CN104135759A - 用于近场通信或d2d通信的二级用户动态功率控制方法 - Google Patents

Abstract

用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法，涉及通信领域。它是为了解决对近场通信中节点接入随机性和网络拓扑结构动态变化控制困难的问题。其方法为：初始允许接入阶段，主系统根据节点的位置信息，建立每个节点与可用频点之间的映射关系；在上述映射关系的基础上，确定每个节点使用任意频点的可能性和由此产生的干扰情况；对每个节点的干扰情况进行分析，剔除“最糟糕”用户，运行其它用户正式接入；功率控制阶段，主系统建立概率统计意义下的功率控制数学模型，并寻求最优解；根据该最优解实现对每个节点的发射功率进行控制，完成二级用户接入的功率控制。本发明适用于用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制。

Description

用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种功率控制方法。

背景技术

近场通信或者D2D(Device-to-Device)终端直通技术，是指在系统的控制下，通过复用系统的资源，实现近距离节点之间的通信过程，这种通信方式可以广泛地用在社交网络等场景。近场通信提供的数据共享可以帮助完成很多移动服务的任务，在热点地区通信领域，通过多节点之间的协作传输和数据分发可以将视频和音频等信息快速地进行传递，同时支持用户的定制业务等；在国家安全领域，应对地震、海啸等突发情况，基站等多数通信设备遭到破坏，近场通信可以通过普通用户的手持终端代替主通信系统，以自组织的形式完成必要的预警信息、避难信息等的通知。

与其他通信方式相比，近场通信的网络规模较小，只在一定区域内完成数据的交互，同时通信建立的随机性较大，系统并不为其分配和维持专有信道。这种通信只在需要的情况下临时建立，并且通信时间普遍较短。

综上所述，主系统需要对近场通信的随机性进行必要的控制，首先，由于二级用户在接入主系统后，使用系统的资源，不可避免地会对主系统已经存在的一级用户产生干扰。当同时接入的二级用户数较多时，用户的手持终端是通过自协商的方式选择传输信道，这时，干扰情况是难以实时预期的。其次，结合D2D通信的特点，通信双方的距离受限，决定了设备的发射功率可以随之降低，这就为减少用户之间的干扰提供了条件。因此，设计一种简单、快速控制方法，是近场通信应用的关键技术，统一对二级用户的允许接入过程和功率进行控制。

考虑近场通信自身的特点，通信区域的用户保持着一定程度的移动性，网络的拓扑结构时刻在发生着改变。当业务的持续时间较短时，为了降低通信对系统的开销，通信终端不会在通信的过程中将所有配置信息上报主系统。具体情况表现在：当系统没有为这些节点分配固定的频点时，这些节点本身具备的频谱感知能力可以对周围的通信环境进行监测，寻找有利于通信双方的频点，自主地完成之后的通信过程。由于通信节点仍保持着一定程度的移动性，其信道环境在节点之间的相互作用下会发生改变。

近场通信的自由程度较大，主系统在通信过程中对其的控制能力较弱。因此，为了使得这种通信在给系统带来性能提升的同时，尽量避免不可预知的干扰，主系统需要对其通信的参数进行一次性的配置。这种配置是在系统对近场通信节点的行为预测的基础上实现的，由于近场通信支持的业务时间较短，节点的移动性较差，这种短期预测具有一定的可信性。如何准确和快速地对这种结构的通信网络进行预测和控制是控制方法设计的核心问题。

综上所述，近场通信或者D2D通信的特性所决定的控制方法有如下特征：

1)、方法简单：近场通信业务的发起的突然的，方法的复杂性应足够低，保证及时对其做出响应；

2)、收敛速度：要求方法在有限的运算时间内找到可行解；

3)、由于数据量会根据用户数目随之增加，应尽量根据容易获得的信息进行预测；

4)、分布控制，对接入控制和功率控制分布进行，可以保证方法的可行性和降低运算的复杂度；

5)、适应性强：当网络的拓扑结构发生较大变化，如有新的节点加入或者节点消失时，能够及时做出反应，随时重新分配。

现有的方案及优缺点：现有方法都是将接入控制和功率控制统一到一个数学模型，根据模型同时求解，所求的最优解可以在用户数最大化和吞吐量最大化之间进行选择。但是，这种方法的复杂度极高，随着候选用户数目的增加，解向量维数成倍增加，而且容易造成无解的情况，很难适应网络的快速变化。以上方法属于集中式控制，即：由一个实体获得网络的所有信息，在确定的情况下得到所需的参数，主要是发生功率等。这种方法的优点是利用系统运算性能上的优势，可以得到准确的结果，并且控制方便。缺点是，信息的交互量大，为了计算，要求每个参与节点需要上报完整的状态信息，而参数的分发同样需要占用系统的有限资源。与之相对应的另一种方法是由参与节点完成的分布式控制方法。

分布式控制方法没有独立的控制中心，每个节点都具有运算能力，其获得的信息是有限的，包括接收周围节点广播的信息等。每个节点对自己的行为进行约束，这种方法的主要优势是能够很好地适应环境的变化，实时计算。但是，由于方法的基础是不完全信息，其结果只能是次优的，并且不确定。最坏的情况下，可能会对某些用户造成无法容忍的干扰。频繁的运算同时会带来终端的过度消耗，减少终端的工作时间。

DAPC方法同时考虑了接入控制和功率控制两个方面，相比于之前提到的在统一的数学模型下求解，这种方法通过删除策略机制可以很好地平衡这两个方面：第一、在提高系统性能的同时，尽量保留大多数用户的接入需求；第二、在满足最小性能指标的前提下，允许更多的用户同时接入。这种方法的主要问题是假设参数恒定，即每个节点的位置固定，甚至是信道条件也基本不变，这在实际系统中是难以满足的。

发明内容

本发明是为了解决对近场通信中节点接入随机性和网络拓扑结构动态变化控制困难的问题，提出了一种用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法。

用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法，其特征是：在存在动态拓扑变化的区域性网络中，该方法由以下步骤实现：

步骤一、初始化：主系统获得每个节点的二维坐标信息和每个节点上报的信道状态信息；所述节点包括全部一级节点和二级节点；

步骤二、在每个节点的发射功率恒定，且均为系统运行的最大发生功率的情况下，根据初始化中每个二级节点使用任意频点的映射关系和节点上报的在每个频点上的信道增益情况，计算二级节点对一级节点造成的平均干扰和一级节点对二级节点造成的干扰情况，所述干扰情况的衡量指标是节点设备接收信号的信干噪声比，干扰来自同频信号的接收功率，噪声为接收设备在空中接口等效的热噪声功率；

主系统根据每个二级节点的干扰情况，对变量功率求导，并判断导数是否大于或等于预设的一号阈值，如果判断结果为是，则执行步骤二一；如果判断结果为否，则执行步骤二二；所述变量功率是主系统需要求解计算的未知变量，即：一级节点或二级节点的当前发射功率值；

步骤二一、剔除该导数对应的二级节点，并对其进行记录，主系统在预设范围内不在考虑允许这些二级节点接入系统，并执行步骤三；

步骤二二、将该导数对应的二级节点纳入可允许接入用户集合，并执行步骤三；

步骤三、主系统对已经允许接入的二级用户建立优化模型，所述优化模型的约束条件是使每个节点都满足最小信干噪比要求和最大发射功率要求；

步骤四、将目标函数和约束条件转化为标准凸优化形式，即多项式求和形式，并采用内点法求解；所述目标函数为系统的吞吐量；本发明采用香农定理的形式表示系统中所有节点之间的数据速率的求和，表示系统整体的性能，目的是使其值最大化；约束条件分为两个部分，首先考虑用户的接收体验，既接收的信干噪比，其次是功率受限，不超过约定的最大发射功率；

步骤五、采用迭代的方式，寻求最优解，并判断最近两次迭代结果的差值的绝对值是否大于或等于预设置的二号阈值，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；

步骤五一、返回执行步骤五；

步骤五二、则已找到最优解，并执行步骤六；

步骤六、根据步骤五二获得的最优解，对每个节点的发射功率进行控制，完成二级用户接入的功率控制。

每个二级节点具有频谱感知能力，能够根据周围的环境和通信目标协作完成通信过程。

步骤一中对每个二级节点进行初始化过程具体为：

每个二级节点不预先分配确定的频点，每个二级节点均监听信道状态，如果信道出现可用频段，则执行步骤一一；如果没有出现可用频段，则执行步骤一二；

步骤一一、每个二级节点获得可用频点的集合，并将该可用频点的集合通知与之通信的节点，与之通信的节点判断双方的可用频点集合的交集是否为空，如果判断结果为否，则执行步骤二；如果判断结果为是，则执行步骤一二；

步骤一二、通信双方没有找到适合通信的空白频段，则随机选择较优的信道，并在通信的过程中间断检测信道状态，并执行步骤二。

将目标函数和约束条件转化为标准凸优化形式，即多项式求和形式，并采用内点法求解的具体方法为：

首先需要找到可行域内的一个初始解，并引入松弛因子，将目标函数变为最小化松弛因子的求和的方式并求解。

本发明是一种适用于临时存在的近场通信网络的控制方法，改进了集中式和分布式控制方法的不足，使其能够解决这种网络的动态特性。本发明在集中式控制方法的基础上，结合删除策略，采用分步控制的方式，首先对候选的二级用户集合进行筛选，其次对允许接入的用户分配功率。该方法与传统的功率控制方法相比，采用概率统计模型，以基于先验知识的预测描述网络行为的不确定性，代替固定参数的方法。同时降低了网络生存周期内的控制开销。本发明对近场通信中节点接入随机性和网络拓扑结构动态变化的控制难度得以大幅度降低。

附图说明

图1是本发明中近场通信的应用场景示意图；

图2是本发明中近场通信干扰情况的示意图；

图3是本发明在实例仿真中控制后性能示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法，在近场通信网络中，它由以下步骤实现：

步骤一、初始化：主系统获得每个节点(包括一级和二级节点)的二维坐标信息和每个节点上报的信道状态信息；

由于一级用户所使用的频点是确定的，每个二级节点可以同一级节点及其频点之间建立确定性的映射关系主要受到节点之间的距离影响；

初始化之后，对于每个二级节点，主系统都可以计算其对应的映射关系集合集合中的元素就是

步骤二、假设每个节点的发射功率恒定，都为系统运行的最大发生功率，根据初始化中每个二级节点使用任意频点的可能性(映射关系)和节点上报的在每个频点上的信道增益情况，计算二级节点对一级节点造成的平均干扰和一级节点对二级节点造成的干扰情况；

主系统根据二级节点的干扰模型，对变量功率求导，获得其干扰程度的数学描述，设定阈值，当导数大于等于阈值时，则执行步骤二一；当导数小于阈值时，则执行步骤二二；

步骤二一、剔除其对应的二级节点，并对其进行记录，主系统在一定范围内不在考虑允许其接入系统，并执行步骤三；

步骤二二、将其对应的二级节点纳入可允许接入用户集合，并执行步骤三；

步骤三、主系统对已经允许接入的二级用户建立优化模型，目标是使一级和二级用户的接收性能整体最佳，约束条件是必须使每个节点都满足最小信干噪比要求和最大发射功率要求；

步骤四、为了采用内点法求解上述问题，需要将目标函数和约束条件转化为标准凸优化形式，即多项式求和形式；

根绝内点法的运算流程，首先需要找到可行域内的一个初始解，为了加速得到一个可行的初始解，引入松弛因子，简化目标函数。

步骤五、采用迭代的方式，逐渐寻求最优解，计算最近两次迭代结果的差值。如果其绝对值大于等于某个阈值，则执行步骤五一；如果其绝对值小于某个阈值，则执行步骤五二；

步骤五一、两次解相差较大，说搜索过程仍在继续，继续执行步骤五；

步骤五二、解在一个较小的范围内变动，已经基本找到最优解，并执行步骤六；

步骤六、根据步骤五的结果，对每个节点的发射功率进行控制，至此，完成二级用户接入的功率控制过程。

本发明的控制方法包括：初始化阶段，接入控制阶段和功率控制阶段。在初始化阶段，主系统完成先验信息获取工作，同时对数据进行处理得到所需的映射关系集合，最后预测包括一级用户和二级用户的系统干扰模型。接入控制阶段完成对候选二级用户集合的筛选工作，原则是剔除掉在预测模型中对以及用户产生明显干扰或者不可接受干扰的部分二级用户，采用的方法是求取导数，与阈值比较的方法。在功率控制阶段，引入松弛因子，简化数学模型的求解难度，采用内点法对标准凸优化问题进行迭代求解，最后将参数分配结果发送给用户。

具体实例：一级用户集合C，元素数是5，可用频点集合F，元素与集合C中元素一一对应；候选二级用户集合D，元素数是10。

1)、初始化阶段

计算集合D中元素与集合F中元素的对应关系，公式如下：

${\mathrm{\μ}}_{f_j}^i=0.5\×(1-e^{-{\left(\frac{d_{\mathrm{ij}}}{d_{\min }}\right)}^{\mathrm{\α}}})+0.5\×(1-e^{-{\left(\frac{d_{\mathrm{ij}}}{d_{\max }}\right)}^{\mathrm{\α}}}),i\∈D,j\∈C$

d_ij代表节点之间的距离，d_min和d_max分别代表允许的通信距离的最小值和最大值；因此，每个二级用户节点可以求得映射关系矩阵对进行归一化处理，得到ρ_i,j和

${\mathrm{\ρ}}_{i,j}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{f_j}^i}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\μ}}_{f_j}^i},i\∈D,j\∈C$

2)、接入控制阶段

根据图2中所示的干扰模型，一级用户和二级用户的信干噪比和表达式为：

${\mathrm{\ξ}}_i^c=\frac{P_i^c{g}_{i,B}}{{\mathrm{\σ}}_N^2+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_{i,j}{P}_j^d{h}_{j,i}},i\∈C,j\∈D$

和分别代表所求的发射功率，g_i,B和h_i,j指示信道增益模型如下所示：

参数K代表系统频点对信道增益的影响，L_i,B和L_i,j分别代表节点与基站之间的距离和节点之间的距离，参数α调整路径损耗因素，参数β和分别描述了满足对数正态分布特性的阴影衰落和满足指数分布特性的多径衰落。

干扰表达式对发射功率求导，初始功率设定为最大值和当导数值小于0.3时，剔除掉与之对应的节点。以上涉及的参数在实例中设置具体为：

3)、功率控制阶段

功率控制的数学模型是：

$\mathrm{Minimize}:S\left(T\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{T}_i^c+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{T}_j^d,i\∈C,j\∈D$

$\frac{{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c}{{\mathrm{\ξ}}_i^c}\≤1\⇒\frac{{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c{\mathrm{\σ}}_N^2}{g_{i,B}}{\left(P_i^c\right)}^{-1}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{i,j}{\mathrm{\ξ}}_{i,\min }^c{h}_{j,i}}{g_{i,B}}{\left(P_i^c\right)}^{-1}{P}_j^d-T_i^c\≤0$

和分别为与一级和二级用户对应的松弛因子，和是系统所要求的最低信干噪比条件。首先选择满足条件的初始解：然后内点法通过多次迭代求得最优解，迭代的终止条件是：|P^k-P^(k-1)|≤ξ。

Claims (4)

1.用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法，其特征是：在存在动态拓扑变化的区域性网络中，该方法由以下步骤实现：

步骤一、初始化：主系统获得每个节点的二维坐标信息和每个节点上报的信道状态信息；所述节点包括全部一级节点和二级节点；

步骤二、在每个节点的发射功率恒定，且均为系统运行的最大发生功率的情况下，根据初始化中每个二级节点使用任意频点的映射关系和节点上报的在每个频点上的信道增益情况，计算二级节点对一级节点造成的平均干扰和一级节点对二级节点造成的干扰情况，所述干扰情况的衡量指标是节点设备接收信号的信干噪声比；

主系统根据每个二级节点的干扰情况，对变量功率求导，并判断导数是否大于或等于预设的一号阈值，如果判断结果为是，则执行步骤二一；如果判断结果为否，则执行步骤二二；所述变量功率是主系统需要求解计算的未知变量，即：一级节点或二级节点的当前发射功率值；

步骤二一、剔除该导数对应的二级节点，并对其进行记录，主系统在预设范围内不在考虑允许这些二级节点接入系统，并执行步骤三；

步骤二二、将该导数对应的二级节点纳入可允许接入用户集合，并执行步骤三；

步骤三、主系统对已经允许接入的二级用户建立优化模型，所述优化模型的约束条件是使每个节点都满足最小信干噪比要求和最大发射功率要求；

步骤四、将目标函数和约束条件转化为标准凸优化形式，即多项式求和形式，并采用内点法求解；所述目标函数为系统的吞吐量；

步骤五、采用迭代的方式，寻求最优解，并判断最近两次迭代结果的差值的绝对值是否大于或等于预设置的二号阈值，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；

步骤五一、返回执行步骤五；

步骤五二、则已找到最优解，并执行步骤六；

步骤六、根据步骤五二获得的最优解，对每个节点的发射功率进行控制，完成二级用户接入的功率控制。

2.根据权利要求1所述的用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法，其特征在于每个二级节点具有频谱感知能力，能够根据周围的环境和通信目标协作完成通信过程。

3.根据权利要求1所述的用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法，其特征在于步骤一中对每个二级节点进行初始化过程具体为：

每个二级节点不预先分配确定的频点，每个二级节点均监听信道状态，如果信道出现可用频段，则执行步骤一一；如果没有出现可用频段，则执行步骤一二；

步骤一一、每个二级节点获得可用频点的集合，并将该可用频点的集合通知与之通信的节点，与之通信的节点判断双方的可用频点集合的交集是否为空，如果判断结果为否，则执行步骤二；如果判断结果为是，则执行步骤一二；

步骤一二、通信双方没有找到适合通信的空白频段，则随机选择较优的信道，并在通信的过程中间断检测信道状态，并执行步骤二。

4.根据权利要求1所述的用于近场通信或D2D通信的二级用户动态功率控制方法，其特征在于将目标函数和约束条件转化为标准凸优化形式，即多项式求和形式，并采用内点法求解的具体方法为：

首先需要找到可行域内的一个初始解，并引入松弛因子，将目标函数变为最小化松弛因子的求和的方式并求解。