[發明專利]一種D2D通信聯合模式選擇和比例公平調度優化方法有效
| 申請號： | 201710458598.2 | 申請日： | 2017-06-16 |
| 公開（公告）號： | CN107248896B | 公開（公告）日： | 2019-01-22 |
| 發明（設計）人： | 馬琳;李小帥;何晨光;徐玉濱 | 申請（專利權）人： | 哈爾濱工業大學 |
| 主分類號： | H04J11/00 | 分類號： | H04J11/00 |
| 代理公司： | 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109 | 代理人： | 楊立超 |
| 地址： | 150001 黑龍*** | 國省代碼： | 黑龍江;23 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 d2d 通信 聯合 模式 選擇 比例 公平 調度 優化 方法 | ||
1.一種D2D通信聯合模式選擇和比例公平調度優化方法，其特征在于，該方法具體是按照以下步驟進行的：
步驟一：算法開始；
步驟二：初始化第一個時隙內所有用戶的平均傳輸速率：
隨機產生蜂窩用戶平均傳輸速率集合D2D用戶平均傳輸速率集合
其中，為蜂窩用戶1在第一個時隙內的平均傳輸速率，為蜂窩用戶2在第一個時隙內的平均傳輸速率，為蜂窩用戶NC在第一個時隙內的平均傳輸速率；為D2D用戶1在第一個時隙內的平均傳輸速率，為D2D用戶2在第一個時隙內的平均傳輸速率，為D2D用戶ND在第一個時隙內的平均傳輸速率；
步驟三：判斷時隙t是否滿足t≤T,是轉到步驟四，否到步驟十二；T表示用戶最大傳輸時隙個數；
步驟四：計算第t個時隙，蜂窩用戶iC與基站之間的信道增益D2D用戶之間的信道增益蜂窩用戶iC與D2D用戶iD接收端之間的干擾信道增益以及D2D用戶iD到基站干擾鏈路的信道增益假設信道的高斯白噪聲為其中，iD為第i個D2D用戶；iC為第i個蜂窩用戶；
步驟五：
專用模式參數計算：
當蜂窩網絡中存在空閑頻譜資源時，D2D通信工作在專用模式；專用模式下，第t個時隙，D2D通信時D2D用戶iD的信噪比瞬時速率和比例公平函數表達式如下：
其中，表示D2D用戶iD的發射功率，表示D2D用戶iD在第t個時隙的平均傳輸速率，表示D2D用戶iD在前t-1時隙內的平均傳輸速率，T表示用戶最大傳輸時隙個數；
復用模式參數計算：
當蜂窩網絡中不存在空閑頻譜資源時，D2D通信工作在復用模式；
復用模式下，D2D用戶和蜂窩用戶之間存在干擾，因此，第t個時隙，當D2D用戶iD復用蜂窩用戶iC資源時，D2D用戶的信干燥比瞬時數據速率和比例公平函數計算公式如下：
其中，為D2D用戶iD的發射功率，為蜂窩用戶iC的發射功率；表示D2D用戶iD在第t個時隙的平均傳輸速率，表示D2D用戶iD在前t-1時隙內的平均傳輸速率，T表示用戶最大傳輸時隙個數；
蜂窩用戶受到D2D發射端的干擾，因此，復用模式下，蜂窩用戶iC在第t個時隙的信干燥比瞬時數據速率和比例公平函數如下：
其中，表示蜂窩用戶iC在第t個時隙的平均傳輸速率，為t-1時隙內蜂窩用戶iC的平均傳輸速率；
當蜂窩用戶數量大于復用模式下D2D用戶個數時，網絡中會有蜂窩用戶未被復用；此時，計算未被復用蜂窩用戶在第t個時隙的信燥比瞬時數據速率和比例公平函數為：
其中，表示蜂窩用戶iC在第t個時隙的平均傳輸速率，為t-1時隙內蜂窩用戶iC的平均傳輸速率，是蜂窩用戶iC在第t個時隙內不被復用時，沒有干擾情況下的發射功率；
步驟六、根據步驟五將D2D與蜂窩網絡的混合網絡模型的聯合模式選擇和比例公平控制問題進行數學建模，得到數學模型；
步驟七：根據步驟六的數學模型進行模式選擇：
步驟七一：計算所有D2D用戶在專用模式下的最大比例公平函數，獲得所有D2D用戶的最大比例公平函數集合
其中，為D2D用戶1在第t個時隙內的比例公平函數，為D2D用戶iD在第t個時隙內的比例公平函數，為D2D用戶ND在第t個時隙內的比例公平函數；為蜂窩用戶iC的最大發射功率，為專用模式D2D用戶最優控制功率；
步驟七二：將進行降序排列得到新的比例公平函數集合將K個空閑頻譜分配給QD′集合中前K個D2D用戶，其余NC-K個D2D用戶被分配到復用模式，轉到步驟八；
其中，為降序排列后D2D用戶1在第t個時隙內的比例公平函數，為降序排列后D2D用戶iD在第t個時隙內的比例公平函數，為降序排列后D2D用戶ND在第t個時隙內的比例公平函數；
步驟八：復用模式資源分配；
步驟八一：判斷復用模式D2D用戶個數iD是否達到最大值ND-K，否轉到步驟八二，是轉到步驟九；
步驟八二：判斷蜂窩用戶個數iC是否達到最大值NC，否轉到步驟八三，是轉到步驟八六；
步驟八三：執行D2D用戶的接入控制；執行步驟八四；
步驟八四：使用最優功率控制方法獲得最優控制矩陣執行步驟八五；
步驟八五：蜂窩網絡個數加1，iC＝iC+1，轉到步驟八二；
步驟八六：D2D用戶個數加1，iD＝iD+1，轉到步驟八一；
步驟九：對復用模式下多對D2D用戶和蜂窩用戶資源進行分配，得到復用模式D2D用戶和蜂窩用戶的比例公平矩陣Q，通過經典的匈牙利算法進行求解使得所有復用D2D用戶和蜂窩用戶的比例公平函數之和最大；
步驟十：根據步驟九得到信道分配矩陣x的一個最優解，得到優化問題公式(17)的次優解，轉置步驟十一；
步驟十一：時隙t＝t+1,轉到步驟三；
步驟十二：算法結束；
所述步驟四中計算第t個時隙，蜂窩用戶iC與基站之間的信道增益D2D用戶之間的信道增益蜂窩用戶iC與D2D用戶iD接收端之間的干擾信道增益以及D2D用戶iD到基站干擾鏈路的信道增益具體過程為：
第t個時隙，蜂窩用戶iC與基站BS之間的信道增益的數學表達式為：
其中，G是路徑損耗常數，為蜂窩用戶到基站的服從指數分布的快速衰落，為蜂窩用戶到基站服從對數正態分布的慢衰落因子，α是路徑損耗因子，是蜂窩用戶iC和基站之間的距離；iC為第i個蜂窩用戶；
第t個時隙，D2D用戶之間的信道增益的數學表達式為：
其中，為D2D用戶iD發射端到D2D用戶iD接收端的服從指數分布的快速衰落，為D2D用戶iD發射端到D2D用戶iD接收端服從對數正態分布的慢衰落因子，α是路徑損耗因子，是D2D用戶iD發射端到D2D用戶iD之間的距離；
第t個時隙，蜂窩用戶iC到D2D用戶iD接收端之間的信道增益的數學表達式為：
其中，為蜂窩用戶iC到D2D用戶iD接收端的服從指數分布的快速衰落，為蜂窩用戶iC到D2D用戶iD接收端服從對數正態分布的慢衰落因子，α是路徑損耗因子，是蜂窩用戶iC到D2D用戶iD接收端之間的距離；
第t個時隙，D2D用戶iD到基站干擾鏈路的信道增益的數學表達式為：
其中，為D2D用戶iD發射端到基站之間的服從指數分布的快速衰落，為D2D用戶iD發射端到基站之間服從對數正態分布的慢衰落因子，α是路徑損耗因子，是D2D用戶iD發射端到基站之間之間的距離；
所述步驟六中根據步驟五將D2D與蜂窩網絡的混合網絡模型的聯合模式選擇和比例公平控制問題進行數學建模，得到數學模型；具體過程為：
以第t個時隙內所有用戶比例公平函數之和最大為目標函數即得到數學模型：
其中，x*是公式(17)達到最大值時對應的模式選擇和信道分配矩陣x的最優解，p*是公式(17)達到最大值時對應的功率矩陣即p的最優解；NC為蜂窩用戶的個數，取值為正整數；ND為D2D用戶的個數，取值為正整數；x＝{x(1),x(2)}，其中x(1)是模式選擇矩陣，當D2D用戶iD選擇工作在專用模式下否則x(2)是信道分配矩陣，當D2D對iD復用蜂窩用戶iC的信道資源時否則和分別是D2D對iD和蜂窩用戶iC的最小信噪比；C＝{1，...,NC}是蜂窩用戶的集合；D＝{1，...,ND}是D2D用戶的集合；和分別是D2D對iD和蜂窩用戶iC的最大發射功率；K表示網絡中空閑頻譜的數量。
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