[發明專利]一種D2D通信中基于能效優化的分布式功率控制方法

有效

• 申請號: 201310680692.4
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103716869A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 吳遠;彭宏;朱瓊華;錢麗萍
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: H04W52/04
• 分類號: H04W52/04
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種D2D通信中基于能效優化的分布式功率控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步驟：

（1）在D2D通信中，通過D2D用戶和蜂窩用戶的發送功率控制，從而實現D2D用戶能量效率最大化的目標，該優化問題描述為如下所示的非凸性優化問題：

P1:η*d=max1qdlog2(1+qdgdpdgcd+n0)]]>

s.t.log2(1+qdgdpcgcd+n0)≥Rdreq]]>

log2(1+pcgcqdgdc+n0)≥Rcreq]]>

0≤pc≤Pcmax]]>

0≤qd≤Pdmax]]>

在問題P1中，各個參數定義如下：

p_c：D2D用戶DU?d接入CU?c時蜂窩用戶的發送功率；

q_d：D2D用戶DU?d接入CU?c時D2D用戶的發送功率；

g_c：蜂窩用戶CU?c與基站之間的信道增益；

g_d：DU?d的發射機和接收機之間的信道增益；

g_cd：蜂窩用戶CU?c對DU?d的干擾信道增益；

g_dc：D2D用戶DU?d對CU?c的干擾信道增益；

蜂窩用戶CU?c的傳輸速率要求；

D2D用戶DU?d的傳輸速率要求；

蜂窩用戶CU?c的最大發送功率；

D2D用戶DU?d的最大發送功率；

n₀：背景噪聲功率；

η_d：D2D用戶DU?d的能量效率，“*”表示參數在優化問題中的最優值；

（2）用公式將p_c用q_d代替，同時，引入新變量P和將問題P1等效轉化為一個D2D用戶DU?d的發送功率控制優化問題；

P2:η*d=maxqd1qdlog2(1+gdgcqdn0(gc+αcgcd)+αcgdcgcdqd)]]>

s.t.P-≤qd≤P‾]]>

其中，P‾=n0βd(αcgcd+gc)gcgd-αcβdgcdgdc,P‾=min{1gdc(Pcmaxgcαc-n0),Pdmax},]]>αc=2Rcreq-1,βd=2Rdreq-1]]>

利用函數R~(qd)=log2(1+gdgcqdn0(gc+αcgcd)+αcgdcgcdqd),]]>優化問題P2等效轉換為如下優化問題P3：

P3:maxγ,qdγ]]>

s.t.γ>0,P‾<qd<P‾]]>

F(qd,γ)=R~(qd)-γqd≥0]]>

在問題P2和P3中，各個參數定義如下：

p_c：D2D用戶DU?d接入CU?c時蜂窩用戶的發送功率；

q_d：D2D用戶DU?d接入CU?c時D2D用戶的發送功率；

g_c：蜂窩用戶CU?c與基站之間的信道增益；

g_d：DU?d的發射機和接收機之間的信道增益；

g_dc：D2D用戶DU?d對CU?c的干擾信道增益；

蜂窩用戶CU?c的傳輸速率要求；

D2D用戶DU?d的傳輸速率要求；

蜂窩用戶CU?c的最大發送功率；

D2D用戶DU?d的最大發送功率；

n₀：背景噪聲功率；

γ：D2D用戶DU?d的能量效率；

（3）求解問題P3，獲得qd*=P‾,pc*=αc(n0+qd*gdc)gc;]]>

（4）針對D2D通信中基于能效優化的發送功率控制問題，采用如下分布式功率控制的算法，過程為：

步驟4.1：設置迭代次數，t＝1；初始化CU?c的發送功率，pc(1)=pcini=0;]]>初始化DU?d的發送功率，qd(1)=qdini=0;]]>

步驟4.2：若CU?c收到來自DU?d的消息告知功率控制不可行，終止算法；否則，繼續步驟4.3；

步驟4.3：CU?c首先測量其受到的外界干擾和噪聲之和，然后按照如下公式更新其發送功率

pc(t+1)=min{αcgcIc(t),Pcmax}]]>

其中，I_c(t)＝q_d(t)g_dc+n₀，在更新之后，如果CU?c的發送功率已達其最大發送功率值，即但是CU?c的傳輸速率要求未被滿足；在此情況下，CU?c向DU?d發出消息，告知DU?d說明他們之間不匹配，算法終止；否則繼續步驟4.4；

步驟4.4：若DU?d收到來自CU?c的消息告知匹配不可行，則終止算法，否則，繼續步驟4.5；

步驟4.5：DU?d首先測量其受到的外界干擾和噪聲之和，然后按照如下公式更新其發送功率

qd(t+1)=min{βdgdId(t),Pdmax}]]>

其中，I_d(t)＝p_c(t)g_cd+n₀，在更新之后，如果DU?d的發送功率已達其最大發送功率值，即但是DU?d的傳輸速率要求未能被滿足，在此情況下，則DU?d向CU?c發消息告知其他們之間匹配不可行，算法終止，否則，繼續執行步驟4.6；

步驟4.6：收斂條件判斷，若滿足收斂條件：

|p_c(t+1)-p_c(t)|²+|q_d(t+1)-q_d(t)|²≤ε

則算法收斂，ε是正數，此時DU?d和CU?c已經達到最優發送功率，該組發送功率是優化問題P1的最優解，即能夠保證最大化DU?d的能量效率；否則，設置t＝t+1，返回步驟4.2。

2.如權利要求1所述的一種D2D通信中基于能效優化的分布式功率控制方法，其特征在于：所述步驟（3）中，采用分層思想求解優化問題P3的主要步驟為：

步驟3.1）給定任意γ＞0時，優化問題的目標函數是一個常數，為獲得最優的q_d，即求解優化問題，其中，F(q_d,γ)是q_d的凹函數，令得dR~(qd)dqd-γ=1ln2AC(C+(A+B)qd)(C+Bqd)-γ=0,]]>故，為滿足(A+B)Bqd2+C(A+2B)qd+C2-1ln21γAC=0]]>的解，得：

qd*(γ)=(Δ-C(A+2B)2B(A+B))P‾P‾]]>

其中，A＝g_cg_d，B＝α_cg_cdg_dc，C＝n₀(g_c+α_cg_cd)；

步驟3.2）將步驟3.1）中求得的代入原優化問題，求解滿足條件F(qd*,γ)≥0]]>的最大的γ，即γ*=maxγ>0γ]]>滿足F(qd*(γ),γ)≥0,]]>其中，

qd*(γ)=P‾,γ<M‾Δ-C(A+2B)2B(A+B),M‾≤γ≤M‾P‾,γ>M‾]]>

M‾=1ln2ACB(A+B)P‾2+C(A+2B)P‾+C2,]]>

M‾=1ln2ACB(A+B)P‾2+C(A+2B)P‾+C2,]]>

分析不同γ取值下D2D網絡能量效率的情況：

1)當M‾≤γ≤M‾]]>時，F(qd*(M‾),M‾)>F(qd*(M‾),M‾)>0,]]>故γ*=M‾,]]>qd*=P‾,η*d=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾);]]>

2)當γ<M‾]]>時,F(qd*(γ),γ)=log2(1+AP‾C+BP‾)-γP‾]]>為γ的單調遞減函數，令F(qd*(γ),γ)=0]]>得γ*=M‾,qd*=P‾,η*d=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾);]]>

3)當γ>M‾]]>時,F(qd*(γ),γ)=log2(1+AP‾C+BP‾)-γP‾]]>為γ的單調遞減函數，令F(qd*(γ),γ)=0]]>得qd*=P‾,η*d=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾),]]>γ*=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾);]]>

綜合以上三種情況可知，或者且當時γ取到的值較大，故，qd*=P‾,γ*=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾)=1P‾log2(1+βd).]]>