[發明專利]基于無人機的D2D通信下聯合功率控制和信道分配方法

有效

• 申請號: 202110265522.4
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113055896B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 趙健;周璇;申富饒
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14;H04W16/22;H04W52/26;H04W52/36;H04W72/08
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 于瀚文;胡建華

1.基于無人機的D2D通信下聯合功率控制和信道分配方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，將優化問題建模為能源效率最大化問題；

步驟2，對優化問題進行轉換；

步驟3，將轉換后的優化問題分解成兩個子優化問題：功率控制子優化問題和信道分配子優化問題；

步驟4，求解功率控制子優化問題；

步驟5，求解信道分配子問題；

步驟6，最終得到D2D用戶的最優發射功率以及最優信道分配策略；

其中，步驟1包括：

步驟1-1，建立無人機輔助下的D2D通信模型；

步驟1-2，建立優化問題：通過功率控制和信道分配最大化D2D用戶的總能源效率，同時保證D2D用戶與地面用戶的服務質量要求以及保密率；

步驟1-1包括：所述無人機輔助下的D2D通信模型包括一個無人機，M個地面用戶，N對D2D用戶以及一個竊聽者，無人機作為飛行的基站與地面的用戶通信；

無人機在覆蓋區域的中心位置，高度固定為h，每一對D2D用戶都有一個發射者和一個接收者，地面用戶與D2D用戶共用頻譜資源；

無人機與地面用戶的通信采用正交頻分多址的方式，D2D進行通信時會復用地面用戶的信道；地面用戶集用表示，D2D用戶的用戶集用表示；其中M是地面用戶數目，N是D2D用戶對數目；

無人機和地面用戶之間的通信信道以及D2D發射者對無人機的干擾信道都屬于空對地信道，包含了視距傳播和非視距傳播兩部分，因此無人機與地面用戶m的信道增益g_m，U表示為：

其中表示無人機和地面用戶m的視距傳播信道增益，表示無人機和地面用戶m的非視距傳播信道增益；表示視距傳播發生的概率，表示非視距傳播發生的概率：

其中，d_m，U是無人機和地面用戶m的水平距離，h是無人機的高度，α_u是空對地信道的路徑損耗指數，η是非視距傳播存在時的附加衰減因子；

視距傳播發生概率表示為：

其中A和B是與環境有關的常數，仰角

非視距傳播發生的概率為

D2D發射者n對無人機的干擾信道增益g_n，U表示為：

其中表示無人機和D2D發射者n的視距傳播信道增益，表示無人機和D2D發射者n的非視距傳播信道增益；

D2D發射者n和D2D接收者n之間的信道增益g_n，n表示為：

其中G是路徑損耗常數，α是路徑損耗指數，β_n，n是第n對D2D用戶之間服從指數分布的快衰落增益，γ_n，n是服從對數正態分布的慢衰落增益，d_n，n是D2D發射者n和D2D接收者n的距離；

地面用戶m對D2D接收者n的干擾信道增益g_m，n描述為：

其中β_m，n是地面用戶m與D2D接收者n的快衰落增益，γ_m，n是地面用戶m與D2D接收者n的慢衰落增益，d_m，n是地面用戶m與D2D接收者n之間的距離；

地面用戶m到竊聽者的竊聽信道增益g_m，e、D2D發射者n到竊聽者的竊聽信道增益g_n，e分別為：

其中β_m，e是地面用戶m與竊聽者的快衰落增益，γ_m，e是地面用戶m與竊聽者的慢衰落增益，d_m，e是地面用戶m與竊聽者的距離；β_n，e是D2D發射者n與竊聽者的快衰落增益，γ_n，e是D2D發射者n與竊聽者的慢衰落增益，d_n，e是D2D發射者n與竊聽者之間的距離；

D2D發射者進行信息傳輸時會對復用相同頻譜資源的地面用戶產生干擾，此時，地面用戶m的數據速率為：

其中表示地面用戶m的發射功率，表示D2D發射者n的發射功率，N₀表示加性高斯白噪聲的功率譜密度；c_m，n是0/1的變量，表示D2D用戶n與地面用戶m是否共享相同的頻譜資源，如下所示：

D2D用戶n的數據速率表示為：

D2D用戶n的保密率表示為：

地面用戶m的保密率表示為：

步驟1-2包括：所述優化問題定義為以下優化模型P1：

其中P₀表示電路功耗，條件C1表示第n對D2D用戶的服務質量約束，是保證D2D用戶n服務質量要求的最小數據速率；條件C2保證第n對D2D用戶能夠安全傳輸，是保證D2D用戶n安全傳輸的最小保密率；條件C3表示地面用戶m的服務質量約束，是保證地面用戶m服務質量要求的最小數據速率；條件C4保證地面用戶m能夠安全傳輸，是保證地面用戶m安全傳輸的最小保密率；條件C5是D2D發射者n的發射功率限制，是D2D發射者的最大發射功率；條件C6表示信道分配變量是一個0或1的整數，條件C7表示一對D2D用戶最多復用一個地面用戶的信道，條件C8表示一個地面用戶的信道最多被一對D2D用戶復用，所述優化問題為原始問題；

步驟2包括：引入一個輔助變量，把0-1分數規劃問題轉換成等價的減法形式：

其中是原始問題的可行解，則：

定義函數：

f(P，c；r)是關于r的單調遞減的線性函數，每一組c_m，n都分別唯一地對應一條直線，所述直線的截距均大于等于0、斜率均小于等于0；所述直線在X軸上的截距就是這一組c_m，n求出來的r，r是引入的輔助變量，表示D2D用戶的能源效率，而截距的最大值就是原始問題的最大能源效率r^*，即：

原始問題轉化為問題P2：

s.t.C1-C8

用F(r)表示此問題的最優解：

則：

通過Dinkelbach算法不斷更新r來求F(r)＝0的根；

步驟4包括：設定D2D用戶n與地面用戶m共享相同的頻譜資源，即c_m，n＝1，對于D2D用戶n，功率分配子優化問題P3為：

把C1轉換成下列形式：

其中

定義函數

和都是凹函數，給定一個D2D發射功率的可行解基于凹函數的一階泰勒展開性質，

因此，

為提供了一個在點的下界；

其中是在的導數，表示為：

約束C3轉換成以下凸約束的形式：

定義函數

給定一個D2D發射功率的可行解基于一階泰勒展開性質，得出：

其中，

則問題P3轉換成以下凸優化的問題P4：

用拉格朗日對偶計算出最優功率的閉式解；

步驟4中，所述用拉格朗日對偶計算出最優功率的閉式解，包括：

問題P4的拉格朗日函數描述為：

其中α是問題P4中約束C1對應的拉格朗日乘子，ζ是約束C2的拉格朗日乘子，μ是約束C3的拉格朗日乘子，v是約束C4的拉格朗日乘子，β和γ是約束C5的拉格朗日乘子，α≥0，β≥0，γ≥0，ζ≥0，μ≥0，v≥0；

拉格朗日對偶函數描述Θ_P(α，β，γ，ζ，μ，v)為：

拉格朗日對偶問題表示為：

s.t.α≥0，β≥0，γ≥0，ζ≥0，μ≥0，v≥0；

用Karush-Kuhn-Tucker條件來求得對偶問題的最優解

其中，

令上述等式轉換成一元三次方程的標準形式為：

其中，

A＝-g_n，ng_n，e²Φln2

令：

Δ＝q²+p³

如果Δ＞0，則存在一個實根x₁₁為：

如果Δ＝0，則存在兩個實根x₂₁和x₂₂為：

如果Δ＜0，則存在三個實根x₃₁、x₃₂、x₃₃為：

其中對于給定的拉格朗日乘子，最優功率通過上述三種情況的候選功率值中取得；

對偶變量通過次梯度算法進行更新，最后迭代收斂到最優解，對偶變量的更新描述為：

其中[x]⁺＝max{0，x}，其中δ是對偶變量α的更新步長，ξ是對偶變量β的更新步長，θ是對偶變量γ的更新步長，κ是對偶變量ζ的更新步長，τ是對偶變量μ的更新步長，σ是對偶變量v的更新步長；

步驟5包括：信道分配子優化問題P5描述如下：

使用匈牙利算法得到最優的信道資源分配

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟6包括：更新輔助變量r直至收斂，最終得到D2D用戶的最優發射功率以及最優信道分配策略