[發明專利]蜂窩D2D通信的資源分配方法

有效

• 申請號: 201810010680.3
• 申請日: 2018-01-05
• 公開（公告）號: CN108174448B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 馬艷波;尹曉;楊瀟;張新;郭強;劉偉龍
• 申請（專利權）人: 山東財經大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 張貴賓

1.一種蜂窩D2D通信的資源分配方法，其是在蜂窩網絡下的能量采集D2D通信系統中實現,該系統包括一個擁有M個蜂窩用戶的蜂窩網和N對D2D用戶，所有的D2D用戶，包括發送端和接收端，都可采集可再生資源，蜂窩網中有M個信道可用，每個蜂窩用戶占用一個信道，并假設每個信道只能分配給一個蜂窩用戶，在此系統中，假設表示第n個D2D發送端在第m個信道上的發送功率，表示第n對D2D用戶間在第m個信道上的功率增益，分別表示第m個蜂窩用戶、基站與第n個D2D接收端在第m個信道上的功率增益，W^m表示第m個信道上的噪音功率，則所述方法包括如下步驟：

S1、設定保障所述蜂窩用戶正常通信質量不受D2D用戶影響的干擾門限；

S2、設定D2D用戶的能量采集節點的供電質量參數，采用有效能量和有效功耗描述D2D能量采集節點的能量采集過程和能量消耗過程；

S3、以D2D節點供電能力和功率干擾門限為約束條件，以最大化D2D用戶速率和為目標，構造資源分配優化問題；

S4、基于拉格朗日對偶定理得到所有D2D用戶的功率分配和信道分配的表達式；

S5、所述系統中的D2D用戶按照分配的功率進行數據傳輸；

S6、查看所述系統中能量收集D2D節點的供電質量參數θ_E是否發生變化，如果發生改變，則按照S4重新計算次要用戶的發射功率；否則按照原有的發射功率進行數據傳輸；

其中，S2，規劃D2D用戶的能量采集節點的供電質量參數θ_E，基于θ_E在大偏差理論體系下分析能量隊列長度信息及能量隊列為空的概率，此概率體現了D2D能量采集節點的供電能力，假設在每幀內，D2D發送端能采集到的能量為h_har焦耳,h_har按照概率和分別取值為κ和0，基于有效容量理論來描述此能量采集過程，記為有效能量，在每幀內，D2D發送端消耗的能量h_con包括兩個部分，一部分為進行無線電傳輸消耗的能量，一部分是維持D2D發送端運行消耗的常功率∈，即，其中T_f表示發送一個基本信號單元的時間，我們采用有效帶寬來描述能量消耗過程，記為有效功耗，基于能量守恒原則建立有效能量和有效功耗的關系Ψ_n(θ_E)≤Φ_n(θ_E)，其中n表示第n對D2D用戶終端，只要上述關系得到滿足，D2D能量采集節點的供電質量就能得到滿足；

S3，以D2D節點供電能力和功率干擾門限為約束條件，以最大化D2D用戶速率和為目標，構造資源分配優化問題；

(3a)規劃資源分配優化問題：

以最大化D2D系統速率和為目標函數，以有效的供電能力和功率干擾限制為約束條件，構造如下優化問題：

其中Γ^m表示蜂窩網基站在第m個信道上能夠承受的干擾門限；

(3b)轉化為凸優化問題：

式(1)中的優化問題是一個非凸的優化問題，求解該問題的復雜度非常高，為了簡化問題的求解，引入一個D2D用戶間的干擾門限限制條件

其中，Υ_m，n表示占用第m個信道的D2D用戶間的干擾限制，當兩個相鄰的D2D用戶使用相同的信道時，會存在相互的干擾，因此針對實際通信系統，Υ_m，n表示消除D2D用戶間干擾的門限，基于Υ_m，n，我們分別表示收到的干擾功率的上限和第n對D2D用戶的速率下限為在此情況下，式(1)中的優化問題轉變為：

其中

S4，求解式(3)中的優化問題：

基于凸優化理論可證明式(3)中的優化問題是凸優化問題，因此該原問題的最優解是唯一的，并且基于拉格朗日對偶理論可求得其解；其拉格朗日函數可表示為：

其中η_n，n＝1，2，...，N，η＝{η₁，η₂，...，η_N}為拉格朗日因子，基于此，主對偶函數可表示為：

相應地，其對偶問題：

s.t.η≥0. (5)

通過驗證可知原問題具有強對偶性，所以原問題的最優解可通過求解此對偶問題得到，考慮到對偶問題的凸性，可通過子梯度迭代法求解最優的拉格朗日因子η^*，其子梯度可表示為：

式(4)中的最大化優化問題可轉化為下面的問題

可證明式(6)中的優化問題是一個凸優化問題，經驗證優化問題(6)為凸優化問題，存在唯一的最優解，對(6)建立其拉格朗日函數：

其中ξ_m，m＝1，2，...，M，μ_mn，m＝1，2，...M，n＝1，2，...，N為拉格朗日因子，根據互補松弛條件，可推導最優的功率分配值需滿足下面的充分必要條件：

于是基于式(7)可以將信道集合分為兩個互補的集合和其中

(4a)求解基于的功率值

對于給定的組合，設置對于根據式(7)中的條件得到：

而由可得到下式：

由式(8)和式(9)的得到如下關系：

其中，將式(10)帶入式(8)得到：

其中，D_n＝η_nθ_ET_f；

在式(11)中，只有一個變量于是通過求解式(11)得到其解接著通過式(11)，可求得m≠t；

(4b)信道分配策略：

為了進一步確認也即是最優的信道分配策略，基于Karush-Kuhn-Tucker優化條件可推導出兩個準則：(一)如果則必有(二)假設并且則必有

我們基于上述準則提出如下確定最優的迭代算法如下：

a)計算把所有滿足條件的m設置為集合的元素，也就是

b)定義并設置對中的元素按照的升序排序，生成的新的排列為π；設置j＝1，基于排列π，可表示為也就是設置

c)把所有中的元素帶入公式(10)計算更新隨之更新并同時驗證是否滿足式(6)中的優化條件；如果滿足則得到最優的功率值及最優的信道分配算法否則令j＝j+1，跳轉至步驟c),繼續迭代直到滿足式(6)中的優化條件。