CN115567903B - 一种双向放大转发中继的通信资源分配方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信数据处理技术领域，公开了一种双向放大转发中继的通信资源分配方法、系统及应用。所述方法包括：在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解，基于步骤S1、S2获取的最优发射功率与步骤S3获取的所述最优子载波分配与子载波成对，基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信。本发明通过联合优化功率分配、子载波分配与子载波成对来最大化系统的和速率。
Description
技术领域
本发明属于通信数据处理技术领域，尤其涉及一种双向放大转发中继的通信资源分配方法及系统。
背景技术
设备对设备(D2D，device to device)通信是5G蜂窝系统的一种特定应用场景。D2D通信可以扩展蜂窝覆盖范围,并促进新型无线对等服务。合理的无线资源管理机制可以提高蜂窝通信系统的频谱效率。当前的资源分配机制都假设D2D用户之间直接进行通信或者通过其他中继节点而非基站进行通信。对于小区内通信，这些假设并非一定成立。例如，在办公楼中，D2D用户希望通过基站高速交换信息。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)传统的单向中继频谱效率较低。
(2)现有技术中没有利用逐步分解的方法进行资源分配，使获得的最优发射功率不能提高系统的和速率。
(3)现有技术未将基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信，未同时考虑传统用户与小区内D2D用户共存时的资源分配问题，未联合优化用户功率分配、子载波分配与子载波成对。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种双向放大转发中继的通信资源分配方法、系统及应用。具体涉及一种基站作为双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法。
所述技术方案如下：一种双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法包括以下步骤：
S1，在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；
S2，通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；
S3，通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解，基于步骤S1、S2获取的最优发射功率与步骤S3获取的所述最优子载波分配与子载波成对，基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信，使小区内传统用户与D2D用户的和速率最大化，基从而实现最大化系统和速率。
在本发明中，最大化系统和速率是指最大化小区内传统用户与D2D用户的频谱效率之和。或者称为最大化小区内传统用户与D2D用户的速率之和。也可以理解为：使小区内传统用户与D2D用户的频谱效率之和最大化。或者使小区内传统用户与D2D用户的和速率最大化。其中速率为频谱效率；和速率为频谱效率之和。
在本发明中，总共有G个小区，在每个小区中，Ψk表示传统蜂窝用户集的集合，该集合中元素的个数为|Ψk|＝Kk，其中k∈{1,2,...,G}。传统蜂窝用户可以与其他小区的蜂窝用户通信。Γk代表与同一小区中的用户交换信息的小区内用户的集合，该集合中元素的个数为|Γk|＝Mk。小区中可用的无线电频谱资源被划分为N个正交的子载波。在小区k中，hk,s,i与hk,s,j分别代表用户s∈Ψk∪Γk上行链路和下行链路通信的子载波增益。pk,s.i代表蜂窝用户s在上行链路子载波i上的发射功率，pk,s,j代表基站在下行子载波j上的发射功率。N0表示加性高斯白噪声功率。如果上行链路子载波i与下行链路子载波j成对，并且该子载波对被分配给小区k中的用户s，则本发明考虑选择路径path(i,j,s,k)。本发明定义了一个指示函数
在一个实施例中，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，基站作为双向放大转发中继的D2D通信中继节点；
对于传统用户s∈Ψk，速率表示为
对于小区内D2D通信用户，s，s'∈Γk，速率表示为
uk,s,i,j＝1+pk,s,i|hk,s,i|2+pk,s',i|hk,s',i|2。
在一个实施例中，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，在基站发射功率固定时，传统用户的速率仅取决于对应基站的信道增益，后面的叙述中，省略了小区指示符k，用户端的资源分配问题表示为：
上式max代表最大化系统加权和速率，其中ws为小区中用户s的权重；任一上行子载波只能分配给一个用户：
任一下行子载波只能分配给一个用户：
用户在每一子载波上的发射功率约束：
所有子载波上的总功率约束：
以及代表功率是非负的。
在一个实施例中，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，获取传统用户的最优发射功率包括：
对于s∈Ψ，若ρs,i,j＝1，问题为
该问题是一个凸问题，传统用户的功率最优解是
在一个实施例中，在步骤S2中得出小区内D2D用户的最优发射功率问题的等价形式，包括：
对于s∈Γ，若ρs,i,j＝1，问题为
问题仍属于非凸优化问题，表示为广义线性分式规划的形式：
s.t.x∈D；
其中D属于Rn，f1，f2，g1与g2是仿射函数，x＝(ps,i,ps',i)；
f1(ps,i,ps',i)＝(ps,j|hs',j|2+us,i,j)N0；
g1(ps,i,ps',i)＝ps,i|hs,i|2ps,j|hs',j|2+(ps,j|hs',j|2+us,i,j)N0；
f2(ps,i,ps',i)＝(ps,j|hs,j|2+us,i,j)N0；
g2(ps,i,ps',i)＝ps',i|hs',i|2ps,j|hs,j|2+(ps,j|hs,j|2+us,i,j)N0；
该问题表示成广义线性分式规划的形式，得出小区内D2D用户最优发射功率问题的等价形式。
在一个实施例中，在步骤S2中通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率包括以下步骤：
步骤1：间隔I0＝[a0,b0]，然后计算端点的下界/>u0与v0代表得到的解；定义下界为h0:＝h(I0)＝min{h(a0),h(b0)}，上界为q0:＝min{f(u0),f(v0)}，可行解为x0，f(x0)＝q0，集合χ0:＝{I0}；
步骤2：如果qn≤hn，xn是最优解；否则，定义另外两个子集与/>其中τn与ηn满足τn代表区间In的顶点；
步骤3：计算与/>zn+1代表在计算计算/>过程中的最优可行解，qn+1:＝min{qn,f(zn+1)}；xn+1代表满足qn+1＝f(xn+1)的可行解，其集合为因此可行集为χn+1:＝{I∈τn:h(I)≤qn+1}。
步骤4：选择In+1∈χn+1使其满足hn+1:＝min{h(I),I∈χn+1}，n＝n+1，然后转至步骤2。
在一个实施例中，在步骤S3中通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解，包括：
经过小区内D2D用户的最优发射功率求解后问题为：
矩阵ρ分解为矩阵u＝[uij]N×N与子载波分配与子载波成对问题变换为
对于固定的(i,j)，上述问题通过以下方式解决：
其中最后问题表示为
对于属于二维整数规划问题，利用匈牙利算法求解；由此得到子载波分配与子载波成对的最优解
本发明的另一目的在于提供一种双向放大转发中继的D2D通信资源分配系统包括：
传统蜂窝用户最优发射功率表达式获取模块，用于在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；
小区内D2D用户最优发射功率获取模块，用于通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；
子载波分配与子载波成对优化模块，用于通过匈牙利算法给出子载波分配与子载波成对问题的最优解。
本发明的另一目的在于提供一种等功率分配的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，所述等功率分配的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法包括：用户在每个子载波上采取相同的发射功率，子载波分配与子载波成对机制采用所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法。
本发明的另一目的在于提供一种无子载波成对的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，所述无子载波成对的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法实施所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，上行链路与下行链路采用相同的子载波。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明当小区内D2D用户之间的距离较远时，可以将基站作为放大转发中继节点辅助小区内D2D通信。本发明联合优化用户功率分配、子载波分配与子载波成对，建立了一个以最大化系统频谱效率为目标的非线性混合整数规划问题。
本发明通过逐步分解的方法进行资源分配。首先在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率，最优功率求解会提高系统的和速率。之后通过匈牙利算法给出子载波分配与子载波成对问题的最优解，子载波成对也可以提高系统的和速率。
第二，把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本发明首次提出利用基站作为双向放大转发中继节点来辅助小区内D2D通信。在蜂窝网络中所有用户之间的子载波是正交的情况下，将基站作为双向放大转发中继节点来辅助小区内D2D通信，本发明通过联合优化功率分配、子载波分配与子载波成对来最大化系统的和速率。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
(1)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：当基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信时，给出了用户功率的求解过程，子载波分配与子载波成对的求解过程。
(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：在传统用户与小区内D2D用户共存的情况下，将基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信，联合优化用户功率分配、子载波分配与子载波成对，从而最大化系统和速率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明实施例提供的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法流程图；
图2是本发明实施例提供的双向放大转发中继的D2D通信系统模型图；
图3是本发明实施例提供的双向放大转发中继的D2D通信资源分配系统示意图；
图4是本发明实施例提供的等权重下系统和速率与用户功率约束的关系图；
图5是本发明实施例提供的不等权重下系统和速率与用户功率约束的关系图；
图6是本发明实施例提供的子载波分配概率图；
图中：1、传统蜂窝用户最优发射功率表达式获取模块；2、小区内D2D用户最优发射功率获取模块；3、子载波分配与子载波成对优化模块。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
一、解释说明实施例：
在蜂窝网络中所有用户之间的子载波是正交的情况下，且小区内存在传统蜂窝用户与D2D用户时，本发明实施例提供的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法包括利用基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D通信，在基站采用固定发射功率的情况下，通过联合优化用户发射功率、子载波分配与子载波成对，最大化系统的和速率。可包括以下内容：在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解，基于步骤S1、S2获取的最优发射功率与步骤S3获取的所述最优子载波分配与子载波成对，基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信。
具体包括以下步骤：
S101，给出传统用户的发射功率闭式表达式；
S102，通过分支定界算法求解小区内D2D用户的发射功率；
S103，利用匈牙利算法求解子载波分配与子载波成对；通过所搭建的MATLAB平台验证，所提联合资源分配机制优于等功率分配机制、无子载波成对机制、以及传统机制，具有最高的系统和速率。
在本发明实施例中，在无线传感器网络中，中心节点可以作为双向放大转发中继节点辅助两个传感器节点之间的通信，此通信场景也可以利用本发明提供的资源分配机制。
实施例1
本发明实施例提供的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法包括：
步骤一，构建系统模型：基站作为双向放大转发中继的D2D通信系统模型如图2所示。总共有G个小区，在每个小区中，Ψk表示传统蜂窝用户集的集合，该集合中元素的个数为|Ψk|＝Kk，其中k∈{1,2,...,G}。传统蜂窝用户可以与其他小区的蜂窝用户通信。Γk代表与同一小区中的用户交换信息的小区内用户的集合，该集合中元素的个数为|Γk|＝Mk。小区中可用的无线电频谱资源被划分为N个正交的子载波。在小区k中，hk,s,i与hk,s,j分别代表用户s∈Ψk∪Γk上行链路和下行链路通信的子载波增益。pk,s.i代表蜂窝用户s在上行链路子载波i上的发射功率，pk,s,j代表基站在下行子载波j上的发射功率。
在小区1中，名为C1U1的传统用户希望通过基站与小区2中名为C2U1的用户通信。在时隙1中，C1U1和C2U1分别在上行链路子载波向BS1和BS2发送信息。然后，在时隙2中，BS1和BS2将交换的信息在下行链路子载波发送到C1U1和C2U1。与此同时，在同一个小区中，一些传统用户希望交换信息，例如D1U1和D1U2。在这种情况下，本发明建议将基站视为双向放大转发中继节点来辅助信息传输。在时隙1中，D1U1和D1U2通过上行链路的同一子载波传输信息。接下来，在时隙2中，BS1通过下行链路的同一子载波放大转发接收信息。基站的放大系数为
N0表示加性高斯白噪声功率。该系统考虑进行子载波分配和子载波成对。子载波分配和子载波成对是指分别为上行链路和下行链路分配子载波。如果上行链路子载波i与下行链路子载波j成对，并且该子载波对被分配给小区k中的用户s，则本发明考虑选择路径path(i,j,s,k)。本发明定义了一个指示函数。
上行链路和下行链路信道之间是一对一映射。要求每个子载波对仅分配给一个用户。然而，用户可能占用多个子载波对。因此，指示函数约束条件为
本发明的目标是在基站发射功率固定时，通过资源管理(包括功率分配、子载波分配和子载波成对)最大化系统和速率。为了使加权和速率最大化，本发明可以将此问题表述为：
s.t.(2)，(3)(5)
其中wk,s为小区k中用户s的权重，矩阵与p＝[pk,s,j]G×N为优化变量，涉及不同小区中的子载波分配、子载波成对和功率分配。传统用户的速率为：
因为在整个信息交换过程中需要两个时隙和两个子载波，所以系数为1/4。
其中，
s和s'是不同小区中彼此交换信息的传统用户，i和i'代表每个用户的上行子载波，j和j'代表每个用户的下行子载波。传统蜂窝用户的速率可以表示如下
因此得到：
因此，本发明最大化方程(8)等价于最大化其上界(15)和(16)。对于传统用户s∈Ψk，其速率可以表示为
对于小区内D2D通信用户，s，s'∈Γk，其速率可以表示为
uk,s,i,j＝1+pk,s,i|hk,s,i|2+pk,s',i|hk,s',i|2 (19)
很明显，问题是一个非凸问题。
步骤二，资源分配问题求解
经过上述过程，问题(4)可以表述成
s.t.(2),(3),(6)，(7)(21)
传统用户的速率仅取决于对应基站的信道增益，最大化问题(20)只需最大化(20)后面的求和项。后面的叙述中，本发明省略了小区指示符k。当基站采用固定发射功率时，用户端的资源分配问题可以表示为
上式max代表最大化系统加权和速率，其中ws为小区中用户s的权重；
(23)与(24)代表任一上行子载波与任一下行子载波只能分配给一个用户，(25)代表用户在每一子载波上的发射功率约束，(26)代表所有子载波上的总功率约束，问题(22)属于非凸优化问题，下面将逐步求解。
第一步，用户功率求解
1)对于s∈Ψ，若ρs,i,j＝1，问题变为
该问题是一个凸问题，传统用户的功率最优解是
2)对于s∈Γ，若ρs,i,j＝1，问题变为
问题(31)仍属于非凸优化问题，根据广义线性分式规划，将问题(31)转化为最小化问题
s.t.x∈D(35)
其中D属于Rn且满足约束(32)和(33)，f1，f2，g1与g2是仿射函数，x＝(ps,i,ps',i)。
f1(ps,i,ps',i)＝(ps,j|hs',j|2+us,i,j)N0 (36)
g1(ps,i,ps',i)＝ps,i|hs,i|2ps,j|hs',j|2+(ps,j|hs',j|2+us,i,j)N0 (37)
f2(ps,i,ps',i)＝(ps,j|hs,j|2+us,i,j)N0 (38)
g2(ps,i,ps',i)＝ps',i|hs',i|2ps,j|hs,j|2+(ps,j|hs,j|2+us,i,j)N0 (39)
该问题表示成广义线性分式规划的形式，可以用分支界定算法求解小区内D2D用户的最优功率。
步骤1：令间隔I0＝[a0,b0]，然后计算端点的下界/>u0与v0代表得到的解。定义下界为h0:＝h(I0)＝min{h(a0),h(b0)}，上界为q0:＝min{f(u0),f(v0)}，可行解为x0，f(x0)＝q0，集合χ0:＝{I0}。
步骤2：如果qn≤hn，xn是最优解。否则，定义另外两个子集与/>其中τn与ηn满足τn代表区间In的顶点。
步骤3：计算与/>zn+1代表在计算计算/>过程中的最优可行解，qn+1:＝min{qn,f(zn+1)}；xn+1代表满足qn+1＝f(xn+1)的可行解，其集合为因此可行集为χn+1:＝{I∈τn:h(I)≤qn+1}。
步骤4：选择In+1∈χn+1使其满足hn+1:＝min{h(I),I∈χn+1}，n＝n+1，然后转至步骤2。第二步，子载波分配与子载波成对求解
经过功率分配问题之后问题变为：
s.t.(23)，(24)(41)
矩阵ρ可以分解为矩阵u＝[uij]N×N与子载波分配与子载波成对问题变换为
对于固定的(i,j)，上述问题可以通过以下方式解决：
其中最后问题表示为
s.t.(43)(47)
问题(46)属于二维整数规划问题，可以利用匈牙利算法解决。由此得到子载波分配与子载波成对的最优解
实施例2
本发明实施例提供一种等功率分配的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，所述等功率分配的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法包括：用户在每个子载波上采取相同的发射功率，子载波分配与子载波成对机制采用所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法。
实施例3
本发明实施例提供一种无子载波成对的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，所述无子载波成对的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法实施所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，上行链路与下行链路采用相同的子载波。
实施例4
如图3所示，本发明实施例提供的双向放大转发中继的D2D通信资源分配系统通过逐步分解的方法进行资源分配，包括：
传统蜂窝用户最优发射功率表达式获取模块1，用于在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；
小区内D2D用户最优发射功率获取模块2，用于通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；
子载波分配与子载波成对优化模块3，用于通过匈牙利算法给出子载波分配与子载波成对问题的最优解。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
二、应用实施例：
应用例1
本发明应用实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意各个方法实施例中的步骤。
应用例2
本发明应用实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
应用例3
本发明应用实施例还提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤，所述信息数据处理终端不限于手机、电脑、交换机。
应用例4
本发明应用实施例还提供了一种服务器，所述服务器用于实现于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如上述各方法实施例中的步骤。
应用例5
本发明应用实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在电子设备上运行时，使得电子设备执行时可实现上述各个方法实施例中的步骤。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质至少可以包括：能够将计算机程序代码携带到拍照装置/终端设备的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质。例如U盘、移动硬盘、磁碟或者光盘等。
三、实施例相关效果的证据：
为了测试所提资源分配机制的性能，本发明基于MATLAB平台进行了验证。信道系数均服从瑞利分布，设置了两种场景。
场景1：一个传统用户、一对D2D用户，8个子载波。
场景2：两个传统用户、两对D2D用户、16个子载波。在传统机制中，基站接收小区内某一用户的信息，然后解码转发给小区内的另一用户。
图4表示等权重下系统和速率与用户功率约束的关系，传统用户与小区内D2D用户的权重均为1,基站功率约束为10dB。图5表示不等权重下系统和速率与用户功率约束的关系，传统用户的权重为1，小区内D2D用户的权重均为1.25。在图4中，8个子载波时，当用户功率约束是25dB时，联合资源分配方案的系统和速率比传统机制提高了18.3％，比无子载波成对机制提高了10.2％，比等功率机制提高了3.9％；16个子载波时，联合资源分配方案的系统和速率比传统机制提高了15.3％，比无子载波成对机制提高了11.9％，比等功率机制提高了2.6％。
在图5中，8个子载波时，当用户功率约束是25dB时，联合资源分配方案的系统和速率比传统机制提高了25.9％，比无子载波成对机制提高了9.9％，比等功率机制提高了5.1％；16个子载波时，联合资源分配方案的系统和速率比传统机制提高了25.1％，比无子载波成对机制提高了12.6％，比等功率机制提高了3.1％。从以上两图可以看出联合资源分配机制具有最大的系统和速率，其性能由于等功率分配机制、无子载波成对机制，以及传统机制。此外还可以看出，用户功率约束比较低时，4种方案的性能差距不大；用户约束功率比较高时，联合资源分配方案具有更大的优势。子载波分配概率如图6所示，在低功率约束区域，传统用户获得了较多的子载波；在高功率约束区域，小区内D2D用户获得了较多的子载波。总之，联合资源分配机制具有最高的系统和速率。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1，在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；
S2，通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；
S3，通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解，基于步骤S1、步骤S2获取的最优发射功率与步骤S3获取的最优子载波分配与子载波成对，基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信，使小区内传统用户与D2D用户的和速率最大化；
将步骤S2中小区内D2D用户的最优发射功率问题表述成广义线性分式规划，包括以下步骤：
对于s∈Γ，若ρs,i,j＝1，问题为
问题属于非凸优化问题，根据广义线性分式规划，将最大化问题表示为最小化问题
s.t.x∈D；
其中，D属于Rn且满足功率约束，f1，f2，g1与g2是仿射函数，x＝(ps,i,ps',i)；
f1(ps,i,ps',i)＝(ps,j|hs',j|2+us,i,j)N0；
g1(ps,i,ps',i)＝ps,i|hs,i|2ps,j|hs',j|2+(ps,j|hs',j|2+us,i,j)N0；
f2(ps,i,ps',i)＝(ps,j|hs,j|2+us,i,j)N0；
g2(ps,i,ps',i)＝ps',i|hs',i|2ps,j|hs,j|2+(ps,j|hs,j|2+us,i,j)N0；
该问题表示成广义线性分式规划的形式，得出小区内D2D用户的最优发射功率问题的等价形式；
在步骤S2中通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率包括以下步骤：
步骤1：间隔I0＝[a0,b0]，然后计算端点的下界/>u0与v0代表得到的解；定义下界为h0:＝h(I0)＝min{h(a0),h(b0)}，上界为q0:＝min{f(u0),f(v0)}，可行解为x0，f(x0)＝q0，集合χ0:＝{I0}；
步骤2：如果qn≤hn，xn是最优解；否则，定义另外两个子集与其中τn与ηn满足/>τn代表区间In的顶点；
步骤3：计算与/>zn+1代表在计算计算/>过程中的最优可行解，qn+1:＝min{qn,f(zn+1)}；xn+1代表满足qn+1＝f(xn+1)的可行解，其集合为/>因此可行集为χn+1:＝{I∈τn:h(I)≤qn+1}；
步骤4：选择In+1∈χn+1使其满足hn+1:＝min{h(I),I∈χn+1}，n＝n+1，然后转至步骤2；
在步骤S3中通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解包括：
经过小区内D2D用户的最优发射功率求解后问题为：
矩阵ρ分解为矩阵u＝[uij]N×N与子载波分配与子载波成对问题变换为
对于固定的(i,j)，上述问题通过以下方式解决：
其中最后问题表示为
对于属于二维整数规划问题，利用匈牙利算法求解；由此得到子载波分配与子载波成对的最优解
2.根据权利要求1所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，基站作为双向放大转发中继的D2D通信中继节点，对于传统用户s∈Ψk，速率表示为：
对于小区内D2D通信用户，s，s'∈Γk，速率表示为：
uk,s,i,j＝1+pk,s,i|hk,s,i|2+pk,s',i|hk,s',i|2；
上式中，Ψk表示传统蜂窝用户集的集合，该集合中元素的个数为|Ψk|＝Kk，其中k∈{1,2,...,G}，G代表小区个数；Γk代表与同一小区中的用户交换信息的小区内用户的集合，该集合中元素的个数为|Γk|＝Mk；小区中能用的无线电频谱资源被划分为N个正交的子载波；在小区k中，hk,s,i与hk,s,j分别代表用户s∈Ψk∪Γk上行链路和下行链路通信的子载波增益；pk,s,i代表蜂窝用户s在上行链路子载波i上的发射功率，pk,s,j代表基站在下行子载波j上的发射功率；N0表示加性高斯白噪声功率；如果上行链路子载波i与下行链路子载波j成对，并且该子载波对被分配给小区k中的用户s，则选择路径path(i,j,s,k)，并定义指示函数为：
3.根据权利要求1所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，在基站发射功率固定时，传统用户的速率仅取决于对应基站的信道增益，省略小区指示符k，用户端的资源分配问题表示为：
上式max代表最大化系统加权和速率，其中ws为小区中用户s的权重；
任一上行子载波只能分配给一个用户：
任一下行子载波只能分配给一个用户：
用户在每一子载波上的发射功率约束：
所有子载波上的总功率约束：
以及
4.根据权利要求1所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，获取传统用户的最优发射功率包括：
对于s∈Ψ，若ρs,i,j＝1，问题为
该问题是一个凸问题，传统用户的功率最优解是
5.一种实现如权利要求1-4任意一项所述双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法的系统，其特征在于，该双向放大转发中继的D2D通信资源分配系统通过逐步分解的方法进行资源分配，包括：
传统蜂窝用户最优发射功率表达式获取模块(1)，用于在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；
小区内D2D用户最优发射功率获取模块(2)，用于通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；
子载波分配与子载波成对优化模块(3)，用于通过匈牙利算法给出子载波分配与子载波成对问题的最优解。
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