CN114258122A - 终端直通模式中面向丢包率保障的发射功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种D终端直通模式(D2D，Device to Device)中基于丢包率保障的功率控制方法，主要解决各D2D用户盲目地增大发射功率来提高自身传输能力，在保障丢包率的同时对功率进行控制，保障通信质量且提高能源利用效率；其实现方案包括：1)根据D2D通信的上行丢包率和信干噪比及分配给D2D用户对的带宽，建立D2D用户对的代价函数；2)根据目标丢包率和最大发射功率得出发射功率的约束条件；3)根据剩余能量和频率带宽以及丢包率建立代价函数；4)根据收益函数和代价函数，得到效用函数模型；5)通过效用函数模型求解纳什均衡点。根据纳什均衡点使用迭代的方法对功率值进行更新，以达到对功率进行控制的目的。

Description

终端直通模式中面向丢包率保障的发射功率控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种在终端直通模式(D2D，DevicetoDevice)中面向目标丢包率保障对各D2D用户发射设备功率进行控制的方法。

背景技术

近年来，D2D通信不断发展，下一个通信时代将会是一个万物互联的时代， 通信设备的密度预计将在未来几年呈指数增长，且需要交换大量的信息和多媒体 数据，然而现有的蜂窝技术很可能无法满足这些要求，这就需要探索新技术来支 持日益增长的需求。因此，为了满足这些广泛而复杂的通信需求，D2D通信被 提出作为下一代蜂窝网络的候选技术。在D2D通信过程中，较低的丢包率是对 通信质量良好保障，因此保障较低的丢包率尤为重要。功率控制广泛应用与各种 领域，在终端直通模式中，功率控制的目的在于保障通信质量的同时提高能源效 率。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是：考虑D2D通信实际应用场景中满足目 标丢包率的同时对功率进行控制，结合博弈论提出一个非合作博弈模型对功率进 行控制的方法。

本发明所提供的功率控制方法，包括如下步骤：

(1)在一个包含D2D用户对和蜂窝用户和一个基站的复用通信模型中，用 户集Q＝{1,2,...,N}中既包含D2D用户，又包含蜂窝用户，根据D2D通信的上行 丢包率和信干噪比，建立D2D用户对的代价函数，其数学描述为：

其中，p_i表示第i个D2D用户对的发射功率，L_i表示第i个D2D用户对的上行 丢包率，α、β为权重因子，ω_i表示分配给第i个D2D用户对的频率带宽,γⁱ为 第i个D2D用户对的接收方信干噪比。

(2)考虑到D2D用户对发射端天线和接收端天线的之间的自由空间距离和 收发天线之间的角度我们对信道增益进行建模，其数学描述为：

其中，g_i表示第i对D2D用户收发对之间的信道增益,δ为传播损耗因子，d_i为 发射端到接收端之间自由空间距离，θ_i表示收发天线之间的角度，λ表示发射信 号的波长。第i个D2D用户对的接收方信干噪比，其数学描述为：

其中，g_k表示除i以外的发射设备(包含蜂窝用户)到第i对接收端之间的信 道增益，p_i表示第i个D2D用户对的发射功率，p_k表示表示除i以外的发射设 备(包含蜂窝用户)的发射功率，σ²表示高斯白噪声的方差。

(3)考虑到在上传过程中发射设备CPU利用率和所分配的频率带宽对上传 成功接收数据包数量的影响，得到了上传成功接收数据包数量的数学描述为：

N_i＝μη_i+εω_i (4)

其中，μ、ε为权重因子，η_i、w_i分别为第i对D2D用户发射设备CPU利用率 和所分配的频率带宽。

(4)考虑发射功率和所分配的频率带宽对D2D用户发射设备CPU利用率 的影响，建立第i对D2D用户发射设备CPU利用率的数学函数模型：

其中，p_imax为第i对D2D用户发射设备的最大发射功率，ρ为权重因子。

(5)由式(4)、式(5)可得第i个D2D用户对的上行丢包率的数学描述为：

其中，N_imax、N_imin分别为第i个D2D用户对成功上传的最大包序号和最小包序 号。

(6)在通信过程中为了保障丢包率小于目标丢包率，其数学描述为：

其中，L_τ为目标丢包率，因此可以得出发射功率的约束条件，其数学描述为：

同时p_i应不超过最大发射功率p_imax，所以可得:

(7)由式(3)、式(6)可得代价函数：

(8)考虑剩余能量和频率带宽以及丢包率建立代价函数，其数学描述为:

其中，E_i为第i对D2D用户发射设备的剩余能量，E_imax为第i对D2D用户发射 设备能存储的最大能量。

(9)结合收益函数和代价函数，得到效用函数模型，其数学描述为：

(10)在这个通信模型中，存在着非合作博弈，每个发射设备都希望通过改 变发射功率从而使得自己的效用函数最大，为了使效用最大，优化函数为：

在这个存在着非合作博弈的通信模型中，每个发射设备的发射功率都会达到纳什均衡状态，上式中的优化问题可以通过寻找纳什均衡点来解决，用效用函数对p_i求一阶导数等于零，可得：

令

由式(14)可以得到：

令a＝H_iM_i ³Q_i,b＝H_iM_i ³-2H_iZ_iM_i ²Q_i+αω_iM_i ²Q_i, c＝H_iZ_i ²M_iQ_i-2H_iZ_iM_i ²-2αω_iZ_iM_iQ_i-βM_iQ_i，d＝H_iM_iZ_i ²+αω_iQ_iZ_i ²-βM_i, 并且a,b,c,d＞0。

将式(15)整理可得:

ap_i ³+bp_i ²+cp_i+d＝0 (16)

Δ＝B²-4AC＞0，其中A＝b²-3ac，B＝-bc+9ad，C＝c²-3bd，可以解 得p_i的唯一正根：

其中，m＝-b²+3ac，n＝2b³-9abc+27a²d

此时p_i的值为纳什均衡点，模型到达纳什均衡状态，任何通信设备都无法通 过改变自己的功率策略来增大自己的收益，即

其中p*为 第i对D2D用户发射设备的纳什均衡功率，

表示除第i对D2D用户发射设备 的其他所有发射设备的发射功率。

(11)每个通信设备都试图通过增大发射功率来提高效用，但每个通信设备 盲目增大发射功率时，同时也会增大对其他设备的干扰，不仅不能提高效用，还会造成能源的浪费。在这个存在着非合作博弈的通信模型中，每个发射设备的发射功率都会达到纳什均衡状态，纳什均衡点即使发射功率的优化值，可以通过以下迭代过程求得：

①初始化每个发射设备的发射功率；

②利用式(17)求出第i对D2D用户发射设备的发射功率；

③判断此时的发射功率是否满足式(9)中的发射功率约束条件，如果不满 足条件，则令第i对D2D用户发射设备的发射功率设置为式(8)中的最小值；

继续加大第i对D2D用户发射设备的发射功率，同时已求得的前i-1用户逐渐减 少其发射功率和频率带宽，并利用式(17)更新第i对D2D用户发射设备的发射功 率，直到满足条件为止。

④若迭代j+1次时，||p^*(j+1),p^*(j)≤ξ||，其中ξ为迭代过程中设置的门 限，如果迭代前后发射功率的差值小于门限值，则中止迭代过程，得到的结果可 视为发射功率的纳什均衡点，否则继续执行ii，不断迭代计算直至发射功率收 敛。

附图说明

图1：效用函数与发射功率的变化曲线。

图2：设定目标丢包率时发射功率随时间的变化曲线。

具体实施方式

在一个包含20个D2D用户对和80个蜂窝用户和一个基站的复用通信模型 中，背景噪声功率σ²＝4×10^-16mW，设定权重因子α＝0.4，β＝0.6，μ＝0.5， ε＝0.5，传播损耗因子δ＝0.9，权重因子ρ＝0.8，发射信号的波长λ＝0.3m， 假定所有设备的物理位置不发生改变，所有设备的最大发射功率都为2000mW, 设定目标丢包率L_τ＝0.5％，设置门限ξ＝10mW。

为了测试非合作博弈方法的性能，在图1中，给出的曲线可以看出，p_i从 200mW增大到1400mW过程中，效用函数不断增大，p_i从1400mW增大到 2000mW过程中，在纳什均衡点p_i＝1400mW时的效用函数最大。

在图2中，给定p_i的初始功率为500mW，p_i从0ms时刻到10000ms时刻过程 中随时间不断迭代增加，到达10000ms时刻，p_i＝1400mW，迭代前后发射功率 的差值小于门限值，结合图1可知此时效用函数最大，所有D2D用户和蜂窝用 户基本到达纳什均衡状态，任何用户都无法通过增大发射功率来提高效用函数， 同时保障了目标丢包率，解决了本发明提出的技术问题，到达本发明的目的。

Claims (1)

1.终端直通模式中面向丢包率保障的发射功率控制方法，其特征在于：

在一个包含D2D用户对和蜂窝用户和一个基站的复用通信模型中，用户集Q＝{1,2,...,N}中既包含D2D用户，又包含蜂窝用户，在这个通信模型中，存在着非合作博弈，每个通信设备都希望通过设置合理的发射功率从而使得上传成功接收数据包数量最大，从而保障系统的通信性能，同时限定通信过程中的丢包率小于目标丢包率，该方法的目标可通过以下效用函数来表示：

其中，J_i(p_i,L_i)为收益函数，C_i(p_i,L_i)为代价函数，p_i表示第i个D2D用户对的发射功率，p_imax为第i对D2D用户发射设备的最大发射功率，L_i表示第i个D2D用户对的上行丢包率，L_τ为目标丢包率，ω_i表示分配给第i个D2D用户对的频率带宽μ、ε、ρ为权重因子，N_imax、N_imin分别为第i个D2D用户对成功上传的最大包序号和最小包序号。

考虑D2D通信的上行丢包率和信干噪比，建立第i对D2D用户发射设备的收益函数，其收益函数的数学描述为：

其中，γⁱ为第i个D2D用户对的接收方信干噪比，α、β为权重因子。考虑在上传过程中发射设备CPU利用率和所分配的频率带宽对上传成功接收数据包数量的影响建立第i个D2D用户对的上行丢包率可表示为：

其中，N_i为上传成功接收数据包数量，η_i为第i对D2D用户发射设备的CPU利用率，考虑到在上传过程中发射设备CPU利用率和所分配的频率带宽对上传成功接收数据包数量的影响，得到了上传成功接收数据包数N_i＝μη_i+εω_i，η_i为第i对D2D用户发射设备的CPU利用率。考虑发射功率和所分配的频率带宽对D2D用户发射设备CPU利用率的影响，建立第i对D2D用户发射设备CPU利用率可表示为：

考虑剩余能量和频率带宽以及丢包率建立代价函数，其代价函数的数学描述为:

其中，E_i为第i对D2D用户发射设备的剩余能量，E_imax为第i对D2D用户发射设备能存储的最大能量。

在这个存在着非合作博弈的通信模型中，每个发射设备的发射功率都会达到纳什均衡状态，上式中的优化问题可以通过寻找纳什均衡点来解决，用效用函数对p_i求一阶导数等于零，可得：

令

将H_i，Z_i，M_i，Q_i代入可以得到：

H_iM_i ³Q_ip_i ³+(H_iM_i ³-2H_iZ_iM_i ²Q_i+αω_iM_i ²Q_i)p_i ²+(H_iZ_i ²M_iQ_i-2H_iZ_iM_i ²-2αω_iZ_iM_iQ_i-βM_iQ_i)p_i+H_iM_iZ_i ²+αω_iQ_iZ_i ²-βM_i＝0

令a＝H_iM_i ³Q_i

b＝H_iM_i ³-2H_iZ_iM_i ²Q_i+αω_iM_i ²Q_i

c＝H_iZ_i ²M_iQ_i-2H_iZ_iM_i ²-2αω_iZ_iM_iQ_i-βM_iQ_i

d＝H_iM_iZ_i ²+αω_iQ_iZ_i ²-βM_i,并且a,b,c,d＞0

将a,b,c,d代入整理可得:

ap_i ³+bp_i ²+cp_i+d＝0

Δ＝B²-4AC＞0，其中A＝b²-3ac，B＝-bc+9ad，C＝c²-3bd，可以解得p_i的唯一正根：

其中，m＝-b²+3ac，n＝2b³-9abc+27a²d

当

则p_i满足丢包率小于目标丢包率的约束条件。此时p_i的值为纳什均衡点，模型到达纳什均衡状态，任何通信设备都无法通过改变自己的功率策略来增大自己的收益，即

其中p*为第i对D2D用户发射设备的纳什均衡功率，

表示除第i对D2D用户发射设备的其他所有发射设备的发射功率。

Images