本發(fā)明涉及一種d2d通信中能效最大化的通信技術(shù)，具體而言是一種在有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的上行場(chǎng)景中，通過(guò)分布式優(yōu)化蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率、d2d用戶(hù)發(fā)射功率，在保證蜂窩用戶(hù)最低服務(wù)質(zhì)量要求和d2d用戶(hù)與蜂窩用戶(hù)的功率限制的情況下最大化d2d用戶(hù)的全局能源效率的快速優(yōu)化算法，屬于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

d2d通信是指鄰近用戶(hù)之間不通過(guò)基站轉(zhuǎn)接，直接利用蜂窩網(wǎng)資源實(shí)現(xiàn)通信的技術(shù)。d2d技術(shù)有望降低基站負(fù)載，提高覆蓋率，降低能效，提高蜂窩頻譜利用率。已有大量的研究表明，基于蜂窩網(wǎng)的d2d通信能夠在局部區(qū)域內(nèi)提供更穩(wěn)定、更高速的無(wú)線服務(wù)。d2d技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，比如在一個(gè)大型的集會(huì)上，主辦方向所有的與會(huì)人員發(fā)放了一個(gè)資源地址以讓人們資助獲取電子資源。若所有的人同時(shí)通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)向該站點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求，即使網(wǎng)站的服務(wù)器能夠經(jīng)受的住如此高并發(fā)的訪問(wèn)，承載這一切的蜂窩網(wǎng)絡(luò)也會(huì)由于頻譜資源的有限造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。此時(shí)，如果引入d2d共享技術(shù)，已經(jīng)下載了資源的設(shè)備將其通過(guò)d2d網(wǎng)絡(luò)共享給鄰近的其他用戶(hù)設(shè)備，將大大降低網(wǎng)絡(luò)的擁堵時(shí)間，提高用戶(hù)的使用體驗(yàn)。

由于d2d用戶(hù)和蜂窩用戶(hù)共用頻譜資源，d2d用戶(hù)在利用蜂窩網(wǎng)資源的同時(shí)，也必然會(huì)對(duì)蜂窩用戶(hù)產(chǎn)生干擾，反之亦然。因而d2d技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮的關(guān)鍵在于干擾的有效管理，這其中主要包括d2d用戶(hù)對(duì)蜂窩頻帶的分配，d2d用戶(hù)和基站的發(fā)射功率控制。有效的控制方法能夠在保證蜂窩用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量要求下最大化d2d用戶(hù)的全局能源效率，從而在用戶(hù)設(shè)備發(fā)射功率有限的情況下，提高能源的利用效率，打造綠色的通信網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)的集中式算法中，由所有的d2d設(shè)備和蜂窩用戶(hù)測(cè)量并收集信道信息和噪聲信息，再傳送至基站處進(jìn)行集中式優(yōu)化，但這種方法的信息交互成本太高，并且隨著d2d用戶(hù)相對(duì)位置的改變帶來(lái)的信道條件變化，導(dǎo)致重復(fù)計(jì)算和效率低下?，F(xiàn)在更提倡一種分布式優(yōu)化與少量的信息交互并存的方法：首先d2d設(shè)備通過(guò)對(duì)周邊無(wú)線環(huán)境進(jìn)行全面感知以獲取干擾信息、信道狀態(tài)信息及蜂窩系統(tǒng)等相關(guān)信息，然后以自主的方式進(jìn)行無(wú)線資源管理，再輔以基站獲取全局信息，通過(guò)少量信息交互以實(shí)現(xiàn)分布式控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明目的在于提供一種d2d通信中能效最大化的功率分配方法，通過(guò)分布式優(yōu)化蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率、d2d用戶(hù)發(fā)射功率，在保證蜂窩用戶(hù)最低服務(wù)質(zhì)量要求和d2d用戶(hù)與蜂窩用戶(hù)的功率限制的情況下最大化d2d用戶(hù)的全局能源效率。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種d2d通信中能效最大化的功率分配方法，通過(guò)分布式優(yōu)化蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率、d2d用戶(hù)發(fā)射功率，在保證蜂窩用戶(hù)最低服務(wù)質(zhì)量要求和d2d用戶(hù)與蜂窩用戶(hù)的功率限制的情況下最大化d2d用戶(hù)的全局能源效率。所述方法包括以下步驟：

(1)基站設(shè)定d2d通信設(shè)備的初始發(fā)射功率矩陣z∈r^n×k，n、k分別是d2d用戶(hù)對(duì)總數(shù)和可用載波總數(shù)；

(2)根據(jù)z計(jì)算逼近系數(shù)矩陣a、b，其中a,b∈r^n×k并且

其中，是第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端在第k個(gè)載波上的信道增益,是第j個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端在第k個(gè)載波上的等效信道增益,是第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端在載波k上接收到等效噪聲功率；

(3)基站將逼近系數(shù)矩陣a、b以及等效信道增益和噪聲廣播給各d2d用戶(hù)對(duì)，各d2d用戶(hù)對(duì)以和功率不超過(guò)最大限制為條件基于拉格朗日乘子法迭代計(jì)算發(fā)射功率，第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端在載波k上的發(fā)射功率為：

其中，是從第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到基站在載波k上的信道增益，是第k個(gè)蜂窩用戶(hù)通過(guò)載波k到達(dá)基站的信道增益，表示第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端在載波k上的最大發(fā)射功率，表示數(shù)在空間上的投影，分別表示λⁿ，μⁿ的第i，k個(gè)分量，λⁿ，μⁿ分別表示第n次迭代時(shí)，拉格朗日乘子λ和μ的值；

(4)基站獲得d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射功率矩陣p后與矩陣z相比判斷是否收斂，若未收斂令z＝p，轉(zhuǎn)到步驟(2)，若收斂則由基站計(jì)算各蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率。

進(jìn)一步地，步驟(2)中的等效信道增益和等效噪聲按照如下公式計(jì)算：

其中，ρk是第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量限制，是第j個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到第i個(gè)用戶(hù)對(duì)的接收端在第k個(gè)載波上的信道增益，是從第k個(gè)蜂窩用戶(hù)通過(guò)載波k到達(dá)第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端的信道增益；是第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端在載波k上接收到的噪聲功率，是基站在載波k上接收到的噪聲功率。

進(jìn)一步地，步驟(3)中的拉格朗日乘子λ和μ的值按照如下公式更新：

其中，是第n次迭代的步長(zhǎng)，是第i個(gè)d2d設(shè)備發(fā)射端最大和功率限制，是第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的最大發(fā)射功率限制，[.]+表示在正實(shí)數(shù)空間上的投影，ρk是第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量限制，是從第j個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到基站在載波k上的信道增益,是基站在載波k上接收到的噪聲功率。

進(jìn)一步地，步驟(4)中第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率按照如下公式計(jì)算：

其中，pjk是第j個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端在載波k上的發(fā)射功率，是從第j個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到基站在載波k上的信道增益,是基站在載波k上接收到的噪聲功率，ρk是第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量限制。

有益效果：本發(fā)明提供的一種d2d通信中能效最大化的功率分配方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：1、本發(fā)明可應(yīng)用于多d2d用戶(hù)多信道的場(chǎng)景，即任何d2d用戶(hù)都可以使用所有信道，并且任意信道可以同時(shí)被所有d2d用戶(hù)占用，具有通用性；2、本發(fā)明用閉式解表示d2d用戶(hù)發(fā)射功率，用凸近似的方法將非凸問(wèn)題近似為可求解的凸優(yōu)化問(wèn)題，能夠快速收斂到凸問(wèn)題的優(yōu)化解；3、本發(fā)明采用功率分配方案得到較優(yōu)的功率傳輸方案；4、本發(fā)明所提出的功率分配方案能得到較高的d2d通信全局能源效率；5、本發(fā)明具有收斂速度快，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)果精度高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為基于蜂窩網(wǎng)下行鏈路的d2d通信技術(shù)系統(tǒng)干擾示意圖，其中基站在坐標(biāo)(0,0)處；

圖2為蜂窩用戶(hù)和d2d用戶(hù)在蜂窩中隨機(jī)分布的位置示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例方法的簡(jiǎn)要流程圖；

圖4為本發(fā)明的性能示意圖。

具體實(shí)施方式

基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的d2d用戶(hù)通信的全局能源效率優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的非凸非線性的優(yōu)化問(wèn)題，本發(fā)明針對(duì)的蜂窩用戶(hù)為上行多信道，提出的分布式算法可以應(yīng)用于蜂窩用戶(hù)具有和功率限制、獨(dú)立功率限制，d2d用戶(hù)具有和功率限制、獨(dú)立功率限制和蜂窩用戶(hù)具有qos限制等多種情況下，快速分布式優(yōu)化基站的發(fā)射功率q和d2d用戶(hù)發(fā)射功率p。采用本發(fā)明提出的算法得到的發(fā)射功率能夠在保障蜂窩用戶(hù)的通信速率情況下，最大化所有d2d用戶(hù)在所有蜂窩頻帶上的全局能源效率。下面對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

設(shè)蜂窩系統(tǒng)共有k個(gè)蜂窩用戶(hù)和n對(duì)d2d用戶(hù)，k個(gè)蜂窩用戶(hù)對(duì)應(yīng)k個(gè)蜂窩頻帶，蜂窩用戶(hù)k對(duì)應(yīng)蜂窩頻帶k；信道參數(shù)，及干擾參數(shù)說(shuō)明如下：

從第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到基站在載波k上的信道增益，占用載波k的蜂窩用戶(hù)也標(biāo)記為k；

第k個(gè)蜂窩用戶(hù)通過(guò)載波k到達(dá)基站的信道增益

第j個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到第i個(gè)用戶(hù)對(duì)的接收端在第k個(gè)載波上的信道增益；

從第k個(gè)蜂窩用戶(hù)通過(guò)載波k到達(dá)第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端的信道增益；

第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端在載波k上接收到的噪聲功率；

基站在載波k上接收到的噪聲功率。

進(jìn)一步定義如下參數(shù)：

q表示蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率向量，q＝[q1,q2,…,qk,…,qk]，qk表示蜂窩用戶(hù)k的發(fā)射功率；

p表示d2d用戶(hù)發(fā)射功率向量，p＝[p11,…,p1k；p21,…,p2k；…；pn1,…,pnk]，pik表示d2d用戶(hù)i在蜂窩頻帶k上的發(fā)射功率。

ρk表示蜂窩用戶(hù)k的服務(wù)質(zhì)量要求，即最低傳輸速率；

表示第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端在載波k上的最大發(fā)射功率；

表示第i個(gè)d2d設(shè)備發(fā)射端最大和功率限制；

pi,表示設(shè)備i除去射頻功率以外，發(fā)射端和接收端正常運(yùn)行所需功率之和；

表示第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的最大發(fā)射功率限制；

上述參數(shù)中，可由基站的信道監(jiān)測(cè)獲??；可由d2d用戶(hù)對(duì)的接收端通過(guò)信道監(jiān)測(cè)獲取，并根據(jù)需要傳遞給基站。ρk可由基站給定，是d2d用戶(hù)對(duì)i發(fā)射端的物理屬性，是蜂窩用戶(hù)k的物理屬性，pi,c是d2d用戶(hù)對(duì)i的物理屬性，可根據(jù)需要交互給基站。

如圖1所示，蜂窩用戶(hù)k的發(fā)射功率qk、蜂窩用戶(hù)k的通信速率記為d2d用戶(hù)i在蜂窩頻帶k上的通信速率記為其中，

在該系統(tǒng)中，我們的優(yōu)化目標(biāo)為最大化網(wǎng)絡(luò)中的所有d2d用戶(hù)的全局能源效率，即由于蜂窩網(wǎng)中有多個(gè)用戶(hù)，因此對(duì)每個(gè)蜂窩用戶(hù)考慮最低服務(wù)質(zhì)量要求對(duì)于上行鏈路，蜂窩用戶(hù)k的最大發(fā)射功率限制為d2d用戶(hù)i在蜂窩頻帶k上的最大發(fā)射功率限制為d2d用戶(hù)對(duì)i發(fā)射端的和功率限制為

在本實(shí)施例中個(gè)，設(shè)蜂窩半徑為500m，蜂窩頻帶帶寬1mhz，4個(gè)蜂窩用戶(hù)，2對(duì)d2d用戶(hù)。設(shè)置d2d接收機(jī)隨機(jī)分布在距離d2d發(fā)射機(jī)20m以?xún)?nèi)的范圍內(nèi)，上行鏈路蜂窩用戶(hù)的最大發(fā)射功率為30dbm，d2d用戶(hù)發(fā)射端的功率限制設(shè)為20dbm，d2d的和功率限制設(shè)為25dbm，d2d的本地運(yùn)行功率設(shè)置為15dbm，高斯白噪聲功率譜密度為-174dbm，指數(shù)信道衰落指數(shù)為3.5。如圖2所示，蜂窩用戶(hù)和d2d用戶(hù)在蜂窩中隨機(jī)分布示意圖。

對(duì)于圖1所示的上行鏈路情況我，我們采用如下的方式獲得蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率q和d2d用戶(hù)的發(fā)射功率p，并得到對(duì)應(yīng)的所有d2d用戶(hù)的全局能源效率

如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種d2d通信中能效最大化的功率分配方法，包括：

步驟1：基站設(shè)定d2d通信設(shè)備的初始發(fā)射功率矩陣z∈r^n×k，n、k分別是d2d用戶(hù)對(duì)總數(shù)和可用載波總數(shù)，設(shè)定精度∈1＝10^-3以及第一層迭代次數(shù)r＝0。

步驟2：根據(jù)公式

計(jì)算等效信道增益和等效噪聲式中的ρk是第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量限制。而是從第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到基站在載波k上的信道增益，是第k個(gè)蜂窩用戶(hù)通過(guò)載波k到達(dá)基站的信道增益，是第j個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端到第i個(gè)用戶(hù)對(duì)的接收端在第k個(gè)載波上的信道增益，是從第k個(gè)蜂窩用戶(hù)通過(guò)載波k到達(dá)第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端的信道增益；是第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的接收端在載波k上接收到的噪聲功率，是基站在載波k上接收到的噪聲功率。

步驟3：根據(jù)z計(jì)算逼近系數(shù)矩陣a、b，其中a,b∈r^n×k并且

步驟4：基站設(shè)置精度∈2＝10^-3，分?jǐn)?shù)規(guī)劃的乘子θ，初始化θ⁰＝0和第二層迭代次數(shù)t＝0，其中θ^t表示第t次迭代時(shí)θ的值?；緦⑶懊娌襟E中計(jì)算得到的a、b、以及θ廣播給各用戶(hù)。

步驟5：d2d用戶(hù)對(duì)接到基站廣播的信息后開(kāi)始計(jì)算各自的發(fā)射功率，設(shè)置精度∈3＝10^-4和第三層迭代次數(shù)n＝0，初始化拉格朗日乘子λ⁰＝0(λ∈rⁿ)，μ⁰＝0(μ∈r^k)。λⁿ，μⁿ分別表示第n次內(nèi)層迭代時(shí)，拉格朗日乘子λ和μ的值。

步驟6：根據(jù)公式

計(jì)算d2d通信設(shè)備的發(fā)射功率。其中表示第i個(gè)d2d用戶(hù)對(duì)的發(fā)射端在載波k上的最大發(fā)射功率，表示數(shù)在空間上的投影。分別表示λⁿ，μⁿ的第i，k個(gè)分量。

步驟7：n←n+1，按下式更新λ和μ的值

其中，αn＝2/(n+1)是第n次迭代的步長(zhǎng)，是第i個(gè)d2d設(shè)備發(fā)射端最大和功率限制，是第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的最大發(fā)射功率限制。[.]+表示在正實(shí)數(shù)空間上的投影。

步驟8：如果|(λⁿ,μⁿ)-(λ^n-1,μ^n-1)|<∈1，將發(fā)射功率信息反饋給基站轉(zhuǎn)到步驟9，否則轉(zhuǎn)到步驟6。

步驟9：基站判斷如果轉(zhuǎn)到步驟10；否則令t←t+1，按下式更新θ^t，并轉(zhuǎn)到步驟5

其中，pi,c表示設(shè)備i除去射頻功率以外，發(fā)射端和接收端正常運(yùn)行所需功率之和。表示d2d設(shè)備i在蜂窩頻帶k上的可達(dá)通信速率，其完整的表達(dá)式為：

步驟10：如果|-z|>∈3，則令z＝p，r←r+1，轉(zhuǎn)到步驟3；否則輸出結(jié)果p和q，其中q是蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率向量，qk表示第k個(gè)蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率，并且

d2d用戶(hù)只需要計(jì)算自己的發(fā)射功率，蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率由基站最后計(jì)算并傳遞給蜂窩用戶(hù)。對(duì)于蜂窩用戶(hù)來(lái)說(shuō)，根據(jù)計(jì)算公式，ωk是一個(gè)定值，只需要從基站獲取一次即可；是其通信的信道增益，可由基站通過(guò)本身的測(cè)量裝置測(cè)出；盡管看上去很復(fù)雜，但是對(duì)于基站來(lái)說(shuō)均可看成噪聲，同樣可以直接一次測(cè)量得到。對(duì)于d2d用戶(hù)來(lái)說(shuō)，上述過(guò)程顯示了只要交互a、b和少量的控制信息就可以實(shí)現(xiàn)分布式算法。

如圖4所示，采用本發(fā)明所提供的方法可以在20步以?xún)?nèi)收斂，具有較快的速率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。