CN113543085B - 一种基于能量收集技术的d2d通信网络中时间分配和用户调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于能量收集的D2D通信网络中时间分配和用户调度方法，本发明将传输周期划分为能量传输和信息传输两阶段，在能量传输阶段收割来自混合基站的能量，在信息传输阶段利用收割到能量进行通信，构建无线能量采集模型和D2D用户匹配调度的网络拓扑模型；初始化选择最近节点进行用户调度，通过凸优化得出每个D2D节点的能量传输时间和信息传输时间；构建D2D通信范围内所有节点之间的吞吐量矩阵，使用KM算法求出吞吐量最大的用户调度链接矩阵；利用链接矩阵，再次对时间分配优化求解，交替迭代以实现系统吞吐量的最大化，实现自我维持的D2D通信网络，达到节能高效的目的。

Description

一种基于能量收集技术的D2D通信网络中时间分配和用户调度方法
技术领域
本发明属于无线能量收集的D2D通信领域，尤其涉及一种利用联合无线能量收集时间分配和D2D用户调度实现内容交付问题的动态决策、提高整体内容访问的体验质量的方法。
背景技术
随着智能终端(智能手机、平板电脑等)无线多媒体业务的快速增长，电池供电的移动设备之间频繁收发数据会很快耗尽其能量，巨大的能耗已经成为未来5G网络的主要关注点之一。能量效率成为D2D通信中的一个重要研究课题。然而，除了提高能源效率外，还可以利用能量收集(Energy Harvesting,EH)技术来进一步提高通信系统的能量效率，方法是利用能量收集功能来充电。各种类型的能源可用于补充能源供应。除了从风能、太阳能和地热能等环境中获取绿色能源的能量收集技术已被广泛应用于无线网络中，还有数能一体化网络传输也成为重要的研究课题，引起了越来越多的关注。能量收集可以减少电网或电池能源供应的依赖，将为绿色通信提供许多好处。
D2D缓存网络中内容的分发也就是D2D通信的传输需要消耗用户自身的电池能量，因此供能不足也成为一个主要的问题，基于EH的D2D通信网络(EH-D2D)应运而生，所有设备从各种类型的能量源获取能量，并且使用所收集的能量以用于高效传播所缓存的内容。具有EH功能的D2D设备可从混合基站通过无线能量传输获取能量，然而所收获的能量的量或EH的持续时间与传输链路的能量效率相关。EH技术的引入，给通信中的资源分配带来了新的挑战。
根据现有的文献检索发现，在D2D通信的用户调度中，虽然有很多学者对其进行了相关研究，大多只是考虑在D2D通信当中各种约束因素(物理或者社会因素)来进行建模，没有结合能量收集技术来对D2D的用户调度做出联合优化的这一相关问题，能量约束将进一步实现自我维持的D2D通信的实现。
发明内容
针对配有无线能量收集技术的D2D通信网络中的充能时间分配和用户动态调度资源分配的问题，本文提出一种联合时间分配和用户调度策略优化的方案，使D2D用户可以在传输周期内能够合理的分配其充能时间安排，提升其可用的发射功率，维持自身能量不被大量消耗，同时协调系统的D2D用户动态调度实现区域内系统的吞吐量最大化，达到节能高效的目的。
本发明的技术方案为：一种基于能量收集技术的D2D通信网络中时间分配和用户调度方法，利用能量收集技术从混合基站中去收集能量，将收集到的能量用户传输，保持用户自身能量，增加用户吞吐量。具体包括以下流程：
将节点的传输任务周期划分两个阶段，在能量传输阶段收割来自混合基站的能量，在信息传输阶段利用收割到能量进行通信，构建无线能量采集模型和D2D用户匹配调度的网络拓扑模型；
基于网络拓扑模型，初始化选择最近节点进行用户调度，通过凸优化得出每个D2D节点的能量传输时间和信息传输时间；
利用一个周期内的时间分配构建D2D通信范围内所有节点之间的吞吐量矩阵，使用KM算法求出吞吐量最大的用户调度链接矩阵；
利用获得用户调度链接矩阵，再次对能量传输时间和信息传输时间优化求解，交替迭代直至达到吞吐量最大。
本发明方法具有以下优点：
1.将节点的任务周期划分为能量传输和信息传输阶段，可以直观地从如何分配时间能量收集和吞吐量最大化方案；
2.通过能量收集技术，将收集的能量用于信息传输，降低了D2D用户的能量消耗，形成一个自我维持的D2D通信网络；
3.通过凸优化对每个D2D节点的能量传输时间和信息传输时间进行分配，保证用户的信息传输信噪比的同时，提升其周边用户访问内容的体验质量；
4.利用KM算法迭代，大幅度提升了D2D用户系统的吞吐量，同时保证用户不会被重复访问，有效降低内容分发的排队等待时间。
附图说明
图1为本发明实施场景示意图；
图2为本发明实施例提供的原理框图；
图3为本发明实施例提供的联合充能时间分配和用户调度方法流程图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如附图1所示，本发明本发明的实施场景示意图，一个具有能量获取收集功能的D2D通信网络。
每个D2D发射机都具有无线能量收集的功能，D2D发射机可以从环境中或者混合基站中获取能量，在收集完能量后，能够将所收集存储到的能量用于D2D通信内容传输中。假设每个D2D发射机缓存了D2D接收机所需要的内容。
如附图2所示为本发明的原理框图，本发明是一种基于能量收集技术的D2D通信网络中时间分配和用户调度方法，以传输周期划分为能量传输和信息传输两阶段，构建无线能量采集模型和区域节点附近设备的网络节点拓扑图，在固定一个用户调度匹配矩阵后利用凸优化算法求得最佳的充能时间分配，在固定充能时间分配后再次利用KM算法求得用户调度矩阵，交替迭代直至达到最优值。
如图3所示。本方法具体实现τe+τt≤T过程如下：
A1、将节点的传输任务周期划分两个阶段，在能量传输阶段收割来自混合基站的能量，在信息传输阶段利用收割到能量进行通信，构建无线能量采集模型和D2D用户匹配调度的网络拓扑模型，通过模型可以直观地观察到每个节点的时间分配和用户可调度矩阵。
首先定义了传输周期长度为T的两个时隙，在T时间内，将系统分为能量收集阶段和文件传输阶段，在第一个τe时间内，D2D发射机利用自身的能量收集系统收割基站无线能量传输过来的能量信号，在剩下的τt时间内，将获取到的能量用于信息传输。时隙的长度需满足：
τe+τt≤T；
假设射频能量传输带宽和信息传输用的不同的频段，不会彼此产生干扰，完美信道信息亦可通过导频信号去获得，并在周期T时间内保持不变，那么收集的能量取决于混合基站(HAP)的发射功率、能量接收设备到HAP的信道功率增益，则D2D设备从HAP收集到能量在T时间内收集到能量可以表示为：
Figure GDA0003994444140000041
其中η∈(0,1)是RF射频信号转化为DC电路的能量转换效率，p0表示的是混合基站HAP的发射功率，Hi表示的是D2D发射机到混合基站的信道增益。
在τt时间内，D2D发射机将所收集的能量就可以用于D2D通信和蜂窝通信，为了保证可持续的运行，用于存储数据的能量必须不超过电池中可用的能量，其中每个移动设备的初始能量在开始时就足够平滑通信。那么在一个传输周期内，则对于第i个D2D发射机的发射功率可以表示为：
Figure GDA0003994444140000051
A2、基于网络拓扑模型，初始化选择最近节点进行用户调度，通过凸优化得出每个D2D节点的能量传输时间和信息传输时间。
A21、网络初始化，初始化传输周期、时隙长度和D2D设备的发射功率
Figure GDA0003994444140000052
A22、每个节点根据此时的发射功率选择周边信道条件的内容拥有者建立用户的调度连接；
A23、将记录此时的系统吞吐量为TPs，同时将此时全局最优的系统最大吞吐量为TPs*＝TPs；
A24、D2D用户调度匹配建立已初步建立，基站通过获得的匹配矩阵。来建立一个优化充能时间分配来实现系统最大化的问题，利用凸优化问题的特性，求得此时的每个充能节点的最佳能量传输时间和信息传输时间的分配。
最佳能量传输时间和信息传输时间的分配的过程即最大化系统吞吐量的过程：
Figure GDA0003994444140000053
其中
Figure GDA0003994444140000054
是D2D发射机的最大发射功率，rth是保证D2D通信质量的最小阈值。
分析其约束条件可得在保证QoS的基础上，充电时间不宜过短也不宜过长。即满足下式：
Figure GDA0003994444140000055
其中
Figure GDA0003994444140000056
结合该目标函数的二次导数进行判断，该问题是个凸优化问题，那么假设系统中所有的D2D用户的最优传输时间为τ*＝[τ1 *,τ2 *,...τn *]，若增大第i个用户的传输时间，则不能保证QoS,若减小第i个用户的传输时间，
Figure GDA0003994444140000061
Δ＞0，即增大能量获取时间，则满足QoS，但问题目标值相应的减小，故不是最优解，最优解限制条件SINRi≥rth必须取等号。即得到此时的最佳的充能时间τ*为：
Figure GDA0003994444140000062
A3、在得到最佳的充能时间τ*后，此时的D2D通信网络被建模为有向二分图，代表了D2D发送方和D2D接收方之间的多媒体文件传输。令G＝{V,E}表示无向二分图，其中E是边缘集，V是由两个集CP和CR组成的顶点集。CP代表所有D2D发射机的集合，CR代表D2D接收机的集合，即V＝{CP,CR}，|CP|＝|CR|＝N。
为了建立最佳的用户的调度匹配，在固定充能时间的和发射机发射功率的基础上优化用户调度的基础达到系统吞吐量最大：
Figure GDA0003994444140000063
其中X表示连接指示标识，表示x只能取0或者1，且X是一个N×F的01矩阵，用来标识D2D设备对之间的匹配连接关系。为了保证公平性，一个D2D发射机只能和一个D2D接收机进行连接，一个D2D接收机也只能和一个D2D发射机连接；
A31、当SINRij不小于阈值rth时，存在边缘eij。如果存在边缘，则将D2D用户定义为D2D用户CR的相邻节点,则在二部图G中定义边eij；
A32、若存在边界联系，根据A2算出的时间分配得出的传输功率求出此时对应的吞吐量；
A33、若不存在边界联系，则对应的vij赋值为0；
A34、根据KM算法计算出此时的最佳D2D用户调度分配和此时的系统的吞吐量TPs*；
A4、利用获得用户调度链接矩阵，再次对能量传输时间和信息传输时间优化求解，交替迭代直至达到吞吐量最大。
A41、若此时的TPs*-TPs＞ε则达到系统最佳的充能时间分配和D2D用户调度；
A42、若没有则返回A23重复执行，迭代直至达到最优。
本发明方法具有以下优点：
1.将节点的任务周期划分为能量传输和信息传输阶段，可以直观地从如何分配时间能量收集和吞吐量最大化方案；
2.通过能量收集技术，将收集的能量用于信息传输，降低了D2D用户的能量消耗，形成一个自我维持的D2D通信网络；
3.通过凸优化对每个D2D节点的能量传输时间和信息传输时间进行分配，保证用户的信息传输信噪比的同时，提升其周边用户访问内容的体验质量；
4.利用KM算法迭代，大幅度提升了D2D用户系统的吞吐量，同时保证用户不会被重复访问，有效降低内容分发的排队等待时间。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.基于能量收集的D2D通信网络中时间分配和用户调度方法，其特征在于，包括：
将节点的传输任务周期划分两个阶段，在能量传输阶段收割来自混合基站的能量，在信息传输阶段利用收割到能量进行通信，构建无线能量采集模型和D2D用户匹配调度的网络拓扑模型；
基于网络拓扑模型，初始化选择最近节点进行用户调度，通过凸优化得出每个D2D节点的能量传输时间和信息传输时间；
利用一个周期内的时间分配构建D2D通信范围内所有节点之间的吞吐量矩阵，使用KM算法求出吞吐量最大的用户调度链接矩阵；
利用获得用户调度链接矩阵，再次对能量传输时间和信息传输时间优化求解，交替迭代直至达到吞吐量最大。
2.根据权利要求1所述基于能量收集的D2D通信网络中时间分配和用户调度方法，其特征在于，包括：首先定义了传输周期长度为T的两个时隙，在T时间内，将系统分为能量收集阶段和文件传输阶段，在第一个τe时间内，D2D发射机利用自身的能量收集系统收割基站无线能量传输过来的能量信号，在剩下的τt时间内，将获取到的能量用于信息传输；时隙的长度需满足：τe+τt≤T；
假设射频能量传输带宽和信息传输用的不同的频段，不会彼此产生干扰，完美信道信息通过导频信号去获得，并在周期时间内保持不变，那么收集的能量取决于混合基站的发射功率、能量接收设备到HAP的信道功率增益，则D2D设备从HAP收集到能量在 时间内收集到能量表示为：
；
其中是RF射频信号转化为DC电路的能量转换效率，表示的是混合基站HAP的发射功率，Hi表示的是D2D发射机到混合基站的信道增益；
在τt时间内，D2D发射机将所收集的能量用于D2D通信和蜂窝通信，为了保证可持续的运行，用于存储数据的能量必须不超过电池中可用的能量，其中每个移动设备的初始能量在开始时就平滑通信，那么在一个传输周期内，则对于第i个D2D发射机的发射功率表示为：
。
3.根据权利要求1所述基于能量收集的D2D通信网络中时间分配和用户调度方法，其特征在于，基于网络拓扑模型，初始化选择最近节点进行用户调度，通过凸优化得出每个D2D节点的能量传输时间和信息传输时间，包括：
网络初始化，初始化传输周期、时隙长度和D2D设备的发射功率；
每个节点根据此时的发射功率选择周边信道条件的内容拥有者建立用户的调度连接；
将记录此时的系统吞吐量为TPs，同时将此时全局最优的系统最大吞吐量为TPs *=TPs；
D2D用户调度匹配建立已初步建立，基站通过获得的匹配矩阵，求得此时的每个充能节点的最佳能量传输时间和信息传输时间的分配。
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