CN112261729B - 一种基于d2d-u通信的自适应半分布式资源分配方法 - Google Patents

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CN112261729B CN202011542082.4A CN202011542082A CN112261729B CN 112261729 B CN112261729 B CN 112261729B CN 202011542082 A CN202011542082 A CN 202011542082A CN 112261729 B CN112261729 B CN 112261729B
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Abstract

本发明提供一种基于D2D‑U通信的自适应半分布式资源分配方法，包括基站初始化；D2D‑U对初始化；将所述授权信道上的同信道干扰约束广播给所有D2D‑U对；在所述每个D2D‑U对处进行资源分配目标函数的转换；每个D2D‑U对利用分布式算法进行求解；根据所述D2D‑U对之间传输的辅助参数，对转换后的资源分配目标函数进行求解，获得最优纳什均衡解；利用在D2D‑U对之间传输的辅助变量，使得D2D‑U对无需知道其他D2D‑U对的目标函数和具体资源分配策略，无需获取系统内部全部的CSI信息，就能得到使得系统达到纳什均衡的本地资源分配策略，在每个D2D‑U处其目标函数不仅与本地资源分配策略有关，还与其他D2D‑U对的资源分配策略相关，提升了系统的能量效率。

Description

一种基于D2D-U通信的自适应半分布式资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统领域，尤其涉及一种基于D2D-U通信的自适应半分布式资源分配方法。
背景技术
随着科技的进步，人工智能、物联网以及大数据等技术迅速发展，对移动通信流量的需求呈爆炸式增长，与此同时，由于移动设备数量的急剧增加，其能量消耗呈指数式增长，导致环境恶化、温室效应加剧。这给未来的无线通信技术带来了资源、速率和能耗的多重挑战。
在下一代无线通信技术中，设备到设备（Device-to-Device，D2D）通信技术在不借助基站的情况下在相近的终端之间进行直接通信，是一种能够有效提升频谱效率、系统吞吐量并减轻基站负荷的方法，被视为第五代（the 5th Generation，5G）移动通信系统中提高频谱效率的关键技术之一。与此同时，免授权频段尤其是5GHz频段尚未被充分利用，是在当今无线频谱资源稀缺的情况下的一个很好的选择。因此,免授权频段的D2D通信（D2DCommunication in Unlicensed Spectrum，D2D-U）的概念被提出，D2D-U技术不仅在授权频段进行D2D传输，同时可以借助免授权频段进行传输。
对于D2D-U技术，其在免授权频段与其他免授权频段的通信系统例如WiFi网络的和谐共存，是首先需要考虑的问题。此外，D2D-U系统不仅对免授权频段有影响，传统的5GNR（New Radio）系统中的每一个授权子信道也都将受到D2D链路的干扰，这将严重影响NR用户在授权频段上的数据传输。由于D2D传输不经过基站，其结构具有分布式的特点，因此针对D2D-U传输的资源分配算法，也应该考虑分布式结构的设计。
在D2D-U系统中，由于通信终端的能耗的问题，除了频谱效率以外，通过资源分配提升能量效率（Energy Efficient，EE）也十分重要。目前有很多工作针对提升传统D2D通信系统中能量效率的资源分配方法进行研究，包括得到最优资源分配的集中式算法方法，通过将优化问题转化为两步分别进行求解以得到一个近似的解。但是这些方法并没有考虑D2D-U的场景，未涉及到免授权频段的工作，并且没有考虑信道状况信息CSI（ChannelState Information）变化的情况。且由于D2D-U通信系统的分布式结构，在每个D2D-U对处无法得到其他D2D-U的信息，因此现有的分布式方法较难考虑全局EE的优化。因此，需要一种针对D2D-U场景，具有分布式结构、具有自适应性的提升系统能量效率的资源分配方法。
发明内容
本发明的目的是针对D2D-U通信系统中终端的能耗问题，提供一种基于D2D-U通信的自适应半分布式资源分配方法，以提升系统的能量效率。
自适应半分布式资源分配方法的步骤如下：
步骤（1），基站初始化；所述基站获取基站覆盖范围内的用户数目，为所述基站分配一预设工作模式，对D2D-U进行配对，共形成K个D2D-U对；
步骤（2），D2D-U对初始化；获取每个D2D-U对可用于传输的授权信道和免授权信道的信息，得到所述每个D2D-U对在所述免授权信道上可使用的最大时隙资源，获取信道状况信息CSI，获取所述每个D2D-U对的资源分配目标函数和约束条件；
步骤（3），信息传播；所述基站通过所述授权信道将所述授权信道上的同信道干扰约束广播给所有D2D-U对；
步骤（4），在所述每个D2D-U对处进行数据预处理以进行所述资源分配目标函数的转换；
步骤（5），每个D2D-U对利用分布式算法进行求解；所述分布式算法根据所述D2D-U对之间传输的辅助参数，对步骤（4）转换后的资源分配目标函数进行求解，获得最优纳什均衡解，以得到满足纳什均衡的资源分配策略。
优选的，所述步骤（2）中，局部能量效率为
Figure 169033DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 148491DEST_PATH_IMAGE002
为第k个D2D-U对的传输速率，k＜K，k为正整数，
Figure 242742DEST_PATH_IMAGE003
为D2D-U系统中所有D2D-U对消耗的总功率，m为D2D-U对的序号，m=1,2,…,K，所述每个D2D-U对的资源分配目标函数为最大化所述局部能量效率。
优选的，所述步骤（2）中，所述每个D2D-U对的所述约束条件包括所述每个D2D-U对的传输速率大于预设的最小传输速率、所述每个D2D-U对的功率消耗小于预设的最大功耗、授权频段和免授权频段信道上的传输功率小于预设的最大传输功率。
优选的，所述步骤（4）中，在所述每个D2D-U对处进行数据预处理，将所述资源分配目标函数转换为凸优化问题，将所述资源分配目标函数转换为凸优化问题具体包括：
步骤4.1，定义
Figure 637951DEST_PATH_IMAGE004
，将所述步骤（2）中的资源分配目标函数通过
Figure 514640DEST_PATH_IMAGE005
转换为凸优化问题的求解，所有D2D-U对消耗的总功率转换后为
Figure 150152DEST_PATH_IMAGE006
，m为D2D-U对的序号，m=1,2,…,K，
Figure 417185DEST_PATH_IMAGE007
表示第m个D2D-U对转换后的功率消耗；
步骤4.2：在第k个D2D-U对处，将步骤4.1转换后的资源分配目标函数转化为等效的
Figure 678402DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 658866DEST_PATH_IMAGE009
，
其中
Figure 652229DEST_PATH_IMAGE010
为第k个D2D-U对的影响系数。
优选的，所述步骤（5）中，获得最优纳什均衡解具体包括：
步骤5.1，在第k个D2D-U对处计算当前
Figure 468876DEST_PATH_IMAGE011
下的第k个D2D-U对经过转换后的功率消耗
Figure 18937DEST_PATH_IMAGE012
，并将所述
Figure 604639DEST_PATH_IMAGE013
传输给其他D2D-U对；第k个D2D-U对根据本地的
Figure 34483DEST_PATH_IMAGE011
和接收到的其他D2D-U对的功率消耗
Figure 590623DEST_PATH_IMAGE014
，计算得到第k个D2D-U对当前的
Figure 928063DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤5.2，以当前的
Figure 384584DEST_PATH_IMAGE011
作为初始值，求解以
Figure 719750DEST_PATH_IMAGE016
为目标函数的第k个D2D-U对的纳什均衡解，更新
Figure 510989DEST_PATH_IMAGE017
的值；
步骤5.3，重复步骤5.1、步骤5.2，直到
Figure 589803DEST_PATH_IMAGE018
收敛，将此时得到的纳什均衡解作为最优纳什均衡解。
优选的，所述步骤5.2中，求解以
Figure 399365DEST_PATH_IMAGE019
为目标函数的第k个D2D-U对的纳什均衡解，具体包括：
将所述
Figure 233329DEST_PATH_IMAGE008
改写为：
Figure 183967DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 879522DEST_PATH_IMAGE021
，
其中
Figure 294323DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 236871DEST_PATH_IMAGE023
表示其余D2D-U对处的资源分配情况，
Figure 989320DEST_PATH_IMAGE024
为D2D-U对k的本地局部约束集，
Figure 409937DEST_PATH_IMAGE025
表示D2D-U通信系统中包含所有D2D-U对的所述授权信道上的同信道干扰约束的同信道干扰全局约束；
步骤A，对于第k个D2D-U对，确定初始值
Figure 944823DEST_PATH_IMAGE026
,四个辅助变量
Figure 58273DEST_PATH_IMAGE027
的初始值
Figure 796553DEST_PATH_IMAGE028
，初始迭代次数
Figure 20861DEST_PATH_IMAGE029
；
步骤B，按博弈论的方法，计算得到更新梯度值
Figure 144674DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 429025DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 153137DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 181135DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 425035DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 614708DEST_PATH_IMAGE035
，
其中，
Figure 327580DEST_PATH_IMAGE036
表示微分投影操作，定义为
Figure 893691DEST_PATH_IMAGE037
Figure 257676DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 618250DEST_PATH_IMAGE039
表示
Figure 308164DEST_PATH_IMAGE040
在集合C上的投影操作；
Figure 677966DEST_PATH_IMAGE041
定义为
Figure 568561DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 427933DEST_PATH_IMAGE043
，其中
Figure 36769DEST_PATH_IMAGE044
为聚合函数，定义为
Figure 23311DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 33992DEST_PATH_IMAGE046
，k 1 、k 2 为与算法收敛性相关的中间参数，
Figure 64265DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 160397DEST_PATH_IMAGE048
为一预设参数；
步骤C，由
Figure 183585DEST_PATH_IMAGE049
和更新步长
Figure 48773DEST_PATH_IMAGE050
对
Figure 249947DEST_PATH_IMAGE051
进行更新，得到最新的
Figure 833376DEST_PATH_IMAGE052
；
步骤D，将更新后的
Figure 896141DEST_PATH_IMAGE053
传输给其他D2D-U对；
步骤E，令
Figure 881414DEST_PATH_IMAGE054
；
步骤F，返回步骤B，直到
Figure 253490DEST_PATH_IMAGE055
,其中
Figure 324214DEST_PATH_IMAGE056
为预设收敛阈值。
本发明提供的一种基于D2D-U通信的自适应半分布式资源分配方法，需要通过资源分配确定的功率与频谱资源包括D2D-U对在授权信道的发射功率
Figure 692135DEST_PATH_IMAGE057
、在免授权信道的发射功率
Figure 531915DEST_PATH_IMAGE058
以及在免授权信道使用的时隙资源
Figure 74891DEST_PATH_IMAGE059
。本发明针对分布式结构的D2D-U通信网络采用半分布式方法，在考虑整个系统的同信道干扰的情况下，利用在D2D-U对之间传输的辅助变量，在每个D2D-U对处进行迭代，对于D2D-U对来说，无需知道其他D2D-U对的目标函数和具体资源分配策略，无需获取系统内部全部的CSI信息，就能得到使得系统达到纳什均衡的本地资源分配策略。本发明能够考虑整个D2D-U通信系统的系统EE，在每个D2D-U处其目标函数不仅与本地资源分配策略有关，还与其他D2D-U对的资源分配策略相关，这在传统的方法中是较难实现的。本发明的方法具有自适应性，在系统信道状况发生变化时，无需重新进行初始化，能够自适应地得到新的纳什均衡解。
附图说明
图1为该自适应半分布式资源分配方法的步骤图；
图2为实施例中D2D-U通信系统的系统模型图；
图3为实施例中整个系统的EE随迭代过程的变化图；
图4为实施例中系统信道状况发生变化后的变化情况图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在D2D-U通信系统中，D2D-U对与5G-NR蜂窝用户共用授权频段，与WiFi等免授权频段通信技术共用免授权频段。由于信道状况和每个D2D-U对的传输需求不同，需要为其分配合理的授权与免授权信道上的频谱和功率资源，以提高系统的能量效率。如图1所示，本发明提供一种自适应半分布式资源分配方法，包括如下步骤：
步骤（1），基站初始化，配置初始参数。基站获取其覆盖范围内的用户数目，为它们分配合适的工作模式，并完成D2D-U的配对，形成D2D-U对，工作模式具体可以为蜂窝模式或D2D-U模式。蜂窝模式下，用户工作于传统5G-NR蜂窝网络，在授权频段通过基站进行通信；D2D-U模式下，两个用户不通过基站直接相连，能够同时在授权频段和免授权频段上进行通信。假设系统中存在K个D2D-U对。
步骤（2），D2D-U对初始化，针对每个D2D-U对，确定其可用于传输的授权信道和免授权信道，得到每个D2D-U对在对应可用的免授权信道上可使用的最大时隙资源，并获取信道状况信息CSI。明确每个D2D-U对的资源分配目标，每个D2D-U对的资源分配目标函数是：最大化局部能量效率
Figure 367333DEST_PATH_IMAGE060
，其中
Figure 37479DEST_PATH_IMAGE061
为第k个D2D-U对的传输速率，k＜K，k为正整数，
Figure 731766DEST_PATH_IMAGE062
为D2D-U系统中所有D2D-U对消耗的总功率，m为D2D-U对的序号，m=1,2,…,K。约束条件为：每个D2D-U对传输速率大于最小传输速率要求、每个D2D-U对的功率消耗小于最大功耗限制、授权频段和免授权频段信道上的传输功率小于能够传输的最大传输功率限制，上述最小传输速率、最大功耗、最大传输功率可由用户预先设定。
通过资源分配目标函数的求解，最终确定功率与频谱资源信息，具体包括第k个D2D-U对在授权信道的发射功率
Figure 445644DEST_PATH_IMAGE063
、在免授权信道的发射功率
Figure 490960DEST_PATH_IMAGE064
以及在免授权信道使用的时隙资源
Figure 886170DEST_PATH_IMAGE065
。
步骤（3），信息传播：基站通过授权信道将授权信道上的同信道干扰约束广播给所有D2D-U对。
步骤（4），在每个D2D-U对处进行数据预处理：数据初始化，将原优化问题转换为凸优化问题：
步骤4.1：引入新的参数
Figure 746547DEST_PATH_IMAGE004
，从而将原来的关于
Figure 834589DEST_PATH_IMAGE066
求解的优化问题转换为关于
Figure 163939DEST_PATH_IMAGE067
的求解，
Figure 362839DEST_PATH_IMAGE068
和
Figure 579188DEST_PATH_IMAGE012
分别表示第k个D2D-U对经过该转换后的传输速率和功率消耗，所有D2D-U对转换后消耗的总功率为
Figure 838131DEST_PATH_IMAGE069
。经过此转换原优化问题的目标函数的分子与分母均被转换为凸函数，且所有约束条件转换为凸集。
步骤4.2：在第k个D2D-U对处，引入中间参数
Figure 654777DEST_PATH_IMAGE070
，将步骤4.1转换后的目标函数转化为等效的
Figure 391789DEST_PATH_IMAGE071
：
Figure 229689DEST_PATH_IMAGE072
，
其中
Figure 659533DEST_PATH_IMAGE073
为第k个D2D-U对的影响系数，求解以
Figure 697896DEST_PATH_IMAGE074
为目标函数的优化问题等效于求解原优化问题。
步骤（5），求解：开始分布式算法，借助在D2D-U对之间传输的辅助参数，以
Figure 238599DEST_PATH_IMAGE074
为目标函数，求解得到特定
Figure 695119DEST_PATH_IMAGE073
下的纳什均衡解，判断
Figure 30285DEST_PATH_IMAGE073
是否收敛，若否，迭代计算更新
Figure 821524DEST_PATH_IMAGE075
的值，并再次计算
Figure 211923DEST_PATH_IMAGE073
下的
Figure 709900DEST_PATH_IMAGE019
的纳什均衡解；直到
Figure 278285DEST_PATH_IMAGE076
收敛，以此时的纳什均衡解为最大化系统能量效率为目标的最优纳什均衡解，得到满足纳什均衡的资源分配策略，得到第k个D2D-U对在授权信道的发射功率
Figure 494503DEST_PATH_IMAGE077
、在免授权信道的发射功率
Figure 190057DEST_PATH_IMAGE078
以及在免授权信道使用的时隙资源
Figure 542541DEST_PATH_IMAGE079
。
其中，所述步骤（5），获得最优纳什均衡解，具体包括：
步骤5.1，在第k个D2D-U对处计算当前
Figure 485089DEST_PATH_IMAGE011
下的经过转换后的功率消耗
Figure 985341DEST_PATH_IMAGE012
，并将其传输给其他D2D-U对。第k个D2D-U对根据本地的
Figure 405958DEST_PATH_IMAGE011
和接收到的其他D2D-U对的功率消耗
Figure 193042DEST_PATH_IMAGE014
，计算得到第k个D2D-U对当前的
Figure 103229DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤5.2，以当前的
Figure 28460DEST_PATH_IMAGE011
作为初始值，执行算法1，求解以
Figure 65817DEST_PATH_IMAGE016
为目标函数的第k个D2D-U对的纳什均衡解，得到使
Figure 392893DEST_PATH_IMAGE080
最大的
Figure 739561DEST_PATH_IMAGE081
值，更新
Figure 152088DEST_PATH_IMAGE017
的值；
步骤5.3，重复步骤5.1、步骤5.2，直到
Figure 226092DEST_PATH_IMAGE018
收敛，将此时得到的纳什均衡解作为最优纳什均衡解。
每一个D2D-U对在本地执行上述预处理和求解计算，借助在D2D-U对之间传输的辅助参数，在本地即可求解得到最优纳什均衡解，无需知道其他D2D-U对的目标函数和具体资源分配策略，无需获取系统内部全部的CSI信息。
算法1具体内容如下：算法1具体用于在第k个D2D-U对处求解如下问题以在整个D2D-U系统中的纳什均衡解。
Figure 407674DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 862926DEST_PATH_IMAGE021
，
其中
Figure 825066DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 391177DEST_PATH_IMAGE023
表示其余D2D-U对处的资源分配情况，
Figure 240315DEST_PATH_IMAGE024
为D2D-U对第k个 D2D-U对的本地局部约束集，
Figure 866469DEST_PATH_IMAGE025
表示D2D-U通信系统中关于同信道干扰的全局约束。
算法1的计算过程如下：
步骤A：
对于第k个D2D-U对，确定初始值
Figure 315904DEST_PATH_IMAGE082
，四个辅助变量
Figure 420127DEST_PATH_IMAGE083
的初始值
Figure 902534DEST_PATH_IMAGE084
，和初始迭代次数
Figure 699589DEST_PATH_IMAGE085
；
步骤B：
按博弈论的方法，计算得到更新梯度值，计算式如下：
Figure 370742DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 544234DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 367965DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 335921DEST_PATH_IMAGE086
，
Figure 494370DEST_PATH_IMAGE035
，
其中，
Figure 940395DEST_PATH_IMAGE087
表示微分投影操作，定义为
Figure 382746DEST_PATH_IMAGE088
Figure 521603DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 167348DEST_PATH_IMAGE089
表示
Figure 417064DEST_PATH_IMAGE090
在集合C上的投影操作。
Figure 215387DEST_PATH_IMAGE091
定义为
Figure 525146DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 658187DEST_PATH_IMAGE043
，其中
Figure 711593DEST_PATH_IMAGE044
为聚合函数定义为
Figure 551373DEST_PATH_IMAGE092
，在这里
Figure 346547DEST_PATH_IMAGE046
，k 1 、k 2 为与算法收敛性相关的中间参数，
Figure 638989DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 558403DEST_PATH_IMAGE048
为一很小的正数。
步骤C：
由
Figure 252690DEST_PATH_IMAGE049
和更新步长对
Figure 717300DEST_PATH_IMAGE093
进行更新，得到最新的
Figure 762616DEST_PATH_IMAGE093
。
其中，
Figure 220143DEST_PATH_IMAGE049
为更新梯度值，
Figure 768936DEST_PATH_IMAGE094
为更新之前的值，得到
Figure 168562DEST_PATH_IMAGE093
。
步骤D：
将更新后的
Figure 435595DEST_PATH_IMAGE053
传输给其他D2D-U对。
步骤E：
Figure 431233DEST_PATH_IMAGE095
。
步骤F：
回到步骤B，直到收敛，即
Figure 100112DEST_PATH_IMAGE096
,其中
Figure 172104DEST_PATH_IMAGE056
用于判断算法是否收敛，可由用户预先定义，得到当前
Figure 660854DEST_PATH_IMAGE097
下的最优纳什均衡解。
基于上述方法在D2D-U通信系统中进行仿真，如图2所示，以D2D-U通信与WiFi系统共享免授权频段的情况为例，假设该系统中具有一个基站BS，4个D2D-U对，4个普通蜂窝用户，其中对于每个D2D-U对可用的授权频段数目，可用免授权频段数目。此外，假设系统中的D2D 用户对随机分布，BS 覆盖范围半径为800m，D2D-U对中的D2DT和D2DR之间的距离在50~150m之间随机分布，并假设该系统中的信道满足瑞利分布。该通信系统中授权频段信道模型为，免授权频段模型为，授权频段和免授权频段带宽均为20MHz,噪声功率谱密度为-95dBm/Hz。
设算法1中，更新步长,。通过一步投影操作得到
Figure 663445DEST_PATH_IMAGE098
，初始的
Figure 249147DEST_PATH_IMAGE099
需满足本地局部约束集
Figure 413412DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure 969552DEST_PATH_IMAGE101
均为0向量。
图3为实施例中更新
Figure 510255DEST_PATH_IMAGE097
过程中系统EE的收敛情况，可以看到，在经过4步迭代运算后，该算法已经收敛到一稳定值。系统EE从初始值开始，能够较快实现收敛，而无需过多的迭代次数。
图4为实施例中D2D-U系统的EE在算法1迭代过程中的变化情况，可以看到，D2D-U系统的EE值最初为一较小值，随着迭代的进行最终收敛到一稳定值，展现了该方法的收敛情况，说明了算法1的收敛性。
上述实例仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉此技术领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种基于D2D-U通信的自适应半分布式资源分配方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
步骤（1），基站初始化；所述基站获取基站覆盖范围内的用户数目，为所述基站分配一预设工作模式，对D2D-U进行配对，共形成K个D2D-U对；
步骤（2），D2D-U对初始化；获取每个D2D-U对可用于传输的授权信道和免授权信道的信息，得到所述每个D2D-U对在所述免授权信道上可使用的最大时隙资源，获取信道状况信息CSI，获取所述每个D2D-U对的资源分配目标函数和约束条件；
其中，所述步骤（2）中，局部能量效率为
Figure 602082DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 588755DEST_PATH_IMAGE002
为第k个D2D-U对的传输速率，k＜K，k为正整数，
Figure 647978DEST_PATH_IMAGE003
为D2D-U系统中所有D2D-U对消耗的总功率，m为D2D-U对的序号，m=1,2,…,K，所述每个D2D-U对的资源分配目标函数为最大化所述局部能量效率；
步骤（3），信息传播；所述基站通过所述授权信道将所述授权信道上的同信道干扰约束广播给所有D2D-U对；
步骤（4），在所述每个D2D-U对处进行数据预处理以进行所述资源分配目标函数的转换；
其中，所述步骤（4）中，在所述每个D2D-U对处进行数据预处理，将所述资源分配目标函数转换为凸优化问题，将所述资源分配目标函数转换为凸优化问题具体包括：
步骤4.1，定义
Figure 204730DEST_PATH_IMAGE004
，将所述步骤（2）中的资源分配目标函数通过
Figure 33009DEST_PATH_IMAGE005
转换为凸优化问题的求解，所有D2D-U对消耗的总功率转换后为
Figure 515549DEST_PATH_IMAGE006
，m为D2D-U对的序号，m=1,2,…,K，
Figure 62068DEST_PATH_IMAGE007
表示第m个D2D-U对转换后的功率消耗；
步骤4.2：在第k个D2D-U对处，将步骤4.1转换后的资源分配目标函数转化为等效的
Figure 422511DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 370876DEST_PATH_IMAGE009
，
其中
Figure 27247DEST_PATH_IMAGE010
为第k个D2D-U对的影响系数；
步骤（5），每个D2D-U对利用分布式算法进行求解；所述分布式算法根据所述D2D-U对之间传输的辅助参数，对步骤（4）转换后的资源分配目标函数进行求解，获得最优纳什均衡解，以得到满足纳什均衡的资源分配策略；
其中，所述步骤（5）中，获得最优纳什均衡解具体包括：
步骤5.1，在第k个D2D-U对处计算当前
Figure 61062DEST_PATH_IMAGE011
下的第k个D2D-U对经过转换后的功率消耗
Figure 959617DEST_PATH_IMAGE012
，并将所述
Figure 28067DEST_PATH_IMAGE013
传输给其他D2D-U对；第k个D2D-U对根据本地的
Figure 852410DEST_PATH_IMAGE011
和接收到的其他D2D-U对的功率消耗
Figure 373521DEST_PATH_IMAGE014
，计算得到第k个D2D-U对当前的
Figure 75767DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤5.2，以当前的
Figure 998724DEST_PATH_IMAGE011
作为初始值，求解以
Figure 511745DEST_PATH_IMAGE016
为目标函数的第k个D2D-U对的纳什均衡解，更新
Figure 270884DEST_PATH_IMAGE017
的值；
步骤5.3，重复步骤5.1、步骤5.2，直到
Figure 261974DEST_PATH_IMAGE018
收敛，将此时得到的纳什均衡解作为最优纳什均衡解。
2.根据权利要求1所述的一种基于D2D-U通信的自适应半分布式资源分配方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述每个D2D-U对的所述约束条件包括所述每个D2D-U对的传输速率大于预设的最小传输速率、所述每个D2D-U对的功率消耗小于预设的最大功耗、授权频段和免授权频段信道上的传输功率小于预设的最大传输功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于D2D-U通信的自适应半分布式资源分配方法，其特征在于，所述步骤5.2中，求解以
Figure 554284DEST_PATH_IMAGE019
为目标函数的第k个D2D-U对的纳什均衡解，具体包括：
将所述
Figure 972627DEST_PATH_IMAGE019
改写为：
Figure 950554DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 10914DEST_PATH_IMAGE021
，
其中
Figure 892151DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 481395DEST_PATH_IMAGE023
表示其余D2D-U对处的资源分配情况，
Figure 480707DEST_PATH_IMAGE024
为D2D-U对k的本地局部约束集，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示D2D-U通信系统中包含所有D2D-U对的所述授权信道上的同信道干扰约束的同信道干扰全局约束；
步骤A，对于第k个D2D-U对，确定初始值
Figure 16861DEST_PATH_IMAGE026
,四个辅助变量
Figure 752605DEST_PATH_IMAGE027
的初始值
Figure 778330DEST_PATH_IMAGE028
，初始迭代次数
Figure 730849DEST_PATH_IMAGE029
；
步骤B，按博弈论的方法，计算得到更新梯度值
Figure 867432DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 457682DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 919888DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 362633DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 37328DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 747663DEST_PATH_IMAGE035
，
其中，
Figure 380770DEST_PATH_IMAGE036
表示微分投影操作，定义为
Figure 42302DEST_PATH_IMAGE037
Figure 520688DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure 616689DEST_PATH_IMAGE039
表示
Figure 889538DEST_PATH_IMAGE040
在集合C上的投影操作；
Figure 821722DEST_PATH_IMAGE041
定义为
Figure 588952DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 24613DEST_PATH_IMAGE043
，其中
Figure 983210DEST_PATH_IMAGE044
为聚合函数，定义为
Figure 402690DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 994119DEST_PATH_IMAGE046
，k 1 、k 2 为与算法收敛性相关的中间参数，
Figure 284286DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 413785DEST_PATH_IMAGE048
为一预设参数；
步骤C，由
Figure 789403DEST_PATH_IMAGE030
和更新步长
Figure 898435DEST_PATH_IMAGE049
对
Figure 308688DEST_PATH_IMAGE050
进行更新，得到最新的
Figure 343509DEST_PATH_IMAGE051
；
步骤D，将更新后的
Figure 472002DEST_PATH_IMAGE052
传输给其他D2D-U对；
步骤E，令
Figure 381796DEST_PATH_IMAGE053
；
步骤F，返回步骤B，直到
Figure 646555DEST_PATH_IMAGE054
,其中
Figure 117857DEST_PATH_IMAGE055
为预设收敛阈值。
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