[發明專利]基于能量效率的多用戶多模式D2D通信資源分配方法

有效

• 申請號: 202011486169.4
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112637927B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 肖海林;覃琦超;汪鵬君;周迪;潘永才;翟雷;毛淑霞
• 申請（專利權）人: 溫州大學;桂林電子科技大學
• 主分類號: H04W40/22
• 分類號: H04W40/22;H04W76/14
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 覃永峰

1.一種基于能量效率的多用戶多模式D2D通信資源分配方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)構建蜂窩網絡與D2D通信共享頻譜的異構網絡模型：假設蜂窩網絡與D2D通信共享頻譜的異構網絡中有N個蜂窩用戶和M對D2D用戶和K個空閑中繼用戶，且N≥M，蜂窩用戶集用N＝{1,2,···,n}表示，D2D用戶的用戶集用M＝{1,2,···,m}表示，中繼用戶集用K＝{1,2,···,k}表示；

2)計算異構網絡中D2D用戶信噪比與蜂窩用戶信噪比：計算共享同一頻譜資源時D2D用戶j的和蜂窩用戶i的與引入中繼用戶后D2D用戶j的和蜂窩用戶i的在D2D通信正在進行直通模式時，D2D用戶j的與蜂窩用戶i的分別為：

公式(1)、(2)中，代表著蜂窩用戶i的發射功率，而則表示為D2D用戶j發射端的發射功率，h_i,B表示蜂窩用戶i到基站的信道增益，h_j,B表示D2D用戶j發射端到基站的信道增益，h_j表示D2D用戶j發射端到接收端的信道增益，h_i,j表示蜂窩用戶i到D2D用戶j接收端的信道增益，N₀表示加性高斯白噪聲的功率譜密度，引入中繼用戶后，蜂窩用戶受到的干擾包括D2D用戶發射端對蜂窩用戶通信接收端的干擾以及中繼節點對蜂窩用戶通信產生的干擾，在D2D用戶采用中繼通信模式情景下，第一段通信系統中的干擾為蜂窩用戶對中繼節點的干擾，第二段通信中的干擾為蜂窩用對D2D接收端的干擾，在第一段通信中，D2D用戶j的和蜂窩用戶i的分別為：

其中，h_j,k表示D2D用戶發射端到中繼節點的信道增益，h_i,k表示蜂窩用戶到中繼節點的信道增益，在第二段通信中，D2D用戶j的和蜂窩用戶i的分別為：

其中，為中繼節點的發射功率，h_k,d為中繼節點到D2D接收端的信道增益，h_r,B為中繼節點到基站的信道增益；

3)獲得能量效率表達式：依據步驟2)得到的D2D用戶的信噪比與蜂窩用戶信噪比推算出在各個模式下D2D用戶的速率及相對應的能量效率，在D2D直通模式中，D2D用戶的能量效率表示如下：

在D2D中繼模式中，D2D用戶的能量效率表示如下：

4)依據D2D用戶之間的距離與信噪比選擇傳輸模式：以D2D用戶發射端與D2D用戶接收端之間的距離作為判斷所選用模式的依據，當他們通信距離超出D2D用戶對通信所能接受的最大距離時，采用中繼模式進行通信、當距離滿足D2D通信范圍但D2D用戶之間的信噪比低于信噪比門限時，也采用中繼模式，即：

當α_j＝1，采用直通模式；α_j＝0，采用中繼模式；

5)尋找中繼模式中最優中繼節點：在D2D用戶選擇中繼模式進行通信之后，從空閑用戶中選出最適合充當中繼用戶的節點，首先設定候選中繼范圍區域，以D2D發射端與D2D接收端為直徑，線段中心點為圓心，作通信圓為通信覆蓋區，選出通信覆蓋區內空閑中繼用戶得到中繼初始候選集，通過區域限制篩選出中繼用戶候選集，在中繼初始候選集中，最優中繼節點位于D2D用戶發射端與D2D用戶接收端直線距離的中心，從中繼初始候選集中挑選出一個距離D2D發射端與D2D接收端中心點距離最近的中繼用戶，此時的中繼用戶就是最佳中繼用戶；

6)獲得信號發射端的發射功率范圍：在直通模式下，依據共享同一頻譜資源后D2D用戶j的與蜂窩用戶i的判斷D2D用戶j能否復用蜂窩用戶i的頻譜資源的判定準則為：

可得，D2D發射端的功率范圍為：

7)得到最優發射功率和能量效率：得到D2D發射端發射功率范圍之后，由步驟3)可知，能量效率函數是非凹且非線性，將原函數化簡為線性函數，Ω表示功率的可行域，為最優能量效率，當且僅當下式成立時有：

公式(12)函數是關于的凹函數，所以存在，通過Dinkelbach算法得到最優發射功率和能量效率，在中繼模式下，第一段通信與第二段通信與直通模式的求解類似，將原函數化簡為線性函數，得到的函數卻是關于兩個未知變量的函數，因此不能直接使用Dinkelbach算法進行迭代得到最佳發射功率，然而對于給定的目標函數為關于的凹函數，反之亦然，所以將的值固定，并用Dinkelbach算法進行迭代得到的最佳發射功率，再根據的值使用Dinkelbach算法求得的最佳發射功率，最終D2D用戶的能量效率可以表示為：

8)為D2D用戶尋找最優蜂窩網絡鏈路進行復用：蜂窩網絡中存在多個D2D用戶對需要對復用鏈路進行選擇時，以D2D的能效EE為權值，為D2D用戶對與中繼用戶選擇最佳復用鏈路。