CN108521643A - 一种基于合作博弈的中继辅助d2d通信系统的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于合作博弈的中继辅助D2D通信系统的优化方法，从博弈论角度进行单蜂窝网络内蜂窝通信链路以及D2D通信链路的优化，具体利用双重合作博弈进行优化，其中第一重是蜂窝用户与D2D对之间的博弈，第二重为D2D对与空闲蜂窝用户之间的博弈，即在蜂窝用户与D2D对博弈的过程中，进行D2D对与空闲蜂窝用户之间的博弈。本发明的优化方法对比常见的分配策略至少减小了20％的能耗，并且更加稳定。

Description

一种基于合作博弈的中继辅助D2D通信系统的优化方法

技术领域

本发明涉及通信系统技术领域，具体涉及一种基于合作博弈的中继辅助D2D通信系统的优化方法。

背景技术

随着智能终端的快速普及与人们日益增长的业务需求，如在线视频点播、本地资源共享等无线多媒体业务，网络通信容量呈现爆炸性增长的趋势，带宽需求也不断加大，频谱资源匮乏问题日益严重。在传统蜂窝通信网络中引入D2D通信技术，具有提高吞吐量、提高频谱利用率、扩大网络覆盖范围等优点，能够缓解频谱资源紧张的问题。此外，结合D2D技术与中继技术，形成具有中继辅助的D2D通信，不仅保有了D2D技术原有的优点，更大大扩展D2D通信的范围。

另一方面，通信技术迅速发展也带来了越来越严重的能源消耗问题，在保证通信服务质量的同时降低能量消耗，如何实现绿色通信、节约能源，是一个需要引起广泛关注的问题。

有鉴于此，本发明人针对上述通信系统中存在的诸多问题，而深入构思，进而开发出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于合作博弈的中继辅助D2D通信系统的优化方法，其通过最小化系统总发射功率，达到优化通信系统的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于合作博弈的中继辅助D2D通信系统的优化方法，所述通信系统中D2D用户与蜂窝用户为多对一的关系；所述优化方法具体包括以下步骤：

步骤1、将通信系统中的各个D2D对用户先进行联盟初始化分配，即随机让各个D2D对进入某个联盟分组G_i，同时也要初始化各个D2D对与中继节点的分配，让各个D2D对随机不重复地与空闲蜂窝用户R’＝{RU₁，RU₂，…，RU_2K}匹配，其中，{RU_K+1，RU_K+2，…，RU_2K}为增加K个虚拟的中继节点，表示D2D对不连接中继的情况；

步骤2、计算初始分配下的通信系统总发射功率最小值P_{ini_CU_RU}，同时，令P_cur＝P_{temp_CU}＝P_{ini_CU_RU}，其中，P_cur是指蜂窝D2D博弈得到的系统最小总发射功率，P_{temp_CU}是指中继D2D博弈得到的系统最小总发射功率；

通信系统总发射功率最小值P_{ini_CU_RU}表示为：

式(1)中，M为蜂窝用户数量，集合D＝{DU₁，DU₂，…，DU_N}，N为D2D用户对数量；集合G＝{G₁，G₂，…，G_M}，表示共享各个蜂窝用户频谱资源的D2D用户对分组；

步骤3、对蜂窝用户与D2D对进行博弈；

先确定博弈次数N_CU，初始化当前博弈次数N₂＝0；当N₂≤N_CU时，重复以下步骤：试探性地随机选择一个D2D用户对进入随机的某个联盟分组中，令N₂＝N₂+1，并在此匹配下，对中继节点与D2D对进行博弈，具体如下：

先确定博弈次数N_RU，初始化当前博弈次数N₁＝0；当N₁≤N_RU时，重复以下步骤：试探性地让某个D2D对DU_j匹配另一个中继节点，并令N₁＝N₁+1；然后计算试探分配下系统总发射功率最小值P_{temp_RU}，若P_{temp_RU}＜P_{temp_CU}，就令P_{temp_CU}＝P_{temp_RU}，同时改变分配；否则不改变分配情况；

当N₁＞N_RU时，停止对中继节点的博弈，得到当前D2D对与蜂窝用户匹配下中继D2D博弈得到的系统总发射功率最小值P_{temp_CU}；

当N₂＞N_CU时，停止对蜂窝用户的博弈，最终所求的系统最小总发射功率就为P_final＝P_cur，将该最小发射功率对应的分配情况应用到通信系统中，即实现通信系统的优化。

所述联盟分组G_i的发射功率最小值的求取具体如下：

对于联盟分组G_i，设定u个D2D用户对{DU₁，DU₂，…，DU_u}共享了蜂窝用户CU_i的频谱资源，即G_i＝{DU₁，DU₂，…，DU_u}；v个D2D用户对{DU₁，DU₂，…，DU_v}分别连接v个空闲蜂窝用户R＇＝{RU₁，RU₂，…，RU_v}建立中继辅助的D2D通信，用G_i1表示；剩下的u-v个D2D用户对{DU_v+1，DU₂，…，DU_u}直接通信，用G_i2表示；

那么该联盟分组G_i中的各链路总发射功率和可由以下各式得出：

其中，A₁*P₁＝B₁，A₁是系数矩阵，P₁是D2D用户对发送节点到中继节点的发射功率，B₁为常数；

h_uv表示u到v之间的信道增益；表示链路保证通信质量的最小SINR值；P_u表示u的发送功率；N₀为噪声功率谱密度；与分别表示D2D用户对DU_i的源节点与目的节点；

P₁有唯一解的前提是：

rank(A₁)＝rank(A₁，B₁)＝u+1

在此前提下，计算A₁/B₁即可求出P₁各分量；

其中，A₂*P₂＝B₂，A₂是系数矩阵，P₂是中继节点到D2D用户对接收节点的发射功率，B₁为常数；

同样，P₂有唯一解的前提是：

rank(A₂)＝rank(A₂，B₂)＝u+1

在此前提下，计算A₂/B₂即可求出P₂各分量；

此时，联盟分组G_i中D2D用户对与空闲蜂窝用户的分配为G_i-R′情况下的单位时间内所有上行链路发射功率总和最小值：

对不同的D2D用户对的中继选择情况G_i-R_x，可以得到不同的值，其中的最小值才是最终所求联盟分组G_i的发射功率最小值，即：

用上述方案后，本发明的积极效果在于：

在单个蜂窝小区，中继辅助的D2D蜂窝通信系统，考虑单蜂窝用户的频谱资源可以被多个D2D用户对共享的情况，系统各链路总发射功率和不仅与资源分配策略相关，还取决于中继选择的策略，同时考虑这两方面的因素，在保证各个链路通信质量的前提下，对系统单位时间各链路总发射功率优化。

本发明从博弈论角度研究单蜂窝网络内蜂窝通信链路以及D2D通信链路的能量优化问题。提出一个包含双重合作博弈的优化方法，第一重是蜂窝用户与D2D对之间的博弈，第二重为中继节点与D2D对之间的博弈，即在蜂窝用户与D2D对博弈的过程中，进行中继节点与D2D对之间的博弈。并且，本发明的优化方法对比常见的分配策略至少减小了20％的能耗，并且更加稳定。

附图说明

图1为本发明D2D通信蜂窝系统的结构图；

图2为本发明优化方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示了一种基于合作博弈的中继辅助D2D通信系统的优化方法，该优化方法应用的通信系统中D2D用户与蜂窝用户为多对一的关系，即蜂窝用户的频谱资源可以同时被多个D2D用户复用，而D2D用户只能复用一个蜂窝用户的频谱资源；另外，D2D用户对可以选择一个空闲蜂窝用户作为中继进行中继辅助的D2D通信，D2D用户需要满足最低服务质量才可以进行D2D直接通信。

如图2所示，本发明的优化方法包括以下步骤：

步骤1、对各个D2D对用户先进行联盟初始化分配，即随机让各个D2D对进入某个联盟分组G_i，同时也要初始化各个D2D对与中继节点的分配，让各个D2D对随机不重复地与空闲蜂窝用户R’＝{RU₁，RU₂，…，RU_2K}匹配，其中{RU_K+1，RU_K+2，…，RU_2K}为增加K个虚拟的中继节点，表示D2D对不连接中继的情况。

步骤2、计算初始分配下系统总发射功率最小值P_{ini_CU_RU}，令P_cur＝P_{temp_CU}＝P_{ini_CU_RU}；其中，P_cur是指蜂窝D2D博弈得到的系统最小总发射功率，P_{temp_CU}是指中继D2D博弈得到的系统最小总发射功率；

将系统的总发射功率用各个分组所有链路的发射功率求和公式来表示，则系统总发射功率可以表示为：

式(1)中，蜂窝用户数量为M，集合C＝{CU₁，CU₂，…，CU_M}表示各蜂窝用户；D2D用户对数量为N，集合D＝{DU₁，DU₂，…，DU_N}表示各D2D用户对；集合R＝{RU₁，RU₂，…，RU_K}表示各个空闲蜂窝用户，数量为K，其中有M≥N，K≥N。集合G＝{G₁，G₂，…，G_M}表示共享各个蜂窝用户频谱资源的D2D用户对分组。

对于某个分组G_i，假设u个D2D用户对{DU₁，DU₂，…，DU_u}共享了蜂窝用户CU_i的频谱资源，即G_i＝{DU₁，DU₂，…，DU_u}，其中v个D2D用户对{DU₁，DU₂，…，DU_v}分别连接v个空闲蜂窝用户R＇＝{RU₁，RU₂，…，RU_v}建立中继辅助的D2D通信，用G_i1表示，剩下的u-v个D2D用户对{DU_v+1，DU₂，…，DU_u}直接通信，用G_i2表示。那么该分组各链路总发射功率和可由以下各式得出，式中h_uv表示u到v之间的信道增益；表示链路保证通信质量的最小SINR值；P_u表示u的发送功率；N₀为噪声功率谱密度；与分别表示D2D用户对DU_j的源节点与目的节点。

其中，A₁*P₁＝B₁，A₁是系数矩阵，P₁是D2D用户对发送节点到中继节点的发射功率，B₁为常数；

P₁有唯一解的前提是：

rank(A₁)＝rank(A₁，B₁)＝u+1

在此前提下，计算A₁/B₁即可求出P₁各分量。

其中，A₂*P₂＝B₂，A₂是系数矩阵，P₂是中继节点到D2D用户对接收节点的发射功率，B₁为常数；

同样，P₂有唯一解的前提是：

rank(A₂)＝rank(A₂，B₂)＝u+1

在此前提下，计算A₂、B₂即可求出P₂各分量。

此时得到该分组内D2D用户对以目前的中继选择情况下单位时间内的所有上行链路发射功率总和最小值：

其中代表G_i分组中D2D用户对与空闲蜂窝用户的分配为G_i-R′情况下的单位时间内所有上行链路发射功率总和最小值。

对不同的D2D用户对的中继选择情况G_i-R_x，可以得到不同的值，其中的最小值才是最终所求G_i分组目标最小值，即：

步骤3、对蜂窝用户与D2D对进行博弈；

先确定博弈次数N_CU，初始化当前博弈次数N₂＝0；当N₂≤N_CU时，重复以下步骤：试探性地随机选择一个D2D用户对进入随机的某个联盟分组中，令N₂＝N₂+1，并在此匹配下，对中继节点进行博弈，具体如下：

先确定博弈次数N_RU，初始化当前博弈次数N₁＝0；当N₁≤N_RU时，重复以下步骤：试探性地让某个D2D对DU_j匹配另一个中继节点，并令N₁＝N₁+1，然后根据计算分配下系统总发射功率最小值P_{temp_RU}，若P_{temp_RU}＜P_{temp_CU}，就令P_{temp_CU}＝P_{temp_RU}，同时改变分配；否则不改变分配情况。当N₁>N_RU时，停止对中继节点的博弈，得到当前D2D对与蜂窝用户匹配下中继D2D博弈得到的系统总发射功率最小值P_{temp_CU}。

当N₂＞N_CU时，停止对蜂窝用户的博弈，最终所求的系统最小总发射功率就为P_final＝P_cur。将该最小发射功率对应的分配情况应用到通信系统中，即实现通信系统的优化。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种基于合作博弈的中继辅助D2D通信系统的优化方法，所述通信系统中D2D用户与蜂窝用户为多对一的关系；其特征在于：所述优化方法具体包括以下步骤：

步骤1、将通信系统中的各个D2D对用户先进行联盟初始化分配，即随机让各个D2D对进入某个联盟分组G_i，同时也要初始化各个D2D对与中继节点的分配，让各个D2D对随机不重复地与空闲蜂窝用户R’＝{RU₁，RU₂，…，RU_2K}匹配，其中，{RU_N+1，RU_N+2，…，RU_2K}为增加K个虚拟的中继节点，表示D2D对不连接中继的情况；

步骤2、计算初始分配下的通信系统总发射功率最小值P_{ini_CU_RU}，同时，令P_cur＝P_{temp_CU}＝P_{ini_CU_RU}，其中，P_cur是指蜂窝D2D博弈得到的系统最小总发射功率，P_{temp_CU}是指中继D2D博弈得到的系统最小总发射功率；

通信系统总发射功率最小值P_{ini_CU_RU}表示为：

式(1)中，M为蜂窝用户数量，集合D＝{DU₁，DU₂，…，DU_N}.N为D2D用户对数量；集合G＝{G₁，G₂，…，G_M}，表示共享各个蜂窝用户频谱资源的D2D用户对分组；

步骤3、对蜂窝用户与D2D对进行博弈；

先确定博弈次数N_CU，初始化当前博弈次数N₂＝0；当N₂≤N_CU时，重复以下步骤：试探性地随机选择一个D2D用户对进入随机的某个联盟分组中，令N₂＝N₂+1，并在此匹配下，对中继节点与D2D对进行博弈，具体如下：

先确定博弈次数N_RU，初始化当前博弈次数N₁＝0；当N₁≤N_RU时，重复以下步骤：试探性地让某个D2D对DU_j匹配另一个中继节点，并令N₁＝N₁+1；然后计算试探分配下系统总发射功率最小值P_{temp_RU}，若P_{temp_RU}＜P_{temp_CU}，就令P_{temp_CU}＝P_{temp_RU}，同时改变分配；否则不改变分配情况；

当N₁＞NR_U时，停止对中继节点的博弈，得到当前D2D对与蜂窝用户匹配下中继D2D博弈得到的系统总发射功率最小值P_{temp_CU}；

当N₂＞N_CU，时，停止对蜂窝用户的博弈，最终所求的系统最小总发射功率就为P_final＝P_cur，将该最小发射功率对应的分配情况应用到通信系统中，即实现通信系统的优化。

2.根据权利要求1所述的一种基于合作博弈的中继辅助D2D通信系统的优化方法，其特征在于：所述联盟分组G_i的发射功率最小值的求取具体如下：

对于联盟分组G_i，设定u个D2D用户对{DU₁，DU₂，…，DU_u}共享了蜂窝用户CU_i的频谱资源，即G_i＝{DU₁，DU₂，…，DU_u}；v个D2D用户对{DU₁，DU₂，…，DU_v}分别连接v个空闲蜂窝用户R′＝{RU₁，RU₂，…，RU_v}建立中继辅助的D2D通信，用G_i1表示；剩下的u-v个D2D用户对{DU_v+1，DU₂，…，DU_u}直接通信，用G_i2表示；

那么该联盟分组G_i中的各链路总发射功率和可由以下各式得出：

其中，A₁*P₁＝B₁，A₁是系数矩阵，P₁是D2D用户对发送节点到中继节点的发射功率，B₁为常数；

h_uv表示u到v之间的信道增益；表示链路保证通信质量的最小SINR值；P_u表示u的发送功率；N₀为噪声功率谱密度；与分别表示D2D用户对DU_j的源节点与目的节点；

P₁有唯一解的前提是：

rank(A₁)＝rank(A₁，B₁)＝u+1

在此前提下，计算A₁/B₁即可求出P₁各分量；

其中，A₂*P₂＝B₂，A₂是系数矩阵，P₂是中继节点到D2D用户对接收节点的发射功率，B₁为常数；

同样，P₂有唯一解的前提是：

rank(A₂)＝rank(A₂，B₂)＝u+1

在此前提下，计算A₂/B₂即可求出P₂各分量；

此时，联盟分组G_i中D2D用户对与空闲蜂窝用户的分配为G_i-R′情况下的单位时间内所有上行链路发射功率总和最小值：

对不同的D2D用户对的中继选择情况G_i-R_x，可以得到不同的值，其中的最小值才是最终所求联盟分组G_i的发射功率最小值，即：