本發(fā)明涉及一種資源分配方法，尤其涉及一種基于用戶中斷概率的信道分配和功率控制方法，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著移動(dòng)寬帶用戶、智能手機(jī)以及互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的逐年激增，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)快速增長趨勢。有別于過去以宏基站控制為主并以Wi-Fi接入點(diǎn)為輔來提供移動(dòng)流量的發(fā)展模式，下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展則朝著對頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、節(jié)能省電、應(yīng)用服務(wù)等方面進(jìn)行改善，為消費(fèi)者提供最佳用戶體驗(yàn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。而新一代D2D通信技術(shù)的出現(xiàn)正好可以滿足這樣的趨勢和要求，通過對鄰近設(shè)備的搜索與直接通信技術(shù)，能夠滿足消費(fèi)者的各種需求。

D2D通信指終端與終端進(jìn)行直接通信。當(dāng)需要進(jìn)行通信的雙方之間的距離相對與到基站的距離小很多，那么它們可以在蜂窩基站的控制下建立直連的通信，用戶的數(shù)據(jù)不需要通過基站轉(zhuǎn)發(fā)，而是直接發(fā)送給接收端。相比于傳統(tǒng)的蜂窩通信方式，D2D通信主要有以下幾種增益：

1.近場增益。距離較近的D2D通信雙方可以在蜂窩系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)低發(fā)送功率的直連通信，降低用戶的功耗。

2.單跳增益。與通過蜂窩基站進(jìn)行兩跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不同，D2D通信僅需要一跳來完成數(shù)據(jù)傳輸，因此它僅需占用一條信道來實(shí)現(xiàn)通信，從而節(jié)約了信道資源。

3.復(fù)用增益。D2D通信的近距離特性使D2D通信可以使用較低的發(fā)送功率，因此D2D通信可以在干擾可控條件下復(fù)用蜂窩用戶的無線資源，通過空間復(fù)用來提高頻譜復(fù)用率。

因此，在蜂窩系統(tǒng)中引入D2D通信僅需要花費(fèi)一定信令對D2D通信進(jìn)行控制，而不需要負(fù)責(zé)雙方之間的數(shù)據(jù)傳輸，因此減少了負(fù)載。在現(xiàn)有技術(shù)中，也有其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端的直連通信，又如藍(lán)牙、Wi-Fi等。然而，蜂窩系統(tǒng)控制下的D2D通信同樣擁有優(yōu)勢。首先，工作于授權(quán)頻帶上的D2D通信可以享受到比非授權(quán)頻帶更好的服務(wù)質(zhì)量。其次，蜂窩系統(tǒng)下的D2D通信的典型設(shè)計(jì)距離至少為幾十米的量級(jí)，而藍(lán)牙和Wi-Fi的典型距離通常低很多。最后，蜂窩系統(tǒng)下的D2D通信受蜂窩系統(tǒng)的控制和保護(hù)，相比于公共頻譜上的直連通信具有更高的安全性和可靠性。

蜂窩系統(tǒng)在分配D2D通信資源時(shí)，可分配專用的、與小區(qū)用戶正交的或復(fù)用小區(qū)內(nèi)用戶的頻譜資源。當(dāng)小區(qū)負(fù)載較低，在滿足小區(qū)用戶通信后有剩余的頻譜資源時(shí)，可分配正交頻譜資源給D2D用戶，二者不會(huì)相互干擾。當(dāng)小區(qū)負(fù)載較高時(shí)，D2D用戶復(fù)用小區(qū)用戶的資源。此時(shí)共享同一資源的蜂窩用戶和D2D用戶會(huì)相互干擾，基站通過控制D2D通信的分配信道和發(fā)送功率來控制干擾。本發(fā)明在保障活躍蜂窩用戶和D2D用戶的中斷概率要求、D2D用戶的發(fā)送功率受限的條件下，構(gòu)建了以D2D用戶能效最大化為目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)。根據(jù)活躍蜂窩用戶和D2D用戶的中斷概率，為D2D用戶選擇不同的通信模式(直通或利用中繼進(jìn)行通信)，利用匈牙利算法為各D2D用戶分配合適的信道，并對D2D用戶的發(fā)送功率進(jìn)行優(yōu)化分配。該方法具有減少用戶能耗開銷，提高D2D用戶總能效的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種基于用戶中斷概率的信道分配和功率控制方法，為D2D用戶分配合理的信道，降低蜂窩用戶與D2D用戶間的干擾；并通過優(yōu)化D2D用戶的發(fā)送功率，節(jié)約用戶能量，提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的系統(tǒng)性能。

技術(shù)方案：本發(fā)明的D2D網(wǎng)絡(luò)中基于用戶中斷概率的信道分配和功率控制方法，包括以下步驟：

1)分別用C_a＝{1,2,...,M}和Ω＝{1,2,...,N}表示活躍蜂窩用戶集和D2D用戶集，M為活躍蜂窩用戶數(shù)，N為D2D對用戶數(shù)，K表示系統(tǒng)中的空閑蜂窩用戶數(shù)，且系統(tǒng)中的信道數(shù)也為M，定義S表示D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的信道集；

2)計(jì)算活躍蜂窩用戶i(1≤i≤M)和D2D用戶j(1≤j≤N)復(fù)用活躍蜂窩用戶i信道的中斷概率和式中P_C為活躍蜂窩用戶發(fā)送功率，表示D2D用戶j復(fù)用活躍蜂窩用戶i信道的發(fā)送功率，g_i,B為活躍蜂窩用戶i與基站間的信道增益，g_j,B表示D2D用戶j與基站間的信道增益，g_j為D2D用戶j的信道增益，g_i,j表示蜂窩用戶i和D2D用戶j之間的信道增益，η和δ分別表示活躍蜂窩用戶和D2D用戶的信干噪比閾值，N₀表示噪聲功率；

3)根據(jù)活躍蜂窩用戶i和D2D用戶j的中斷概率要求和若滿足要求，將D2D用戶j歸入集合Ω₂中，將活躍蜂窩用戶i歸入集合S_j中，若不滿足要求，為D2D用戶j選擇合適的中繼k(1≤k≤K)，在滿足要求的條件下使D2D用戶中斷概率最小化，將D2D用戶j歸入集合Ω₃中，將被用戶j和中繼k復(fù)用的活躍蜂窩用戶i₁和i₂歸入集合S_j中，若沒有滿足要求的中繼k，此時(shí)的D2D用戶j不進(jìn)行通信，其中Ω₂和Ω₃分別為直接通信和利用中繼通信的D2D用戶集，S_j表示D2D用戶j的候選活躍蜂窩用戶信道集，ξ和ζ分別表示活躍蜂窩用戶和D2D用戶的中斷概率閾值；

4)根據(jù)公式和計(jì)算D2D用戶j∈Ω₂和j∈Ω₃的能效，其中，為D2D用戶x復(fù)用活躍蜂窩用戶y信道時(shí)的信干噪比，表示D2D用戶x復(fù)用活躍蜂窩用戶y信道時(shí)的發(fā)送功率，P_cir表示平均電路損耗；

5)利用匈牙利算法為各D2D用戶j∈Ω₂和j∈Ω₃分配信道，使D2D用戶的能效最大化；

6)初始化l_j＝0,u_j＝100j∈Ω₂orΩ₃以及差錯(cuò)容限ε＝10^-6；

7)根據(jù)所述步驟5)中得到的D2D用戶j∈Ω₂和j∈Ω₃復(fù)用活躍蜂窩用戶i的信道，對于D2D用戶j∈Ω₂orΩ₃，當(dāng)滿足條件|u_j-l_j|＞ε時(shí)，重復(fù)執(zhí)行步驟8)，當(dāng)條件不滿足時(shí)，執(zhí)行步驟9)；

8)將t_j賦值為t_j＝(u_j+l_j)/2，基于D2D用戶j的發(fā)送功率對其能效進(jìn)行求導(dǎo)如果Δ_j＞0，l_j＝t_j，否則u_j＝t_j；

9)D2D用戶j的最優(yōu)發(fā)送功率P_j*＝min((l_j+u_j)/2,P_max)，其中，P_max為D2D用戶的最大發(fā)送功率；

本發(fā)明優(yōu)化蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的信道分配和功率控制，根據(jù)活躍蜂窩用戶和D2D用戶的最小中斷概率要求，通過構(gòu)建以D2D用戶能效最大化為目標(biāo)的優(yōu)化模型。根據(jù)D2D用戶的中斷概率為其選擇合適的通信模式，采用匈牙利算法為D2D用戶分配信道，并優(yōu)化各D2D用戶的發(fā)送功率，使D2D用戶的能效最大化。本發(fā)明能夠降低蜂窩用戶與D2D用戶之間的干擾，減少蜂窩用戶和D2D用戶的能量開銷，提高D2D用戶能效和網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率。

有益效果

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.不同于傳統(tǒng)的D2D通信方法，本發(fā)明為D2D通信選擇合適的通信模式(D2D用戶直連通信或利用中斷進(jìn)行通信)，降低活躍蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾，提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能。

2.本發(fā)明方法以D2D用戶能效最大化為優(yōu)化目標(biāo)，對D2D用戶的發(fā)送功率進(jìn)行最優(yōu)分配，與等功率分配方法相比，能量分配更加優(yōu)化合理，避免蜂窩用戶和D2D用戶的能量浪費(fèi)。

3.本發(fā)明的信道分配和功率控制方法在保障活躍蜂窩用戶和D2D用戶的最小中斷概率條件下，可以提高一定活躍蜂窩用戶數(shù)下的D2D用戶能效，降低用戶的功耗，從而為用戶提供更好地服務(wù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)模型示意圖。

圖3為不同資源分配方案下的D2D用戶能效比較圖。

圖4為隨著用戶電路損耗增大的D2D用戶能效變化圖。

具體實(shí)施方法

下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

本發(fā)明的共享蜂窩系統(tǒng)上行鏈路資源的D2D通信模型如附圖2所示，它由一個(gè)位于小區(qū)中心的基站，隨機(jī)分布于小區(qū)的M個(gè)活躍蜂窩用戶、K個(gè)空閑蜂窩用戶和N對D2D用戶組成，并分別用C_a＝{1,2,...,M}，C_i＝{1,2,...,K}和Ω＝{1,2,...,N}表示活躍蜂窩用戶集，空閑蜂窩用戶集和D2D用戶集。M個(gè)活躍蜂窩用戶占用M個(gè)信道進(jìn)行通信，D2D用戶復(fù)用已經(jīng)分配給活躍窩用戶的M個(gè)信道，由附圖2可知，D2D用戶有兩種不同的通信模式，即直接通信模式(Mode2)和兩跳通信模式(Mode3)，其中的兩跳中繼是由空閑蜂窩用戶中選取產(chǎn)生?；钴S蜂窩用戶和空閑蜂窩用戶的發(fā)送功率分別為常數(shù)P_C和零，定義包括N×M個(gè)變量的數(shù)組，用于存放D2D用戶可能復(fù)用不同活躍蜂窩用戶的發(fā)送功率，并初始化數(shù)組P_D＝O_N×K。定義S為D2D用戶復(fù)用活躍蜂窩用戶信道集。

對于以Mode2進(jìn)行通信的D2D用戶j，D2D用戶j共享活躍蜂窩用戶i的信道。躍蜂窩用戶i向基站發(fā)送信號(hào)D2D用戶j發(fā)送端的發(fā)送信號(hào)為則基站接收到蜂窩用戶i的信號(hào)與D2D用戶j的接收信號(hào)分別為：

其中P_C和分別是活躍蜂窩用戶i的發(fā)送功率和D2D用戶j復(fù)用活躍蜂窩用戶i時(shí)的發(fā)送功率。g_i,B表示蜂窩用戶i與基站間的信道增益，g_i,B可以表示為g_i，B=κ·d_i，B^-α·|h₀|²，式中，d_i,B是蜂窩用戶i發(fā)送端到基站之間的距離，κ和α分別是信道衰落常數(shù)和信道衰落因子，h₀服從均值為0方差為1的復(fù)指數(shù)分布。同樣的，可以得到D2D用戶j發(fā)送端與接收端的信道增益g_j，D2D用戶j與基站間的信道增益g_j,B，D2D用戶j與被其復(fù)用信道的活躍蜂窩用戶i之間的信道增益h_i,j。n₁和n₂分別是蜂窩用戶到基站鏈路和D2D接收端鏈路上的加性高斯白噪聲。不失一般性，假設(shè)所有通信鏈路都具有相同的噪聲功率N₀。

根據(jù)和分別計(jì)算活躍蜂窩用戶i(1≤i≤M)和D2D用戶j(1≤j≤N)的中斷概率，其中，η和δ分別為活躍蜂窩用戶和D2D用戶的信干噪比閾值。因此時(shí)還未對D2D用戶的發(fā)送功率進(jìn)行優(yōu)化，故此時(shí)將賦值為

如果D2D用戶j與活躍蜂窩用戶i的中斷概率滿足條件和則將D2D用戶j歸入集合Ω₂，并將活躍蜂窩用戶i歸入集合S_j，其中Ω₂為直連通信的D2D用戶集，S_j為D2D用戶j的候選蜂窩用戶集；如果D2D用戶j不滿足條件(*)，則為D2D用戶j選擇合適的中繼k(1≤k≤K)輔助通信，如果D2D用戶j和中繼k都滿足條件(*)，則將D2D用戶j歸入集合Ω₃，并將分別被D2D用戶j和中斷k復(fù)用的活躍蜂窩用戶信道歸入集合S_j，其中中繼k為中斷概率最小的中繼用戶，Ω₃表示利用中繼通信的D2D用戶集；如果所有的中繼都不滿足條件(*)，則此時(shí)的D2D用戶j不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。則D2D用戶j∈Ω₂orΩ₃的能效可以表示為：

其中，x,y的取值分別為y＝2時(shí)x＝j(luò)和y＝3時(shí)x＝j(luò)ork，且j,k分別表示D2D用戶j和中繼用戶k。

本發(fā)明以最大化D2D用戶能效，構(gòu)建以下優(yōu)化目標(biāo)問題：

Subject to:

其中π_i,j是信道選擇因子，π_i,j＝1表示活躍蜂窩用戶i的信道被D2D用戶j復(fù)用，π_i,j＝0則表示活躍蜂窩用戶i的信道未被D2D用戶j復(fù)用。式(5)和(6)分別表示各D2D用戶只能復(fù)用一個(gè)活躍蜂窩用戶信道和每個(gè)活躍蜂窩用戶的信道只能被一個(gè)D2D用戶復(fù)用，式(7)表示各D2D用戶發(fā)送功率受限。

由約束條件可知，該優(yōu)化問題可轉(zhuǎn)化為二分圖的最優(yōu)匹配問題，且與標(biāo)準(zhǔn)的二分圖匹配問題相比，多了對于D2D用戶發(fā)送功率的約束。而且該優(yōu)化問題是非凸的，不能用傳統(tǒng)的方法解決。因此，將該優(yōu)化問題分成兩個(gè)子問題。首先，利用匈牙利算法為D2D用戶分配最優(yōu)信道；然后，優(yōu)化D2D用戶的發(fā)送功率使D2D用戶能效最大化。

標(biāo)準(zhǔn)匈牙利算法是用來求解完成不同任務(wù)的花費(fèi)或時(shí)間最小化問題。而本發(fā)明是最大化D2D用戶的能效，因此用一充分大的數(shù)減去式(4)，將原問題轉(zhuǎn)化為最小化優(yōu)化問題，且該問題的最優(yōu)解就是原優(yōu)化問題的最優(yōu)解。在利用匈牙利算法為D2D用戶分配信道的過程中，由于還未對D2D用戶的發(fā)送功率進(jìn)行優(yōu)化處理，故將D2D用戶j的發(fā)送功率賦值為

利用匈牙利算法為D2D用戶完合適的信道之后，原優(yōu)化問題(4)可以簡化為如下最優(yōu)化問題：

Subject to:

在求解優(yōu)化問題(8)之前，先定義一個(gè)函數(shù)其中b是一個(gè)常數(shù)。并簡單分析下函數(shù)f(a,x)的性能。

基于變量x對函數(shù)f(a,x)求導(dǎo)：

由式(10)可知，恒大于零，故只需要基于變量x對g(a,x)求導(dǎo)：

由式(11)知，所以函數(shù)g(a,x)在區(qū)間x∈(0,+∞)上單調(diào)遞減，求函數(shù)g(a,x)在區(qū)間端點(diǎn)的函數(shù)值：

故在區(qū)間(0,+∞)必定存在x₀使函數(shù)g(a,x₀)＝0。即在區(qū)間(0,x₀)，g(a,x₀)＞0，

在區(qū)間(x₀,+∞)內(nèi)，g(a,x₀)＜0。則f(a,x)的導(dǎo)函數(shù)在區(qū)間(0,x'₀)內(nèi)大于零，在區(qū)間(x'₀,+∞)內(nèi)小于零；因此原函數(shù)f(a,x)在區(qū)間(0,x'₀)內(nèi)單調(diào)遞增，在區(qū)間(x'₀,+∞)內(nèi)單調(diào)遞減。說明函數(shù)f(a,x)是上凸函數(shù)，有極大值。

定義可將D2D用戶j∈Ω₂orΩ₃的能效轉(zhuǎn)化成函數(shù)f(a,x)的形式：

此處利用二分法即可解出D2D用戶j的最優(yōu)發(fā)送功率當(dāng)x＝j(luò)∈Ω₂時(shí)，y＝i而當(dāng)x＝j(luò),k∈Ω₃時(shí)，y＝i₁,i₂。

本發(fā)明基于用戶中斷概率的資源分配方法的具體流程如附圖1所示。

綜上所述，本發(fā)明在考慮活躍蜂窩用戶和D2D用戶的中斷概率要求，各D2D用戶功率受限的條件下，以最大化D2D用戶能效為優(yōu)化目標(biāo)，為D2D用戶分配合適的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并優(yōu)化D2D用戶的發(fā)送功率。如附圖3所示是本發(fā)明提出的信道分配和功率控制方法與文獻(xiàn)[10]的資源分配方法的D2D用戶能效對比圖。從圖中可以看出本發(fā)明方法可以獲得更好的系統(tǒng)性能；如附圖4所示是本發(fā)明提出的隨著用戶電路損耗增大時(shí)的D2D用戶總能效，并與其他資源分配方法相比較的效果圖，從圖中可以看出本方法可以進(jìn)一步提高D2D用戶容量。