CN105979477B - 一种基于博弈论的d2d通信的能耗优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，采用博弈论的思想，将D2D传输链路理解成为博弈游戏的参与者，每条D2D传输链路只知道自己和哪条蜂窝上行链路的配对信息，而不知道其他D2D传输链路和哪条蜂窝上行链路的配对信息，在已知各个蜂窝链路的资源配置情况下,D2D传输链路对选择复用的蜂窝链路上行频谱资源进行博弈，依次更换复用的蜂窝链路上行频谱资源；试图建立一个联盟去共享蜂窝用户的上行频谱资源，目的在于使系统能耗最优化，计算时间比最优分配时间大大减少，相比基于距离的匹配方法，可以大幅度减少能量损耗，可以取代传统的基于距离的匹配方案和最优匹配方案。

Description

一种基于博弈论的D2D通信的能耗优化方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种基于博弈论的D2D通信的能耗优化方法。

背景技术

D2D(终端直通Device TO Device)通信作为下一代无线通信的关键技术之一，能够提供更高的传输速率，增大系统吞吐量，提高频谱利用效率，减轻蜂窝基站负担，增强系统稳定性等优点。

D2D通信系统的能耗问题和D2D的资源分配问题密切相关，不同分配下的能耗相差甚远。基于距离的资源分配策略为资源分配提供了一套分配准则，可以满足蜂窝用户和D2D用户的传输需求，但是会造成较大的能量浪费。如果采用遍历所有分配来找到能耗最优的匹配，这样虽然可以找到最优方案，但是计算时间会很长。

D2D通信系统中，终端分两类，一类是与基站通信的终端，即蜂窝终端CUE，另一类是通过D2D技术直接与其他终端通信的终端，即D2D终端。在允许蜂窝上行链路和D2D传输链路一对多匹配的系统中，可以详尽搜索出所有资源配置的组合，在这些组合中找到能量消耗最少的方案，这个方案就是最优方案。虽然这样找到的方案能耗最小，并且可以满足各个用户的数据传输需求，但是这样求解的复杂度是NP-Hard，计算消耗时间很长，只适合适量较少的情况。而基于距离的匹配方案也可以满足用户的数据传输需求，但是得到的能耗值一般都不是最优的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于博弈论的D2D通信的能耗优化方法，在已知各个蜂窝链路的资源配置情况下,D2D传输链路对选择复用的蜂窝链路上行频谱资源进行博弈，可以找到最优方案，使系统总能耗最优化。

本发明一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，包括如下步骤：

步骤1、假定一个蜂窝小区存在n个蜂窝上行链路和m个D2D传输链路，允许多条D2D传输链路复用同一蜂窝链路的上行频谱资源，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，对于某条蜂窝链路i，有k个D2D传输链路共享这个蜂窝链路i的上行频谱资源，若k≠0，用{i₁,i₂,...,i_k}表示k个D2D传输链路的序号，这些D2D传输链路和蜂窝链路i同时发送数据并同时结束，持续时间为t_i，有

其中，w是系统带宽，σ²表示系统高斯白噪声的平均功率，表示第i个蜂窝用户的速率需求，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方的速率需求，1≤j≤k，表示第i个蜂窝用户到基站的信道增益，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，表示第i个蜂窝用户到第i_j条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，表示第i_c条D2D传输链路数据发送方到第i_j条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第i_j条D2D链路数据发送方的发送功率，表示第i条蜂窝上行传输链路的发送功率；

根据实际中具体的k值，对上述方程组进行带参数求解，可以得到的表达式，1≤j≤k；设E_i(t_i)表示当第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路的总能耗，当k≠0时，E_i(t_i)等于：

其中，p_α是电路功率，p_β是空闲功率，θ是功率放大器的能量转换效率，蜂窝上行链路数为n，D2D传输链路数为m，k为共享蜂窝链路i上行频谱资源的D2D传输链路数；

当k＝0时，表示蜂窝链路i没有和任何D2D传输链路配对，此时，E_i(t_i)等于

其中每条链路的最优时间为通过搜索得到使E_i(t_i)值最小时的时间t_i，那么第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路的最优总能耗为

系统总能耗E_total：

定义1×n时间行向量T，其元素

步骤2、当每条传输链路的时间都是最优的，但不能保证归一化的时间和不大于1，当出现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的传输链路，通过减少这些传输链路的数据传输时间来减少系统总时间，把资源分配看成是一个博弈游戏，其中m个D2D传输链路为博弈游戏的参与者，试图建立一个集合联盟L＝{L₁,...,L_r,...,L_n}去共享蜂窝链路的上行频谱资源，L_r表示和第r个蜂窝用户共享频谱资源的D2D传输链路的集合，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，优化目标就是使系统的总能耗E_total最小化。

所述的步骤2中提出一种联合博弈算法，使系统的总能耗E_total最小化，具体算法如下：

(1)输入系统各通信链路参数：系统带宽w，系统高斯白噪声的平均功率σ²，电路功率p_α，空闲功率p_β，功率放大器的能量转换效率θ,蜂窝上行链路数n，D2D传输链路数m，博弈总次数N，每个蜂窝用户的速率需求，每个D2D传输链路的速率要求，每个蜂窝用户到基站的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，每个蜂窝用户到每个D2D传输链路数据接收方的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，每个D2D链路数据发送方到其他D2D链路数据接收方的信道增益，设置博弈计数器num＝0，时间迭代步长δ；

(2)初始化，产生一个随机生成集合联盟L_ini＝{L₁,...,L_r,...,L_n}，同时确定对应的时间行向量T，其元素计算系统总能耗E_total，令L_cur＝L_ini；

(3)判断时间行向量T中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(4)，若不是，进入步骤(5)；

(4)针对集合联盟L_cur，寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算其中l表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T，即令计算系统总能耗E_total并返回步骤(3)；

(5)随机选择一个D2D传输链路d_j，假定d_j∈L_i，然后任意选择一个集合L_i'∈L_cur\{L_i}，博弈计数器num＝num+1；

(6)对于集合联盟L_game＝(L_cur\{L_i,L_i'})∪{L_i\{d_j},L_i'∪{d_j}}，确定对应的时间行向量T'，时间行向量T'的各个元素是由L_game中各元素对应的最优时间组成的；

(7)判断时间行向量T'中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(8)，若不是，进入步骤(9)；

(8)针对新的集合联盟L_game，寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算其中l'表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T'，即令计算在新的集合联盟L_game下的系统总能耗E'_total并返回步骤(7)；

(9)如果E'_total＜E_total，则L_cur＝L_game，E_total＝E'_total；

(10)当博弈计数器达到N时，即num＝N，输出集合联盟L_cur和此时的系统总能量E_total，如果博弈次数没有达到N，返回步骤(5)。

本发明采用博弈论的思想，将D2D传输链路理解成为博弈游戏的参与者，每条D2D传输链路只知道自己和哪条蜂窝上行链路的配对信息，而不知道其他D2D传输链路和哪条蜂窝上行链路的配对信息，在已知各个蜂窝链路的资源配置情况下,D2D传输链路对选择复用的蜂窝链路上行频谱资源进行博弈，依次更换复用的蜂窝链路上行频谱资源；试图建立一个联盟去共享蜂窝用户的上行频谱资源，目的在于使系统能耗最优化，当博弈次数达到阈值时，可以找到最优方案，使系统总能耗最优化，并且计算时间比最优分配时间大大减少，相比基于距离的匹配方法，可以大幅度减少能量损耗，可以取代传统的基于距离的匹配方案和最优匹配方案；通过实验证明，基于博弈论的能耗优化方案和系统最优方案的能耗基本相同，相比传统的最大功率传输策略，本发明方法能耗会减少65％。

附图说明

图1为一对多匹配的D2D通信场景示意图；

图2为本发明的流程图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

本发明一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，具体包括如下步骤：

步骤1、假定一个蜂窝小区存在n个蜂窝上行链路和m个D2D传输链路，允许多条D2D传输链路复用同一蜂窝链路的上行频谱资源，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，如图1所示；对于某条蜂窝链路i，有k个D2D传输链路共享这个蜂窝链路i的上行频谱资源，若k≠0，用{i₁,i₂,...,i_k}表示k个D2D传输链路的序号，这些D2D传输链路和蜂窝链路i同时发送数据并同时结束，持续时间为t_i，有

其中，w是系统带宽，σ²表示系统高斯白噪声的平均功率，表示第i个蜂窝用户的速率需求，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方的速率需求，1≤j≤k，表示第i个蜂窝用户到基站的信道增益，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，表示第i个蜂窝用户到第i_j条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，表示第i_c条D2D传输链路数据发送方到第i_j条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第i_j条D2D链路数据发送方的发送功率，表示第i条蜂窝上行传输链路的发送功率；

根据实际中具体的k值，对上述方程组进行带参数求解，可以得到的表达式，1≤j≤k；设E_i(t_i)表示当第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路的总能耗，当k≠0时，E_i(t_i)等于：

其中，p_α是电路功率，p_β是空闲功率，θ是功率放大器的能量转换效率，蜂窝上行链路数为n，D2D传输链路数为m，k为共享蜂窝链路i上行频谱资源的D2D传输链路数；

当k＝0时，表示蜂窝链路i没有和任何D2D传输链路配对，此时，E_i(t_i)等于

其中每条链路的最优时间为通过搜索得到使E_i(t_i)值最小时的时间t_i，那么第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路的最优总能耗为

系统总能耗E_total：

定义1×n时间行向量T，其元素

步骤2、当每条传输链路的时间都是最优的，但是还不能保证归一化的时间和不大于1，如果总时间大于1，必然存在一部分用户不能完成数据传输的任务，若存在此种情况，必须通过减少某条传输链路的通信时间以满足各个用户的数据传输要求，本着系统能耗最优化的原则，当出现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的传输链路，通过减少这些传输链路的数据传输时间来减少系统总时间，把资源分配看成是一个博弈游戏，其中m个D2D传输链路为博弈游戏的参与者，试图建立一个集合联盟L＝{L₁,...,L_r,...,L_n}去共享蜂窝链路的上行频谱资源，L_r表示和第r个蜂窝用户共享频谱资源的D2D传输链路的集合，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，优化目标就是使系统的总能耗E_total最小化，提出一种联合博弈算法，如图2，具体算法如下：

(1)输入系统各通信链路参数：系统带宽w，系统高斯白噪声的平均功率σ²，电路功率p_α，空闲功率p_β，功率放大器的能量转换效率θ,蜂窝上行链路数n，D2D传输链路数m，博弈总次数N，每个蜂窝用户的速率需求，每个D2D传输链路的速率要求，每个蜂窝用户到基站的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，每个蜂窝用户到每个D2D传输链路数据接收方的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，每个D2D链路数据发送方到其他D2D链路数据接收方的信道增益，设置博弈计数器num＝0，时间迭代步长δ；

(2)初始化，产生一个随机生成集合联盟L_ini＝{L₁,...,L_r,...,L_n}，同时确定对应的时间行向量T，其元素计算系统总能耗E_total，令L_cur＝L_ini；

(3)判断时间行向量T中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(4)，若不是，进入步骤(5)；

(4)针对集合联盟L_cur，寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算其中l表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T，即令计算系统总能耗E_total并返回步骤(3)；

(5)随机选择一个D2D传输链路d_j，假定d_j∈L_i，然后任意选择一个集合L_i'∈L_cur\{L_i}，博弈计数器num＝num+1；

(6)对于集合联盟L_game＝(L_cur\{L_i,L_i'})∪{L_i\{d_j},L_i'∪{d_j}}，确定对应的时间行向量T'，时间行向量T'的各个元素是由L_game中各元素对应的最优时间组成的；

(7)判断时间行向量T'中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(8)，若不是，进入步骤(9)；

(8)针对新的集合联盟L_game，寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算其中l'表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T'，即令计算在新的集合联盟L_game下的系统总能耗E'_total并返回步骤(7)；

(9)如果E'_total＜E_total，则L_cur＝L_game，E_total＝E'_total；

(10)当博弈计数器达到N时，即num＝N，输出集合联盟L_cur和此时的系统总能量E_total，如果博弈次数没有达到N，返回步骤(5)。

本发明的重点在于：采用博弈论的思想，将D2D传输链路理解成为博弈游戏的参与者，每条D2D传输链路只知道自己和哪条蜂窝上行链路的配对信息，而不知道其他D2D传输链路和哪条蜂窝上行链路的配对信息，在已知各个蜂窝链路的资源配置情况下,D2D传输链路对选择复用的蜂窝链路上行频谱资源进行博弈，依次更换复用的蜂窝链路上行频谱资源；试图建立一个联盟去共享蜂窝用户的上行频谱资源，目的在于使系统能耗最优化，当博弈次数达到阈值时，可以找到最优方案，使系统总能耗最优化，并且计算时间比最优分配时间大大减少，相比基于距离的匹配方法，可以大幅度减少能量损耗，可以取代传统的基于距离的匹配方案和最优匹配方案；通过实验证明，基于博弈论的能耗优化方案和系统最优方案的能耗基本相同，相比传统的最大功率传输策略，本发明方法能耗会减少65％。

以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、假定一个蜂窝小区存在n个蜂窝上行链路和m个D2D传输链路，允许多条D2D传输链路复用同一蜂窝链路的上行频谱资源，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，对于某条蜂窝链路i，有k个D2D传输链路共享这个蜂窝链路i的上行频谱资源，若k≠0，用{i₁,i₂,...,i_k}表示k个D2D传输链路的序号，这些D2D传输链路和蜂窝链路i同时发送数据并同时结束，持续时间为t_i，有

其中，w是系统带宽，σ²表示系统高斯白噪声的平均功率，表示第i个蜂窝用户的速率需求，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方的速率需求，1≤j≤k，表示第i个蜂窝用户到基站的信道增益，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，表示第i个蜂窝用户到第i_j条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第i_j条D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，表示第i_c条D2D传输链路数据发送方到第i_j条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第i_j条D2D链路数据发送方的发送功率，表示第i条蜂窝上行传输链路的发送功率；

根据实际中具体的k值，对上述方程组进行带参数求解，可以得到的表达式，1≤j≤k；设E_i(t_i)表示当第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路的总能耗，当k≠0时，E_i(t_i)等于：

其中，p_α是电路功率，p_β是空闲功率，θ是功率放大器的能量转换效率，蜂窝上行链路数为n，D2D传输链路数为m，k为共享蜂窝链路i上行频谱资源的D2D传输链路数；

当k＝0时，表示蜂窝链路i没有和任何D2D传输链路配对，此时，E_i(t_i)等于

其中每条链路的最优时间为通过搜索得到使E_i(t_i)值最小时的时间t_i，那么第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路的最优总能耗为

系统总能耗E_total：

定义1×n时间行向量T，其元素

步骤2、当每条传输链路的时间都是最优的，但不能保证归一化的时间和不大于1，当出现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的传输链路，通过减少这些传输链路的数据传输时间来减少系统总时间，把资源分配看成是一个博弈游戏，其中m个D2D传输链路为博弈游戏的参与者，试图建立一个集合联盟L＝{L₁,...,L_r,...,L_n}去共享蜂窝链路的上行频谱资源，L_r表示和第r个蜂窝用户共享频谱资源的D2D传输链路的集合，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，优化目标就是使系统的总能耗E_total最小化；具体算法如下：

(1)输入系统各通信链路参数：系统带宽w，系统高斯白噪声的平均功率σ²，电路功率p_α，空闲功率p_β，功率放大器的能量转换效率θ,蜂窝上行链路数n，D2D传输链路数m，博弈总次数N，每个蜂窝用户的速率需求，每个D2D传输链路的速率要求，每个蜂窝用户到基站的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，每个蜂窝用户到每个D2D传输链路数据接收方的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，每个D2D链路数据发送方到其他D2D链路数据接收方的信道增益，设置博弈计数器num＝0，时间迭代步长δ；

(2)初始化，产生一个随机生成集合联盟L_ini＝{L₁,...,L_r,...,L_n}，同时确定对应的时间行向量T，其元素计算系统总能耗E_total，令L_cur＝L_ini；

(3)判断时间行向量T中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(4)，若不是，进入步骤(5)；

(4)针对集合联盟L_cur，寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算其中l表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T，即令计算系统总能耗E_total并返回步骤(3)；

(5)随机选择一个D2D传输链路d_j，假定d_j∈L_i，然后任意选择一个集合L_i'∈L_cur\{L_i}，博弈计数器num＝num+1；

(6)对于集合联盟L_game＝(L_cur\{L_i,L_i'})∪{L_i\{d_j},L_i'∪{d_j}}，确定对应的时间行向量T'，时间行向量T'的各个元素是由L_game中各元素对应的最优时间组成的；

(7)判断时间行向量T'中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(8)，若不是，进入步骤(9)；

(8)针对新的集合联盟L_game，寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算其中l'表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T'，即令计算在新的集合联盟L_game下的系统总能耗E′_total并返回步骤(7)；

(9)如果E'_total＜E_total，则L_cur＝L_game，E_total＝E′_total；

(10)当博弈计数器达到N时，即num＝N，输出集合联盟L_cur和此时的系统总能量E_total，如果博弈次数没有达到N，返回步骤(5)。