[發明專利]一種基于能量收集的終端直通通信資源管理方案

有效

• 申請號: 201710018037.0
• 申請日: 2017-01-10
• 公開（公告）號: CN107087305B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 周振宇;高彩霞;許晨;唐良瑞;關志濤
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H04W72/0453
• 分類號: H04W72/0453;H04W72/40;H04W72/541;H04W72/542;H04B17/391;H04W4/80
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 杜陽陽

1.一種應用在基于蜂窩網絡的Device-to-Device?D2D通信系統中，結合無線信息與能量同時傳輸SWIPT技術與匹配理論的資源分配方法，其特征在于：

1)考慮SWIPT技術的應用，使接收端用戶設備能夠從無線電頻率信號中獲取能量；

2)將用戶的喜好及滿意度納入考慮，提出基于GS算法的能效穩定匹配法，優化D2D用戶的能效和蜂窩用戶收集到的能量，完成D2D用戶與蜂窩用戶之間的匹配；

其中步驟1)所述的考慮SWIPT技術的應用，使接收端用戶設備能夠從無線電頻率信號中獲取能量，包括：接收端用戶設備能夠從接收到的信號、干擾、噪聲中收集能量，使信號能量能夠再循環，同時，干擾和噪聲有害噪聲能夠變為有益增益，具體步驟如下:

11)系統中存在K個資源塊，記為對應的K個蜂窩用戶記為N個D2D用戶對表示為對于信道模型，瑞利衰落模擬小尺度衰落，自由空間傳播路徑損耗模擬大尺度衰落；當D2D用戶對i之間的通信鏈路復用資源塊時，D2D接收端用戶受到了基站的干擾而蜂窩用戶k受到了D2D發射端用戶的干擾；每一個移動接收端用戶設備由傳統的信號處理單元和能量收集單元兩個單元組成，接收端用戶設備能夠將收到的無線信號分為兩部分，分別用于信號解調和能量收集，接收端用戶能夠從信號，干擾和噪聲中獲取能量；設定接收端用戶能夠從接收到的信號中分離出的用于信號解調的信號比例為δ_I，用戶能量收集的信號比例為δ_E，并且δ_I+δ_E＝1；當D2D對i復用資源塊時，D2D用戶對i之間的通信鏈路的頻譜效率以及基站與用戶k之間的通信鏈路的頻譜效率分別為：

和分別表示D2D對i中發射端用戶的發射功率與基站向蜂窩用戶k發射功率；h_i和h_k分別表示D2D通信鏈路和蜂窩通信鏈路的信道響應；h_ki和h_ik分別表示基站與D2D對i的接收端用戶之間的干擾鏈路和D2D對i的發射端用戶與基站之間的干擾鏈路的信道響應；α為自由空間路徑損耗因子；N₀為天線產生的加性高斯白噪聲AWGN，N_s為接收端用戶設備處理信號的過程中產生的AWGN；

D2D對i消耗的總功率為

蜂窩用戶k收集到的總能量為

η是發射端用戶設備的功率放大器的放大效率，0η1；P_cir為用戶設備消耗的電路功率；η_E為接收端用戶設備將無線電信號轉化為電能時的能量轉換效率；

D2D對i的能效函數為：

其中步驟2)所述的考慮用戶的喜好及滿意度的基于GS算法的能效穩定匹配算法，其特征在于，既考慮D2D用戶對蜂窩用戶的喜好又考慮蜂窩用戶對D2D對用戶的喜好，在建立雙方喜好列表的基礎上，利用GS算法對雙方進行匹配；定義兩維度矩陣X表示D2D對與蜂窩用戶之間的匹配策略，其中的元素x_i,k是一個二元變量，即x_i,k∈{0,1}，代表D2D對i與蜂窩用戶k之間的匹配情況；x_i,k＝1代表D2D對i與蜂窩用戶k匹配，即D2D對i復用已分配給蜂窩用戶k的資源塊x_i,k＝0代表D2D對i與蜂窩用戶k不匹配；x_i＝{x_i,1,…,x_i,k,…,x_i,K}為D2D對i的二元匹配策略集合，y_k＝{x_1,k,…,x_i,k,…,x_N,k}為蜂窩用戶k的二元匹配策略集合；包括以下三個步驟：

21)建立D2D用戶對蜂窩用戶的喜好列表：對D2D對i來說，需要通過設計匹配策略變量x_i,k和功率變量來最大化自身的能效；因此D2D對i對蜂窩用戶k的喜好可以描述為，在Ψ(i^D)＝k時，D2D對i能夠實現的最大的能效，i^D為D2D對i，Ψ(i^D)為D2D對i的匹配對象，k為蜂窩用戶，D2D對i的匹配對象已經固定，只需要優化功率變量即可得到D2D對i對蜂窩用戶k的喜好；描述如下：

為限定條件，限定了D2D對中發射端用戶的發射功率的范圍，保證發射功率不超過最大發射功率P_max，為限定條件，保證了D2D通信鏈路的QoS，P_max為D2D發射端用戶最大發射功率，U_SE,min為通信鏈路要求的最小傳輸速率；對所得最大能效降序，對應的蜂窩用戶的順序即為D2D對i對蜂窩用戶的喜好順序；

22)建立蜂窩用戶對D2D用戶的喜好列表：對于蜂窩用戶k，需要通過設計匹配策略變量x_i,k來最大化自身收集到的能量；因此蜂窩用戶k對D2D對i的喜好可以描述為，在Ψ(k^c)＝i時，Ψ(k^c)為蜂窩用戶k的匹配對象，蜂窩用戶k能夠收集到的最多的能量，蜂窩用戶k的匹配對象已經固定，在D2D用戶對i已經確定功率分配策略的情況下，可得到蜂窩用戶k收集到的能量，即蜂窩用戶k對D2D對i的喜好；描述如下：

為限定條件，其保證了蜂窩通信鏈路的QoS，對于蜂窩用戶k，對所得能量降序，對應的D2D對用戶的順序為蜂窩用戶k對D2D用戶的喜好順序；

23)以建立好的喜好列表為基礎，利用GS算法使D2D對用戶與蜂窩用戶之間的匹配達到穩定狀態；首先，D2D對i將會向其最喜愛的蜂窩用戶k請求匹配，對于收到請求的蜂窩用戶k，如果與其現有的匹配D2D對j能夠達到更好的效果，則拒絕i，保留與j的匹配；如果k與i匹配達到的效果比與j匹配更好，則k接受i的請求；被拒絕的D2D對用戶向其還未請求過的蜂窩用戶中最喜愛的發送請求，如果D2D對i被所有的蜂窩用戶拒絕，則其放棄請求；整個過程在每個D2D用戶找到匹配對象或者已被所有的蜂窩用戶拒絕之后結束；D2D對與蜂窩用戶之間的匹配達到穩定狀態，即完成了D2D用戶與蜂窩用戶之間的資源分配。