CN108462950A - 基于noma的d2d通信联合子信道与功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法，依次包括计算每个蜂窝用户被各个D2D组复用后的信噪比、为每个D2D组用户选择候选蜂窝用户、为每个D2D组分配最优的子载波、构建以最大化D2D用户的能量效率为目标的优化函数、将得到的信道分配结果x_i,j代入优化目标和对各个D2D组中强弱用户进行功率分配。本发明针对D2D通信用户与蜂窝用户之间存在的同道干扰以及D2D组内基于NOMA准则的功率分配问题，构建以D2D用户总能量效率最大为优化目标的优化问题，采用信道分配和功率分配分步进行的方式进行处理。该方法首先采用匈牙利算法为每个D2D组分配信道，然后运用KKT(Karush‑Kuhn‑Tucker)最优约束条件推导得各个D2D组内功率分配方案，从而实现D2D用户总能量效率最大。

Description

基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法。

背景技术

随着近年来智能移动化设备得爆炸式增长以及人们对各种各样多媒体应用的需求不断增加，传统蜂窝网络受到了极大的挑战。Device-to-Device(D2D)技术作为第五代移动通信的关键技术之一，它允许通信网中临近设备之间进行直接通信而不需要通过核心设备或中心设备等基础设施的帮助，从而大大降低通信系统核心网络的数据压力。NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术能够通过功率分配和串行干扰消除(SuccessiveInterference Cancellation,SIC)技术使得多个用户共享同一资源，如时间、频率等资源，从而极大得提升系统的吞吐量和能量效率。因此，将D2D与NOMA技术相结合,可以更好得部署未来系统，提升用户服务质量。

然而，D2D通信也对现有蜂窝网络中带来了不可避免的干扰，因此，协调D2D系统与蜂窝系统之间的干扰来保证通信系统中各个用户的最小服务质量成为了D2D技术应用过程中亟待解决的关键问题。此外，合理得进行功率分配才能满足应用NOMA技术的条件同时减少用户间的干扰。考虑到D2D技术与NOMA技术的优点，近年来，已经有学者开始将NOMA技术应用到D2D通信系统中。目前已经提出了应用NOMA技术的“D2D组”的新型场景，在每个D2D组中D2D用户发射端可采用NOMA技术同时与两个接收端进行通信。也有考虑将多个蜂窝用户通过NOMA方式复用同一个子信道，首先根据连续干扰消除解调顺序的限制条件推导出蜂窝用户的功率，然后通过对偶迭代算法给D2D用户分配合适的蜂窝用户资源，最终实现D2D对的总速率最大。然而这些研究刚刚开始，还未深入且现有的文献中并没有分析应用NOMA技术下的D2D通信系统中的能量效率问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法，首先考虑在保证蜂窝用户通信质量的前提下运用匈牙利算法为各个D2D组分配相应蜂窝用户的子信道，然后在保证各个D2D组中D2D用户的通信质量以及发射功率受限的前提下，运用KKT条件推导出最优的功率分配方案，最终实现D2D用户能量效率最大。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法，包括如下步骤：

1)计算每个蜂窝用户被各个D2D组复用后的信噪比：系统由M个蜂窝用户与N个D2D组组成，每个D2D组包含一个D2D发射机和两个D2D接收机，每个D2D组复用一个子载波，假设D2D组内的D2D发射机以固定功率比的发射功率发送给两个接收机，计算出被D2D组j复用后蜂窝用户i的信噪比

2)为每个D2D组用户选择候选蜂窝用户：判断是否大于蜂窝用户的信干噪比，如果大于则把蜂窝用户i添加到第j个D2D组的候选蜂窝用户集中；

3)利用匈牙利算法为每个D2D组分配最优的子载波，具体步骤如下：

3.1)计算每个D2D组j与其对应的候选蜂窝用户集中复用不同蜂窝用户信道所对应的能量效率；

3.2)比较得出每个D2D组中复用信道后的最大能效值，将其与之前所得的各个能效值的差值作为D2D组j与蜂窝用户i的权重e_j,i；

3.3)将得到的权重e_j,i代入到KM算法中，得到每个D2D组所分配的蜂窝用户。

4)构建以最大化D2D用户的能量效率为目标的优化函数：

优化函数的目标函数为：

约束条件为和

其中蜂窝用户在各个子信道上的发射功率均为P_c，每个D2D组中D2D发射端的发射功率为P_D，g_i,B表示蜂窝用户i与基站之间的信道增益，g_j,1和g_j,2分别表示第j个D2D组中D2D发射端与D2D接收端1和D2D接收端2之间的信道增益，h_i,j1和h_i,j2分别表示蜂窝用户i和与之共用信道的第j个D2D组中接收端1和接收端2之间的信道增益，h_j,B表示第j个D2D组中发发射端与基站间的信道增益，σ²表示各个用户接受到的高斯白噪声，x_i,j∈{0,1}为信道分配的指示变量，表示各个蜂窝用户的信干噪比阈值，和表示各个D2D组中强弱用户的信干噪比阈值，σ²是高斯白噪声；

为了区分D2D组中的两个接收端，将D2D发射端与接收端之间信道增益大的用户称为强用户，信道增益小的用户称为弱用户。假设g_j,1＞g_j,2，即接收端1为强用户，接收端2为弱用户，分配给强用户的功率为分配给弱用户的功率为

5)将得到的信道分配结果x_i,j代入优化目标，由于D2D组中强弱用户所分配的功率和一定，因此可以将原优化问题中的与转化为一个未知量，引入功率分配因子ε，定义则根据优化条件得到构建步骤4中优化函数的拉格朗日乘子式：

其中λ₁和λ₂为拉格朗日乘子，对该拉格朗日乘子式进行求导，得到两种功率分配因子和

6)对各个D2D组中强弱用户进行功率分配，具体步骤如下：

6.1)区分强弱用户，如果在第j个D2D组中g_j,1＞g_j,2，则拥有信道增益g_j,1的用户为强用户，分配低功率此时发送给另一个接收端的功率为反之，则相反；

6.2)根据第j组中的计算得到和按照步骤6.1分配给第j个D2D组中的强弱用户，得到此时D2D组j的能量效率同理，将代入得到对应的能量效率

6.3)比较与根据能效较大者所对应的功率分配因子计算得到每个D2D组中强弱用户所要分配的功率。

本发明的基本思路是对应用NOMA技术的D2D通信系统中进行信道和功率分配，首先考虑多个D2D组复用多个蜂窝用户的子信道，构建为图论中的加权二部图的最大匹配问题，在保证蜂窝用户通信质量的前提下运用匈牙利算法为各个D2D组分配相应蜂窝用户的子信道，然后在保证各个D2D组中D2D用户的通信质量以及发射功率受限的前提下，运用KKT条件推导出最优的功率分配方案。

本发明考虑了基于NOMA的D2D用户通信系统，在信道分配的过程中，保证蜂窝用户的最低信噪比要求，同时最大化D2D用户的能量效率，有效抑制了引入D2D技术对系统所带来的干扰。在功率分配的过程中，保证D2D组中各个用户的最低信噪比要求，加入NOMA技术应用时对功率的要求，运用KKT条件推导出最优的功率分配方案。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、为D2D组分配信道时考虑了蜂窝用户通信的信噪比要求，有效抑制了引入D2D技术后对蜂窝用户带来的干扰，NOMA技术引起弱用户对强用户的干扰通过功率控制过程进行处理，功率控制过程能够最大化D2D组的能量效率，同时也保证了D2D用户的最低信噪比要求，结合信道分配和功率控制有效抑制了系统中两种用户间的干扰，提升了D2D用户能量效率。

2、对D2D组分配信道的过程中，确保蜂窝用户的最低信噪比要求的前提下，利用匈牙利算法把能量效率作为权重进行分配，有利于D2D用户能量效率的提升。

3、在为D2D组中强弱用户分配功率的过程中，能够确保各个D2D用户最低信噪比要求，并且满足NOMA技术应用时对强弱用户的区分条件，提高了D2D用户的总能量效率。

附图说明

图1为基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配算法流程示意图；

图2为D2D用户总能量效率随D2D组数在alpha＝2.5和alpha＝4时的变化图；

图3为D2D用户总能量效率随D2D组数在P_D＝21dBm和P_D＝23dBm时的变化图；

图4为D2D用户总能量效率随D2D发射功率在N＝7和N＝10时的变化图；

图5为本发明的系统模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法，包括以下步骤：

1)计算每个蜂窝用户被各个D2D组复用后的信噪比：系统由M个蜂窝用户与N个D2D组组成，每个D2D组包含一个D2D发射机和两个D2D接收机。每个D2D组复用一个子载波，假设D2D组内的D2D发射机以固定功率比的发射功率发送给两个接收机，计算出被D2D组j复用后蜂窝用户i的信噪比:

其中，P_C是蜂窝用户的发射功率，P_D是D2D组中发射机的发射功率，g_i,B表示蜂窝用户i与基站之间的信道增益，h_j,B表示第j个D2D组中发射端与基站间的信道增益，σ²表示高斯白噪声，x_i,j∈{0,1}为信道分配的指示变量，若x_i,j为1则表示第j个D2D组复用第i个蜂窝用户的信道，反之，x_i,j为0表示不复用。

2)为每个D2D组用户选择候选蜂窝用户：判断是否大于蜂窝用户的信干噪比，如果大于则把蜂窝用户i添加到第j个D2D组的候选蜂窝用户集中。

3)利用匈牙利算法为每个D2D组分配最优的子载波，具体步骤如下：

3.1)计算每个D2D组j与其对应的候选蜂窝用户集中复用不同蜂窝用户信道所对应的能量效率；

3.2)比较得出每个D2D组中复用信道后的最大能效值，将其与之前所得的各个能效值的差值作为D2D组j与蜂窝用户i的权重；

3.3)将得到的权重代入到匈牙利算法中，得到每个D2D组所分配的蜂窝用户。

4)构建以最大化D2D用户的能量效率为目标的优化函数：

其中，g_j,1和g_j,2分别表示第j个D2D组中D2D发射端与D2D接收端1和D2D接收端2之间的信道增益，和分别表示蜂窝用户i和与之共用信道的第j个D2D组中接收端1和接收端2之间的信道增益。(2a)式是优化问题的目标函数，表示最大化D2D用户的能量效率；(2b)式表示蜂窝用户的最低信噪比要求；(2c)和(3d)式保证每个D2D组中的用户满足其自身的QoS要求；(2e)式表示NOMA准则，即信道增益大的强用户分配的功率小于信道增益小的弱用户；(2f)式保证各用户分配功率大于零，且总功率固定为D2D的发射功率。

5)将基于匈牙利算法得到信道分配结果x_i,j代入优化目标，由于D2D组中强弱用户所分配的功率和一定，因此可以将原优化问题中的与转化为一个未知量，引入功率分配因子ε，定义则根据优化条件得到构建步骤4中优化函数的拉格朗日乘子式：

其中λ₁和λ₂为拉格朗日乘子，对该拉格朗日乘子式进行求导，得到两种功率分配因子和

式(4)表示先考虑D2D组中强用户的信干噪比达到阈值，将剩余的功率分配给此时的弱用户，此时弱用户的容量可以达到限制条件下的最大值。式(5)相当于先考虑弱用户的信干噪比达到阈值，将剩余的功率分配给此时的强用户，则强用户的容量可以达到限制条件下的最大值。

6)对各个D2D组中强弱用户进行功率分配，具体步骤如下：

6.1)区分强弱用户，如果在第j个D2D组中g_j,1＞g_j,2，则拥有信道增益g_j,1的用户为强用户，分配低功率此时发送给另一个接收端的功率为反之，则相反；

6.2)根据第j组中的计算得到和按照步骤6.1分配给第j个D2D组中的强弱用户，得到此时D2D组j的能量效率和

6.3)比较与根据能效较大者所对应的功率分配因子计算得到每个D2D组中强弱用户所要分配的功率。

综上所述，基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法，需要在保证蜂窝用户最低信噪比前提下，采用匈牙利算法为D2D组进行信道分配，并对NOMA方式下各组中强弱用户的功率分配方案建模求解，建立以D2D用户的能量效率为目标函数，以系统中所有用户的信噪比和NOMA技术应用时区分强弱用户时的功率要求为约束条件的优化函数，运用KKT条件推导出最优的功率分配方案。

图2为D2D用户总能量效率随D2D组数在alpha＝2.5和alpha＝4时的变化图，可见运用本发明的方法后，随着D2D组的个数不断增加，本方法下的D2D组总能量效率性能更加显著，由于每个D2D组中采用了NOMA通信方式后，每个接收端与发送端可以占用整个带宽进行数据传输，而传统的OMA通信方式下，每个接收端与发送端只能占用一半的带宽传输数据，而且通过观察本发明在信道衰落较快的环境下也可以很好得适应。

图3为D2D用户总能量效率随D2D组数在P_D＝21dBm和P_D＝23dBm时的变化图，显然在同一发射功率下，随着D2D组数的增加，D2D组总能效不断增加，且本发明随着D2D组数的增加性能提升更加明显，这是因为随着接入的D2D用户数目得不断增加，NOMA的优势更大，在同样的功率损耗下获得更大的用户总吞吐量。另外，图3中可以发现D2D发射功率为21dBm时的能量效率大于发射功率为23dBm的能量效率，这是由于发射功率增大带来的吞吐量增加小于此时的功率损耗，所以发射功率大时的能量效率反而较低。

图4为D2D用户总能量效率随D2D发射功率在N＝7和N＝10时的变化图，可见本发明方法提高了系统中D2D用户的总能量效率，图4中可以发现，不管D2D组数为7还是10，D2D组总能量效率都随着发射功率的增加而减少，这是因为随着发射功率的增加，D2D组总吞吐量上升缓慢而消耗的功率却是直线下降，两者相除，导致D2D总能效总体呈现下降趋势，并且从图4中可以发现随着D2D发射功率的不断增大，D2D组数增加带给D2D组总能效增大的优势在逐渐的减少，也就是说D2D的发射功率相对于D2D组数对D2D组总能效的影响更大。

如图5所示，本发明考虑单小区中上行链路传输场景，小区半径为R，基站位于小区的中心，小区内包含M个蜂窝用户与N个D2D组，每个D2D组包含一个D2D发射机和若干个D2D接收机，其中D2D接收机随机分布在以D2D发射机为圆心，d_max为半径的圆中。其中蜂窝用户与基站以传统蜂窝模式通信，每个蜂窝用户分配一个子信道，各个子信道间相互正交，即蜂窝用户间不存在干扰。不同于传统的D2D对通信，在各个D2D组中的D2D发送端采用NOMA传输机制发送包含多个接收端所需信息的叠加混合信号。为了方便分析，不失一般性，本文假设每个D2D组均有2个接收端，每个D2D组仅可复用一个蜂窝用户的信道进行通信，而每个蜂窝用户信道也仅可被一个D2D组复用，因此，在该场景下不同D2D组间不存在干扰，干扰仅存在于各个D2D组与其复用信道的蜂窝用户之间。

Claims (3)

1.一种基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)计算每个蜂窝用户被各个D2D组复用后的信噪比：系统由M个蜂窝用户与N个D2D组组成，每个D2D组包含一个D2D发射机和两个D2D接收机，每个D2D组复用一个子载波，假设D2D组内的D2D发射机以固定功率比的发射功率发送给两个接收机，计算出被D2D组j复用后蜂窝用户i的信噪比

2)为每个D2D组用户选择候选蜂窝用户：判断是否大于蜂窝用户的信干噪比，如果大于则把蜂窝用户i添加到第j个D2D组的候选蜂窝用户集中；

3)为每个D2D组分配最优的子载波；

4)构建以最大化D2D用户的能量效率为目标的优化函数：

优化函数的目标函数为：

约束条件为和

其中蜂窝用户在各个子信道上的发射功率均为P_c，每个D2D组中D2D发射端的发射功率为P_D，g_i,B表示蜂窝用户i与基站之间的信道增益，g_j,1和g_j,2分别表示第j个D2D组中D2D发射端与D2D接收端1和D2D接收端2之间的信道增益，和分别表示蜂窝用户i和与之共用信道的第j个D2D组中接收端1和接收端2之间的信道增益，h_j,B表示第j个D2D组中发发射端与基站间的信道增益，σ²表示各个用户接受到的高斯白噪声，x_i,j∈{0,1}为信道分配的指示变量，表示各个蜂窝用户的信干噪比阈值，和表示各个D2D组中强弱用户的信干噪比阈值，σ²是高斯白噪声；

为了区分D2D组中的两个接收端，将D2D发射端与接收端之间信道增益大的用户称为强用户，信道增益小的用户称为弱用户。假设g_j,1＞g_j,2，即接收端1为强用户，接收端2为弱用户，分配给强用户的功率为分配给弱用户的功率为

5)将得到的信道分配结果x_i,j代入优化目标，由于D2D组中强弱用户所分配的功率和一定，因此可以将原优化问题中的与转化为一个未知量，引入功率分配因子ε，定义则根据优化条件得到构建步骤4中优化函数的拉格朗日乘子式：

其中λ₁和λ₂为拉格朗日乘子，对该拉格朗日乘子式进行求导，得到两种功率分配因子和

6)对各个D2D组中强弱用户进行功率分配。

2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法，其特征在于：所述步骤3中利用匈牙利算法为每个D2D组分配最优的子载波，具体步骤如下：

3.1)计算每个D2D组j与其对应的候选蜂窝用户集中复用不同蜂窝用户信道所对应的能量效率；

3.2)比较得出每个D2D组中复用信道后的最大能效值，将其与之前所得的各个能效值的差值作为D2D组j与蜂窝用户i的权重e_j,i；

3.3)将得到的权重e_j,i代入到KM算法中，得到每个D2D组所分配的蜂窝用户。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于NOMA的D2D通信联合子信道与功率分配方法，其特征在于：所述步骤6的具体步骤如下：

6.1)区分强弱用户，如果在第j个D2D组中g_j,1＞g_j,2，则拥有信道增益g_j,1的用户为强用户，分配低功率此时发送给另一个接收端的功率为反之，则相反；

6.2)根据第j组中的计算得到和按照步骤6.1分配给第j个D2D组中的强弱用户，得到此时D2D组j的能量效率同理，将代入得到对应的能量效率

6.3)比较与根据能效较大者所对应的功率分配因子计算得到每个D2D组中强弱用户所要分配的功率。