本發(fā)明屬于無線通訊技術領域，特別涉及一種基于d2d通信的聯合資源分配及功率控制技術。

背景技術：

隨著移動通信技術的發(fā)展，無線通信用戶數量呈爆炸式增長，用戶對數據傳輸速率的要求日益增大，頻譜資源緊缺的問題也日益嚴重。d2d(device-to-device)通信是一種在基站控制下，允許鄰近的終端使用蜂窩資源直接進行通信的新型技術。不同于傳統的通信方式，d2d用戶對通過d2d直通鏈路，其數據傳輸不再經過基站的中繼。d2d通信技術和中繼技術能有效提升蜂窩小區(qū)的頻譜利用率，增加系統的總吞吐量，為用戶帶來更好的通話和上網體驗。因此d2d通信是學術界研究的熱點問題之一。

在傳統的蜂窩通信系統中，兩個終端如果需要進行信息交互，必須先將數據發(fā)送至基站，再由基站轉發(fā)至接收端。而d2d通信是指當兩個終端之間滿足一定要求時，二者可以直接進行通信，不再需要基站的轉發(fā)。相對于傳統的蜂窩通信而言，d2d通信可以帶來三大直觀的好處:

(1)信道增益:相比用戶到基站的鏈路，d2d直通鏈路相對較短，因而路徑損耗較小，信道增益高。當通信雙方的用戶都處在小區(qū)邊緣，或者用戶到基站的鏈路處于深度衰落的狀態(tài)時，信道增益就更加明顯。

(2)跳數增益:通過d2d直通鏈路，數據只需一跳便可以從源節(jié)點傳到目的節(jié)點，而基于傳統的基站中繼鏈路，數據需要兩跳才能從源節(jié)點傳到目的節(jié)點。因此，d2d通信可以節(jié)約大量的傳輸資源。

(3)復用增益:d2d通信鏈路距離較短，d2d通信用戶可以使用較小的發(fā)射功率滿足其qos要求，因而造成的同道干擾也較少。因此d2d通信用戶可以復用與其距離較遠的用戶的資源，而不損害雙方的通信質量，從而提高資源利用效率。

目前關于d2d通信技術的研究范圍十分廣泛，包括d2d通信的相關技術、應用場景、實際應用可能存在的問題(如資源管理,功率控制)等。d2d技術作為imt-advanced(internationalmobiletelecommunications-advanced，高級國際移動通信)系統的關鍵技術，其自身的技術特點和優(yōu)勢，決定了其可以與多種前沿技術相結合，以達到提升通信系統性能的目的。文獻(參見文獻：linx,andrewsj,ghosha,etal.anoverviewof3gppdevice-to-deviceproximityservices[j]communicationsmagazine,ieee,2014,52(4):40-48)介紹了3gpp對d2d通信的一些簡要定義和說明，包括d2d通信的信道模型、無線資源管理等等。文獻(參見文獻：x.huang,fwu,sleng,mliu,“resourcesharingandpowercontrolwithqosprovisioningindevice-to-deviceunderlayingcellularnetworks,”inieee/ciciccc,2016，pp.1–5)中，基于對蜂窩用戶的qos(qualityofservice服務質量)考慮，作者給出了最大化d2d用戶對總吞吐量的算法。

以上研究表明，d2d技術的引入能夠提高系統的頻譜利用率、減輕基站的負擔，合理的資源分配、有效的干擾抑制等技術可以一定程度上解決d2d通信面臨的一些實際問題。但是這些研究大部分都是只考慮蜂窩用戶或者d2d用戶對的qos要求。實際通信場景中對蜂窩用戶和d2d用戶對的qos都有要求，且需要對蜂窩用戶和d2d用戶對的功率進行控制。

技術實現要素：

本發(fā)明為解決上述技術問題，提出了一種基于d2d通信的聯合資源分配和功率控制方法，采用基于gp(geometricprogramming幾何規(guī)劃)的無線資源分配和功率控制算法，將d2d用戶對和蜂窩用戶的qos納入決策相關因素，綜合考慮d2d用戶對和蜂窩用戶的功率限制，求得所有d2d用戶對總速率最大時的功率分配以及資源分配方式。

本發(fā)明采用的技術方案是：一種基于d2d通信的聯合資源分配和功率控制方法，包括：根據模擬的真實上行鏈路通信場景得到第一優(yōu)化問題；通過設定每條信道資源被所有的d2d用戶對復用，將第一優(yōu)化問題轉化為第二優(yōu)化問題；基于幾何規(guī)劃，求解第二優(yōu)化問題得到資源分配結果，并根據資源分配結果將第一優(yōu)化問題轉化為滿足幾何規(guī)劃的第三優(yōu)化問題，對第三優(yōu)化問題進行迭代求解得到各用戶功率與最大化小區(qū)內d2d用戶對速率和。

進一步地，所述模擬的真實上行鏈路通信場景具體為：n個蜂窩用戶與d個d2d用戶對隨機分布在小區(qū)內，令表示蜂窩用戶的集合，表示d2d用戶對的集合；d2d用戶對之間的距離分布于一定范圍內；n個蜂窩用戶隨機分布，且小區(qū)內共有n條信道，每個蜂窩用戶單獨使用一條信道，進而構成一個上行通信網絡場景。

進一步地，所述第一優(yōu)化問題為：以最大化d2d用戶對速率和為目標函數，分別以蜂窩用戶的qos、蜂窩用戶的功率、d2d用戶對的qos、d2d用戶對的功率以及分配指示符的取值為約束條件，得到第一優(yōu)化問題。

更進一步地，所述第一優(yōu)化問題表達式如下：

s.t.

其中，p1表示第一優(yōu)化問題的目標函數，表示第n個蜂窩用戶的信噪比(sinr)，表示第n個蜂窩用戶功率，表示第d個d2d用戶對復用信道n的資源時的信噪比(sinr)，表示第d個d2d用戶對復用信道n的資源時的功率，αn,d表示無線資源分配指示符，αn,d＝1代表d2d用戶對d復用了蜂窩用戶n的資源，αn,d＝0代表d2d用戶對d沒有復用蜂窩用戶n的資源；表示蜂窩用戶需要滿足的的最小信噪比，r^req表示d2d用戶對需要滿足的的最小傳輸速率，表示蜂窩用戶的最大功率，p^max表示d2d用戶對的最大功率。

進一步地，所述第二優(yōu)化問題具體為：設定每條信道資源被所有d2d用戶對復用；以最小化系統功率為目標函數，將第一優(yōu)化問題轉化為第二優(yōu)化問題。

更進一步地，所述第二優(yōu)化問題表達式為：

s.t.

其中，hn,d,b表示蜂窩用戶n對d2d用戶對接收端的增益的歸一化，gn,b表示蜂窩用戶n到基站的增益的歸一化，hn,n,d表示蜂窩用戶n對d2d用戶對接收端的增益的歸一化，hn,d',d表示復用同一信道資源n的d2d用戶對d′發(fā)送端到d2d用戶對d接收端增益的歸一化，表示第d′個d2d用戶對復用信道n的資源時的功率。

進一步地，所述對幾何規(guī)劃問題進行求解得到各用戶功率與最大化小區(qū)內d2d用戶對速率和，具體為：

首先，以下式作為新的d2d用戶對的qos約束表示為：

其中，hn,n,d表示蜂窩用戶n對d2d用戶對接收端的增益的歸一化，hn,d,d表示d2d用戶對的信道增益，hn,d',d表示復用同一信道資源n的d2d用戶對d′發(fā)送端到d2d用戶對d接收端增益的歸一化，表示第d′個d2d用戶對復用信道n的資源時的功率，且d′≠d；un,d,m(p)表示第m項單項式，表示第k-1次迭代的第m項單項式un,d,m(p^(k-1))與第k-1次迭代單項式un,d,m(p^(k-1))求和的比值；p為變量表示第二優(yōu)化問題的解，p^(k-1)表示第k-1次迭代求解幾何規(guī)劃時p的值。

其次，對第二優(yōu)化問題進行求解，得到各d2d用戶對在復用不同信道資源時的功率；

然后，判斷d2d用戶對在復用信道資源時的功率是否大于或等于給定閾值，得到資源分配結果；

再者，根據資源分配結果以及新的d2d用戶對的服務質量約束，并以最小化d2d用戶對速率和倒數為目標函數；將第一優(yōu)化問題轉化為滿足幾何規(guī)劃的第三優(yōu)化問題：

s.t.

最后，通過迭代求解第三優(yōu)化問題，當滿足||p^(k)-p^(k-1)||≤ε時，得到第三優(yōu)化問題的解。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明中采用場景為：一個蜂窩用戶的資源可被多個d2d用戶對復用，一個d2d用戶對可復用多個不同蜂窩用戶的資源，該場景可靠程度較高，并且基于gp的求解方法，簡便易行且高效；在保證蜂窩用戶和d2d用戶對的qos約束以及功率約束的情況下，實現所有d2d速率和的最大化；且本發(fā)明可以有效滿足上行d2d通信網絡中的高速率、低功率的可靠傳輸。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的基于d2d通信的功率控制方法流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例的基于d2d通信的上行鏈路網絡場景示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例的d2d速率和與其他算法的比較的示意圖。

具體實施方式

為便于本領域技術人員理解本發(fā)明的技術內容，下面結合附圖對本發(fā)明內容進一步闡釋。

如圖1所示為本發(fā)明的實施例所采用的網絡場景，模擬的真實上行鏈路通信場景，具體為：n個蜂窩用戶與d對d2d用戶對隨機分布在小區(qū)內，令表示蜂窩用戶的集合，表示d2d用戶對的集合；d2d用戶對之間的距離隨機分布于一定范圍內，該一定范圍為[550]m，n個用戶隨機分布，且系統中共有n條信道，每個用戶單獨使用一條信道，系統中無空閑信道資源，進而構成一個上行通信網絡場景。該場景下存在兩種類型的小區(qū)內干擾，蜂窩用戶和d2d用戶對之間的干擾以及不同d2d用戶對之間的干擾，如圖2虛線所示。保證傳輸質量的同時，在該場景下考慮資源分配和功率控制問題；本實施例中小區(qū)半徑為0.5km，信道帶寬15khz。

d2d復用準則為：每個d2d用戶對可復用多個蜂窩用戶的信道資源且每個蜂窩用戶的資源可被多個d2d用戶對復用。

基于該網絡場景，本申請的技術方案為：一種基于d2d通信的聯合資源分配和功率控制方法，包括：根據模擬的真實上行鏈路通信場景得到第一優(yōu)化問題；通過設定每條信道資源被所有的d2d用戶對復用，將第一優(yōu)化問題轉化為第二優(yōu)化問題；基于幾何規(guī)劃，求解第二優(yōu)化問題得到資源分配結果，并根據資源分配結果將第一優(yōu)化問題轉化為滿足幾何規(guī)劃的第三優(yōu)化問題，對第三優(yōu)化問題進行迭代求解得到各用戶功率與最大化小區(qū)內d2d用戶對速率和。

1、根據模擬的真實上行鏈路通信場景得到第一優(yōu)化問題；具體為：以最大化d2d用戶對速率和為目標函數，分別以蜂窩用戶的qos、蜂窩用戶的功率d2d用戶對的qos、d2d用戶對的功率以及分配指示符αn,d的取值為約束條件，得到第一優(yōu)化問題。

蜂窩用戶的qos即蜂窩用戶的信噪比d2d用戶對的qos即d2d用戶對的速率

第一優(yōu)化問題表達式如下：

s.t.

其中，p1表示第一優(yōu)化問題的目標函數，表示第n個蜂窩用戶的信噪比(sinr，signaltointerferenceplusnoiseratio；信噪比)，表示第n個蜂窩用戶功率，表示第d個d2d用戶對復用信道n的資源時的sinr，表示第d個d2d用戶對復用信道n的資源時的功率，αn,d表示無線資源分配指示符，αn,d＝1代表d2d用戶對d復用了蜂窩用戶n的資源，αn,d＝0代表d2d用戶對d沒有復用蜂窩用戶n的資源；表示蜂窩用戶需要滿足的的最小信噪比，r^req表示d2d用戶對需要滿足的的最小傳輸速率，表示蜂窩用戶的最大功率，p^max表示d2d用戶對的最大功率。p^max＝24dbm，是隨機分布于[014]db，γ^req＝0.03mbps。

每個蜂窩用戶的qos，即的計算式為：

其中，gn,b表示蜂窩用戶n到基站的增益g'n,b的歸一化，hn,d,b表示蜂窩用戶n對d2d用戶對接收端的增益h'n,d,b的歸一化。

每個d2d用戶對的qos為：

的計算式為：

其中，hn,n,d表示蜂窩用戶n對d2d用戶對接收端的增益h'n,n,d的歸一化，hn,d,d表示d2d用戶對的信道增益，hn,d',d表示復用同一信道資源n的d2d用戶對d′發(fā)送端到d2d用戶對d接收端增益h'n,d',d的歸一化，表示第d′個d2d用戶對復用信道n的資源時的功率，αn,d'表示第d′個d2d用戶對是否復用了蜂窩用戶n的信道資源；且d′≠d。

2、設定每條信道資源被所有d2d用戶對復用；以最小化系統功率為目標函數，將第一優(yōu)化問題轉化為第二問題。

設并將優(yōu)化目標變?yōu)樽钚』到y總功率，得到所述第二優(yōu)化問題表達式為：

其中，p2表示第二優(yōu)化問題的目標函數。

3、基于幾何計劃，求解第二優(yōu)化問題得到資源分配方式，并根據資源分配方式將第一優(yōu)化問題轉化為幾何規(guī)劃問題，對該幾何規(guī)劃問題進行求解得到各用戶功率與最大化小區(qū)內d2d用戶對速率和，具體為：

首先，將第二優(yōu)化問題中的約束條件轉化為滿足gp幾何規(guī)劃，也即把第二優(yōu)化問題中的d2d用戶對的qos約束左邊式子化為多項式，即不等號左邊式子的分母化為單項式，設左邊式子的分母為fn,d(p)，那么左式可表示單項式un,d,m(p)的和：且fn,d(p)也可近似為單項式可寫為：且其中p^(k-1)也表示在第k-1次求解gp時p的值，由此，變?yōu)間p可解的，此時新的d2d用戶對的qos約束為：

其中，un,d,m(p)表示第m項單項式，即第二優(yōu)化問題中d2d用戶對的qos約束左邊式子分母中的第m項，表示第k-1次迭代的第m項單項式un,d,m(p^(k-1))與第k-1次迭代單項式un,d,m(p^(k-1))求和的比值。

其次，對第二優(yōu)化問題進行求解，得到各d2d用戶對在復用不同信道資源時的功率；

然后，判斷d2d用戶對在復用信道資源時的功率是否大于或等于給定閾值，得到資源分配結果；具體為當那么αn,d＝0；否則αn,d＝1；δ＝10^-7w。

再者，根據資源分配結果以及新的d2d用戶對的服務質量約束，并以最小化d2d用戶對速率和倒數為目標函數；將第一優(yōu)化問題轉化為滿足幾何規(guī)劃的第三優(yōu)化問題：

s.t.

其中，p3表示第三優(yōu)化問題的目標函數。

最后，通過迭代求解第三優(yōu)化問題，當滿足||p^(k)-p^(k-1)||≤ε時，得到第三優(yōu)化問題的解，即得到最大化小區(qū)內d2d用戶對的功率和；||·||表示取絕對值運算；ε＝10^-6w。如圖3所示為本發(fā)明實施例的d2d速率和與其他算法的比較的示意圖，圖3中的算法一是本發(fā)明所提供的算法，算法二為其他算法，由圖3所示可見本發(fā)明能有效提升d2d速率和，n＝12。

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的權利要求范圍之內。