用于近場通信或d2d通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法
【專利摘要】用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法，涉及通信領域。它是為了解決對近場通信中節(jié)點接入隨機性和網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化控制困難的問題。其方法為：初始允許接入階段，主系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點的位置信息，建立每個節(jié)點與可用頻點之間的映射關系；在上述映射關系的基礎上，確定每個節(jié)點使用任意頻點的可能性和由此產(chǎn)生的干擾情況；對每個節(jié)點的干擾情況進行分析，剔除“最糟糕”用戶，運行其它用戶正式接入；功率控制階段，主系統(tǒng)建立概率統(tǒng)計意義下的功率控制數(shù)學模型，并尋求最優(yōu)解；根據(jù)該最優(yōu)解實現(xiàn)對每個節(jié)點的發(fā)射功率進行控制，完成二級用戶接入的功率控制。本發(fā)明適用于用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制。
【專利說明】用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及通信領域，具體涉及一種功率控制方法。

【背景技術】
[0002]近場通信或者D2D(Device-to-Device)終端直通技術,是指在系統(tǒng)的控制下,通過復用系統(tǒng)的資源，實現(xiàn)近距離節(jié)點之間的通信過程，這種通信方式可以廣泛地用在社交網(wǎng)絡等場景。近場通信提供的數(shù)據(jù)共享可以幫助完成很多移動服務的任務，在熱點地區(qū)通信領域，通過多節(jié)點之間的協(xié)作傳輸和數(shù)據(jù)分發(fā)可以將視頻和音頻等信息快速地進行傳遞，同時支持用戶的定制業(yè)務等；在國家安全領域，應對地震、海嘯等突發(fā)情況，基站等多數(shù)通信設備遭到破壞，近場通信可以通過普通用戶的手持終端代替主通信系統(tǒng)，以自組織的形式完成必要的預警信息、避難信息等的通知。
[0003]與其他通信方式相比，近場通信的網(wǎng)絡規(guī)模較小，只在一定區(qū)域內完成數(shù)據(jù)的交互，同時通信建立的隨機性較大，系統(tǒng)并不為其分配和維持專有信道。這種通信只在需要的情況下臨時建立，并且通信時間普遍較短。
[0004]綜上所述，主系統(tǒng)需要對近場通信的隨機性進行必要的控制，首先，由于二級用戶在接入主系統(tǒng)后，使用系統(tǒng)的資源，不可避免地會對主系統(tǒng)已經(jīng)存在的一級用戶產(chǎn)生干擾。當同時接入的二級用戶數(shù)較多時，用戶的手持終端是通過自協(xié)商的方式選擇傳輸信道，這時，干擾情況是難以實時預期的。其次，結合D2D通信的特點，通信雙方的距離受限，決定了設備的發(fā)射功率可以隨之降低，這就為減少用戶之間的干擾提供了條件。因此，設計一種簡單、快速控制方法，是近場通信應用的關鍵技術，統(tǒng)一對二級用戶的允許接入過程和功率進行控制。
[0005]考慮近場通信自身的特點，通信區(qū)域的用戶保持著一定程度的移動性，網(wǎng)絡的拓撲結構時刻在發(fā)生著改變。當業(yè)務的持續(xù)時間較短時，為了降低通信對系統(tǒng)的開銷，通信終端不會在通信的過程中將所有配置信息上報主系統(tǒng)。具體情況表現(xiàn)在:當系統(tǒng)沒有為這些節(jié)點分配固定的頻點時，這些節(jié)點本身具備的頻譜感知能力可以對周圍的通信環(huán)境進行監(jiān)測，尋找有利于通信雙方的頻點，自主地完成之后的通信過程。由于通信節(jié)點仍保持著一定程度的移動性，其信道環(huán)境在節(jié)點之間的相互作用下會發(fā)生改變。
[0006]近場通信的自由程度較大，主系統(tǒng)在通信過程中對其的控制能力較弱。因此，為了使得這種通信在給系統(tǒng)帶來性能提升的同時，盡量避免不可預知的干擾，主系統(tǒng)需要對其通信的參數(shù)進行一次性的配置。這種配置是在系統(tǒng)對近場通信節(jié)點的行為預測的基礎上實現(xiàn)的，由于近場通信支持的業(yè)務時間較短，節(jié)點的移動性較差，這種短期預測具有一定的可信性。如何準確和快速地對這種結構的通信網(wǎng)絡進行預測和控制是控制方法設計的核心問題。
[0007]綜上所述，近場通信或者D2D通信的特性所決定的控制方法有如下特征:
[0008]I)、方法簡單:近場通信業(yè)務的發(fā)起的突然的，方法的復雜性應足夠低，保證及時對其做出響應；
[0009]2)、收斂速度:要求方法在有限的運算時間內找到可行解；
[0010]3)、由于數(shù)據(jù)量會根據(jù)用戶數(shù)目隨之增加，應盡量根據(jù)容易獲得的信息進行預測；
[0011]4)、分布控制，對接入控制和功率控制分布進行，可以保證方法的可行性和降低運算的復雜度；
[0012]5)、適應性強:當網(wǎng)絡的拓撲結構發(fā)生較大變化，如有新的節(jié)點加入或者節(jié)點消失時，能夠及時做出反應，隨時重新分配。
[0013]現(xiàn)有的方案及優(yōu)缺點:現(xiàn)有方法都是將接入控制和功率控制統(tǒng)一到一個數(shù)學模型，根據(jù)模型同時求解，所求的最優(yōu)解可以在用戶數(shù)最大化和吞吐量最大化之間進行選擇。但是，這種方法的復雜度極高，隨著候選用戶數(shù)目的增加，解向量維數(shù)成倍增加，而且容易造成無解的情況，很難適應網(wǎng)絡的快速變化。以上方法屬于集中式控制，即:由一個實體獲得網(wǎng)絡的所有信息，在確定的情況下得到所需的參數(shù)，主要是發(fā)生功率等。這種方法的優(yōu)點是利用系統(tǒng)運算性能上的優(yōu)勢，可以得到準確的結果，并且控制方便。缺點是，信息的交互量大，為了計算，要求每個參與節(jié)點需要上報完整的狀態(tài)信息，而參數(shù)的分發(fā)同樣需要占用系統(tǒng)的有限資源。與之相對應的另一種方法是由參與節(jié)點完成的分布式控制方法。
[0014]分布式控制方法沒有獨立的控制中心，每個節(jié)點都具有運算能力，其獲得的信息是有限的，包括接收周圍節(jié)點廣播的信息等。每個節(jié)點對自己的行為進行約束，這種方法的主要優(yōu)勢是能夠很好地適應環(huán)境的變化，實時計算。但是，由于方法的基礎是不完全信息，其結果只能是次優(yōu)的，并且不確定。最壞的情況下，可能會對某些用戶造成無法容忍的干擾。頻繁的運算同時會帶來終端的過度消耗，減少終端的工作時間。
[0015]DAPC方法同時考慮了接入控制和功率控制兩個方面，相比于之前提到的在統(tǒng)一的數(shù)學模型下求解，這種方法通過刪除策略機制可以很好地平衡這兩個方面:第一、在提高系統(tǒng)性能的同時，盡量保留大多數(shù)用戶的接入需求；第二、在滿足最小性能指標的前提下，允許更多的用戶同時接入。這種方法的主要問題是假設參數(shù)恒定，即每個節(jié)點的位置固定，甚至是信道條件也基本不變，這在實際系統(tǒng)中是難以滿足的。


【發(fā)明內容】

[0016]本發(fā)明是為了解決對近場通信中節(jié)點接入隨機性和網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化控制困難的問題，提出了一種用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法。
[0017]用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法，其特征是:在存在動態(tài)拓撲變化的區(qū)域性網(wǎng)絡中，該方法由以下步驟實現(xiàn):
[0018]步驟一、初始化:主系統(tǒng)獲得每個節(jié)點的二維坐標信息和每個節(jié)點上報的信道狀態(tài)信息；所述節(jié)點包括全部一級節(jié)點和二級節(jié)點；
[0019]步驟二、在每個節(jié)點的發(fā)射功率恒定,且均為系統(tǒng)運行的最大發(fā)生功率的情況下，根據(jù)初始化中每個二級節(jié)點使用任意頻點的映射關系和節(jié)點上報的在每個頻點上的信道增益情況，計算二級節(jié)點對一級節(jié)點造成的平均干擾和一級節(jié)點對二級節(jié)點造成的干擾情況，所述干擾情況的衡量指標是節(jié)點設備接收信號的信干噪聲比，干擾來自同頻信號的接收功率，噪聲為接收設備在空中接口等效的熱噪聲功率；
[0020]主系統(tǒng)根據(jù)每個二級節(jié)點的干擾情況，對變量功率求導，并判斷導數(shù)是否大于或等于預設的一號閾值，如果判斷結果為是，則執(zhí)行步驟二一 ；如果判斷結果為否，則執(zhí)行步驟二二 ；所述變量功率是主系統(tǒng)需要求解計算的未知變量，即:一級節(jié)點或二級節(jié)點的當前發(fā)射功率值；
[0021]步驟二一、剔除該導數(shù)對應的二級節(jié)點，并對其進行記錄，主系統(tǒng)在預設范圍內不在考慮允許這些二級節(jié)點接入系統(tǒng)，并執(zhí)行步驟三；
[0022]步驟二二、將該導數(shù)對應的二級節(jié)點納入可允許接入用戶集合，并執(zhí)行步驟三；
[0023]步驟三、主系統(tǒng)對已經(jīng)允許接入的二級用戶建立優(yōu)化模型，所述優(yōu)化模型的約束條件是使每個節(jié)點都滿足最小信干噪比要求和最大發(fā)射功率要求；
[0024]步驟四、將目標函數(shù)和約束條件轉化為標準凸優(yōu)化形式，即多項式求和形式，并采用內點法求解；所述目標函數(shù)為系統(tǒng)的吞吐量；本發(fā)明采用香農(nóng)定理的形式表示系統(tǒng)中所有節(jié)點之間的數(shù)據(jù)速率的求和，表示系統(tǒng)整體的性能，目的是使其值最大化；約束條件分為兩個部分，首先考慮用戶的接收體驗，既接收的信干噪比，其次是功率受限，不超過約定的最大發(fā)射功率；
[0025]步驟五、采用迭代的方式，尋求最優(yōu)解，并判斷最近兩次迭代結果的差值的絕對值是否大于或等于預設置的二號閾值，如果判斷結果為是，則執(zhí)行步驟五一；如果判斷結果為否，則執(zhí)行步驟五二 ；
[0026]步驟五一、返回執(zhí)行步驟五；
[0027]步驟五二、則已找到最優(yōu)解，并執(zhí)行步驟六；
[0028]步驟六、根據(jù)步驟五二獲得的最優(yōu)解，對每個節(jié)點的發(fā)射功率進行控制，完成二級用戶接入的功率控制。
[0029]每個二級節(jié)點具有頻譜感知能力，能夠根據(jù)周圍的環(huán)境和通信目標協(xié)作完成通信過程。
[0030]步驟一中對每個二級節(jié)點進行初始化過程具體為:
[0031]每個二級節(jié)點不預先分配確定的頻點，每個二級節(jié)點均監(jiān)聽信道狀態(tài)，如果信道出現(xiàn)可用頻段，則執(zhí)行步驟一一；如果沒有出現(xiàn)可用頻段，則執(zhí)行步驟一二 ；
[0032]步驟一一、每個二級節(jié)點獲得可用頻點的集合，并將該可用頻點的集合通知與之通信的節(jié)點，與之通信的節(jié)點判斷雙方的可用頻點集合的交集是否為空，如果判斷結果為否，則執(zhí)行步驟二 ；如果判斷結果為是，則執(zhí)行步驟一二 ；
[0033]步驟一二、通信雙方?jīng)]有找到適合通信的空白頻段，則隨機選擇較優(yōu)的信道，并在通信的過程中間斷檢測信道狀態(tài)，并執(zhí)行步驟二。
[0034]將目標函數(shù)和約束條件轉化為標準凸優(yōu)化形式，即多項式求和形式，并采用內點法求解的具體方法為:
[0035]首先需要找到可行域內的一個初始解，并引入松弛因子，將目標函數(shù)變?yōu)樽钚』沙谝蜃拥那蠛偷姆绞讲⑶蠼狻?br> [0036]本發(fā)明是一種適用于臨時存在的近場通信網(wǎng)絡的控制方法，改進了集中式和分布式控制方法的不足，使其能夠解決這種網(wǎng)絡的動態(tài)特性。本發(fā)明在集中式控制方法的基礎上，結合刪除策略，采用分步控制的方式，首先對候選的二級用戶集合進行篩選，其次對允許接入的用戶分配功率。該方法與傳統(tǒng)的功率控制方法相比，采用概率統(tǒng)計模型，以基于先驗知識的預測描述網(wǎng)絡行為的不確定性，代替固定參數(shù)的方法。同時降低了網(wǎng)絡生存周期內的控制開銷。本發(fā)明對近場通信中節(jié)點接入隨機性和網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化的控制難度得以大幅度降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明中近場通信的應用場景示意圖；
[0038]圖2是本發(fā)明中近場通信干擾情況的示意圖；
[0039]圖3是本發(fā)明在實例仿真中控制后性能示意圖；

【具體實施方式】
[0040]【具體實施方式】一、用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法，在近場通信網(wǎng)絡中，它由以下步驟實現(xiàn):
[0041]步驟一、初始化:主系統(tǒng)獲得每個節(jié)點(包括一級和二級節(jié)點)的二維坐標信息和每個節(jié)點上報的信道狀態(tài)信息；
[0042]由于一級用戶所使用的頻點是確定的，每個二級節(jié)點可以同一級節(jié)點及其頻點之間建立確定性的映射關系主要受到節(jié)點之間的距離影響；
[0043]初始化之后，對于每個二級節(jié)點，主系統(tǒng)都可以計算其對應的映射關系集合A，集合中的元素就是〃
[0044]步驟二、假設每個節(jié)點的發(fā)射功率恒定，都為系統(tǒng)運行的最大發(fā)生功率，根據(jù)初始化中每個二級節(jié)點使用任意頻點的可能性(映射關系)和節(jié)點上報的在每個頻點上的信道增益情況，計算二級節(jié)點對一級節(jié)點造成的平均干擾和一級節(jié)點對二級節(jié)點造成的干擾情況；
[0045]主系統(tǒng)根據(jù)二級節(jié)點的干擾模型，對變量功率求導，獲得其干擾程度的數(shù)學描述，設定閾值，當導數(shù)大于等于閾值時，則執(zhí)行步驟二一 ；當導數(shù)小于閾值時，則執(zhí)行步驟-*-* ;
[0046]步驟二一、剔除其對應的二級節(jié)點，并對其進行記錄，主系統(tǒng)在一定范圍內不在考慮允許其接入系統(tǒng)，并執(zhí)行步驟三；
[0047]步驟二二、將其對應的二級節(jié)點納入可允許接入用戶集合，并執(zhí)行步驟三；
[0048]步驟三、主系統(tǒng)對已經(jīng)允許接入的二級用戶建立優(yōu)化模型，目標是使一級和二級用戶的接收性能整體最佳，約束條件是必須使每個節(jié)點都滿足最小信干噪比要求和最大發(fā)射功率要求；
[0049]步驟四、為了采用內點法求解上述問題，需要將目標函數(shù)和約束條件轉化為標準凸優(yōu)化形式，即多項式求和形式；
[0050]根絕內點法的運算流程，首先需要找到可行域內的一個初始解，為了加速得到一個可行的初始解，引入松弛因子，簡化目標函數(shù)。
[0051]步驟五、采用迭代的方式，逐漸尋求最優(yōu)解，計算最近兩次迭代結果的差值。如果其絕對值大于等于某個閾值，則執(zhí)行步驟五一；如果其絕對值小于某個閾值，則執(zhí)行步驟五二；
[0052]步驟五一、兩次解相差較大，說搜索過程仍在繼續(xù)，繼續(xù)執(zhí)行步驟五；
[0053]步驟五二、解在一個較小的范圍內變動，已經(jīng)基本找到最優(yōu)解，并執(zhí)行步驟六；
[0054]步驟六、根據(jù)步驟五的結果，對每個節(jié)點的發(fā)射功率進行控制，至此，完成二級用戶接入的功率控制過程。
[0055]本發(fā)明的控制方法包括:初始化階段，接入控制階段和功率控制階段。在初始化階段，主系統(tǒng)完成先驗信息獲取工作，同時對數(shù)據(jù)進行處理得到所需的映射關系集合，最后預測包括一級用戶和二級用戶的系統(tǒng)干擾模型。接入控制階段完成對候選二級用戶集合的篩選工作，原則是剔除掉在預測模型中對以及用戶產(chǎn)生明顯干擾或者不可接受干擾的部分二級用戶，采用的方法是求取導數(shù)，與閾值比較的方法。在功率控制階段，引入松弛因子，簡化數(shù)學模型的求解難度，采用內點法對標準凸優(yōu)化問題進行迭代求解，最后將參數(shù)分配結果發(fā)送給用戶。
[0056]具體實例:一級用戶集合C，元素數(shù)是5，可用頻點集合F，元素與集合C中元素一一對應；候選二級用戶集合D，元素數(shù)是10。
[0057]I)、初始化階段
[0058]計算集合D中元素與集合F中元素的對應關系，公式如下:
-(—T

【權利要求】
1.用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法，其特征是:在存在動態(tài)拓撲變化的區(qū)域性網(wǎng)絡中，該方法由以下步驟實現(xiàn): 步驟一、初始化:主系統(tǒng)獲得每個節(jié)點的二維坐標信息和每個節(jié)點上報的信道狀態(tài)信息；所述節(jié)點包括全部一級節(jié)點和二級節(jié)點； 步驟二、在每個節(jié)點的發(fā)射功率恒定，且均為系統(tǒng)運行的最大發(fā)生功率的情況下，根據(jù)初始化中每個二級節(jié)點使用任意頻點的映射關系和節(jié)點上報的在每個頻點上的信道增益情況，計算二級節(jié)點對一級節(jié)點造成的平均干擾和一級節(jié)點對二級節(jié)點造成的干擾情況，所述干擾情況的衡量指標是節(jié)點設備接收信號的信干噪聲比； 主系統(tǒng)根據(jù)每個二級節(jié)點的干擾情況，對變量功率求導，并判斷導數(shù)是否大于或等于預設的一號閾值，如果判斷結果為是，則執(zhí)行步驟二一 ；如果判斷結果為否，則執(zhí)行步驟二二 ；所述變量功率是主系統(tǒng)需要求解計算的未知變量，即:一級節(jié)點或二級節(jié)點的當前發(fā)射功率值； 步驟二一、剔除該導數(shù)對應的二級節(jié)點，并對其進行記錄，主系統(tǒng)在預設范圍內不在考慮允許這些二級節(jié)點接入系統(tǒng)，并執(zhí)行步驟三； 步驟二二、將該導數(shù)對應的二級節(jié)點納入可允許接入用戶集合，并執(zhí)行步驟三； 步驟三、主系統(tǒng)對已經(jīng)允許接入的二級用戶建立優(yōu)化模型，所述優(yōu)化模型的約束條件是使每個節(jié)點都滿足最小信干噪比要求和最大發(fā)射功率要求； 步驟四、將目標函數(shù)和約束條件轉化為標準凸優(yōu)化形式，即多項式求和形式，并采用內點法求解；所述目標函數(shù)為系統(tǒng)的吞吐量； 步驟五、采用迭代的方式，尋求最優(yōu)解，并判斷最近兩次迭代結果的差值的絕對值是否大于或等于預設置的二號閾值，如果判斷結果為是，則執(zhí)行步驟五一；如果判斷結果為否，則執(zhí)行步驟五二； 步驟五一、返回執(zhí)行步驟五； 步驟五二、則已找到最優(yōu)解，并執(zhí)行步驟六； 步驟六、根據(jù)步驟五二獲得的最優(yōu)解，對每個節(jié)點的發(fā)射功率進行控制，完成二級用戶接入的功率控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法，其特征在于每個二級節(jié)點具有頻譜感知能力，能夠根據(jù)周圍的環(huán)境和通信目標協(xié)作完成通信過程。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法，其特征在于步驟一中對每個二級節(jié)點進行初始化過程具體為: 每個二級節(jié)點不預先分配確定的頻點，每個二級節(jié)點均監(jiān)聽信道狀態(tài)，如果信道出現(xiàn)可用頻段，則執(zhí)行步驟一一；如果沒有出現(xiàn)可用頻段，則執(zhí)行步驟一二 ； 步驟一一、每個二級節(jié)點獲得可用頻點的集合，并將該可用頻點的集合通知與之通信的節(jié)點，與之通信的節(jié)點判斷雙方的可用頻點集合的交集是否為空，如果判斷結果為否，則執(zhí)行步驟二 ；如果判斷結果為是，則執(zhí)行步驟一二 ； 步驟一二、通信雙方?jīng)]有找到適合通信的空白頻段，則隨機選擇較優(yōu)的信道，并在通信的過程中間斷檢測信道狀態(tài)，并執(zhí)行步驟二。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于近場通信或D2D通信的二級用戶動態(tài)功率控制方法，其特征在于將目標函數(shù)和約束條件轉化為標準凸優(yōu)化形式，即多項式求和形式，并采用內點法求解的具體方法為: 首先需要找到可行域內的一個初始解，并引入松弛因子，將目標函數(shù)變?yōu)樽钚』沙谝蜃拥那蠛偷姆绞讲⑶蠼狻?br> 【文檔編號】H04W52/04GK104135759SQ201410409836
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權日:2014年8月19日
【發(fā)明者】李卓明, 王鵬, 沙學軍, 毛圣歌, 劉宇琦, 吳瑋, 吳宣利 申請人:哈爾濱工業(yè)大學