CN108366427B - D2d通信中基于功率控制的系统吞吐量与能效平衡方法 - Google Patents

D2d通信中基于功率控制的系统吞吐量与能效平衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种D2D通信中基于功率控制的系统吞吐量与能效平衡方法，主要解决现有技术中D2D通信系统的干扰管理和绿色能源无法兼顾的问题。其实现方案是：在基站附近划定干扰受限区域，根据D2D用户对的位置与干扰受限区域的关系选择不同的资源分配给D2D用户对；采用改进的基于距离选择的资源分配方式为可复用蜂窝用户上行链路资源的D2D用户对分配资源；通过改进系统吞吐量的目标函数并使用差分进化控制单小区内用户的发射功率，在保证用户信干噪比门限值的条件下，不断调节代价函数中的权值，在获得系统最大吞吐量的同时提高系统能效，达到系统吞吐量和能效的平衡。本发明实现了D2D通信系统中的干扰管理和绿色能源的兼顾。

Description

D2D通信中基于功率控制的系统吞吐量与能效平衡方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种系统吞吐量与能效平衡方法，可用于D2D通信系统中。
背景技术
近年来，随着无线网络迅猛发展，各种新型业务不断出现，人们提出了更多的新需求。未来移动通信必须进一步扩大覆盖范围、提高数据传输速率、降低传输时延以及强调绿色节能。但伴随着移动通信系统的演进，带宽需求不断增大，频谱资源变得非常紧缺。因此如何进一步提高网络的频谱利用率也成为未来无线网络发展的方向之一。D2D通信技术可以在较近的距离范围内进行直接链路的通信而不需要经过基站的上下行链路转发通信，有着提高频谱利用率，扩大蜂窝网络的覆盖范围，增大系统吞吐量，改善用户终端的能源消耗等优点。当D2D用户对采用underlay的方式复用蜂窝链路频谱资源时可以最大限度地提升频谱利用率，但D2D用户对与蜂窝网络之间不可避免的会产生干扰，他们之间的同频干扰会影响到链路的通信质量。关于D2D工作在underlay模式下的干扰问题现已有很多文章做出了相关研究。
Hyunkee Min等人在其发表的论文“Capacity Enhancement Using anInterference Limited Area for Device-to-Device Uplink Underlaying CellularNetworks”(IEEE Transactions on Wireless Communications 10(12):3995-4000,December 2011)中提出了一种在D2D附近划定干扰受限区域的干扰管理方法。该方法使用传统机制限制D2D发射机的最大传输功率，采用δD-ILA策略，在D2D附近划定干扰受限区域，然后分析δD-ILA策略的覆盖率并推导各态历经容量的封闭形式下界。该方法使用δD-ILA策略，控制蜂窝链路对D2D直通链路的干扰，从而提高系统吞吐量。该方法存在的不足之处是：δD-ILA策略忽略了D2D用户对基站的干扰，对于无法满足限制条件的用户没有做出说明。
Yunpeng Li等人在其发表的论文“Interference-Aware Resource-SharingScheme for Multiple D2D Group Communications Underlaying Cellular Networks”(Wireless Personal Communications September 2016,Volume 90,Issue 2,pp 749–768)中提出了一种有效的干扰认知频谱资源共享方法。该方法将D2D用户对进行分组，采用基于距离的资源分配方式，使用IA干扰对齐技术消除D2D用户之间的干扰，最终确立目标函数提高系统吞吐量。该方法存在的不足之处是：基于距离的资源分配方案忽略了复用资源的用户顺序对系统吞吐量的影响。
Hao Yu等人在其发表的论文”Power optimization of device-to-devicecommunication underlaying cellular communication”(Proceedings of IEEEInternational Conference on Communications,ICC 2009,Dresden,Germany,14-18June 2009)中，提出一种基于单小区的功率优化方法。该方法提出系统模型和性能度量，推导出最优功率分配模型，得出功率优化的结果。该方法存在的不足之处是：以功耗换取系统吞吐量的最优功率分配方案，系统能效较低。
Xiaozheng Gao等人在其发表的论文“Energy Efficiency Optimization forD2D Communications Based on SCA and GP Method”(IEEE China Communications,Volume:14,Issue:3,March 2017)中，提出了一种节能功率控制方法。该方法是在最大允许发射功率和最低吞吐量要求下，指定能效最大问题的非凸FP问题，利用开发双回线迭代算法解决上述问题，其中在外层循环中，采用Dinkelbach方法将FP问题转换为参数减法问题，在内层循环中，采用凸函数近似和几何规划的方法来获取满足KKT条件的解决方案。该方法存在的不足之处是：以最低吞吐量为要求最大化能效，系统吞吐量较低。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提出了一种D2D通信系统中基于功率控制的系统吞吐量与能效平衡方法，以减小用户复用资源过程中的相互干扰，平衡系统的吞吐量和能效。
本发明的技术思路是：在基站附近划定干扰受限区域，通过采用改进的基于距离选择的资源分配方式和改进最大化吞吐量的目标函数来减小用户间干扰，通过使用差分进化控制小区内用户的发射功率，实现系统吞吐量和能效的平衡。其实现方案包括如下：
1.一种D2D通信中基于功率控制的吞吐量与能效平衡方法，包括：
(1)在允许D2D通信的蜂窝网络里，将D2D用户对和蜂窝用户CUE随机分布在单小区中，将基站BS置于单小区的中心，并设置蜂窝用户的数目大于D2D用户对的数目；
(2)划定干扰受限区域：
(2a)在一个临时单小区中放置一个D2D用户、一个蜂窝用户CUE和一个基站，将D2D用户随机置于小区中，其中D2D用户对与基站BS之间的距离为dD2B，将一个蜂窝用户CUE用户置于小区边缘，且在D2D用户和基站连线的延长线上，即蜂窝用户CUE与基站BS之间的距离为dC2B，且蜂窝用户CUE与D2D用户的距离为dC2D＝dC2B+dD2B，设CUE发射功率取最大值
Figure BDA0001599055750000031
(2b)在基站BS附近划定最小干扰受限区域圆：
(2a1)求解在当前D2D用户所处的位置下D2D接收端的信干噪比SINRD；
(2a2)将SINRD与信干噪和D2D接收端信干噪比门限值γD的差值(SINRD-γD)与精度进行比较：
若差值(SINRD-γD)大于精度，则减小D2D对与基站BS之间的距离dD2B，重复步骤(2a1)和(2a2)；
若差值(SINRD-γD)小于精度且(SINRD-γD)＜0，则增大D2D对与基站BS之间的距离dD2B，重复步骤(2a1)和(2a2)；
若差值(SINRD-γD)小于精度且(SINRD-γD)>0，则此时D2D用户对与基站BS之间的距离的dD2B即为要划定的以基站BS为圆心的干扰受限区域圆的半径；
(2c)判断单小区内每对D2D用户处于干扰受限区域的圆内还是圆外，规定在干扰受限区域内的D2D用户对，只能分配蜂窝模式资源或专用资源；干扰受限区域外的D2D用户对能复用蜂窝用户CUE的上行链路资源；
(3)对干扰受限区域外的D2D用户分配蜂窝用户CUE上行链路资源：
(3a)将复用蜂窝用户上行链路资源的D2D用户对中的接收端D2DR按照其与基站BS的距离升序排列并编号，即越靠近基站BS的接收端D2DR优先级越高且编号越小；
(3b)接收端D2DR按照(3a)优先级顺序依次复用距离其最远的蜂窝用户CUE的频谱资源，并采用一对一复用，已经被选择过的蜂窝用户CUE不能再被其他接收端D2DR选择；
(4)优化系统吞吐量：
(4a)在(3)的资源分配基础上，对系统吞吐量函数进行改进，得到差分进化算法的如下目标函数：
Figure BDA0001599055750000041
其中，n表示第n对D2D用户，m表示第m个蜂窝用户CUE；N表示单小区内D2D用户对的总对数，M表示单小区内蜂窝用户CUE的总个数；
Figure BDA0001599055750000042
表示D2Dn的发射功率，
Figure BDA0001599055750000043
表示第m个蜂窝用户CUEm的发射功率；xmn＝1表示第n对D2D用户D2Dn复用第m个蜂窝用户CUEm的上行链路资源，xmn＝0表示第n对D2D用户D2Dn不复用第m个蜂窝用户CUEm的上行链路资源；
Figure BDA0001599055750000044
表示第n对D2D用户D2Dn的信干噪比值，
Figure BDA0001599055750000045
表示第m个蜂窝用户CUEm的信干噪比值；γD表示D2D用户的信干噪比门限制值，γC表示蜂窝用户CUE的信干噪比门限制值；Rsum表示系统吞吐量，即关于
Figure BDA0001599055750000046
和
Figure BDA0001599055750000047
的函数；K表示权值系数；
Figure BDA0001599055750000048
表示阶跃函数，用于保证蜂窝用户CUE和D2D用户对的信干噪比达到门限要求；log10(Rsum)表示对系统吞吐量取对数；
Figure BDA0001599055750000049
表示代价函数；
(4b)将(4a)的目标函数代入到差分进化算法中，使用差分进化算法计算下述非凸规划问题，得到各用户的最优发射功率：
Figure BDA0001599055750000051
Figure BDA0001599055750000052
其中，
Figure BDA0001599055750000053
表示第m个蜂窝用户CUEm的最优发射功率，
Figure BDA0001599055750000054
表示第n对D2D用户D2Dn的最优发射功率；
Figure BDA0001599055750000055
表示D2D用户发射端的最大许可发射功率，
Figure BDA0001599055750000056
表示蜂窝用户最大许可发射功率；
(5)利用(4a)改进的目标函数，通过调节(4b)的权值K，完成系统吞吐量和能效的平衡过程。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
第一，本发明由于在D2D用户对复用蜂窝链路资源之前先在基站附近划定干扰受限区域，从而剔除了无论如何都无法满足信干噪比门限的D2D用户对，现有技术中对于距离基站非常近的D2D用户对，通过降低D2D用户对的发射功率、调整蜂窝用户CUE的发射功率、增大蜂窝用户CUE和D2D用户对的距离等方式来解决干扰问题的能力十分有限，难以同时满足蜂窝上行链路和D2D直通链路的信干噪比门限值，本发明克服了现有技术存在的上述无法同时满足蜂窝上行链路和D2D直通链路的信干噪比门限值问题，使得本发明更加全面。
第三，本发明改进了基于距离选择的资源分配方式，让更靠近基站的D2D用户拥有优先选择蜂窝链路资源的权利，并依次选择距离其最远的蜂窝用户CUE的频谱资源进行复用，使得靠近基站的D2D用户对采用很小的发射功率即可满足D2D用户的信干噪比门限，从而使D2D和蜂窝用户CUE之间的干扰尽可能地减小，优化了现有技术存在的D2D通信系统中的干扰管理问题和能源浪费问题，使得本发明具有良好的干扰管理能力，并实现绿色节能。
第三，本发明使用差分进化算法控制功率时，对最大化吞吐量的目标函数改进，添加控制CUE发射功率项，即代价函数，克服了现有技术存在的以大功率损耗换取系统吞吐量的问题，使得本发明具有绿色节能的优点。
第四，本发明将系统吞吐量和能效同时提高作为最终目标，在保证吞吐量近似达到最大值的前提下，大幅度提高系统能效，克服了现有技术存在的无法兼顾干扰管理和绿色节能的缺点，使得本发明具有系统吞吐量和能效平衡的优点。
附图说明
图1为本发明的实现总流程图；
图2为本发明中划定干扰受限区域的子流程图；
图3为本发明中使用差分进化算法获取各用户发射功率的子流程图；
图4为本发明的干扰受限区域圆示意图；
图5为本发明与现有方法的吞吐量和能效平衡的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
本发明在单小区模型下，采用D2D用户和蜂窝用户的一对一复用模式，通过划定干扰受限区域、改进资源分配过程、采用改进目标函数的功率控制，实现系统吞吐量和能效的平衡。
参照图1，本发明的具体实现如下：
步骤1，建立单小区模型。
在允许D2D通信的蜂窝网络里，每对D2D用户包括一个发射端和一个接收端，将多对D2D用户和多个蜂窝用户CUE随机分布在单小区中，将基站BS置于单小区的中心，并设置蜂窝用户的数目大于D2D用户对的数目。
步骤2，划定干扰受限区域。
参照图2，本步骤的具体实现如下：
(2a)在一个临时单小区中放置一个D2D用户、一个蜂窝用户CUE和一个基站，将D2D用户随机置于小区中，其中D2D用户对与基站BS之间的距离为dD2B，将一个蜂窝用户CUE用户置于小区边缘，且在D2D用户和基站连线的延长线上，从而保证无法通过增大D2D与蜂窝用户间距离来解决干扰问题，即蜂窝用户CUE与基站BS之间的距离为dC2B，且蜂窝用户CUE与D2D用户的距离为dC2D＝dC2B+dD2B，设CUE发射功率取最大值
Figure BDA0001599055750000061
(2b)在基站BS附近划定最小干扰受限区域圆：
(2b1)计算蜂窝用户接收端的信干噪比SINRC，根据SINRC≥γC得到蜂窝用户接收端可容忍来自D2D用户的干扰的最大值Pthmax，从而计算得到D2D用户的最大可发射功率
Figure BDA0001599055750000071
将D2D用户的最大可发射功率
Figure BDA0001599055750000072
代入D2D接收端的信干噪比SINRD计算公式，得到D2D接收端的信干噪比SINRD，其中，蜂窝用户接收端的信干噪比SINRC计算公式为：
Figure BDA0001599055750000073
式中，
Figure BDA0001599055750000074
表示蜂窝用户CUE的最大发射功率，β表示路径损耗常量，α表示路径损耗指数，dC2B表示蜂窝用户CUE与基站BS之间的距离，Pth表示蜂窝用户接收端可容忍来自D2D用户的干扰值，且
Figure BDA0001599055750000075
PD表示D2D用户发射功率，dD2B表示D2D用户和基站之间的距离，N0表示噪声功率，γC表示蜂窝用户接收端的信干噪比最低门限值；
D2D接收端的信干噪比SINRD计算公式为：
Figure BDA0001599055750000076
式中，dC2D表示蜂窝用户CUE和D2D用户之间的距离；
(2b2)根据单小区具体场景需求，设置D2D接收端的信干噪比与信干噪比门限值的可容忍最小差值作为信干噪比精度，将SINRD与信干噪和D2D接收端信干噪比门限值γD的差值(SINRD-γD)与精度进行比较：
若差值(SINRD-γD)大于精度，则减小D2D对与基站BS之间的距离dD2B，重复步骤(2b1)和(2b2)；
若差值(SINRD-γD)小于精度且(SINRD-γD)＜0，则增大D2D对与基站BS之间的距离dD2B，重复步骤(2b1)和(2b2)；
若差值(SINRD-γD)小于精度且(SINRD-γD)>0，则此时D2D用户对与基站BS之间的距离的dD2B即为要划定的以基站BS为圆心的干扰受限区域圆的半径；
(2c)通过对D2D用户对与基站BS之间的距离dD2B与干扰受限区域圆半径的大小比较，判断单小区内每对D2D用户的位置与干扰受限区域圆的关系，为每对D2D用户分配不同的资源：
若dD2B小于干扰受限区域圆半径，则D2D用户对处于干扰受限区域圆内，该D2D用户不能复用蜂窝用户CUE的上行链路资源，并为D2D用户对分配蜂窝模式资源或专用资源；
否则，D2D用户对处于干扰受限区域圆外，该D2D用户对能复用蜂窝用户CUE的上行链路资源，执行步骤3。
步骤3，对干扰受限区域外的D2D用户对分配蜂窝用户CUE上行链路资源。
(3a)将复用蜂窝用户上行链路资源的D2D用户对中的接收端D2DR按照其与基站BS的距离升序排列并编号，即越靠近基站BS的接收端D2DR优先级越高且编号越小；
(3b)接收端D2DR按照编号从小到大依次复用距离其最远的蜂窝用户CUE的频谱资源，并采用一对一复用，已经被选择过的蜂窝用户CUE不能再被其他接收端D2DR选择，直到所有干扰受限区域圆外的D2D用户对都已分配完资源为止。
步骤4，在D2D用户对分配完资源后，使用差分进化算法控制功率并优化单小区的系统吞吐量。
参照图3，本步骤的具体实现如下：
(4a)选择系统吞吐量函数，即未被改进的目标函数为：
Figure BDA0001599055750000081
其中，N表示单小区内D2D用户对的总对数，M表示单小区内蜂窝用户CUE的总个数；
Figure BDA0001599055750000091
表示第n对D2D用户D2Dn的信干噪比值，
Figure BDA0001599055750000092
表示第m个蜂窝用户CUEm的信干噪比值；β表示路径损耗指数，α表示路径损耗指数；dD2D表示D2D用户对中的接收端和发射端之间的距离，
Figure BDA0001599055750000093
表示第m个蜂窝用户和第n对D2D用户之间的距离，
Figure BDA0001599055750000094
表示第m个CUE和基站BS之间的距离，
Figure BDA0001599055750000095
表示第n对D2D用户和基站BS之间的距离；N0表示噪声功率；
(4b)在步骤3的资源分配基础上，对(4a)系统吞吐量函数进行改进，得到差分进化算法的如下目标函数：
Figure BDA0001599055750000096
其中，xmn＝1表示第n对D2D用户D2Dn复用第m个蜂窝用户CUEm的上行链路资源，xmn＝0表示第n对D2D用户D2Dn不复用第m个蜂窝用户CUEm的上行链路资源；γD表示D2D用户的信干噪比门限制值，γC表示蜂窝用户CUE的信干噪比门限值；Rsum表示系统吞吐量函数，即关于
Figure BDA0001599055750000097
和
Figure BDA0001599055750000098
的函数；K表示权值系数；
Figure BDA0001599055750000099
表示阶跃函数，用于保证蜂窝用户CUE和D2D用户对的信干噪比达到门限要求；log10(Rsum)表示对系统吞吐量取对数；
Figure BDA00015990557500000910
表示代价函数；
(4c)将(4b)中改进后的目标函数代入到差分进化算法中，使用差分进化算法计算下述非凸规划问题：
Figure BDA0001599055750000101
Figure BDA0001599055750000102
其中，
Figure BDA0001599055750000103
表示第m个蜂窝用户CUEm的最优发射功率，
Figure BDA0001599055750000104
表示第n对D2D用户D2Dn的最优发射功率；
Figure BDA0001599055750000105
表示D2D用户发射端的最大许可发射功率，
Figure BDA0001599055750000106
表示蜂窝用户最大许可发射功率；
(4d)将所有用户的发射功率作为一个个体，将采用复用方式的D2D用户和蜂窝用户的总数目作为个体的维度，将固定维度的某些个体作为每一代的种群，并根据算法收敛速度适当调节每一代种群中的个体数目，依次进行初始化种群、变异、交叉、选择、迭代，直到算法收敛迭代结束，最终得到的个体即为各用户的最优发射功率，相关公式如下：
初始化种群：
Figure BDA0001599055750000107
其中，Pi(0)是第i个个体，Pi C(0)表示第i个蜂窝用户个体，Pi D(0)表示第i个D2D用户个体，j表示第j维，k表示第k维；
Figure BDA0001599055750000108
表示蜂窝用户CUE发射功率的最小值，
Figure BDA0001599055750000109
表示D2D用户发射功率的最小值；NP表示种群中个体的个数，D表示维度，等于采用复用资源方式的蜂窝用户CUE的个数，也等于采用复用资源方式的D2D用户对的个数，
Figure BDA00015990557500001010
其中，
Figure BDA00015990557500001011
表示第i个个体、第j维的初始化值，
Figure BDA00015990557500001012
表示第i个个体、第k维的初始化值，rand(0,1)表示在区间[0,1]上的随机数；
变异：
Figure BDA0001599055750000111
其中，1r,2r和3r(1r≠2r≠3r)，1r',2r'和3r'(1r'≠2r'≠3r')是六个随机数，区间为[1,NP]；F∈[0,2]称为缩放因子，用于控制差分变量的缩放程度；g表示第g代；
交叉：
变异后个体Vi(g+1)和种群中当前的进化个体Pi(g)以离散交叉方式进行交叉操作，生成试用个体：
Figure BDA0001599055750000112
其中，Ui(g+1)表示第g+1代的交叉试用个体，CR表示指数递增交叉概率因子，通过下式计算：
CR＝CRmin+(CRmax-CRmin)*exp(-a*(g-Gmax)^b)，
其中，参数a＝30，b＝3，g表示当前迭代次数，Gmax表示最大迭代次数，参数CRmin＝0.1，CRmax＝0.9；
选择：
在试用个体Ui(g+1)与当前演化个体Pi(g)之间通过贪婪方式进行优选：
Figure BDA0001599055750000113
步骤5，利用(4b)改进后的目标函数，通过调节改进后的目标函数中的权值K，完成系统吞吐量和能效的平衡过程。
(5a)根据(4a)未改进的目标函数，计算系统最大吞吐量下的系统能效，系统能效计算公式如下：
Figure BDA0001599055750000121
其中，
Figure BDA0001599055750000122
表示第n个D2D用户的能效，
Figure BDA0001599055750000123
表示第m个蜂窝用户的能效；
Figure BDA0001599055750000124
表示第n对D2D用户发射端的电路损耗，
Figure BDA0001599055750000125
表示第n对D2D用户接收端的电路损耗，
Figure BDA0001599055750000126
表示第m个蜂窝用户发射端的电路损耗；
(5b)利用(4b)改进后的目标函数，调节改进后的目标函数中的权值K来控制蜂窝用户CUE的发射功率，即权值K取值越大，蜂窝用户CUE的发射功率越小，系统吞吐量相比最大吞吐量下降越多，能效同时提高地越多，不断增大权值K，直到系统能效不再提高，得到系统吞吐量和能效的最佳平衡效果，完成系统吞吐量和能效的平衡过程。
下面通过本发明的仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
1.仿真条件：
本发明的仿真实验设置M个蜂窝用户和N个D2D用户对随机分布在小区内，且M≥N，小区半径设为500米，D2D用户发射端的最大许可发射功率
Figure BDA0001599055750000127
设为0.2W，蜂窝用户最大许可发射功率
Figure BDA0001599055750000128
设为0.25W，路径损耗常量β设为0.8，路径损耗指数α设为3，各用户电路功率损耗设为
Figure BDA0001599055750000129
2.仿真内容：
在上述实验条件下，用本发明方法对D2D通信系统进行干扰受限区域圆的划分，结果如图4所示，剔除图4中不可能满足信干噪比门限值的D2D用户对，再对图4中剩余D2D用户对按照基于距离选择的资源分配方式分配蜂窝链路资源，最后通过对改进的目标函数使用差分进化算法解决系统功率控制问题，得到系统吞吐量和能效的平衡结果，如图5所示。
干扰受限区域圆如图4所示，图4中的黑色圆表示一个蜂窝单小区边界，中心绿色小圆表示干扰受限区域圆。图4中分别以加号、三角形和小圆圈标示的图形表示基站、蜂窝用户和D2D用户对在小区中所处的位置。
吞吐量和能效平衡情况如图5所示，横轴表示目标函数中的不同K值，左侧纵轴表示系统吞吐量，单位为比特/秒/赫兹，右侧纵轴表示系统能效，单位为比特/秒/赫兹/瓦特。通过对改进的目标函数使用差分进化算法解决系统功率控制问题，得到系统吞吐量和能效的平衡的示意图。
3.仿真结果分析：
由图4的仿真图可见，本仿真方案中对D2D通信系统进行干扰受限区域圆划分后，干扰受限区域圆内的两个D2D用户对不能复用蜂窝链路资源，在干扰受限区域外的其他D2D用户对可以复用蜂窝链路资源。
由图5的仿真图可见，在本发明用于仿真的单小区方案中，在吞吐量降低0.3％的同时，能效约提高1.83倍，当权值K＜21时，随着权值K的增加，通过不断降低用户发射功率，在保证吞吐量几乎不变的条件下，能效不断提高，当权值K增加到21，能效可达到最大值，当权值K>21，随着权值K的增加，由于电路功率损耗和噪声的影响，降低用户发射功率并不能再提高能效值了。由此可见，本发明与现有技术中以能效损失换取系统吞吐量的方式相比，在基本保证系统最大吞吐量的同时又能大幅度提高系统能效。
综上所述，本发明提出的方法，在保证用户信干噪比门限值的条件下，一方面保证了系统能获取最大吞吐量，另一方面提高了系统能效，达到了系统吞吐量和能效的平衡。

Claims (4)

1.一种D2D通信中基于功率控制的吞吐量与能效平衡方法，包括：
(1)在允许D2D通信的蜂窝网络里，将D2D用户对和蜂窝用户CUE随机分布在单小区中，将基站BS置于单小区的中心，并设置蜂窝用户的数目大于D2D用户对的数目；
(2)划定干扰受限区域：
(2a)在一个临时单小区中放置一个D2D用户、一个蜂窝用户CUE和一个基站，将D2D用户随机置于小区中，其中D2D用户对与基站BS之间的距离为dD2B，将一个蜂窝用户CUE用户置于小区边缘，且在D2D用户和基站连线的延长线上，即蜂窝用户CUE与基站BS之间的距离为dC2B，且蜂窝用户CUE与D2D用户的距离为dC2D＝dC2B+dD2B，设CUE发射功率取最大值
Figure FDA0003033318760000011
(2b)在基站BS附近划定最小干扰受限区域圆：
(2a1)求解在当前D2D用户所处的位置下D2D接收端的信干噪比SINRD；
(2a2)将SINRD与D2D接收端信干噪比门限值γD的差值(SINRD-γD)与精度进行比较：
若差值(SINRD-γD)大于精度，则减小D2D对与基站BS之间的距离dD2B，重复步骤(2a1)和(2a2)；
若差值(SINRD-γD)小于精度且(SINRD-γD)＜0，则增大D2D对与基站BS之间的距离dD2B，重复步骤(2a1)和(2a2)；
若差值(SINRD-γD)小于精度且(SINRD-γD)＞0，则此时D2D用户对与基站BS之间的距离的dD2B即为要划定的以基站BS为圆心的干扰受限区域圆的半径；
其中精度是指D2D接收端信干噪比与干噪比门限值的可容忍最小差值；
(2c)判断单小区内每对D2D用户处于干扰受限区域的圆内还是圆外，规定在干扰受限区域内的D2D用户对，只能分配蜂窝模式资源或专用资源；干扰受限区域外的D2D用户对能复用蜂窝用户CUE的上行链路资源；
(3)对干扰受限区域外的D2D用户分配蜂窝用户CUE上行链路资源：
(3a)将复用蜂窝用户上行链路资源的D2D用户对中的接收端D2DR按照其与基站BS的距离升序排列并编号，即越靠近基站BS的接收端D2DR优先级越高且编号越小；
(3b)接收端D2DR按照(3a)优先级顺序依次复用距离其最远的蜂窝用户CUE的频谱资源，并采用一对一复用，已经被选择过的蜂窝用户CUE不能再被其他接收端D2DR选择；
(4)优化系统吞吐量：
(4a)在(3)的资源分配基础上，对系统吞吐量函数进行改进，得到差分进化算法的如下目标函数：
Figure FDA0003033318760000021
其中，n表示第n对D2D用户，m表示第m个蜂窝用户CUE；N表示单小区内D2D用户对的总对数，M表示单小区内蜂窝用户CUE的总个数；
Figure FDA0003033318760000022
表示D2Dn的发射功率，
Figure FDA0003033318760000023
表示第m个蜂窝用户CUEm的发射功率；xmn＝1表示第n对D2D用户D2Dn复用第m个蜂窝用户CUEm的上行链路资源，xmn＝0表示第n对D2D用户D2Dn不复用第m个蜂窝用户CUEm的上行链路资源；
Figure FDA0003033318760000024
表示第n对D2D用户D2Dn的信干噪比值，
Figure FDA0003033318760000025
表示第m个蜂窝用户CUEm的信干噪比值；γD表示D2D用户的信干噪比门限制值，γC表示蜂窝用户CUE的信干噪比门限制值；Rsum表示系统吞吐量，即关于
Figure FDA0003033318760000026
和
Figure FDA0003033318760000027
的函数；K表示权值系数；
Figure FDA0003033318760000028
表示阶跃函数，用于保证蜂窝用户CUE和D2D用户对的信干噪比达到门限要求；log10(Rsum)表示对系统吞吐量取对数；
Figure FDA0003033318760000029
表示代价函数；
(4b)将(4a)的目标函数代入到差分进化算法中，使用差分进化算法计算下述非凸规划问题，得到各用户的最优发射功率：
Figure FDA0003033318760000031
Figure FDA0003033318760000032
其中，
Figure FDA0003033318760000033
表示第m个蜂窝用户CUEm的最优发射功率，
Figure FDA0003033318760000034
表示第n对D2D用户D2Dn的最优发射功率；
Figure FDA0003033318760000035
表示D2D用户发射端的最大许可发射功率，
Figure FDA0003033318760000036
表示蜂窝用户最大许可发射功率；
(5)利用(4a)改进的目标函数，通过调节(4b)的权值K，完成系统吞吐量和能效的平衡过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2a1)中求解在当前D2D用户所处的位置下D2D接收端的信干噪比SINRD，是计算蜂窝用户接收端的信干噪比SINRC，再根据SINRC≥γC得到蜂窝用户接收端可容忍来自D2D用户的干扰的最大值Pthmax，从而计算得到D2D用户的最大可发射功率
Figure FDA0003033318760000037
最后将D2D用户的最大可发射功率
Figure FDA0003033318760000038
代入D2D接收端的信干噪比SINRD计算公式，得到D2D接收端的信干噪比SINRD，
其中，蜂窝用户接收端的信干噪比SINRC计算公式为：
Figure FDA0003033318760000039
式中，
Figure FDA00030333187600000310
表示蜂窝用户CUE的最大发射功率，β表示路径损耗常量，α表示路径损耗指数，dC2B表示蜂窝用户CUE与基站BS之间的距离，Pth表示蜂窝用户接收端可容忍来自D2D用户的干扰值，且
Figure FDA00030333187600000311
PD表示D2D用户发射功率，dD2B表示D2D用户和基站之间的距离，N0表示噪声功率，γC表示蜂窝用户接收端的信干噪比最低门限值；
D2D接收端的信干噪比SINRD计算公式为：
Figure FDA0003033318760000041
式中，dC2D表示蜂窝用户CUE和D2D用户之间的距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4b)使用差分进化算法计算非凸规划问题，得到各用户的最优发射功率，是将所有用户的发射功率作为一个个体，将采用复用方式的D2D用户和蜂窝用户CUE的总数目作为个体的维度，将固定维度的某些个体作为每一代的种群，依次进行初始化种群、变异、交叉、选择、迭代，直到算法收敛迭代结束，最终得到的个体即为各用户的最优发射功率，相关公式如下：
初始化种群：
Figure FDA0003033318760000042
其中，Pi(0)是第i个个体，Pi C(0)表示第i个蜂窝用户个体，Pi D(0)表示第i个D2D用户个体，j表示第j维，k表示第k维；
Figure FDA0003033318760000043
表示蜂窝用户CUE发射功率的最小值，
Figure FDA0003033318760000044
表示D2D用户发射功率的最小值；NP表示种群中个体的个数，D表示维度，等于采用复用资源方式的蜂窝用户CUE的个数，也等于采用复用资源方式的D2D用户对的个数，
Figure FDA0003033318760000045
其中，
Figure FDA0003033318760000046
表示第i个个体、第j维的初始化值，
Figure FDA0003033318760000047
表示第i个个体、第k维的初始化值，rand(0,1)表示在区间[0,1]上的随机数；
变异：
Figure FDA0003033318760000048
其中，1r,2r和3r(1r≠2r≠3r)，1r',2r'和3r'(1r'≠2r'≠3r')是六个随机数，区间为[1,NP]；F∈[0,2]称为缩放因子，用于控制差分变量的缩放程度；g表示第g代；
交叉：
变异后个体Vi(g+1)和种群中当前的进化个体Pi(g)以离散交叉方式进行交叉操作，生成试用个体：
Figure FDA0003033318760000051
其中，Ui(g+1)表示第g+1代的交叉试用个体，CR表示指数递增交叉概率因子，通过下式计算：
CR＝CRmin+(CRmax-CRmin)*exp(-a*(g-Gmax)^b)，
其中，参数a＝30，b＝3，g表示当前迭代次数，Gmax表示最大迭代次数，参数CRmin＝0.1，CRmax＝0.9；
选择：
在试用个体Ui(g+1)与当前演化个体Pi(g)之间通过贪婪方式进行选择：
Figure FDA0003033318760000052
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)调节权值K，是通过调节(4b)的权值K控制蜂窝用户CUE的发射功率，即权值K取值越大，蜂窝用户CUE的发射功率越小，系统吞吐量相比最大吞吐量下降越多，能量同时提高地越多，不断增大权值K，直到系统能效不再提高，得到系统吞吐量和能效的最佳平衡效果。
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