CN107172706B - 一种基于d2d通信的联合无线资源分配和功率控制方法 - Google Patents

一种基于d2d通信的联合无线资源分配和功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于D2D通信的联合无线资源分配和功率控制方法，应用于无线通讯技术领域；采用基于GP(Geometric Programming几何规划)的无线资源分配和功率控制算法，将D2D(Device‑to‑Device，设备到设备)用户和蜂窝用户的QoS(Quality of service服务质量)纳入决策相关因素，综合考虑D2D用户对和蜂窝用户的功率限制，求得所有D2D用户对总速率；可以有效满足上行D2D通信网络中的高速率、低功率的可靠传输。

Description

一种基于D2D通信的联合无线资源分配和功率控制方法
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，特别涉及一种基于D2D通信的联合资源分配及功率控制技术。
背景技术
随着移动通信技术的发展，无线通信用户数量呈爆炸式增长，用户对数据传输速率的要求日益增大，频谱资源紧缺的问题也日益严重。D2D(Device-to-Device)通信是一种在基站控制下，允许邻近的终端使用蜂窝资源直接进行通信的新型技术。不同于传统的通信方式，D2D用户对通过D2D直通链路，其数据传输不再经过基站的中继。D2D通信技术和中继技术能有效提升蜂窝小区的频谱利用率，增加系统的总吞吐量，为用户带来更好的通话和上网体验。因此D2D通信是学术界研究的热点问题之一。
在传统的蜂窝通信系统中，两个终端如果需要进行信息交互，必须先将数据发送至基站，再由基站转发至接收端。而D2D通信是指当两个终端之间满足一定要求时，二者可以直接进行通信，不再需要基站的转发。相对于传统的蜂窝通信而言，D2D通信可以带来三大直观的好处:
(1)信道增益:相比用户到基站的链路，D2D直通链路相对较短，因而路径损耗较小，信道增益高。当通信双方的用户都处在小区边缘，或者用户到基站的链路处于深度衰落的状态时，信道增益就更加明显。
(2)跳数增益:通过D2D直通链路，数据只需一跳便可以从源节点传到目的节点，而基于传统的基站中继链路，数据需要两跳才能从源节点传到目的节点。因此，D2D通信可以节约大量的传输资源。
(3)复用增益:D2D通信链路距离较短，D2D通信用户可以使用较小的发射功率满足其QoS要求，因而造成的同道干扰也较少。因此D2D通信用户可以复用与其距离较远的用户的资源，而不损害双方的通信质量，从而提高资源利用效率。
目前关于D2D通信技术的研究范围十分广泛，包括D2D通信的相关技术、应用场景、实际应用可能存在的问题(如资源管理,功率控制)等。D2D技术作为IMT-Advanced(International Mobile Telecommunications-Advanced，高级国际移动通信)系统的关键技术，其自身的技术特点和优势，决定了其可以与多种前沿技术相结合，以达到提升通信系统性能的目的。文献(参见文献：Lin X,Andrews J,Ghosh A,et al.An overview of 3GPPdevice-to-device proximity services[J]Communications Magazine,IEEE,2014,52(4):40-48)介绍了3GPP对D2D通信的一些简要定义和说明，包括D2D通信的信道模型、无线资源管理等等。文献(参见文献：X.Huang,F Wu,S Leng,M Liu,“Resource Sharing andPower Control with QoS Provisioning in Device-to-Device Underlaying CellularNetworks,”in IEEE/CIC ICCC,2016，pp.1–5)中，基于对蜂窝用户的QoS(Quality ofservice服务质量)考虑，作者给出了最大化D2D用户对总吞吐量的算法。
以上研究表明，D2D技术的引入能够提高系统的频谱利用率、减轻基站的负担，合理的资源分配、有效的干扰抑制等技术可以一定程度上解决D2D通信面临的一些实际问题。但是这些研究大部分都是只考虑蜂窝用户或者D2D用户对的QoS要求。实际通信场景中对蜂窝用户和D2D用户对的QoS都有要求，且需要对蜂窝用户和D2D用户对的功率进行控制。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提出了一种基于D2D通信的联合无线资源分配和功率控制方法，采用基于GP(Geometric Programming几何规划)的无线资源分配和功率控制算法，将D2D用户对和蜂窝用户的QoS纳入决策相关因素，综合考虑D2D用户对和蜂窝用户的功率限制，求得所有D2D用户对总速率最大时的功率分配以及资源分配方式。
本发明采用的技术方案是：一种基于D2D通信的联合无线资源分配和功率控制方法，包括：根据模拟的真实上行链路通信场景得到第一优化问题；通过设定每条信道资源被所有的D2D用户对复用，将第一优化问题转化为第二优化问题；基于几何规划，求解第二优化问题得到资源分配结果，并根据资源分配结果将第一优化问题转化为满足几何规划的第三优化问题，对第三优化问题进行迭代求解得到各用户功率与最大化小区内D2D用户对速率和。
进一步地，所述模拟的真实上行链路通信场景具体为：N个蜂窝用户与D个D2D用户对随机分布在小区内，令
Figure GDA0001350847430000021
表示蜂窝用户的集合，
Figure GDA0001350847430000022
表示D2D用户对的集合；D2D用户对之间的距离分布于一定范围内；N个蜂窝用户随机分布，且小区内共有N条信道，每个蜂窝用户单独使用一条信道，进而构成一个上行通信网络场景。
进一步地，所述第一优化问题为：以最大化D2D用户对速率和为目标函数，分别以蜂窝用户的QoS、蜂窝用户的功率、D2D用户对的QoS、D2D用户对的功率以及分配指示符的取值为约束条件，得到第一优化问题。
更进一步地，所述第一优化问题表达式如下：
Figure GDA0001350847430000031
s.t.
Figure GDA0001350847430000032
Figure GDA0001350847430000033
Figure GDA0001350847430000034
Figure GDA0001350847430000035
Figure GDA0001350847430000036
其中，P1表示第一优化问题的目标函数，
Figure GDA0001350847430000037
表示第n个蜂窝用户的信噪比(SINR)，
Figure GDA0001350847430000038
表示第n个蜂窝用户功率，
Figure GDA0001350847430000039
表示第d个D2D用户对复用信道n的资源时的信噪比(SINR)，
Figure GDA00013508474300000310
表示第d个D2D用户对复用信道n的资源时的功率，αn,d表示无线资源分配指示符，αn,d＝1代表D2D用户对d复用了蜂窝用户n的资源，αn,d＝0代表D2D用户对d没有复用蜂窝用户n的资源；
Figure GDA00013508474300000311
表示蜂窝用户需要满足的的最小信噪比，rreq表示D2D用户对需要满足的的最小传输速率，
Figure GDA00013508474300000312
表示蜂窝用户的最大功率，Pmax表示D2D用户对的最大功率。
进一步地，所述第二优化问题具体为：设定每条信道资源被所有D2D用户对复用；以最小化系统功率为目标函数，将第一优化问题转化为第二优化问题。
更进一步地，所述第二优化问题表达式为：
Figure GDA00013508474300000313
其中，hn,d,B表示蜂窝用户n对D2D用户对接收端的增益的归一化，gn,B表示蜂窝用户n到基站的增益的归一化，hn,n,d表示蜂窝用户n对D2D用户对接收端的增益的归一化，hn,d',d表示复用同一信道资源n的D2D用户对d′发送端到D2D用户对d接收端增益的归一化，
Figure GDA0001350847430000041
表示第d′个D2D用户对复用信道n的资源时的功率。
进一步地，所述对几何规划问题进行求解得到各用户功率与最大化小区内D2D用户对速率和，具体为：
首先，以下式作为新的D2D用户对的QoS约束表示为：
Figure GDA0001350847430000042
其中，hn,n,d表示蜂窝用户n对D2D用户对接收端的增益的归一化，hn,d,d表示D2D用户对的信道增益，hn,d',d表示复用同一信道资源n的D2D用户对d′发送端到D2D用户对d接收端增益的归一化，
Figure GDA0001350847430000043
表示第d′个D2D用户对复用信道n的资源时的功率，且d′≠d；un,d,m(P)表示第m项单项式，
Figure GDA0001350847430000044
表示第k-1次迭代的第m项单项式un,d,m(P(k-1))与第k-1次迭代单项式un,d,m(P(k-1))求和的比值；P为变量表示第二优化问题的解，P(k-1)表示第k-1次迭代求解几何规划时P的值。
其次，对第二优化问题进行求解，得到各D2D用户对在复用不同信道资源时的功率；
然后，判断D2D用户对在复用信道资源时的功率是否大于或等于给定阈值，得到资源分配结果；
再者，根据资源分配结果以及新的D2D用户对的服务质量约束，并以最小化D2D用户对速率和倒数为目标函数；将第一优化问题转化为满足几何规划的第三优化问题：
Figure GDA0001350847430000051
s.t.
Figure GDA0001350847430000052
Figure GDA0001350847430000053
Figure GDA0001350847430000054
Figure GDA0001350847430000055
最后，通过迭代求解第三优化问题，当满足||P(k)-P(k-1)||≤ε时，得到第三优化问题的解。
本发明的有益效果：本发明中采用场景为：一个蜂窝用户的资源可被多个D2D用户对复用，一个D2D用户对可复用多个不同蜂窝用户的资源，该场景可靠程度较高，并且基于GP的求解方法，简便易行且高效；在保证蜂窝用户和D2D用户对的QoS约束以及功率约束的情况下，实现所有D2D速率和的最大化；且本发明可以有效满足上行D2D通信网络中的高速率、低功率的可靠传输。
附图说明
图1为本发明提供的基于D2D通信的功率控制方法流程图。
图2为本发明实施例的基于D2D通信的上行链路网络场景示意图。
图3为本发明实施例的D2D速率和与其他算法的比较的示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示为本发明的实施例所采用的网络场景，模拟的真实上行链路通信场景，具体为：N个蜂窝用户与D对D2D用户对随机分布在小区内，令
Figure GDA0001350847430000056
表示蜂窝用户的集合，
Figure GDA0001350847430000057
表示D2D用户对的集合；D2D用户对之间的距离随机分布于一定范围内，该一定范围为[5 50]m，N个用户随机分布，且系统中共有N条信道，每个用户单独使用一条信道，系统中无空闲信道资源，进而构成一个上行通信网络场景。该场景下存在两种类型的小区内干扰，蜂窝用户和D2D用户对之间的干扰以及不同D2D用户对之间的干扰，如图2虚线所示。保证传输质量的同时，在该场景下考虑资源分配和功率控制问题；本实施例中小区半径为0.5km，信道带宽15kHz。
D2D复用准则为：每个D2D用户对可复用多个蜂窝用户的信道资源且每个蜂窝用户的资源可被多个D2D用户对复用。
基于该网络场景，本申请的技术方案为：一种基于D2D通信的联合无线资源分配和功率控制方法，包括：根据模拟的真实上行链路通信场景得到第一优化问题；通过设定每条信道资源被所有的D2D用户对复用，将第一优化问题转化为第二优化问题；基于几何规划，求解第二优化问题得到资源分配结果，并根据资源分配结果将第一优化问题转化为满足几何规划的第三优化问题，对第三优化问题进行迭代求解得到各用户功率与最大化小区内D2D用户对速率和。
1、根据模拟的真实上行链路通信场景得到第一优化问题；具体为：以最大化D2D用户对速率和为目标函数，分别以蜂窝用户的QoS、蜂窝用户的功率
Figure GDA0001350847430000061
D2D用户对的QoS、D2D用户对的功率
Figure GDA0001350847430000062
以及分配指示符αn,d的取值为约束条件，得到第一优化问题。
蜂窝用户的QoS即蜂窝用户的信噪比
Figure GDA0001350847430000063
D2D用户对的QoS即D2D用户对的速率
Figure GDA0001350847430000064
第一优化问题表达式如下：
Figure GDA0001350847430000065
s.t.
Figure GDA0001350847430000066
Figure GDA0001350847430000067
Figure GDA0001350847430000068
Figure GDA0001350847430000069
Figure GDA00013508474300000610
其中，P1表示第一优化问题的目标函数，
Figure GDA00013508474300000611
表示第n个蜂窝用户的信噪比(SINR，Signal to Interference plus Noise Ratio；信噪比)，
Figure GDA0001350847430000071
表示第n个蜂窝用户功率，
Figure GDA0001350847430000072
表示第d个D2D用户对复用信道n的资源时的SINR，
Figure GDA0001350847430000073
表示第d个D2D用户对复用信道n的资源时的功率，αn,d表示无线资源分配指示符，αn,d＝1代表D2D用户对d复用了蜂窝用户n的资源，αn,d＝0代表D2D用户对d没有复用蜂窝用户n的资源；
Figure GDA0001350847430000074
表示蜂窝用户需要满足的的最小信噪比，rreq表示D2D用户对需要满足的的最小传输速率，
Figure GDA0001350847430000075
表示蜂窝用户的最大功率，Pmax表示D2D用户对的最大功率。
Figure GDA0001350847430000076
Pmax＝24dBm，
Figure GDA0001350847430000077
是随机分布于[014]dB，γreq＝0.03Mbps。
每个蜂窝用户的QoS，即
Figure GDA0001350847430000078
的计算式为：
Figure GDA0001350847430000079
其中，gn,B表示蜂窝用户n到基站的增益g'n,B的归一化，hn,d,B表示蜂窝用户n对D2D用户对接收端的增益h'n,d,B的归一化。
每个D2D用户对的QoS为：
Figure GDA00013508474300000710
Figure GDA00013508474300000711
的计算式为：
Figure GDA00013508474300000712
其中，hn,n,d表示蜂窝用户n对D2D用户对接收端的增益h'n,n,d的归一化，hn,d,d表示D2D用户对的信道增益，hn,d',d表示复用同一信道资源n的D2D用户对d′发送端到D2D用户对d接收端增益h'n,d',d的归一化，
Figure GDA00013508474300000713
表示第d′个D2D用户对复用信道n的资源时的功率，αn,d'表示第d′个D2D用户对是否复用了蜂窝用户n的信道资源；且d′≠d。
2、设定每条信道资源被所有D2D用户对复用；以最小化系统功率为目标函数，将第一优化问题转化为第二问题。
设
Figure GDA00013508474300000714
并将优化目标变为最小化系统总功率，得到所述第二优化问题表达式为：
Figure GDA0001350847430000081
其中，P2表示第二优化问题的目标函数。
3、基于几何计划，求解第二优化问题得到资源分配方式，并根据资源分配方式将第一优化问题转化为几何规划问题，对该几何规划问题进行求解得到各用户功率与最大化小区内D2D用户对速率和，具体为：
首先，将第二优化问题中的约束条件转化为满足GP几何规划，也即把第二优化问题中的D2D用户对的QoS约束
Figure GDA0001350847430000082
左边式子化为多项式，即不等号左边式子的分母化为单项式，设左边式子的分母为fn,d(P)，那么左式可表示单项式un,d,m(P)的和：
Figure GDA0001350847430000083
且fn,d(P)也可近似为单项式
Figure GDA0001350847430000084
可写为：
Figure GDA0001350847430000085
且
Figure GDA0001350847430000086
其中P(k-1)也表示在第k-1次求解GP时P的值，由此，变为GP可解的，此时新的D2D用户对的QoS约束为：
Figure GDA0001350847430000087
其中，un,d,m(P)表示第m项单项式，即第二优化问题中D2D用户对的QoS约束左边式子分母中的第m项，
Figure GDA0001350847430000088
表示第k-1次迭代的第m项单项式un,d,m(P(k-1))与第k-1次迭代单项式un,d,m(P(k-1))求和
Figure GDA0001350847430000091
的比值。
其次，对第二优化问题进行求解，得到各D2D用户对在复用不同信道资源时的功率；
然后，判断D2D用户对在复用信道资源时的功率是否大于或等于给定阈值，得到资源分配结果；具体为当
Figure GDA0001350847430000092
那么αn,d＝0；否则αn,d＝1；δ＝10-7W。
再者，根据资源分配结果以及新的D2D用户对的服务质量约束，并以最小化D2D用户对速率和倒数为目标函数；将第一优化问题转化为满足几何规划的第三优化问题：
Figure GDA0001350847430000093
s.t.
Figure GDA0001350847430000094
Figure GDA0001350847430000095
Figure GDA0001350847430000096
Figure GDA0001350847430000097
其中，P3表示第三优化问题的目标函数。
最后，通过迭代求解第三优化问题，当满足||P(k)-P(k-1)||≤ε时，得到第三优化问题的解，即得到最大化小区内D2D用户对的功率和；||·||表示取绝对值运算；ε＝10-6W。如图3所示为本发明实施例的D2D速率和与其他算法的比较的示意图，图3中的算法一是本发明所提供的算法，算法二为其他算法，由图3所示可见本发明能有效提升D2D速率和，N＝12。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于D2D通信的联合资源分配和功率控制方法，其特征在于，包括：根据模拟的真实上行链路通信场景得到第一优化问题；通过设定每条信道资源被所有的D2D用户对复用，将第一优化问题转化为第二优化问题；基于几何规划，求解第二优化问题得到资源分配结果，并根据资源分配结果将第一优化问题转化为满足几何规划的第三优化问题，对第三优化问题进行迭代求解得到各用户功率与最大化小区内D2D用户对速率和；
所述第一优化问题为：以最大化D2D用户对速率和为目标函数，分别以蜂窝用户的服务质量、蜂窝用户的功率、D2D用户对的服务质量、D2D用户对的功率以及分配指示符的取值为约束条件，得到第一优化问题；所述第一优化问题表达式如下：
Figure FDA0002658225640000011
s.t.
Figure FDA0002658225640000012
Figure FDA0002658225640000013
Figure FDA0002658225640000014
Figure FDA0002658225640000015
Figure FDA0002658225640000016
其中，P1表示第一优化问题的目标函数，
Figure FDA0002658225640000017
表示第n个蜂窝用户的信噪比，
Figure FDA0002658225640000018
表示第n个蜂窝用户功率，
Figure FDA0002658225640000019
表示第d个D2D用户对复用信道n的资源时的信噪比(SINR)，
Figure FDA00026582256400000110
表示第d个D2D用户对复用信道n的资源时的功率，αn,d表示无线资源分配指示符，αn,d＝1代表D2D用户对d复用了蜂窝用户n的资源，αn,d＝0代表D2D用户对d没有复用蜂窝用户n的资源；
Figure FDA00026582256400000111
表示蜂窝用户需要满足的的最小信噪比，rreq表示D2D用户对需要满足的的最小传输速率，
Figure FDA00026582256400000112
表示蜂窝用户的最大功率，Pmax表示D2D用户对的最大功率，
Figure FDA00026582256400000113
表示蜂窝用户的集合，
Figure FDA00026582256400000114
表示D2D用户对的集合。
2.根据权利要求1所述的一种基于D2D通信的联合资源分配和功率控制方法，其特征在于，所述模拟的真实上行链路通信场景具体为：N个蜂窝用户与D个D2D用户对随机分布在小区内，令
Figure FDA00026582256400000115
表示蜂窝用户的集合，
Figure FDA00026582256400000116
表示D2D用户对的集合；D2D用户对之间的距离分布于一定范围内；N个蜂窝用户随机分布，且小区内共有N条信道，每个蜂窝用户单独使用一条信道，进而构成一个上行通信网络场景。
3.根据权利要求1所述的一种基于D2D通信的联合资源分配和功率控制方法，其特征在于，所述第二优化问题具体为：设定每条信道资源被所有D2D用户对复用；以最小化系统功率为目标函数，将第一优化问题转化为第二优化问题。
4.根据权利要求3所述的一种基于D2D通信的联合资源分配和功率控制方法，其特征在于，所述第二优化问题表达式为：
Figure FDA0002658225640000021
其中，hn,d,B表示蜂窝用户n对D2D用户对接收端的增益的归一化，gn,B表示蜂窝用户n到基站的增益的归一化，hn,n,d表示蜂窝用户n对D2D用户对接收端的增益的归一化，hn,d',d表示复用同一信道资源n的D2D用户对d′发送端到D2D用户对d接收端增益的归一化，
Figure FDA0002658225640000023
表示第d′个D2D用户对复用信道n的资源时的功率，P为变量表示第二优化问题的解。
5.根据权利要求1所述的一种基于D2D通信的联合资源分配和功率控制方法，其特征在于，所述对几何规划问题进行求解得到各用户功率与最大化小区内D2D用户对速率和，具体为：
首先，将第二优化问题中的D2D用户对的QoS约束变换为下式作为新的D2D用户对的QoS约束：
Figure FDA0002658225640000022
把第二优化问题中的D2D用户对的QoS约束
Figure FDA0002658225640000031
左边式子化为多项式，即不等号左边式子的分母化为单项式，设左边式子的分母为fn,d(P)，那么左式可表示单项式un,d,m(P)的和：
Figure FDA0002658225640000032
其中，hn,n,d表示蜂窝用户n对D2D用户对接收端的增益的归一化，hn,d,d表示D2D用户对的信道增益，hn,d',d表示复用同一信道资源n的D2D用户对d′发送端到D2D用户对d接收端增益的归一化，
Figure FDA0002658225640000033
表示第d′个D2D用户对复用信道n的资源时的功率，且d′≠d；un,d,m(P)表示第m项单项式，
Figure FDA0002658225640000034
表示第k-1次迭代的第m项单项式un,d,m(P(k-1))与第k-1次迭代单项式un,d,m(P(k-1))求和的比值；P为变量表示第二优化问题的解，P(k-1)表示第k-1次迭代求解几何规划时P的值，gn,B表示蜂窝用户n到基站的增益的归一化，
Figure FDA0002658225640000035
表示D2D用户对的集合，
Figure FDA0002658225640000036
其次，对第二优化问题进行求解，得到各D2D用户对在复用不同信道资源时的功率；
然后，判断D2D用户对在复用信道资源时的功率是否大于或等于给定阈值，得到资源分配结果；
再者，根据资源分配结果以及新的D2D用户对的服务质量约束，并以最小化D2D用户对速率和倒数为目标函数；将第一优化问题转化为满足几何规划的第三优化问题：
Figure FDA0002658225640000037
s.t.
Figure FDA0002658225640000038
Figure FDA0002658225640000039
Figure FDA00026582256400000310
Figure FDA00026582256400000311
最后，通过迭代求解第三优化问题，当满足||P(k)-P(k-1)||≤10-6时，得到第三优化问题的解。
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