CN110278546B - 一种延时不敏感d2d通信系统中平均能效最大化功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种延时不敏感D2D通信系统中平均能量效率最大化功率分配方法，按如下步骤进行：首先基站通过调度算法选择蜂窝用户将其频率资源共享给选定的D2D链接使用；然后被调度激活的蜂窝用户以及D2D用户向基站反馈信道状态信息；接着基站根据蜂窝用户以及D2D用户上传的信道状态信息，计算出使对延时不敏感的D2D链接平均能量效率最优的功率分配方案；最后，D2D链接发送端按此功率分配方案完成数据传输。本发明能够有效的应用于实际场景中，根据基站计算出的最优功率分配方案，有效提高延时不敏感的小区边缘用户的平均能量效率，降低D2D终端功耗同时约束其对蜂窝用户的干扰，进而提高平均频谱利用率。

Description

一种延时不敏感D2D通信系统中平均能效最大化功率分配 方法

技术领域

本发明属于移动通信设备与设备(D2D)自适应资源分配领域，尤其涉及一种延时不敏感D2D通信获取最大平均能效的功率优化分配方法。

背景技术

近年来，随着越来越多的移动设备接入移动通信网络，移动通信网络中的信息量呈现爆炸式增长，尤其每月移动端信息下载量预计将以8倍的数量增长。这对移动通信网络的容量提出了更高的要求，因此，5G迫切需要将新的技术引入现有的网络中。其中设备与设备通信(Device-to-Device，D2D)被广泛认为是一种能够有效增加系统容量的5G技术。

D2D通信是指在蜂窝网络中，当有通信需求的两个用户距离较近并且信道状况较好的时候，允许用户之间直接通信而不用通过基站转发。相关的控制信令，如会话的建立、维持、无线资源分配以及计费、鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责。

D2D通信具有以下优点：

(1)提高了频谱效率

(2)降低了能量损耗，移动设备可以使用更长的时间

(3)缓解了基站的通信压力

(4)降低了通信延时。

D2D通信模式分为reuse模式和dedicated的模式，其中，reuse模式是指进行设备到设备直接通信的D2D用户，与传统蜂窝用户共享信道资源；dedicated模式是指D2D用户使用单独的信道资源，与蜂窝用户使用正交的频谱资源。虽然为D2D通信分配单独的信道资源能够更好地保证D2D用户的通信，同时可以避免对蜂窝用户的干扰，但是这种方式频谱效率较低，而reuse模式有更高的频谱效率。鉴于频谱资源日趋紧张，因此，近年来对D2D通信的研究多集中于D2D用户与蜂窝用户复用信道资源的模式。对于信道共享会在蜂窝用户与D2D用户之间引入干扰的问题，需要采用有效的干扰管理或消除方法。

随着丰富的网络服务的出现和越来越多的移动设备接入移动通信网络，移动通信网络消耗的能量急剧增加。研究表明，2％到10％的全球能量消耗以及温室气体排放是由信息与通信技术造成的，因此，绿色通信成为了不可避免的研究方向。同时，能效问题也成为了5G的一个研究热点。因此本专利主要研究基于D2D通信技术的平均能量效率最优化问题，并且给出了一种在实际中具体可行的方法。

目前，已有很多研究致力于实现能量效率最大化，这些工作通常基于即时信道状态信息实现目标性能的优化。对于衰落信道而言，当考量蜂窝用户的服务质量以及D2D用户的能量效率等指标的长期统计平均需求时，需要考虑D2D用户的能量效率和对蜂窝用户的干扰在遍历信道衰落状态条件下的性能变化。因此，我们研究了延时不敏感应用中通过自适应功率控制实现在保证蜂窝用户的平均QoS的条件下最大化D2D通信链路平均能量效率的问题。

发明内容

发明目的：无线通信网络中支持D2D通信时，同频资源复用带来的干扰，针对蜂窝用户的QoS保障和D2D通信能效优化问题，本发明提供一种延时不敏感D2D通信获取平均能效最大的功率分配方法。通过提高D2D通信的能效，功耗的降低既可以延长D2D设备的有效使用时间，又有效保障蜂窝用户的服务体验，从而提高系统频谱效率和无线网络的有效覆盖。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种延时不敏感D2D通信系统中平均能量效率最大化的功率分配方法，具体包括以下步骤：

(1)调度激活用户，基站调度选取一个蜂窝用户和一对D2D用户，将该蜂窝用户的频带资源与D2D用户共享，进行设备到设备间通信。

具体地，在该蜂窝小区内，基站采用集中式控制的无线资源管理方法，使用现有通信系统中常用调度算法调度蜂窝用户，将其下行频带资源共享给合适的D2D链接进行设备到设备间的通信。

具体地，调度“合适的D2D用户”是为了使基站与蜂窝用户的通信及D2D链接的通信相互间干扰尽可能少，在资源共享的前提下可以保证各自的QoS要求。若以距离为例，D2D链接与基站之间的距离、D2D链接与共享其频带资源的蜂窝用户之间的距离都要合适，一般要求被调度的D2D链接距离基站的距离要大于蜂窝用户距离基站的距离，且D2D链接与共享其频带资源的蜂窝用户之间也要有一定的距离，上述距离可以根据实际需要进行设置。

(2)基站获取传输链路和干扰链路的实时信道状态信息；

具体地，本发明在发射功率和干扰功率受限条件下完成能效优化运算，所涉及的传输链路包括D2D用户之间的信道；干扰链路包括D2D用户到蜂窝用户之间的信道以及基站到D2D之间的信道；参考说明书图1。

具体地，基站下达控制信令给该蜂窝小区中的各个用户，根据步骤(1)中基站选定的蜂窝用户以及其相应的D2D链接，首先该蜂窝用户进行信道估计以获得其和基站之间的传输链路的信道状态信息，同时通过信道估计获得其与D2D发射端之间的干扰链路的信道状态信息，再根据其与基站共知的码本对信道信息进行量化，并将量化信道信息反馈给基站；同时D2D用户首先进行信道估计以获得D2D之间传输链路的信道状态信息，同时通过信道估计获得D2D接收端与基站之间的干扰链路的信道状态信息，再根据其与基站共知的码本对信道信息进行量化，并将量化信道信息反馈给基站。

具体地，根据上段所述的方法，基站可获取传输链路和干扰链路的实时信道状态信息。

当无线通信系统支持直通通信时，如果蜂窝用户具有绝对的优先级，不考虑对共享其资源的D2D链接的干扰，基站与蜂窝用户k通信时使用额定功率发送信号，即：

与蜂窝用户k共享频谱资源的D2D链接j的发射功率满足约束条件：

同时，D2D链接j发送的信号通过干扰信道对蜂窝用户k造成干扰，为保障蜂窝用户k的通信质量，使得D2D链接j对蜂窝用户产生的干扰满足约束条件：

其中：

E{*}表示对大括号内变量在不同的信道状态v下求统计平均值；

v表示实时信道的衰落状态；

p_k(v)表示在衰落状态v下基站对蜂窝用户k的发射功率；

p_j(v)表示在衰落状态v下D2D链接j发射端的发射功率；

表示基站对蜂窝用户的发射功率门限；

表示D2D链接的发射功率门限；

表示衰落状态v下D2D链接j对蜂窝用户k的干扰链路信道状态信息，

其中，l_jk表示D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路的路径损耗，g_jk(v)表示衰落状态v下D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路的归一化信道增益，

表示D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路中高斯白噪声的方差；

表示D2D链接对共享频率资源的蜂窝用户的干扰门限。

(3)基站根据获取的实时信道状态信息，计算满足功率约束条件的最优功率分配方案。

具体地，以D2D用户的能量效率η最优为目标，进行功率分配，能量效率的表达式为：

其中：

分母中，ζ为D2D通信链路发送端的功率放大系数；

表示D2D链路电路功耗；p_j(v)表示衰落状态v下D2D链接j发送端的发射功率；

分子中，p_j(v)表示衰落状态v下D2D链接j发送端的发射功率；p_k(v)表示在衰落状态v下基站对蜂窝用户k的发射功率；

表示衰落状态v下D2D链接j传输链路的信道状态信息

其中，l_j表示D2D链接j传输链路的路径损耗，h_j(v)表示衰落状态v下D2D链接j传输链路的归一化信道增益，δ_j ²表示D2D链路j传输链路高斯白噪声的方差；

表示衰落状态v下基站和D2D链接j接收端之间干扰链路的信道状态信息

其中，息l_kj表示基站与D2D链接j接收端之间干扰链路的路径损耗，g_kj(v)表示衰落状态v下基站与D2D链接j接收端之间干扰链路的归一化信道增益，δ_kj ²表示基站对D2D链接干扰链路的高斯白噪声的方差；

根据经典分数规划理论_，能量最优的目标函数η(p_j(v))可从分数规划转化成下式的非线性规划问题：

为求解该优化问题，引入拉格朗日因子λ和μ，将目标函数f(p_j(v),η)转化为：

其中：

从上式可以看出，目标函数L(p_j(v),λ,μ)的求解可转化为求解E{G'(v)}。

因为G'(v)对于每一个不同的衰落状态v都有相同的结构，将表达式中的v舍去，目标函数L(p_j(v),λ,μ)可转化为：

当满足

条件时，达到能效最优化目标η^*，获得的功率分配方案

上标*以示为优化结果。

在具体的求解过程中，η^*可基于Dinkelbach方法迭代求出：设η初值为0，计算此时的功率分配结果p_j，p_k及相应的拉格朗日因子λ和μ，当达到最优化结果时，目标函数f(p_j(v),η)应为零，但由于优化运算和计算机运行中不可避免的精度问题，目标函数通常不可能精确到达零点，因此为其设定精度要求ε_f，如ε_f＝10^-4，循环迭代的结束条件为目标函数达到设定精度要求|f(p_j(v),η)|≤ε_f，此时，认为收敛条件满足。当此精度条件不满足时，按本轮循环分配结果更新η，Dinkelbach方法收敛速度较快，本例仿真条件下通常迭代次数在10次以内。

在η*的每轮迭代循环中，都需要相应地搜索优化过程中引入的拉格朗日因子λ和μ，这两个因子可通过梯度法迭代求出：首先设定λ和μ的初值(如设为0)和调整步长(如设为0.1)，当达到最优化结果时，λ和μ相应的约束条件应达到设定精度要求，未达到精度要求前，沿梯度方向按设定步长调整λ和μ，直至达到精度要求，为加快收敛速度，可视实际条件调整初值及步长的选取。

η^*，λ和μ这三个量的迭代求解过程见图2方法流程图。

(4)基站将最优功率分配策略传递给用户，按照步骤(3)的功率分配方案，基站按发送功率

与蜂窝用户完成数据传输，D2D发射端按发送功率

完成D2D链路的数据传输。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

(1)现有的关于D2D链路能量效率的优化都是使用的即时的信道信息，这不能实现D2D链路平均能量效率的最大化。本发明提出了实现D2D链路平均能量效率最大化的发送功率分配方法，能够在保证蜂窝用户的平均QoS的条件下有效的提高D2D通信链路的平均能量效率，实现绿色通信。

(2)根据本专利提出的延时不敏感D2D通信系统中平均能量效率最大化功率分配方法，能够实现在保证蜂窝用户的QoS的条件下，进一步提高相同信道资源下用户总的可达速率，有效提高了小区的频谱效率。

附图说明

图1为本发明方法的支持D2D通信的蜂窝移动通信系统模型图；

图2为本发明的方法流程图；

图3是不同信道模型下D2D链路能量效率随蜂窝用户平均QoS限制条件的变化。

图4为在相同条件下，小区内不使用D2D技术时蜂窝用户的速率和使用D2D技术时蜂窝用户与D2D用户的和速率随着蜂窝用户的平均QoS限制条件的变化；

图5为在相同条件下，由于使用D2D技术造成的蜂窝用户速率的降低和D2D链路的用户速率随着蜂窝用户的平均QoS限制条件的变化；

图6为D2D通信链路的能量效率随着D2D链路收发用户之间距离的变化。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

图3是不同信道模型下D2D链路能量效率随蜂窝用户平均QoS限制条件的变化。仿真使用的系统参数为：基站发送功率为46dBm；D2D用户与蜂窝用户共享下行信道资源，且一个蜂窝用户的下行信道资源只能与一对D2D用户共享。D2D用户对的硬件电路功率损耗为2×50dBm，最大平均发射功率为20dBm；蜂窝小区的半径为500m，蜂窝用户与D2D链路中发送用户的距离为400m，D2D链路中发送用户距接收用户50m，基站距D2D链路中接收用户的距离为350m，蜂窝用户到基站的距离为200m。路径损耗模型为：

L＝32.45+20log₁₀(f_c)+20αlog₁₀d

其中f_C＝2GHz，α为路径损耗指数，D2D通信链路取1.5，其他链路取1.75，d为发送用户与接收用户之间的距离，以m为单位；Log-Normal阴影衰落标准差为4dB。

从图中可以看出，本专利提出的优化方法的D2D通信链路的能量效率在蜂窝用户平均QoS限制条件较小时明显高于平均分配D2D通信链路发送功率所达到的D2D通信能量效率。这是因为本专利提出的优化算法可以根据信道状况自适应分配D2D通信链路的发送功率，从而实现了更大的能量效率。而在蜂窝用户平均QoS限制条件较大时，优化算法的D2D通信的能量效率相比平均分配D2D通信的发送功率所达到的能量效率增益变小，这是因为受到了D2D通信链路的平均发送功率有限这一条件的限制，无论是优化算法的能量效率还是平均分配D2D通信发送功率方案的能量效率都不能够再提高，并且优化算法的优势也不再明显。从图中还可以看出，相比于Rayleigh信道，Rician信道的能量效率更高，并且随着Rician信道的直达径所占能量比例的增高，Rician信道的能量效率也更高，这是符合实际情况的，因为Rician信道的直达径要比其他多径信道衰减更小，并且随着直达径在多径中占据能量的增加，Rician信道的优势越明显。

图4是在相同条件下，小区内不使用D2D技术时，蜂窝用户的速率，和使用D2D技术时，蜂窝用户与D2D通信用户的和速率，随着蜂窝用户的平均QoS限制条件的变化。其中，系统参数设置同图3。

图5为在相同条件下，由于使用D2D技术造成的蜂窝用户速率的降低，和D2D链路的用户速率随着蜂窝用户的平均QoS限制条件的变化。其中，系统参数设置同图3。

从图4和图5中可以看出，尽管D2D链路的建立在一定程度上减小了蜂窝用户的可达遍历容量，但是D2D通信链路的用户可达速率是大于蜂窝用户可达速率由于引入D2D技术而造成的降低的，所以，D2D技术的引入实际上可以实现在保证蜂窝用户的QoS的条件下，提高系统的总的可达速率，实现了更大的频谱利用率。同时，从图4还可以看出，当蜂窝用户的平均QoS限制条件大于3.5的时候，蜂窝用户和D2D链路的总的可达速率相比于蜂窝用户的平均QoS限制条件较小时是有所的下降的，这种现象在其它仿真结果中也有出现，这是由于此时D2D通信链路对蜂窝用户产生的干扰过大造成的，这也说明了用户调度的重要性。

图6为不同信道模型下D2D通信链路的能量效率随着D2D通信链路中发送用户与接受用户之间距离的变化。其中，蜂窝用户距D2D链路中发送用户的距离为300m，D2D链路中接收用户与基站之间的距离为350m，蜂窝用户与基站的距离为200m；蜂窝用户所能忍受的干扰对高斯白噪声归一化后为1.5；其他系统参数与图4相同。从图中可以看出，Rician信道场景下D2D通信链路的能量效率更高，并且随着Rician信道中直达路径所占能量的增大D2D通信的能量效率增大，其原因与图4中Rician信道的能量效率更高的原因相同。同时，随着D2D通信链路中发送用户与接收用户之间距离的增大，D2D通信链路的能量效率逐渐减小，这是因为，D2D通信链路中发送用户与接收用户之间距离的增大会增大路径损耗，从而导致了D2D通信链路的用户速率的降低，最终导致了D2D通信链路的能量效率的降低。

以上结果是在D2D用户与蜂窝用户和基站相对位置固定的情况下得到的结果。如果保证D2D通信链路中发送用户与接收用户的距离不变，关于D2D通信链路中发送用户距蜂窝用户的距离与D2D通信链路的能量效率仿真结果表明，D2D通信链路的能量效率是随着该距离的增大逐渐增大并渐趋平缓的，这是因为随着D2D通信链路发送用户距离蜂窝用户越远，则对蜂窝用户的干扰越小，则在满足蜂窝用户的QoS限制的条件下D2D用户可以使用更大的发送功率进行通信，提高了能量效率。逐渐变平缓是因为D2D用户的发送功率是有上限的，它限制了能量效率的进一步提升。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，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同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (4)

1.一种延时不敏感D2D通信系统中平均能量效率最大化的功率分配方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

(1)具备D2D检测和模式选择功能的基站调度选择小区内一个蜂窝用户的下行链路频带资源共享给合适的D2D用户进行设备到设备间直接通信；

(2)基站获取传输链路和干扰链路的实时信道状态信息，并设置通信中的功率约束条件；

(3)基站根据获取的实时信道状态信息，计算满足功率约束条件的最优功率分配方案；

(4)按照步骤(3)的功率分配方案完成基站与用户之间、D2D发射端的数据传输；

步骤(2)中，设置通信中的功率约束条件方法如下：

当无线通信系统支持直通通信时，如果蜂窝用户具有绝对的优先级，不考虑对共享其资源的D2D链接的干扰，基站与蜂窝用户k通信时使用额定功率发送信号，即：

与蜂窝用户k共享频谱资源的D2D链接j的发射功率满足约束条件：

D2D链接j发送的信号通过干扰信道对蜂窝用户k造成干扰，为保障蜂窝用户k的通信质量，使得D2D链接j对蜂窝用户产生的干扰满足约束条件：

其中：

E{*}下表示对大括号内变量在不同的信道状态v下求统计平均值；

v表示实时信道的衰落状态；

p_k(v)表示在衰落状态v下基站对蜂窝用户k的发射功率；

p_j(v)表示在衰落状态v下D2D链接j发射端的发射功率；

表示基站对蜂窝用户的发射功率门限；

表示D2D链接的发射功率门限；

表示衰落状态v下D2D链接j对蜂窝用户k的干扰链路信道状态信息，

其中，l_jk表示D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路的路径损耗，g_jk(v)表示衰落状态v下D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路的归一化信道增益，

表示D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路中高斯白噪声的方差；

表示D2D链接对共享频率资源的蜂窝用户的干扰门限；

步骤(3)中，基站根据获取的实时信道状态信息，计算满足功率约束条件的最优功率分配方案，具体方法如下：以D2D用户的能量效率η最优为目标，进行功率分配，能量效率的表达式为：

其中：

分母中，ζ为D2D通信链路发送端的功率放大系数，

表示D2D链路电路功耗；p_j(v)表示衰落状态v下D2D链接j发送端的发射功率；

分子中，p_j(v)表示衰落状态v下D2D链接j发送端的发射功率；p_k(v)表示在衰落状态v下基站对蜂窝用户k的发射功率；

表示衰落状态v下D2D链接j传输链路的信道状态信息

其中，l_j表示D2D链接j传输链路的路径损耗，h_j(v)表示衰落状态v下D2D链接j传输链路的归一化信道增益，δ_j ²表示D2D链路j传输链路高斯白噪声的方差；

表示衰落状态v下基站和D2D链接j接收端之间干扰链路的信道状态信息

其中，息l_kj表示基站与D2D链接j接收端之间干扰链路的路径损耗，g_kj(v)表示衰落状态v下基站与D2D链接j接收端之间干扰链路的归一化信道增益，δ_kj ²表示基站对D2D链接干扰链路的高斯白噪声的方差；

根据经典分数规划理论，能量最优的目标函数η(p_j(v))可从分数规划转化成下式的非线性规划问题：

为求解该优化问题，引入拉格朗日因子λ和μ，将目标函数f(p_j(v),η)转化为：

其中：

由此，目标函数L(p_j(v),λ,μ)的求解可转化为求解E{G'(v)}；

因为G'(v)对于每一个不同的衰落状态v都有相同的结构，将表达式中的v舍去，目标函数L(p_j(v),λ,μ)可转化为：

当满足

条件时，达到能效最优化目标η^*，获得的功率分配方案

上标*以示为优化结果；

2.根据权利要求1所述的一种延时不敏感D2D通信系统中平均能量效率最大化的功率分配方法，其特征在于，步骤(1)的具体方法如下：

(1.1)在蜂窝小区内，基站采用集中式控制的无线资源管理方法，使用通信系统中常用调度算法调度蜂窝用户，将其下行频带资源共享给合适的D2D链接进行设备到设备间的通信；

(1.2)所述合适的D2D连接指的是要求被调度的D2D链接距离基站的距离要大于蜂窝用户距离基站的距离，且D2D链接与共享其频带资源的蜂窝用户之间也要有一定的距离。

3.根据权利要求1或2所述的一种延时不敏感D2D通信系统中平均能量效率最大化的功率分配方法，其特征在于，步骤(2)中，基站获取传输链路和干扰链路的实时信道状态信息的方法如下：根据步骤(1)中基站选定的蜂窝用户以及其相应的D2D链接，首先该蜂窝用户进行信道估计以获得其和基站之间的传输链路的信道状态信息，同时通过信道估计获得其与D2D发射端之间的干扰链路的信道状态信息，再根据其与基站共知的码本对信道信息进行量化，并将量化信道信息反馈给基站；同时D2D用户首先进行信道估计以获得D2D之间传输链路的信道状态信息，同时通过信道估计获得D2D接收端与基站之间的干扰链路的信道状态信息，再根据其与基站共知的码本对信道信息进行量化，并将量化信道信息反馈给基站。

4.根据权利要求1所述的一种延时不敏感D2D通信系统中平均能量效率最大化的功率分配方法，其特征在于，步骤(3)中，功率具体分配方案如下：基站按发送功率

与蜂窝用户完成数据传输，D2D发射端按发送功率

完成D2D链路的数据传输。

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