CN111629362A - 一种基于af中继辅助d2d通信系统的功率优化方法 - Google Patents

一种基于af中继辅助d2d通信系统的功率优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111629362A
CN111629362A CN202010428854.5A CN202010428854A CN111629362A CN 111629362 A CN111629362 A CN 111629362A CN 202010428854 A CN202010428854 A CN 202010428854A CN 111629362 A CN111629362 A CN 111629362A
Authority
CN
China
Prior art keywords
user
relay
cellular
base station
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010428854.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111629362B (zh
Inventor
蔡艳
朱笑程
徐嘉懿
倪艺洋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Posts and Telecommunications filed Critical Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority to CN202010428854.5A priority Critical patent/CN111629362B/zh
Publication of CN111629362A publication Critical patent/CN111629362A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111629362B publication Critical patent/CN111629362B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
    • H04W4/70—Services for machine-to-machine communication [M2M] or machine type communication [MTC]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W40/00—Communication routing or communication path finding
    • H04W40/02—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing
    • H04W40/22—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing using selective relaying for reaching a BTS [Base Transceiver Station] or an access point
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/04—TPC
    • H04W52/18—TPC being performed according to specific parameters
    • H04W52/24—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters
    • H04W52/241—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters taking into account channel quality metrics, e.g. SIR, SNR, CIR, Eb/lo
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/04—TPC
    • H04W52/38—TPC being performed in particular situations
    • H04W52/46—TPC being performed in particular situations in multi hop networks, e.g. wireless relay networks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明提出了一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，包括以下步骤：基站获取各个设备之间的信道状态信息和各个设备处的接收信干噪比；基于得到的信息求解以D2D链路可达和速率为目标函数的优化问题，进而得到中继处、蜂窝用户处和D2D用户处最优功率分配系数；蜂窝用户蜂窝用户处最优功率分配系数，发送信号到基站，同时D2D用户根据D2D用户处最优功率分配系数，发送信号到中继；中继收到传来的信号后，根据中继处最优功率分配系数，发送信号到D2D用户，同时基站向蜂窝用户发送信号。该方法计算复杂度低，适用于D2D用户复用蜂窝用户频谱资源的情况，能够有效地提高D2D链路的可达速率，提升了通信系统的性能。

Description

一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法
技术领域
本发明涉及一种基于双向放大转发(AF)中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，属于D2D通信场景下的功率优化与分配技术领域。
背景技术
作为面向5G关键技术之一的D2D通信技术，即Device-to-Device，也称为终端直通。D2D通信技术是指两个对等的用户节点之间直接进行通信的一种通信方式。在由D2D通信用户组成的分散式网络中，每个用户节点都能发送和接收信号，并具有自动路由的功能。在D2D通信系统中，用户节点同时扮演服务器和客户端的角色，可以复用蜂窝网络的频谱资源进行通信。
当信道质量欠佳或者两个D2D用户距离较远时，由于发射功率的限制，通信质量会受到较大的影响，此时就需要引入中继技术，将中继引入到D2D系统后，不仅能够改善信道衰落和用户距离过远带来的信噪比和质量服务的下降，而且可以通过调整中继转发的发射功率，使整个通信系统获得更好的通信性能。然而，在复用蜂窝频谱资源的过程中，不可避免地会产生相互干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种基于双向放大转发(AF)中继辅助D2D通信系统的功率优化方法。
本发明提供一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，该方法适用于带有D2D通信的单小区蜂窝通信系统，该通信系统包括一个基站、一个中继、一个蜂窝用户和两个D2D用户，D2D用户对复用蜂窝用户的频谱资源，由使用AF协议的中继进行信号的转发，基于D2D链路可达速率最大化的原则来进行功率优化，在系统的一个传输周期内，平均分为两个时隙，第一时隙(即上行时隙)，蜂窝用户向基站发送信号，同时D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源向中继发送信号；第二时隙(即下行时隙)，中继对在上行时隙中收到的信号进行放大转发，同时基站向蜂窝用户发送信号。该通信系统的功率优化方法包括以下步骤：
S1、基站获取通信系统中各个设备之间的信道状态信息和各个设备处的接收信干噪比；
S2、基于步骤S1得到的信息求解以D2D链路可达和速率为目标函数的优化问题，基于最大化该目标函数，得到在中继处、蜂窝用户处和D2D用户处最优的功率分配系数；
S3、蜂窝用户根据步骤S2所求出的蜂窝用户处最优的功率分配系数，发送信号到基站，同时D2D用户根据求出的D2D用户处最优的功率分配系数，发送信号到中继；
S4、中继收到传来的信号后，根据步骤S2得到的中继处最优的功率分配系数，发送信号到D2D用户，同时基站向蜂窝用户发送信号。
本发明进一步技术方案描述如下：
优选地，所述步骤S1中，信道按照如下方式建模:假设D2D通信系统中各个设备都是单天线，gab表示设备a和设备b之间的信道增益，设备a、b分别表示基站、蜂窝用户、中继或D2D用户,且设备a与设备b不为同一种设备，D2D用户包括D2D用户1和D2D用户2，设备之间的信道假设为瑞利信道。
优选地，所述步骤S1中，各个设备处的接收信干噪比为第一时隙中基站和中继的接收信干噪比和第二时隙中D2D用户和蜂窝用户的接收信干噪比；第一时隙中基站和中继的接收信干噪比的表达式分别如下：
Figure BDA0002499759330000031
Figure BDA0002499759330000032
式中，
Figure BDA0002499759330000033
表示第一时隙中中继的接收信干噪比，PD表示D2D用户的发射功率，gDR表示D2D用户与中继之间的信道增益，PC表示蜂窝用户的发射功率，gCR表示蜂窝用户与中继之间的信道增益，N0表示噪声功率；
Figure BDA0002499759330000034
表示第一时隙中基站的接收信干噪比，gCB表示蜂窝用户与基站之间的信道增益，gDB表示D2D用户与基站之间的信道增益；
第二时隙中D2D用户和蜂窝用户的接收信干噪比的表达式分别如下：
Figure BDA0002499759330000035
Figure BDA0002499759330000036
式中，
Figure BDA0002499759330000037
表示第二时隙中D2D用户的接收信干噪比，G表示中继的放大系数，g1R表示D2D用户1与中继之间的信道增益，g2R表示D2D用户2与中继之间的信道增益，gRD表示中继与D2D用户之间的信道增益，PB表示基站的发射功率，gBD表示基站与D2D用户之间的信道增益；
Figure BDA0002499759330000038
表示第二时隙中蜂窝用户的接收信干噪比，gBC表示基站与蜂窝用户之间的信道增益，PR表示中继的发射功率，gRC表示中继与蜂窝用户之间的信道增益。
优选地，所述步骤S2中，功率分配系数为设备实际发射功率与最大发射功率的比值；中继的功率分配系数，用θR表示；蜂窝用户的功率分配系数，用θC表示；D2D用户的功率分配系数，用θD表示；中继采用AF模式，工作方式为半双工。
优选地，所述步骤S2中，D2D链路和速率RD表达式为：
RD＝2(RDR+RRD)
蜂窝链路和速率RC表达式为：
RC＝2(RCB+RBC)
其中，
Figure BDA0002499759330000041
Figure BDA0002499759330000042
那么，由此建立的双目标优化函数表达式为：
Figure BDA0002499759330000043
s.t.θC,θD,θR∈[0,1]
式中，T表示矩阵的转置；
将双目标优化函数改写为目标函数中只具有D2D链路可达和速率的单目标优化函数，其表达式如下：
Figure BDA0002499759330000044
s.t.2[RBC(θR)+RCB(θC,θD)]＝RC,
θC,θD,θR∈[0,1]。
优选地，所述步骤S2中，在单目标优化函数中可以根据蜂窝链路可达和速率的最值得到θR的搜索范围，中继的功率分配系数θR如下式表示：
Figure BDA0002499759330000045
其中，
Figure BDA0002499759330000051
Figure BDA0002499759330000052
Figure BDA0002499759330000053
式中，
Figure BDA0002499759330000054
表示基站到蜂窝用户的信干噪比，即第二时隙中蜂窝用户的接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000055
表示中继到蜂窝用户干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000056
表示蜂窝用户到基站有用信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000057
表示当θR2≥1时蜂窝链路所能达到的最大和速率。
优选地，所述步骤S2中，根据求得的中继处最优功率分配系数θR的结果，可以得到将原单目标优化函数表示为单变量优化问题：
Figure BDA0002499759330000058
进而，得到蜂窝用户处最优的功率分配系数和D2D用户处最优的功率分配系数的表达式，如下所示：
Figure BDA0002499759330000059
Figure BDA00024997593300000510
式中，
Figure BDA0002499759330000061
表示蜂窝用户到基站有用信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000062
表示D2D用户到基站干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000063
表示蜂窝用户到中继有用信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000064
表示D2D用户1到中继的有用信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000065
表示D2D用户2到中继的有用信号最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000066
表示经过优化后得到的最优的θD，
Figure BDA0002499759330000067
表示经过优化后得到的最优的θC，
Figure BDA0002499759330000068
表示中继到D2D用户干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000069
表示基站到D2D用户的信干噪比。
基于上述分析，得到基于双向AF中继的D2D通信系统功率优化步骤如下：
S201、判断蜂窝链路的可达和速率RC是否大于蜂窝链路所能达到的最大和速率
Figure BDA00024997593300000610
如果满足
Figure BDA00024997593300000611
则在
Figure BDA00024997593300000612
中搜索θR，否则在
Figure BDA00024997593300000613
中搜索θR；
S202、对于每一个搜索出的θR，根据
Figure BDA00024997593300000614
求出θD；
S203、判断
Figure BDA00024997593300000615
的值是否大于或等于
Figure BDA00024997593300000616
如果满足
Figure BDA00024997593300000617
则θC＝1，否则
Figure BDA00024997593300000618
S204、根据上述求出的θR,θC和θD的值，通过以下公式计算得到D2D链路和速率RD，
RD＝2(RDR+RRD)；
S205、设定目前已完成的所有迭代中所求出的D2D链路和速率的最大值为
Figure BDA0002499759330000071
判断
Figure BDA0002499759330000072
是否成立，如果
Figure BDA0002499759330000073
成立，则
Figure BDA0002499759330000074
操作结束，
Figure BDA0002499759330000075
表示输出的D2D链路和速率最大值；如果
Figure BDA0002499759330000076
不成立，则
Figure BDA0002499759330000077
即将步骤204求出的RD作为
Figure BDA0002499759330000078
然后返回步骤S201重复操作。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，传统的优化问题是双目标函数优化问题，并有三个优化变量，想要获得最优功率发射系数十分复杂。根据本发明提出的优化方法，首先以较小的范围搜索出θR，再分别求出θC和θD，很容易求出最佳的功率分配系数，减少了计算的复杂度。
总之，本发明的方法计算复杂度低，适用于D2D用户复用蜂窝用户上行频谱资源的场景，能够有效地减少D2D用户受到的干扰，有效提高D2D链路的可达和速率，即提高了D2D用户的通信性能，进而提升整个通信系统的性能。
附图说明
图1为本发明的场景模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。
本实施例提出了一种基于基于双向放大转发中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，该方法适用于带有端到端D2D通信的单小区蜂窝通信系统，小区内通信系统包括一个基站BS、一个中继R、一个蜂窝用户C和两个D2D用户D(两个D2D用户分别表示为D1和D2)，使用中继的D2D用户对复用蜂窝用户的上行频谱资源，由使用AF协议的中继进行通信，基于D2D链路可达速率最大化的原则来进行功率优化，在系统的一个传输周期内，平均分为两个时隙，第一时隙(即上行时隙)，蜂窝用户向基站发送信号，同时D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源向中继发送信号，基站和中继分别受到D2D用户和蜂窝用户的干扰；第二时隙(即下行时隙)，中继对在上行时隙中收到的信号进行放大转发，同时基站向蜂窝用户发送信号，D2D用户和蜂窝用户分别受到基站和中继的干扰(见图1)。
本实施例D2D通信系统的功率优化方法，包括以下步骤：
S1、基站获取通信系统中各个设备之间的信道状态信息，进而得到各个设备处的接收信干噪比，即在上行时隙中基站和中继的接收信干噪比和在下行时隙中D2D用户和蜂窝用户的接收信干噪比。
信道按照如下方式建模:假设D2D通信系统中各个设备都是单天线，gab表示设备a和设备b之间的信道增益，设备a、b分别表示基站、蜂窝用户、中继或D2D用户,且设备a与设备b不能为同一种设备，D2D用户包括D2D用户1和D2D用户2，设备之间的信道假设为瑞利信道。上行时隙中基站和中继的接收信干噪比的表达式分别如下：
Figure BDA0002499759330000081
Figure BDA0002499759330000082
下行时隙中D2D用户和蜂窝用户的接收信干噪比的表达式分别如下：
Figure BDA0002499759330000083
Figure BDA0002499759330000084
式中，
Figure BDA0002499759330000091
表示上行时隙中中继的接收信干噪比，gDR表示D2D用户与中继之间的信道增益，gCR表示蜂窝用户与中继之间的信道增益；
Figure BDA0002499759330000092
表示上行时隙中基站的接收信干噪比，gCB表示蜂窝用户与基站之间的信道增益，gDB表示D2D用户与基站之间的信道增益；
Figure BDA0002499759330000093
表示下行时隙中D2D用户的接收信干噪比，g1R表示D2D用户1与中继之间的信道增益，g2R表示D2D用户2与中继之间的信道增益，gRD表示中继与D2D用户之间的信道增益，gBD表示基站与D2D用户之间的信道增益；
Figure BDA0002499759330000094
表示下行时隙中蜂窝用户的接收信干噪比，gBC表示基站与蜂窝用户之间的信道增益，gRC表示中继与蜂窝用户之间的信道增益。PB表示基站的发射功率，PD表示D2D用户的发射功率，PC表示蜂窝用户的发射功率，PR表示中继的发射功率，N0表示噪声功率，G表示中继的放大系数。
S2、基于步骤S1得到的信息求解以D2D链路可达和速率为目标函数的优化问题，基于最大化该目标函数，得到在中继处、蜂窝用户处和D2D用户处最优的功率分配系数。
功率分配系数为设备实际发射功率与最大发射功率的比值；中继的功率分配系数，用θR表示；蜂窝用户的功率分配系数，用θC表示；D2D用户的功率分配系数，用θD表示；中继采用AF模式，工作方式为半双工。
D2D链路和速率RD表达式为：
RD＝2(RDR+RRD)
蜂窝链路和速率RC表达式为：
RC＝2(RCB+RBC)
其中，
Figure BDA0002499759330000095
Figure BDA0002499759330000101
那么，由此建立的双目标优化函数表达式为：
Figure BDA0002499759330000102
s.t.θC,θD,θR∈[0,1]
式中，T表示矩阵的转置；
将双目标优化函数改写为目标函数中只具有D2D链路可达和速率的单目标优化函数，其表达式如下：
Figure BDA0002499759330000103
s.t.2[RBC(θR)+RCB(θC,θD)]＝RC,
θC,θD,θR∈[0,1]。
在单目标优化函数中可以根据蜂窝链路可达和速率的最值得到θR的搜索范围，中继的功率分配系数θR如下式表示：
Figure BDA0002499759330000104
其中，
Figure BDA0002499759330000105
Figure BDA0002499759330000106
Figure BDA0002499759330000107
式中，
Figure BDA0002499759330000108
表示基站到蜂窝用户的信干噪比，即第二时隙中蜂窝用户的接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000109
表示中继到蜂窝用户干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA00024997593300001010
表示蜂窝用户到基站有用信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA00024997593300001011
表示当θR2≥1时蜂窝链路所能达到的最大和速率。
根据求得的中继处最优功率分配系数θR的结果，可以得到将原单目标优化函数表示为单变量优化问题：
Figure BDA0002499759330000111
进而，得到蜂窝用户处最优的功率分配系数和D2D用户处最优的功率分配系数的表达式，如下所示：
Figure BDA0002499759330000112
Figure BDA0002499759330000113
式中，
Figure BDA0002499759330000114
表示蜂窝用户到基站有用信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000115
表示D2D用户到基站干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000116
表示蜂窝用户到中继有用信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000117
表示D2D用户1到中继的有用信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000118
表示D2D用户2到中继的有用信号最大接收信干噪比，
Figure BDA0002499759330000119
表示经过优化后得到的最优的θD，
Figure BDA00024997593300001110
表示经过优化后得到的最优的θC，
Figure BDA00024997593300001111
表示中继到D2D用户干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure BDA00024997593300001112
表示基站到D2D用户的信干噪比。
基于上述分析，最后得到基于双向放大转发中继辅助D2D通信系统功率的优化具体步骤如下：
S201、判断蜂窝链路的可达和速率RC是否大于蜂窝链路所能达到的最大和速率
Figure BDA0002499759330000121
如果满足
Figure BDA0002499759330000122
则在
Figure BDA0002499759330000123
中搜索θR，否则在
Figure BDA0002499759330000124
中搜索θR；
S202、对于每一个搜索出的θR，根据
Figure BDA0002499759330000125
求出θD；
S203、判断
Figure BDA0002499759330000126
的值是否大于或等于
Figure BDA0002499759330000127
如果满足
Figure BDA0002499759330000128
则θC＝1，否则
Figure BDA0002499759330000129
S204、根据上述求出的θR,θC和θD的值，通过以下公式计算得到D2D链路和速率RD，
RD＝2(RDR+RRD)；
S205、设定目前已完成的所有迭代中所求出的D2D链路和速率的最大值为
Figure BDA00024997593300001210
判断
Figure BDA00024997593300001211
是否成立，如果
Figure BDA00024997593300001212
成立，则
Figure BDA00024997593300001213
(
Figure BDA00024997593300001214
表示输出的D2D链路和速率最大值)，操作结束，将
Figure BDA00024997593300001215
作为最后获得的D2D链路和速率最大值输出；如果
Figure BDA00024997593300001216
不成立，则
Figure BDA00024997593300001217
即将步骤204求出的RD作为
Figure BDA00024997593300001218
然后返回步骤S201重复操作。
这样，通过以上方法得出最优功率分配系数和最大D2D链路可达和速率。
S3、蜂窝用户根据步骤S2所求出的蜂窝用户处最优的功率分配系数，发送信号到基站，同时D2D用户根据求出的D2D用户处最优的功率分配系数，发送信号到中继。
S4、中继收到传来的信号后，根据步骤S2得到的中继处最优的功率分配系数，发送信号到D2D用户，同时基站向蜂窝用户发送信号。
本发明对D2D链路可达速率表达式进行分析时，目标函数已经简化为关于只具有θD一个变量的函数，通过求导并判断导数符号，利用函数单调性即可得出结论。
该方法解决了在传统D2D模式以及加入中继但未经优化两种场景下D2D在复用频谱资源的过程中，由于设备发射功率过大影响D2D通信质量的问题。本发明提供了一种基于双向放大转发中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，可以提高D2D链路的可达速率，提升系统的总体性能。基于最大化D2D链路可达速率的原则进行功率优化，求出最优的功率分配系数，得出最优的功率分配方法。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，其特征在于，该方法适用于带有D2D通信的单小区蜂窝通信系统，该通信系统包括一个基站、一个中继、一个蜂窝用户和两个D2D用户，D2D用户对复用蜂窝用户的频谱资源，由使用AF协议的中继进行信号的转发，基于D2D链路可达速率最大化的原则来进行功率优化，在系统的一个传输周期内，平均分为两个时隙，第一时隙，蜂窝用户向基站发送信号，同时D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源向中继发送信号；第二时隙，中继对在上行时隙中收到的信号进行放大转发，同时基站向蜂窝用户发送信号；该通信系统的功率优化方法包括以下步骤：
S1、基站获取通信系统中各个设备之间的信道状态信息和各个设备处的接收信干噪比；
S2、基于步骤S1得到的信息求解以D2D链路可达和速率为目标函数的优化问题，基于最大化该目标函数，得到在中继处、蜂窝用户处和D2D用户处最优的功率分配系数；
S3、蜂窝用户根据步骤S2所求出的蜂窝用户处最优的功率分配系数，发送信号到基站，同时D2D用户根据求出的D2D用户处最优的功率分配系数，发送信号到中继；
S4、中继收到传来的信号后，根据步骤S2得到的中继处最优的功率分配系数，发送信号到D2D用户，同时基站向蜂窝用户发送信号。
2.根据权利要求1所述一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，信道按照如下方式建模:假设D2D通信系统中各个设备都是单天线，gab表示设备a和设备b之间的信道增益，设备a、b分别表示基站、蜂窝用户、中继或D2D用户,且设备a与设备b不为同一种设备，设备之间的信道假设为瑞利信道。
3.根据权利要求2所述一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，各个设备处的接收信干噪比为第一时隙中基站和中继的接收信干噪比和第二时隙中D2D用户和蜂窝用户的接收信干噪比；第一时隙中基站和中继的接收信干噪比的表达式分别如下：
Figure FDA0002499759320000021
Figure FDA0002499759320000022
式中，
Figure FDA0002499759320000023
表示第一时隙中中继的接收信干噪比，PD表示D2D用户的发射功率，gDR表示D2D用户与中继之间的信道增益，PC表示蜂窝用户的发射功率，gCR表示蜂窝用户与中继之间的信道增益，N0表示噪声功率；
Figure FDA0002499759320000024
表示第一时隙中基站的接收信干噪比，gCB表示蜂窝用户与基站之间的信道增益，gDB表示D2D用户与基站之间的信道增益；
第二时隙中D2D用户和蜂窝用户的接收信干噪比的表达式分别如下：
Figure FDA0002499759320000031
Figure FDA0002499759320000032
式中，
Figure FDA0002499759320000033
表示第二时隙中D2D用户的接收信干噪比，G表示中继的放大系数，g1R表示D2D用户1与中继之间的信道增益，g2R表示D2D用户2与中继之间的信道增益，gRD表示中继与D2D用户之间的信道增益，PB表示基站的发射功率，gBD表示基站与D2D用户之间的信道增益；
Figure FDA0002499759320000034
表示第二时隙中蜂窝用户的接收信干噪比，gBC表示基站与蜂窝用户之间的信道增益，PR表示中继的发射功率，gRC表示中继与蜂窝用户之间的信道增益。
4.根据权利要求3所述一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，功率分配系数为设备实际发射功率与最大发射功率的比值；中继的功率分配系数，用θR表示；蜂窝用户的功率分配系数，用θC表示；D2D用户的功率分配系数，用θD表示；中继采用AF模式，工作方式为半双工。
5.根据权利要求4所述一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，D2D链路和速率RD表达式为：
RD＝2(RDR+RRD)
蜂窝链路和速率RC表达式为：
RC＝2(RCB+RBC)
其中，
Figure FDA0002499759320000035
Figure FDA0002499759320000041
由此建立的双目标优化函数表达式为：
Figure FDA0002499759320000042
s.t.θC,θD,θR∈[0,1]
式中，T表示矩阵转置；
将双目标优化函数改写为目标函数中只具有D2D链路可达和速率的单目标优化函数，其表达式如下：
Figure FDA0002499759320000043
s.t.2[RBC(θR)+RCB(θC,θD)]＝RC,
θC,θD,θR∈[0,1]。
6.根据权利要求5所述一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，在单目标优化函数中可以根据蜂窝链路可达和速率的最值得到θR的搜索范围，中继的功率分配系数θR如下式表示：
Figure FDA0002499759320000044
其中，
Figure FDA0002499759320000045
Figure FDA0002499759320000046
Figure FDA0002499759320000047
式中，
Figure FDA0002499759320000048
表示基站到蜂窝用户的信干噪比，
Figure FDA0002499759320000049
表示中继到蜂窝用户干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure FDA00024997593200000410
表示蜂窝用户到基站有用信号的最大接收信干噪比，
Figure FDA00024997593200000411
表示当θR2≥1时蜂窝链路所能达到的最大和速率。
7.根据权利要求6所述一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据求得的中继处最优功率分配系数θR的结果，可以得到将原单目标优化函数表示为单变量优化问题：
Figure FDA0002499759320000051
进而，得到蜂窝用户处最优的功率分配系数和D2D用户处最优的功率分配系数的表达式，如下所示：
Figure FDA0002499759320000052
Figure FDA0002499759320000053
式中，
Figure FDA0002499759320000054
Figure FDA0002499759320000055
表示蜂窝用户到基站有用信号的最大接收信干噪比，
Figure FDA0002499759320000056
表示D2D用户到基站干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure FDA0002499759320000057
表示蜂窝用户到中继有用信号的最大接收信干噪比，
Figure FDA0002499759320000058
表示D2D用户1到中继的有用信号的最大接收信干噪比，
Figure FDA0002499759320000059
表示D2D用户2到中继的有用信号最大接收信干噪比，
Figure FDA00024997593200000510
表示经过优化后得到的最优的θD，
Figure FDA00024997593200000511
表示经过优化后得到的最优的θC，
Figure FDA00024997593200000512
表示中继到D2D用户干扰信号的最大接收信干噪比，
Figure FDA00024997593200000513
表示基站到D2D用户的信干噪比。
8.根据权利要求7所述一种基于AF中继辅助D2D通信系统的功率优化方法，其特征在于，所述步骤S2中，基于双向AF中继的D2D通信系统功率优化步骤如下：
S201、判断蜂窝链路的可达和速率RC是否大于蜂窝链路所能达到的最大和速率
Figure FDA0002499759320000061
如果满足
Figure FDA0002499759320000062
则在
Figure FDA0002499759320000063
中搜索θR，否则在
Figure FDA0002499759320000064
中搜索θR；
S202、对于每一个搜索出的θR，根据
Figure FDA0002499759320000065
求出θD；
S203、判断
Figure FDA0002499759320000066
的值是否大于或等于
Figure FDA0002499759320000067
如果满足
Figure FDA0002499759320000068
则θC＝1，否则
Figure FDA0002499759320000069
S204、根据上述求出的θR,θC和θD的值，通过以下公式计算得到D2D链路和速率RD，
RD＝2(RDR+RRD)；
S205、设定目前已完成的所有迭代中所求出的D2D链路和速率的最大值为
Figure FDA00024997593200000610
判断
Figure FDA00024997593200000611
是否成立，如果
Figure FDA00024997593200000612
成立，则
Figure FDA00024997593200000613
操作结束，
Figure FDA00024997593200000614
表示输出的D2D链路和速率最大值；如果
Figure FDA00024997593200000615
不成立，则
Figure FDA00024997593200000616
即将步骤204求出的RD作为
Figure FDA00024997593200000617
然后返回步骤S201重复操作。
CN202010428854.5A 2020-05-20 2020-05-20 一种基于af中继辅助d2d通信系统的功率优化方法 Active CN111629362B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010428854.5A CN111629362B (zh) 2020-05-20 2020-05-20 一种基于af中继辅助d2d通信系统的功率优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010428854.5A CN111629362B (zh) 2020-05-20 2020-05-20 一种基于af中继辅助d2d通信系统的功率优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111629362A true CN111629362A (zh) 2020-09-04
CN111629362B CN111629362B (zh) 2023-03-28

Family

ID=72272488

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010428854.5A Active CN111629362B (zh) 2020-05-20 2020-05-20 一种基于af中继辅助d2d通信系统的功率优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111629362B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113453199A (zh) * 2021-09-01 2021-09-28 南京邮电大学 一种面向物联网环境中基于中继最优调度的协同组网方法
CN113498160A (zh) * 2021-06-23 2021-10-12 深圳大学 提升d2d通信安全的方法、设备和计算机可读存储介质
CN114125787A (zh) * 2022-01-25 2022-03-01 南京邮电大学 D2d通信速率对称的接入与功率优化方法和系统
CN114364006A (zh) * 2022-01-14 2022-04-15 吉林大学 一种最大化遍历容量的d2d中继功率控制方法
CN114828041A (zh) * 2022-03-31 2022-07-29 中国人民解放军国防科技大学 蜂窝网络下基于ccfd d2d通信的系统
CN115226128A (zh) * 2022-06-28 2022-10-21 利德世普科技有限公司 一种恢复5g通信多模应急通信方法及系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104837110A (zh) * 2015-04-17 2015-08-12 南京邮电大学 蜂窝d2d通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法
CN107172706A (zh) * 2017-06-27 2017-09-15 电子科技大学 一种基于d2d通信的联合无线资源分配和功率控制方法
CN108834112A (zh) * 2018-06-13 2018-11-16 南京邮电大学 一种基于noma的中继辅助d2d通信系统功率分配方法
CN109151775A (zh) * 2018-11-07 2019-01-04 江苏第二师范学院（江苏省教育科学研究院） 蜂窝小区间基于中继的d2d通信传输模式切换方法
CN109714817A (zh) * 2019-01-25 2019-05-03 南京邮电大学 使用noma和d2d组的通信系统功率分配方法
CN110768759A (zh) * 2018-07-26 2020-02-07 深圳市白麓嵩天科技有限责任公司 一种混合双工中继辅助的d2d通信方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104837110A (zh) * 2015-04-17 2015-08-12 南京邮电大学 蜂窝d2d通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法
CN107172706A (zh) * 2017-06-27 2017-09-15 电子科技大学 一种基于d2d通信的联合无线资源分配和功率控制方法
CN108834112A (zh) * 2018-06-13 2018-11-16 南京邮电大学 一种基于noma的中继辅助d2d通信系统功率分配方法
CN110768759A (zh) * 2018-07-26 2020-02-07 深圳市白麓嵩天科技有限责任公司 一种混合双工中继辅助的d2d通信方法
CN109151775A (zh) * 2018-11-07 2019-01-04 江苏第二师范学院（江苏省教育科学研究院） 蜂窝小区间基于中继的d2d通信传输模式切换方法
CN109714817A (zh) * 2019-01-25 2019-05-03 南京邮电大学 使用noma和d2d组的通信系统功率分配方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CAI YAN等: "Performance for device-to-device communication with three-time-slot two-way amplify-and-forward relay protocol", 《CHINA COMMUNICATIONS》 *
倪艺洋等: "单向放大转发中继D2D通信系统可达速率分析与联合功率优化", 《应用科学学报》 *
朱笑程: "基于中继辅助的D2D通信系统的功率分配和性能分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
柯春华: "基于NOMA的中继D2D通信系统容量分析和功率分配", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113498160A (zh) * 2021-06-23 2021-10-12 深圳大学 提升d2d通信安全的方法、设备和计算机可读存储介质
CN113498160B (zh) * 2021-06-23 2023-01-24 深圳大学 提升d2d通信安全的方法、设备和计算机可读存储介质
CN113453199A (zh) * 2021-09-01 2021-09-28 南京邮电大学 一种面向物联网环境中基于中继最优调度的协同组网方法
CN113453199B (zh) * 2021-09-01 2021-12-21 南京邮电大学 一种面向物联网环境中基于中继最优调度的协同组网方法
CN114364006A (zh) * 2022-01-14 2022-04-15 吉林大学 一种最大化遍历容量的d2d中继功率控制方法
CN114364006B (zh) * 2022-01-14 2023-12-01 吉林大学 一种最大化遍历容量的d2d中继功率控制方法
CN114125787A (zh) * 2022-01-25 2022-03-01 南京邮电大学 D2d通信速率对称的接入与功率优化方法和系统
CN114828041A (zh) * 2022-03-31 2022-07-29 中国人民解放军国防科技大学 蜂窝网络下基于ccfd d2d通信的系统
CN114828041B (zh) * 2022-03-31 2024-06-11 中国人民解放军国防科技大学 蜂窝网络下基于ccfd d2d通信的系统
CN115226128A (zh) * 2022-06-28 2022-10-21 利德世普科技有限公司 一种恢复5g通信多模应急通信方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN111629362B (zh) 2023-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111629362B (zh) 一种基于af中继辅助d2d通信系统的功率优化方法
US10779251B2 (en) Timing advance in new radio
Aswathi et al. Performance analysis of NOMA-based underlay cognitive radio networks with partial<? brk?> relay selection
CN108834112B (zh) 一种基于noma的中继辅助d2d通信系统功率分配方法
CN104105158B (zh) 一种基于d2d中继通信的中继选择方法
WO2010106819A1 (ja) 無線通信システムにおいて基地局間干渉を低減させる装置及び方法
CN104837110B (zh) 蜂窝d2d通信系统中基于中断性能提升的传输策略实现方法
CN106603141B (zh) 一种面向全双工双向中继系统的中继与天线联合选择方法
CN101860873A (zh) 一种基于跨层信息交互的分布式中继选择方法
CN103686585B (zh) 一种基于多入多出协同中继的终端直通通信方法
CN102573033A (zh) 基于博弈论的多Femtocell下行功率干扰控制方法
CN103024914A (zh) 终端直通技术共享系统下行资源的跨层设计方法
CN102882570B (zh) 移动通信网络下设备间通信的最优收发联合处理方法
CN110519756B (zh) 一种全双工中继网络的物理层安全传输方法
CN104717035B (zh) 一种基于d2d通信的蜂窝网络的干扰对齐方法
KR101938113B1 (ko) 협력적 비직교다중접속 상향링크에서 조직적 직접 및 중계전송 연계기술
CN112994759B (zh) 一种基于ofdm的协作中继d2d通信方法
WO2013000173A1 (zh) 一种上行多用户协同通信的方法
CN104507136B (zh) 一种中继节点选择方法
CN110768759A (zh) 一种混合双工中继辅助的d2d通信方法
CN104486744B (zh) 一种异构小蜂窝网络中的d2d模式选择方法
CN102624498A (zh) 一种联合分布式空时编码的下行多基站协同系统干扰消除方法
CN107517088B (zh) 星地一体化系统基于混合信道衰落的干扰分析方法
CN105991166B (zh) 一种基于多中继与系统容量的功率分配方法
Islam et al. Achievable sum rate analysis of relay aided overlay device to device communication among multiple devices

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant