确定其能量采集时间，与等时间分配方法相比，能量分配更加优化合理，可以获得更大容量。

2、为蜂窝用户分配功率时考虑蜂窝用户的最小信干噪比要求，根据复用蜂窝用户信道资源的D2D用户的发送功率动态地调整蜂窝用户的最小发送功率，与等功率分配方法相比可以避免能量浪费，有效降低功率消耗。

3、在信道分配过程中考虑最小化每个D2D簇中的共信道干扰为D2D用户分簇，以每个D2D簇分别复用每个蜂窝用户信道资源时的簇容量作为权重，利用KM算法完成D2D簇与蜂窝用户信道资源的最佳匹配，实现最大的D2D总容量。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为基于能量采集的D2D***模型示意图；

图3为随着D2D对间距离增大时D2D用户总容量变化图；

图4为随着D2D用户数目增大时D2D用户总容量变化图；

图5为随着蜂窝用户信干噪比阈值增大时D2D用户总容量变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明

如图2所示为本实施例中基于能量采集的D2D***模型，它由一个位于小区中心的基站，随机分布于小区的M个蜂窝用户和N个D2D用户对组成，并分别用C＝{1,2,...,i,...,M}和D＝{1,2,...,j,...,N}表示蜂窝用户集和D2D用户集，每对D2D用户包括一个D2D发送端和一个D2D接收端，每个蜂窝用户占用一个正交子信道与基站进行传统蜂窝通信，每个D2D用户复用一个蜂窝用户的上行链路资源进行通信，一个蜂窝用户的上行链路资源可以被多个D2D用户复用。

参照图1，假设K个D2D用户复用蜂窝用户i的信道资源，用DR＝{1,2,...,k,...,K}表示复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户集。则蜂窝用户i的信干噪比为：

D2D接收端j的信干噪比为：

其中，

和

分别为蜂窝用户i和D2D发送端j的发送功率，h_iB为蜂窝用户i与基站间的信道增益，h_kB为D2D发送端k与基站间的信道增益，h_j为D2D发送端j与D2D接收端j的信道增益，h_ij为复用同一信道的蜂窝用户i与D2D接收端j间的信道增益，h_kj为复用同一信道的D2D发送端k与D2D接收端j间的信道增益，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度。

D2D发送端所需的能量由基站采用无线的方式进行供给，在时间周期T内D2D用户完成能量采集和信息传输，在时间周期的前θT内D2D发送端采集基站广播的能量，后(1-θ)T时间周期进行D2D通信。则D2D用户j的容量为：

D2D发送端j采集到的能量为：

E_j＝ξθ_jTP_BSh_Bj (4)

其中，ξ∈(0,1)表示D2D发送端的能量采集效率，P_BS表示基站的发射功率，h_Bj表示基站与第j个D2D发送端之间的信道增益。

本实施例以最大化所研究的基于能量采集的D2D***中的D2D用户总容量，优化问题可以表示为：

Subject to：

0＜θ_j,i＜1 (7)

其中，rth_c表示蜂窝用户的信干噪比阈值，

和

分别表示蜂窝用户和D2D用户的最大发送功率，x_ji表示D2D用户的信道复用因子，当x_ji＝1时表示D2D用户j复用蜂窝用户i的信道资源，当x_ji＝0时表示D2D用户j没有复用蜂窝用户i的信道资源。式(6)保证了蜂窝用户的最小信干噪比要求，式(7)保证了D2D用户进行能量采集和信息传输，式(8)保证了D2D用户在信息传输时间所消耗的能量不超过能量采集时间所采集到的能量，式(9)保证了蜂窝用户和D2D用户的发送功率小于***预设的最大功率，式(10)保证了一个D2D用户最多复用一个蜂窝用户的信道资源。

根据D2D用户间的信道增益比计算D2D用户间的干扰权重及每个D2D用户的干扰权重和，以最小化D2D用户间的共信道干扰为目标利用启发式动态分簇方法将N个D2D用户分为M个D2D簇，用DC＝{1,2,...,m,...M}表示D2D簇集，M个D2D簇复用M个蜂窝用户的信道资源，每个D2D簇复用一个信道资源，每个蜂窝用户的信道资源被一个D2D簇复用，原优化问题中D2D用户的信道分配问题可转变为D2D簇的信道分配问题，用y_mi表示D2D簇的信道复用因子，y_mi＝1表示D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源，y_mi＝0表示D2D簇m没有复用蜂窝用户i的信道资源。优化问题(15)中的目标函数可变化为求单个D2D簇的最大簇容量，当D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源，即y_mi＝1，D2D簇m内有K个D2D用户，则D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量为：

分析式(11)可知D2D簇的容量关于

是递减的，在满足蜂窝用户最小信干噪比的前提下取

的最小值时D2D簇的容量关于

是最优的。由式(6)可得P_i ^c的下界为：

D2D用户的发送功率与D2D发送端在能量采集时间所采集到的能量有关，由式(8)可知

是关于θ_j,i的函数，定义信息传输时间变量：

D2D用户的容量表达式转化为：

的分子和分母都是关于能量采集时间θ_j,i的函数，用

表示第m个D2D簇复用蜂窝用户i的信道资源时的最大容量，即：

当下式成立时可求得D2D簇m的最大簇容量：

将式(12)和式(13)代入式(15)，最大化D2D簇容量的优化问题可以表示为：

Subject to:

t_j,i≥1 (17)

其中，A＝h_ijrth_ch_jB/h_iB，B＝h_ijrth_cN₀h_iB+N₀，C＝h_ijrth_ch_kB/h_iB+h_kj，D＝ξP_BSh_Bj。优化问题(16)关于约束条件(18)的拉格朗日函数为：

其中λ为拉格朗日乘子。将复用相同信道资源的D2D用户建模为非合作博弈，对D2D用户j来说，在求解过程中，可以将其他D2D用户对它的干扰视为噪声，对式(20)分别求关于

和t_j,i的二阶导，得：

其中，

式(23)和式(24)恒小于0，

是关于

和t_j，i的凸函数，

的解是优化问题(16)的最优解。根据KKT条件，可以得到D2D用户发送功率和信息传输时间变量的最优表达式为：

其中，

根据式(23)、(24)求出D2D簇m复用蜂窝用户i信道资源时簇内K个D2D用户的

t_j,i值，代入式(14)计算更新

的值，直到式(15)成立，得到D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时D2D用户的最优发送功率

和最优信息时间传输变量

根据式(12)和式(13)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时蜂窝用户i的最优发送功率和D2D用户的最优能量采集时间；根据式(11)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量。求得M个D2D簇分别复用M个蜂窝用户信道资源时的簇容量，利用KM算法完成D2D簇与蜂窝用户信道资源之间的最佳匹配得到信道复用因子矩阵Y，根据信道复用因子y_mi的值计算D2D用户总容量。

综上所述，本实施例考虑蜂窝用户的最小信干噪比要求和采集能量对发送功率的限制，以最大化D2D用户总容量为优化目标，对蜂窝用户和D2D用户的发送功率进行最优分配，并为D2D用户分配合理的信道。

图3是随着D2D对间距离增大时D2D用户总容量变化图，从图3中可以看出随着D2D对间距离的增加D2D用户的总容量在减小，这是因为随着D2D对间距离的增大，D2D对间链路的信道增益减小，导致D2D用户的总容量降低；另外从图3中也可以看出本实施例应用的方法与等时间分配方法相比可以获得更好的***性能。

图4是随着D2D用户数目增大时D2D用户总容量变化图，从图4中可以看出随着D2D对数的增多D2D用户的总容量在增大，这是因为随着D2D对数的增多，更多的D2D用户可以复用蜂窝用户的信道资源进行通信，使D2D用户的总容量增加。

图5是随着蜂窝用户信干噪比阈值增大时D2D用户总容量变化图，从图5中可以看出随着蜂窝用户信干噪比阈值的增大D2D用户的总容量减小，这是因为当蜂窝用户的信干噪比阈值增大时，D2D用户须降低发送功率减小对蜂窝用户产生的干扰以满足蜂窝用户更高的服务质量要求，导致D2D用户总容量减小。

Claims (2)

1.D2D***中基于能量采集的功率控制和信道分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)用C＝{1,2,...,i,...,M}、D＝{1,2,...,j,...,N}和DR＝{1,2,...,k,...,K}分别表示蜂窝用户集、D2D用户集和复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户集，其中M表示***中蜂窝用户数，N表示***中D2D用户对数，K表示复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户对数；

2)根据D2D用户间的信道增益计算D2D用户间的干扰权重及每个D2D用户的干扰权重和，以最小化D2D用户间的共信道干扰为目标利用启发式动态分簇方法将N个D2D用户分为M个D2D簇，用DC＝{1,2,...,m,...M}表示D2D簇集；

3)初始化

t_j,i＝2，其中

为D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的最大簇容量，

为D2D簇m内D2D用户j(1≤j≤K)的发送功率，变量

θ_j,i表示D2D发送端的能量采集时间；

4)计算D2D用户的发送功率和信息传输时间变量；

5)求出D2D簇m复用蜂窝用户i信道资源时簇内K个D2D用户的

t_j,i值，代入公式

计算更新

的值；

6)重复步骤4和步骤5直至收敛条件成立，得到D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时D2D用户j的最优发送功率

和最优信息传输时间变量

7)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时蜂窝用户i的最优发送功率和D2D用户j的最优能量采集时间；

8)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量

9)重复步骤3至步骤8求出M个D2D簇分别复用M个蜂窝用户信道资源时的簇容量，比较得到M×M个簇容量中的最大值，将其与簇容量

的差值作为D2D簇m与蜂窝用户i的权重，将M个D2D簇与M个蜂窝用户之间的权重值代入KM算法后得到D2D簇与蜂窝用户信道资源之间的信道复用因子矩阵Y；

10)根据矩阵Y中信道复用因子的值和M个D2D簇分别复用M个蜂窝用户信道资源时的簇容量值计算D2D用户的总容量；

所述步骤4中D2D用户的发送功率和信息传输时间变量的计算公式分别为

和

其中A＝h_ijrth_ch_jB/h_iB，B＝h_ijrth_cN₀h_iB+N₀，C＝h_ijrth_ch_kB/h_iB+h_kj，D＝ξP_BSh_Bj，

式中h_j为D2D发送端j与D2D接收端j的信道增益，h_ij为复用同一信道的蜂窝用户i与D2D接收端j间的信道增益，rth_c表示蜂窝用户的SINR阈值，h_kB为D2D发送端k与基站间的信道增益，h_iB为蜂窝用户i与基站间的信道增益，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度，h_kj为复用同一信道的D2D发送端k与D2D接收端j间的信道增益，ξ∈(0,1)表示D2D发送端的能量采集效率，P_BS表示基站的发射功率，h_Bj表示基站与第j个D2D发送端之间的信道增益，T表示能量采集与信息传输的总时间周期；

所述步骤6中收敛条件为：

其中ε为允许误差；

所述步骤7中根据公式

和

分别计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时蜂窝用户i的最优发送功率和D2D用户j的最优能量采集时间；

所述步骤8中D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量

的计算公式为：

2.根据权利要求1所述的D2D***中基于能量采集的功率控制和信道分配方法，其特征在于：所述步骤6中ε是一常量，且取值为ε＝10^-3。

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