CN106170140A - 一种最小化系统功耗的d2d协作传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信领域，尤其涉及移动通信中的D2D通信领域，本发明针对现有技术的不足，提出了一种最小化系统功耗的D2D协作传输方法，解决了多用户同时使用叠加编码协作传输的问题。在本发明中，可以得到D2D用户和宏蜂窝用户最优传输功率的闭式解，并且给出了多用户宏蜂窝系统如何做联合信道资源分配的具体方法。本发明可以在同时保证D2D用户和宏蜂窝用户QoS的情况下，通过基于叠加编码的协作传输策略，以及多用户联合信道分配策略，可以使得系统总的发射功率最小，通过仿真结果，相比于传统的方法，我们的方法可以大幅度降低系统的功耗，同时降低通信过程中的中断概率，提高了通信链路的可靠性。

Description

一种最小化系统功耗的D2D协作传输方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，尤其涉及移动通信中的D2D通信领域。

背景技术

随着移动互联网和物联网的发展，未来移动数据流量将呈现爆炸式增长，全球移动通信网络连接的设备总量将达到千亿规模。为此，第五代移动通信(5G)系统应运而生。5G系统的关键性能指标包括：用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性以及用户峰值速率等。此外，频谱效率、能耗和成本构成了的三大效率指标，是移动通信网络可持续发展的关键因素。

对互联网业务的分析研究表明，移动数据业务的本地化特征越来越明显。如今，越来越多的服务和应用都在距离比较近的用户之间展开，使得地理上邻近的用户之间产生的数据流量越来越大。在这种场景下，传统的以基站为中心的通信模式往往缺乏足够的灵活性，难以完全满足不同业务在实时性和可靠性方面的独特需求。终端直通技术(Device-to-Device,D2D)就是在这一背景下产生的。

D2D通信是指邻近的终端可以在基站的控制下，通过直连链路进行数据传输，而无需通过中心节点(基站)的转发。这种通信过程的建立、维持和结束是受控于基站的，主要过程包括：用户向基站请求资源、基站进行资源调度并维持直连通信业务、基站最终收回资源等。从数据和信令的角度看，用户与基站之间维持着信令链路，由基站维持用户数据链路、进行无线资源分配以及进行计费、鉴权、识别、移动性管理等传统移动通信网所具备的基本职责。不同之处在于，用户之间数据链路不需要基站中转转发了，而是直接在用户之间建立数据通道。

D2D技术本身的短距离通信特点和直接通信方式使其具有如下优势:第一，近距离优势。由于传输距离短，路损较小，因而可获得更高的传输速率、更低的时延和更小的发射功率。第二，复用增益。用户可通过复用方式共享蜂窝用户的资源，从而提高频谱利用率。第三，跳数优势。通信采用终端直连的方式，变两跳为一跳，节省了频率资源。此外，通信还可以拓展网络覆盖，并支持更灵活的网络架构和接入方法。

在现有的研究中研究D2D协作传输技术的人还比较少，而且几乎很少有人研究基于叠加编码的D2D协作传输方案，这是因为基于叠加编码的协作传输中，优化表达式中总是有非凸约束条件，因此，通常建模出的优化问题是一个非凸问题。而本发明专利提出了一种解决基于叠加编码的最小化功率消耗的传输方案，我们通过对非凸优化问题的分解，把原始的一个非凸优化问题分解为几个凸优化问题，分解得到的子问题能够获得解析解，从而解决了原始的非凸优化问题。同时，为了使得我们的算法能够在实际的多用户蜂窝网络中实现，我们又设计了一种同时满足宏蜂窝用户和D2D用户QoS，基于系统功耗最小化的联合信道分配方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种宏蜂窝上行链路中，基于叠加编码的D2D协作传输方案，并且设计了一种基于叠加编码的联合资源分配方案，解决了多用户同时使用叠加编码协作传输的问题。在本发明中，我们可以得到D2D用户和宏蜂窝用户最优传输功率的闭式解，并且我们给出了多用户宏蜂窝系统如何做联合信道资源分配的具体方法。

为了方便的描述本发明的内容，首先对本发明所使用的术语和模型进行介绍：

定义1基站(BS，Base Station)：宏蜂窝基站。

定义2宏蜂窝用户(CU,Cellular User)：由基站服务的宏蜂窝用户。

定义3终端直通用户(D2D，Device-to-Device)：终端不经过基站，他们之间直接进行通信的用户。

定义4D2D发射用户(D-Tx，Device-Transmission-Signal)：进行通信的两个D2D用户中，负责发射信号的用户。

定义5D2D接收用户(D-Rx，Device-Received-Signal)：进行通信的两个D2D用户中，负责接收信号的用户

定义6信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)：信号功率与噪声功率的比值。

定义7解码转发(DF，decode-and-forward)：中继节点对接收到的信号，解码之后，再转发给其他接收机。

定义8半双工(HD，Half-Duplex)：上、下行通信分别采用相同频率信道的不同时隙进行工作。

本发明所使用的系统为：

如图1所示，在该模型中，一对D2D用户和一个宏蜂窝用户共用同一个上行信道资源，D2D用户作为中继，辅助CU用户与基站之间的通信，通信将分为两个时隙进行，示意图如附图2所示:

1)第一时隙：CU用户以广播的形式向基站和D2D用户发送自己的信号，D‐Tx和D‐Rx都只接收CU用户的信号，相互之间不进行通信，然后D‐Tx对接收到的CU的信号进行解码。

2)第二时隙：D‐Tx把解码得到的CU信号和自己要发送的信号，按照叠加码进行线性叠加，然后以广播的形式同时向基站和D‐Rx发送，基站和D‐Rx对两个时隙接收到的信号进行最大比合并，最后解码得到想要的信号。

假定两个时隙为等时隙划分。在本发明中，我们针对在满足D2D用户和宏蜂窝用户各自的QoS要求的条件下，设计了一种基于叠加编码的D2D协作传输方法，具体就是用D2D辅助宏蜂窝用户与基站进行通信，同时我们还设计了一种基于上述协作传输方案的联合信道分配方法，最后达到最小化系统整体功率消耗的目的。

本发明的技术方案为：

在本发明中，首先把一对D2D用户和一个宏蜂窝用户之间进行最小化功率传输问题建模为一个最优化问题，由于这个优化问题是一个非凸优化问题，因此拟采用问题分解的方法，把原始问题分解为多个子问题，而对于每个子问题都有一个唯一的解析解，组合这些子问题的解就可以得到原始问题的解。而上述得到的发射功率以及叠加编码功率分配因子，只是在系统中只有一对D2D用户和一个宏蜂窝用户时的结果，但实际系统中中可能存在多对D2D用户以及多个宏蜂窝用户共存，此时，为了达到系统总的功耗最小，我们还需要对D2D和宏蜂窝用户之间的配对进行优化，也就是一个D2D用户要复用哪一个宏蜂窝用户的信道，最终我们用0-1整数规划的方法进行优化，以使得系统整体的功耗最小。

有益效果:

本发明可以在同时保证D2D用户和宏蜂窝用户QoS的情况下，通过基于叠加编码的协作传输策略，以及多用户联合信道分配策略，可以使得系统总的发射功率最小。相比于传统的方法，本发明的方法可以大幅度降低系统的功耗，同时降低通信过程中的中断概率，提高了通信链路的可靠性。

附图说明

图1是本发明的系统模型图。

图2叠加编码等时隙划分示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图，详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，系统根据下面的联合信道分配策略，

x_ij∈{0,1}；

得到一对共享信道资源的D2D用户和宏蜂窝用户CU，然后这一对D2D用户和CU根据基站发送过来的协作策略，确定各自的发射功率或者功率分配因子。

具体地：

1)若是采用协作传输策略，则各自的发射功率和叠加编码功率分配因子为：

分配因子的确定步骤如下：

i.若

●当δ≥0，则α＝max(β₁,0)

●当δ＜0，则α＝0

ii.若

●当δ＞0，则

●当δ＝0，则

●当δ＜0，则

2)若是采用非协作传输策略，也就是不采用叠加编码策略时，则各自的发射功率：

Claims (1)

1.一种最小化系统功耗的D2D协作传输方法,其特征在于，具体步骤如下:

S1、协作传输，

S2、多用户D2D通信网络中联合信道分配，具体为：

S21、考虑OFDM系统中，有N个宏蜂窝用户的集合为{CUE_i},i＝1,2,...,N，D对D2D用户的集合为{DUE_j},j＝1,2,...,D，并且D≤N，每个宏蜂窝用户都拥有一个独立的子载波，用η_ij表示DUE_j复用CUE_i的信道时，由于增加了DUE_j后，系统在信道i上总的发射功率，用X＝[x_ij]_N×D表示信道复用矩阵，当x_ij＝1时，表示DUE_j可以共享CUE_i的信道，当x_ij＝0时，则表示DUE_j不可以复用CUE_i的信道，假定每个D2D最多只能共享一个宏蜂窝用户的子载波，每个宏蜂窝用户的子载波也最多只能同时被一个D2D用户所共享，则可以把载波复用分配问题建模为如下所示的优化问题：

$\underset{X={\[x_{ij}\]}_{N\×D}}{min}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{D}{\Σ}}{x}_{ij}{\mathrm{\η}}_{ij}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_{ij}\≤1;\underset{j=1}{\overset{D}{\Σ}}{x}_{ij}\≤1;\end{array}$

x_ij∈{0,1}；

$R_i^c\≥{\mathrm{\ρ}}_c;R_j^d\≥{\mathrm{\ρ}}_d$

$p_i^c\≤P\_CU;p_j^d\≤P\_D$

S22、具体资源分配过程如下：

步骤1、D2D用户有通信需求时，通过控制信道向基站发送通信请求；

步骤2、基站根据信道状态信息，由上面分析的结果，确定D2D与每个宏蜂窝用户共享信道时采用协作通信策略还是非协作通信策略，并由公式计算出采用该策略所花费的功率，并得出由于激活该D2D后系统的能耗，并计算出此时D2D用户和宏蜂窝用户各自的通信速率，最终的到功耗矩阵和速率矩阵以及协作策略、功率分配矩阵，分别表示为

$\mathrm{\ϵ}={\[{\mathrm{\η}}_{ij}\]}_{N\×D},{\mathrm{\Φ}}_c={\[R_{ij}^c\]}_{N\×D},{\mathrm{\Φ}}_d={\[R_{ij}^d\]}_{N\×D},C={\[C_{ij}\]}_{N\×D},P^c={\[P_{ij}^c\]}_{N\×D},P^d={\[P_{ij}^d\]}_{N\×D};$

步骤3、基站根据速率矩阵对功耗矩阵进行修正。具体实施方法为：把得到的速率矩阵Φ_c和Φ_d中的元素分别与我们预先设定的目标速率ρ_c,ρ_d相比较，若或者则我们就把η_ij置为无穷大。通过这种方式，我们可以降低实际计算过程中，D2D对和宏蜂窝用户之间配对的可能性；

步骤4、基站在得到修正过的功率矩阵之后，就可以基于我们修正过的功率增加矩阵，利用匈牙利算法来求解得到信道复用矩阵X＝[x_ij]_N×D；

步骤5、基站再次根据速率矩阵的约束对信道复用矩阵进行修正，原因是，当目标速率要求比较高时，将会有很多的功率增加矩阵元素为无穷大，导致匈牙利算法仍然有可能得到不满足速率要求的信道分配策略，因此仍然需要二次检验；检验方法为：遍历所得到的信道复用矩阵中的每一个元素，如果元素x_ij＝1，检查此时D2D用户和宏蜂窝用户各自的速率是否满足要求，即若满足，则x_ij＝1保持不变，如果不满足，则把x_ij＝0。从而得到最终的信道分配矩阵；

步骤6、基站根据最终的信道复用矩阵以及D2D协作策略和功率分配方案发送给各个D2D用户和宏蜂窝用户。