CN114364006B - 一种最大化遍历容量的d2d中继功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种最大化遍历容量的D2D中继功率控制方法，包括建立D2D中继系统模型，各部分次优解的解析推导过程，最优功率的迭代求解过程三个步骤。本发明优化了D2D中继通信系统的遍历容量，保证了蜂窝用户需求的同时，最大化了D2D链路的遍历容量。与无中继的半双工及全双工D2D通信相比，该D2D中继系统极大的提升了较远距离D2D通信的传输速率。同时与全双工D2D直连通信相比，即使自干扰系数高于一定阈值时，该D2D中继通信系统仍可以提供显著的增益，这在未来拥有十分广阔的前景。

Description

一种最大化遍历容量的D2D中继功率控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体的说是涉及一种最大化遍历容量的D2D中继功率控制方法。

背景技术

目前，随着无线通信技术的迅猛发展，终端设备的数量呈现爆炸式增长的态势，同时，可用的频谱资源正变得越来越少。因此，用户对于无线通信带宽需求的不断增长和蜂窝网络有限的无线资源供应成为主要的矛盾。未来，如何提高有限频谱的利用率是蜂窝网络演进的重要方向，提高频谱的资源复用是近几年来蜂窝网络研究的重点。其中，D2D(Device-to-Device)技术通过复用蜂窝网络频谱资源的方式提高频谱资源利用率，是近年来研究的热点。

在D2D通信中，邻近用户设备(UE)无需通过基站(BS)即可直接通信。这将可以有效提高频谱效率(SE)、减少延迟并降低每比特所需的能量。通常，基于D2D通信的频谱分配，按照D2D的工作模式被分为两类：蜂窝用户和D2D用户共享相同无线资源的复用模式，以及给予D2D用户专用蜂窝资源的正交模式。尽管在复用模式下D2D用户和蜂窝用户之间存在干扰，但该模式能够显著地提升蜂窝系统频谱资源利用效率、提高网络容量。而对于存在的信道干扰问题，则需要有效的干扰协调和资源分配机制来解决。

当源和目的端之间的通信链路因为信道条件差或信道中的衰落而不能够可靠传输数据的情况下，中继通信技术应运而生。中继通信潜在地提高了网络覆盖和链路可靠性。在中继辅助D2D通信中，在D2D对之间添加附加终端，即中继节点，以帮助传输。特别地，双向中继信道(TWRC)，也称为双向中继，支持两个终端通过中继同时交换它们的消息，从而提高频谱效率。根据中继节点处的信号管理过程，中继协议大致分为放大转发(AF)和解码转发(DF)。采用AF协议会导致干扰与预期信号的放大，最终导致接收端的SINR较低。然而，采用DF协议的中继在将消息重发到接收方之前消除干扰，因此获得了更好的性能。在现今的研究中，有学者提出了一种用于单向中继通信的能效功率控制算法；有学者研究了双向AF中继D2D通信的功率分配，但没有考虑主网络对D2D链路的干扰；还有研究考虑了DF中继的D2D系统，并推导出系统的遍历容量，但是对于D2D及蜂窝用户，发射功率被视为相等的，而且功率控制仅仅适用于中继传输。

因此，如何针对复用模式下的双向DF中继D2D通信链路实现最优功率控制是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种最大化遍历容量的D2D中继功率控制方法，针对复用模式下的双向DF中继D2D通信链路，不仅采用了对中继的最优功率控制，而且采用了D2D及蜂窝用户发射功率的最优功率控制，在保证蜂窝用户通信需求的前提下，最大化D2D链路遍历容量的合理D2D发射功率控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种最大化遍历容量的D2D中继功率控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立D2D中继系统模型；所述D2D中继系统模型包括一对D2D用户(DU1，DU2)、一个蜂窝用户(CU)和一个基站(BS)，组成隔离小区场景；所述D2D用户复用分配给所述蜂窝用户的上行链路频率-时间资源进行相互通信；并在所述D2D用户之间增加一个中继节点，以辅助和增强D2D通信；

步骤2：优化所述D2D中继系统模型，求解D2D中继系统模型中所述D2D用户、所述中继节点和所述蜂窝用户的次优发射功率；

依据建立的D2D中继系统模型，所述D2D用户通过所述中继节点以解码转发的方式进行相互通信，通信过程分为两个时隙；所述D2D用户包括DU1和DU2；在第一个时隙中，DU1和DU2均向所述中继节点发送编码信息，所述中继节点RU对所述编码信息进行重新编码并在第二个时隙将重新编码信息转发到DU1和DU2中；求解在第一个时隙中，DU1和DU2的次优发射功率以及第二个时隙中，中继节点RU转发到DU1和DU2的次优中继发射功率

步骤21：根据通信干扰情况，对不同链路的信干噪比进行计算；

第一个时隙中，DU1-RU(DU1-中继节点)和DU2-RU(DU2-中继节点)链路的信道干扰加噪声比表示为：

其中i的取值为1或2，i∈{1,2}，代表DU1或DU2，和G_c,r分别代表DU1-RU、DU2-RU和CU-RU链路的信道增益；N₀为高斯白噪声；P_c为蜂窝用户的发射功率；

信道增益表示为其中h表示信道衰落服从单位均值的瑞利衰落，d_i,j是发射机i和接收机j之间的距离，n为路径损耗指数；

中继节点RU处的信干噪比表示为：

其中及/>分别代表DU1及DU2的发射功率；

在第二个时隙中，RU-DU1和RU-DU2链路的信道干扰加噪声比表示为：

其中i的取值为1或2，i∈{1,2}；及/>分别为RU-DU1，RU-DU2，CU-DU1及CU-DU2链路的信道增益；

步骤22：计算双向中继D2D通信的信道速率及两个时隙中两个D2D用户以中继转发方式相互中继通信过程中，信息由DU1传至DU2，以及信息由DU2传至DU1的通信过程的信道速率：

R_MAC＝log₂(1+SINR_MAC) (7)

其中，和/>分别为RU在第二个时隙中指向DU1和DU2的中继发射功率；

步骤23：在基站侧，接收的CINR表示为：

其中，G_c,b代表CU-BS链路的信道增益；P_r为第二个时隙中中继节点的总发射功率；G_r,b分别表示DU1-BS、DU2-BS和RU-BS链路的信道增益；1^st TS和2^nd TS分别代表第一个时隙和第二个时隙；

步骤24：将D2D中继系统的优化问题表示为：

对信道速率作为目标函数进行优化，中继过程中蜂窝用户的蜂窝传输速率达到下界/>时，双向D2D中继通信信道速率/>取最大值；P_c代表蜂窝用户CU的发射功率；/>代表D2D用户最大发射功率；/>表示为：

其中，W表示信号的带宽；

将(14)简化为：

其中，为优化后蜂窝用户CU的发射功率；

CU侧的次优发射功率可以通过式(15)获得；

将蜂窝用户CU的次优发射功率P_c进行迭代获得优化后蜂窝用户CU的发射功率

步骤25：D2D传输链路的四条链路的CINR分为四种情况，分别求解四种情况下D2D用户及中继节点在两个时隙的次优发射功率

Case 1：且/>

在这种情况下，DU1-DU2和DU2-DU1两条链路通信质量将受到最低链路CINR的影响，为实现能效最大化，分配/>和/>以使链路的SINR最小：

服从下列功率分配方案

对于其余三种情况，D2D链路次优功率控制将以下列方式求得：

Case 2:且/>

Case 3:且/>

Case 4:且/>

步骤3：对次优发射功率进行迭代求解最优功率；

步骤31：初始设置DU1最优发射功率DU2最优发射功率/>RU-DU1的最优中继发射功率/>RU-DU2的最优中继发射功率/>令/> 设定功率阈值∈＝0.15mWatt；/>为设定数值；

步骤32：通过公式(9)、(14)-(16)计算获得的蜂窝用户CU的当前次优发射功率根据/>通过公式(1)、(3)计算/> 和/>并通过步骤25中四种情况的判断分别计算获得/>

步骤33：将当前次优发射功率记为/>根据/>通过公式(9)、(14)-(15)计算获得/>再根据公式(16)求解蜂窝用户的次优解作为新次优发射功率/>

步骤34：如果则返回步骤2；否则输出当前新次优发射功率/>作为最优蜂窝用户发射功率，并将当前计算获得的/>分别作为DU1最优发射功率、DU2最优发射功率、RU-DU1的最优中继发射功率和RU-DU2的最优中继发射功率。

所述的最优功率的迭代求解是在次优发射功率推导的基础上通过迭代获得最优的功率分配，迭代算法意图降低此前求解的次优值上述次优值仅在干扰设备的最大发射功率的极端情况下被采用。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种最大化遍历容量的D2D中继功率控制方法，优化了D2D中继通信中D2D用户、蜂窝用户和中继的发射功率，获得最优发射功率，同时优化了D2D中继通信系统的遍历容量，保证蜂窝用户需求的同时，最大化D2D链路的遍历容量；与无中继的半双工及全双工D2D通信相比，本发明的D2D中继系统极大的提升了较远距离D2D通信的传输速率；与全双工D2D直连通信相比，即使自干扰系数高于一定阈值时，本发明的D2D中继通信系统仍可以提供显著的增益，在未来拥有十分广阔的前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的D2D中继系统模型示意图；

图2附图为本发明提供的D2D用户间隔为25m时D2D链路遍历容量与CU和BS之间距离的关系示意图；

图3附图为本发明提供的D2D链路遍历容量与D2D用户之间的间隔距离的关系示意图；

图4附图为本发明提供的D2D链路遍历容量与自干扰系数的关系示意图。

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。

本发明实施例公开了一种最大化遍历容量的D2D中继功率控制方法。

实施例

D2D中继系统噪声为频谱密度是-174dBm/Hz的零均值加性高斯白噪声；发射端到接收端的信道增益为其中h表示信道衰落服从单位均值的瑞利衰落，d_i,j是发射机i和接收机j之间的距离，n为路径损耗指数；

D2D中继系统通信中一种最大化链路遍历容量的功率控制方法，有建立D2D中继系统模型，各部分次优解的解析推导过程，最优功率的迭代求解过程三个步骤，具体步骤如下：

S1：建立D2D中继系统模型；

建立由一对D2D用户(DU1，DU2)、一个蜂窝用户(CU)和一个基站(BS)组成的隔离小区场景；D2D用户复用分配给CU的上行链路频率-时间资源进行相互通信；这造成了蜂窝链路和D2D链路间的干扰，如附图1所示；需要注意的是，在共享上行链路的过程中，D2D通信的干扰将仅影响BS，但在实践中，通过BS的协调可以很好的减少和缓解这种影响，在附图1中，在D2D对之间，添加了一个终端，即中继节点(RU)以辅助和增强D2D通信；

S2：各部分次优解的解析推导过程；

依据已建立的D2D中继系统模型，D2D用户通过位于D2D对之间的中继节点以解码转发(DF)的方式彼此通信；通信过程分为两个时隙，在第一个时隙中，DU1和DU2向RU发送它们的编码信息，RU解码后对消息进行重新编码，并在第二个时隙将其转发到D2D终端(DU2和DU1)；根据干扰情况，对不同链路的信干噪比(SINR)进行计算：第一个时隙，DU1-RU和DU2-RU链路的信道干扰加噪声比(CINR)表示为：

其中i的取值为1或2，i∈{1,2}，代表DU1或DU2，和G_c,r分别代表DU1-RU、DU2-RU和CU-RU链路的信道增益；N₀为高斯白噪声；P_c为蜂窝用户的发射功率；

RU处的SINR表示为：

其中及/>分别代表DU1及DU2的发射功率；

在第二个时隙，RU-DU1和RU-DU2链路的CINR表示为：

其中i的取值为1或2，i∈{1,2}；及/>分别为RU-DU1，RU-DU2，CU-DU1及CU-DU2链路的信道增益；

双向D2D中继通信信道速率表示为：

R_MAC＝log₂(1+SINR_MAC) (7)

其中，和/>分别为RU在第二个时隙中指向DU1和DU2的中继发射功率；

对于蜂窝传输，在两个时隙内均会发生，但会收到不同形式的干扰，在BS侧，接收的CINR，可以写为：

其中，G_c,b代表CU-BS链路的信道增益；P_r为第二个时隙中中继的总发射功率；G_r,b分别表示DU1-BS、DU2-BS和RU-BS链路的信道增益；1^st TS和2^nd TS分别代表第一个时隙和第二个时隙；

因此，该D2D中继通信系统的优化问题可表示为：

P_c代表蜂窝用户CU的发射功率；代表D2D用户最大发射功率；通过分析式(10)-(13)，可以得出，若要获得目标函数双向D2D中继通信信道速率/>的最大值，必须要达到/>的下界/>该下界表示为：

其中，W表示信号的带宽；为简化CU的功率控制，在(14)中充分考虑了DU1，DU2和RU对BS造成最大干扰的最坏情况，将(14)简化为

其中，为优化后蜂窝用户CU的发射功率；

这将会导致系统中的功率分配处于次优状态，同时CU侧的次优发射功率可以通过式(15)获得；

将蜂窝用户CU的次优发射功率P_c进行迭代获得优化后蜂窝用户CU的发射功率

D2D传输链路，根据此前定义的四条链路的CINR，分为以下四种情况：

Case 1：且/>

在这种情况下，DU1-DU2和DU2-DU1两条链路通信质量将受到最低链路CINR的影响，为实现能效最大化，分配/>和/>以使链路的SINR最小：

服从下列功率分配方案

对于其余三种情况，D2D链路次优功率控制将以下列方式求得：

Case 2:且/>

Case 3:且/>

Case 4:且/>

S3：迭代求解最优功率；

在上述次优解解析推导的基础上，提出了以下迭代算法：

S31：令∈＝0.15mWatt；

S32：通过公式(9)、(14)-(16)计算获得的CU侧的当前次优发射功率根据通过公式(1)、(3)计算/>和/>并通过步骤25中四种情况的判断，通过公式(17)-(30)计算获得/>

S33：将当前次优发射功率记为/>根据/>通过公式(9)、(14)-(16)求解蜂窝用户的次优解作为新次优发射功率/>

S34：如果当前则返回S2；否则输出当前新次优发射功率/>作为最优蜂窝用户发射功率，并将当前计算获得的/>分别作为DU1最优发射功率、DU2最优发射功率、RU-DU1的最优中继发射功率和RU-DU2的最优中继发射功率。

先预设了然后利用公式(16)计算获得的蜂窝用户CU的当前发射功率并记为/>随着CU发射功率/>的改变，/>与/>与的大小关系发生改变，根据现在的具体大小情况按照步骤25中的四种情况求解方式代入求解(比如满足case1，就将按照case1中的方式求解/>)，完成后将此时的/>记为/>也就是旧CU发射功率，因为/>的改变，在公式(16)中代入步骤32中/> 的新次优解重新计算并记为/>得到新值，当/>时返回S2。从而是上述计算值达到收敛稳定的目的。

设置的仿真参数如表1所示：

表1仿真参数表

参数	值
		小区半径	400m
D2D对至BS的距离	300m
		CU的最大功率	24dBm
DU的最大功率	22dBm
		信道带宽	1MHz
CU传输速率下限	3Mbps
		路损因子	3

进行了1000次MonteCarlo仿真实验，在每次迭代中，计算分配给HD、FD和中继D2D用户的最佳功率，以及每种情况下D2D传输速率。最后，确定了各模式下的遍历容量。

图2-图3分别显示了当CU和BS之间以及D2D对之间距离增加时，HD和中继D2D系统中D2D遍历容量的变化。与简单HD相比，D2D双向中继通信可以有效增加系统的遍历容量。图2还比较了中继D2D中次优和最优功率控制的结果。

在图4中，将HD和中继D2D容量与FD模式对比，可得出FD模式下性能由自干扰系数决定，当自干扰系数降低至-65dB以下时，FD模式下通信性能高于HD及中继D2D模式，但超过此值时，FD性能会急剧下降，而中继D2D模式仍能发挥优良性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种最大化遍历容量的D2D中继功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立D2D中继系统模型；所述D2D中继系统模型包括一对D2D用户、一个蜂窝用户和一个基站，并在所述D2D用户之间增加一个中继节点；所述D2D用户与所述蜂窝用户进行相互通信；建立的所述D2D中继系统模型中所述D2D用户包括DU1和DU2，通过中继节点RU以解码转发的方式进行相互通信，通信过程分为两个时隙；在第一个时隙中，DU1和DU2均向所述中继节点发送编码信息，中继节点RU对所述编码信息进行重新编码并在第二个时隙将重新编码信息转发到DU1和DU2中；

步骤2：优化所述D2D中继系统模型，求解D2D中继系统模型中所述D2D用户、所述中继节点和所述蜂窝用户的次优发射功率；

所述步骤2求解在第一个时隙中，DU1和DU2的次优发射功率，以及第二个时隙中，中继节点RU转发到DU1和DU2的次优中继发射功率，求解过程包括：

步骤21：根据通信干扰情况，对不同链路的信干噪比进行计算；

第一个时隙中，DU1-RU和DU2-RU链路的信道干扰加噪声比表示为：

其中i∈{1,2}，表示D2D用户中的DU1或DU2；和G_c,r分别代表DU1-RU、DU2-RU和CU-RU链路的信道增益；N₀为高斯白噪声；P_c为蜂窝用户的发射功率；

信道增益表示为其中h表示信道衰落服从单位均值的瑞利衰落，d_i,j是发射机i和接收机j之间的距离，n为路径损耗指数；

中继节点RU处的信干噪比表示为：

其中及/>分别代表DU1及DU2的发射功率；

在第二个时隙中，RU-DU1和RU-DU2链路的信道干扰加噪声比表示为：

其中i∈{1,2}，表示D2D用户中的DU1或DU2；及/>分别为RU-DU1，RU-DU2，CU-DU1及CU-DU2链路的信道增益；

步骤22：计算两个时隙中两个D2D用户以中继转发方式相互中继通信的信道速率

R_MAC＝log₂(1+SINR_MAC) (7)

其中，和/>分别为RU在第二个时隙中指向DU1和DU2的中继发射功率；

步骤23：在基站BS接收的信道干扰加噪声比表示为：

其中，G_c,b代表CU-BS链路的信道增益；P_r为第二个时隙中中继节点的总发射功率；G_r,b分别表示DU1-BS、DU2-BS和RU-BS链路的信道增益；1^st TS和2^nd TS分别代表第一个时隙和第二个时隙；

表示RU-DU1的发射功率；/>表示RU-DU2的发射功率；

步骤24：将D2D中继系统模型的优化问题表示为：

信道速率作为目标函数进行优化，中继过程中蜂窝用户的传输速率/>达到下界时，目标函数的双向D2D中继通信信道速率/>取最大值；P_c代表蜂窝用户CU的发射功率；/>代表D2D用户最大发射功率；/>表示为：

其中，W表示信号的带宽；

将(14)简化为：

其中，为优化后蜂窝用户CU的发射功率；

蜂窝用户CU的次优发射功率通过式(15)获得；

将蜂窝用户CU的次优发射功率P_c进行迭代获得优化后蜂窝用户CU的发射功率

步骤25：D2D中继系统模型四条链路的信道干扰加噪声比分为四种情况，分别求解四种情况下D2D用户及中继节点在两个时隙的次优发射功率

Case 1：且/>DU1-DU2和DU2-DU1两条链路通信质量将受到最低链路信道干扰加噪声比/>的影响，分配/>和/>以使链路的信干噪比最小：

服从下列功率分配方案

Case 2:且/>D2D链路次优功率求解公式为：

Case 3:且/>D2D链路次优功率求解公式为：

Case 4:且/>D2D链路次优功率求解公式为：

步骤3：对所述D2D用户、所述中继节点和所述蜂窝用户的次优发射功率进行迭代求解分别获得D2D用户最优发射功率、最优中继发射功率和最优蜂窝用户发射功率；

所述步骤3的具体实现过程为：

步骤31：初始设置DU1最优发射功率DU2最优发射功率/>RU-DU1的最优中继发射功率/>RU-DU2的最优中继发射功率/>令/>

步骤32：通过公式(9)、(14)-(16)计算获得的蜂窝用户CU的当前次优发射功率根据通过公式(1)、(3)计算/> 和/>并通过步骤25中四种情况的判断分别计算获得/>

步骤33：将当前次优发射功率记为/>根据/>通过公式(9)、(14)-(16)求解蜂窝用户的次优解作为新次优发射功率/>

步骤34：对次优发射功率和新次优解进行差值计算，如果当前大于设定的功率阈值，则返回S2；否则输出当前新次优发射功率/>作为最优蜂窝用户发射功率，并将当前计算获得的/>分别作为DU1最优发射功率、DU2最优发射功率、RU-DU1的最优中继发射功率和RU-DU2的最优中继发射功率。