一种单蜂窝下D2D通信的能耗优化方法与流程

本发明属于无线通信领域，涉及一种单蜂窝下D2D通信的能耗优化方法。

背景技术：

D2D（终端直通 DEVICE TO DEVICE）通信作为下一代无线通信的关键技术之一，能够提供更高的传输速率，增大系统吞吐量，提高频谱利用效率，减轻蜂窝基站负担，增强系统稳定性等优点。

D2D通信的能耗问题和D2D的资源分配问题密切相关，不同分配下的能量损耗相差甚远。基于距离的资源分配策略为资源分配提供了一套分配准则，可以满足蜂窝用户和D2D用户的传输需求，但是会造成较大的能量浪费。如果采用单纯的最大功率传输策略，也能满足蜂窝用户和D2D用户的传输需求，同样也会造成较大的能量浪费。

在单蜂窝系统中，蜂窝内部的干扰主要来源于蜂窝内共存的其他同频终端设备的通信，所以干扰必须被尽可能的优化才能提高系统的性能。而最大功率传输策略虽然可以满足各个用户完成数据传输，但是同频干扰并没有考虑，从而引起较大的干扰，造成能量浪费。而基于距离的资源分配方案提供的一套资源分配策略并不是最优的资源分配，最终得到的能量损耗肯定也不是最优的。

在D2D资源分配中必然存在着一个最优资源分配，这个分配可以在控制同频干扰的前提下，使的系统的能耗最优化。而在终端设备的能量损耗中，发送能量是重要的一部分。考虑香农定理，随着传输速率的线性增加，发送功率是呈指数增长。对于一个给定的速率需求，随着传输速率的增加，需要的传输时间会变小，但是传输的能量损耗仍然会增加，所以为了减小能量损耗，需要减小传输速率。但是，随着传输速率的减小，需要的传输时间会变长，电路的能量损耗会增加。因此，在这两者之间存在着一个有益的平衡，这个平衡可以保证在各个设备在成功通信前提下，使系统的总能量损耗最小化。

技术实现要素：

为了解决上述两个问题，本发明的目的在于提供一种单蜂窝下D2D通信的能耗优化方法，首先求出不同链路的能耗值，找到传输速率和单链路能量损耗之间的有益平衡，该平衡可以保证在单链路中各设备成功通信的前提下，使单链路能耗最小化。

本发明一种单蜂窝下D2D通信的能耗优化方法，包括如下步骤：

步骤1、D2D通信系统中，与基站通信的终端称为蜂窝终端CUE，通过D2D技术直接与其他终端通信的终端，称为D2D终端，假设在系统中存在着个数少于蜂窝链路数量的D2D传输链路，CUE和D2D终端随机存在于蜂窝中的任意位置，D2D传输链路共享蜂窝链路的上行频谱资源，且每条D2D传输链路最多只共享一条蜂窝链路的上行频谱资源，CUE都是通过TDMA的方式向基站发送数据，由于D2D传输链路少于蜂窝链路数，必然有一部分蜂窝链路有D2D传输链路配对，而另一部分蜂窝链路没有D2D传输链路配对；

步骤2、用二分图描述单蜂窝中的资源分配，即个蜂窝链路和个D2D传输链路做最优匹配，进一步，构建拓展的二分图，在D2D链路集合中添加个虚拟的D2D传输链路，即条蜂窝链路和条D2D传输链路，该条D2D传输链路包括条真实的D2D传输链路和 条虚拟的D2D传输链路；假定为第条蜂窝上行链路和第条D2D 传输链路配对时第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路的总能耗，其中，当第条D2D传输链路是真实的D2D传输链路时

其中为第条蜂窝上行传输链路的发送功率，即

为第条D2D链路的发送功率,即

其中,为第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路配对的时间，是功率放大器的能量转换效率、是电路功率、是空闲功率、w是信道带宽,为第个蜂窝用户发送数据的速率要求, 为第条D2D传输链路数据发送方发送数据的速率要求，为系统高斯白噪声的平均功率，为第条D2D传输链路数据发送方到数据接收方的信道增益，是第个蜂窝用户到基站的信道增益，为第条D2D传输链路数据发送方到基站的信道增益，为第个蜂窝用户到第条D2D传输链路数据接收方的信道增益；

当第条D2D传输链路不是真实的D2D传输链路时

其中每条链路的最优时间为通过搜索得到的使值最小的时间；

步骤3、采用矩阵来表示此拓展的二分图，其元素表示第个蜂窝上行链路和第个D2D传输链路共享资源时的最优总能耗，

定义的矩阵，其元素，表示各条链路的最优时间；

用的0-1矩阵表示此系统下的最优分配，其元素表示第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路配对，反之，表示第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路不配对，则系统的总能耗表示为:

这里的最优矩阵可以通过匈牙利算法求得；

步骤4、当通过步骤3找到最优分配时，由于每条链路的时间都是最优的，但是还不能保证归一化的时间和不大于1，如果总时间大于1，必然存在一部分用户不能完成数据传输的任务，当存在此种情况，必须通过减少某条链路的通信时间以满足各个用户的数据传输要求，本着系统能耗最优化的原则，当出现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的链路，通过减少这些链路的数据传输时间来减少系统总时间。

所述的步骤4具体如下：

步骤41、输入系统各通信链路参数：第个蜂窝用户发送数据的速率要求，第条D2D传输链路数据发送方发送数据的速率要求，第条D2D传输链路数据发送方到数据接收方的信道增益 ，第个蜂窝用户到基站的信道增益，第条D2D传输链路数据发送方到基站的信道增益，第个蜂窝用户到第条D2D传输链路数据接收方的信道增益，系统高斯白噪声的平均功率，功率放大器的能量转换效率、电路功率、空闲功率，系统带宽w，蜂窝用户数n，D2D传输链路数m，时间步长 ；

步骤42、求出最优权重矩阵和对应的时间矩阵，最优权重矩阵为步骤3中的二维矩阵，对应的时间矩阵是矩阵中每条链路对应的最优时间组成的矩阵，即矩阵；

步骤43、根据匈牙利算法求出最优分配和系统最优总能耗,最优分配矩阵即0-1矩阵；

步骤44、判断各蜂窝链路最优时间之和是否大于1，若是，进入步骤45，若不是，则步骤43求得的最优分配满足各个设备通信的条件，输出此时的最优分配，此时的分配就是能使系统能耗最优化的分配；

步骤45、在所有链路中寻找减少相同时间，能耗增加幅度最少的链路，即计算，其中表示寻找得到的链路的行，表示此链路的列，更新矩阵和矩阵，即令，；

步骤46、采用匈牙利算法对更新后的矩阵求解，求出此时的最优分配和此时的系统最优总能耗，返回步骤44。

本发明提出了一种基于二分图最优匹配的D2D用户资源分配策略，在不超过系统容量的前提下，选择合适的时间，选择合适的蜂窝链路与D2D传输链路配对，使得系统能耗最优化。通过实验表明，基于匈牙利算法的最优分配策略相比最大功率传输而言，能量损耗能减少40%，并且随着用户数的增加，节能更加明显；更进一步，最优分配策略和一些常见的基于距离的分配策略如最近分配、最远分配、随机分配相比，能耗也是各种分配策略中最低的，可以代替传统的最大功率传输方案和基于距离进行资源分配的方案。

附图说明

图1为一个基站服务于周围的终端设备的系统场景示意图；

图2为本发明中蜂窝网络D2D资源分配的二分图；

图3为本发明中蜂窝网络D2D资源分配拓展的二分图；

图4为本发明的流程示意图。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

如图1所示，一个基站服务于周围的终端设备，其中，终端分两类，一类是与基站通信的终端，即蜂窝终端CUE，另一类是通过D2D技术直接与其他终端通信的终端，即D2D终端。系统的带宽分配给所有的蜂窝终端（CUE），假设在系统中存在着个数少于蜂窝链路数量的D2D传输链路，蜂窝终端和D2D终端随机存在于蜂窝中的任意位置，D2D传输链路共享蜂窝链路的上行频谱资源，且每条D2D传输链路最多只共享一条蜂窝链路的上行频谱资源，蜂窝终端都是通过TDMA的方式向基站发送数据，由于D2D传输链路数目少于蜂窝链路数目，必然有一部分蜂窝链路有D2D传输链路配对，而另一部分蜂窝链路没有D2D传输链路配对。

由于单蜂窝的频谱资源共享仅存在于蜂窝链路和D2D传输链路之间，那么单蜂窝中的资源分配可以用二分图描述，即个蜂窝链路和个D2D传输链路做最优匹配，如图2所示，在D2D链路集合中添加个虚拟的D2D传输链路，如图3所示，即个蜂窝链路和个D2D传输链路，该个D2D传输链路包括个真实的D2D传输链路和个虚拟的D2D传输链路；

假定为第条蜂窝上行传输链路和第条D2D 传输链路配对时第条蜂窝上行传输链路和第条D2D传输链路的总能耗，其中，当第条D2D传输链路是真实的D2D传输链路时

其中为第条蜂窝上行传输链路的发送功率，即

为第条D2D链路的发送功率,即

其中,为第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路配对的时间，是功率放大器的能量转换效率、是电路功率、是空闲功率、w是信道带宽,为第个蜂窝用户发送数据的速率要求, 为第条D2D传输链路数据发送方发送数据的速率要求，为系统高斯白噪声的平均功率，为第条D2D传输链路数据发送方到数据接收方的信道增益，是第个蜂窝用户到基站的信道增益，为第条D2D传输链路数据发送方到基站的信道增益，为第个蜂窝用户到第条D2D传输链路数据接收方的信道增益；

当第条D2D传输链路不是真实的D2D传输链路时

其中每条链路的最优时间为通过搜索得到的使值最小的时间；

采用矩阵来表示此拓展的二分图，其中中的各个元素分别表示各条链路的最优总能耗，即元素表示第个蜂窝上行链路和第个D2D传输链路共享资源时的最优总能耗，有：

定义的矩阵，其元素，表示各条链路的最优时间；

用的0-1矩阵表示此系统下的最优分配，其元素表示第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路配对，反之，表示第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路不配对，则系统的总能耗表示为:

这里的最优矩阵可以通过匈牙利算法求得；

当找到最优分配时，由于每条链路的时间都是最优的，但是还不能保证归一化的时间和不大于1，如果总时间大于1，必然存在一部分用户不能完成数据传输的任务，当存在此种情况，必须通过减少某条链路的通信时间以满足各个用户的数据传输要求；本着系统能耗最优化的原则，当出现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的链路，通过减少这些链路的数据传输时间来减少系统总时间。

本发明一种单蜂窝下D2D通信的能耗优化方法，包括如下步骤：

步骤1、D2D通信系统中，与基站通信的终端称为蜂窝终端CUE，通过D2D技术直接与其他终端通信的终端，称为D2D终端，假设在系统中存在着个数少于蜂窝链路数量的D2D传输链路，CUE和D2D终端随机存在于蜂窝中的任意位置，D2D传输链路共享蜂窝链路的上行频谱资源，且每条D2D传输链路最多只共享一条蜂窝链路的上行频谱资源，CUE都是通过TDMA的方式向基站发送数据，由于D2D传输链路少于蜂窝链路数，必然有一部分蜂窝链路有D2D传输链路配对，而另一部分蜂窝链路没有D2D传输链路配对；

步骤2、用二分图描述单蜂窝中的资源分配，即个蜂窝链路和个D2D传输链路做最优匹配，进一步，构建拓展的二分图，在D2D链路集合中添加个虚拟的D2D传输链路，即条蜂窝链路和条D2D传输链路，该条D2D传输链路包括条真实的D2D传输链路和 条虚拟的D2D传输链路；假定为第条蜂窝上行链路和第条D2D 传输链路配对时第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路的总能耗，其中，当第条D2D传输链路是真实的D2D传输链路时

其中为第条蜂窝上行传输链路的发送功率，即

为第条D2D链路的发送功率,即

其中,为第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路配对的时间，是功率放大器的能量转换效率、是电路功率、是空闲功率、w是信道带宽,为第个蜂窝用户发送数据的速率要求, 为第条D2D传输链路数据发送方发送数据的速率要求，为系统高斯白噪声的平均功率，为第条D2D传输链路数据发送方到数据接收方的信道增益，是第个蜂窝用户到基站的信道增益，为第条D2D传输链路数据发送方到基站的信道增益，为第个蜂窝用户到第条D2D传输链路数据接收方的信道增益；

当第条D2D传输链路不是真实的D2D传输链路时

其中每条链路的最优时间为通过搜索得到的使值最小的时间；

步骤3、采用矩阵来表示此拓展的二分图，其元素表示第个蜂窝上行链路和第个D2D传输链路共享资源时的最优总能耗，

定义的矩阵，其元素，表示各条链路的最优时间；

用的0-1矩阵表示此系统下的最优分配，其元素表示第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路配对，反之，表示第条蜂窝上行链路和第条D2D传输链路不配对，则系统的总能耗表示为:

这里的最优矩阵可以通过匈牙利算法求得；

步骤4、如图4所示，当通过步骤3找到最优分配时，由于每条链路的时间都是最优的，但是还不能保证归一化的时间和不大于1，如果总时间大于1，必然存在一部分用户不能完成数据传输的任务，当存在此种情况，必须通过减少某条链路的通信时间以满足各个用户的数据传输要求，本着系统能耗最优化的原则，当出现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的链路，通过减少这些链路的数据传输时间来减少系统总时间,具体包括如下步骤：

步骤41、输入系统各通信链路参数：第个蜂窝用户发送数据的速率要求，第条D2D传输链路数据发送方发送数据的速率要求，第条D2D传输链路数据发送方到数据接收方的信道增益 ，第个蜂窝用户到基站的信道增益，第条D2D传输链路数据发送方到基站的信道增益，第个蜂窝用户到第条D2D传输链路数据接收方的信道增益，系统高斯白噪声的平均功率，功率放大器的能量转换效率、电路功率、空闲功率，系统带宽w，蜂窝用户数n，D2D传输链路数m，时间步长 ；

步骤42、求出最优权重矩阵和对应的时间矩阵，最优权重矩阵为步骤3中的二维矩阵，对应的时间矩阵是矩阵中每条链路对应的最优时间组成的矩阵，即矩阵；

步骤43、根据匈牙利算法求出最优分配和系统最优总能耗,最优分配矩阵即0-1矩阵；

步骤44、判断各蜂窝链路最优时间之和是否大于1，若是，进入步骤45，若不是，则步骤43求得的最优分配满足各个设备通信的条件，输出此时的最优分配，此时的分配就是能使系统能耗最优化的分配；

步骤45、在所有链路中寻找减少相同时间，能耗增加幅度最少的链路，即计算，其中表示寻找得到的链路的行，表示此链路的列，更新矩阵和矩阵，即令，；

步骤46、采用匈牙利算法对更新后的矩阵求解，求出此时的最优分配和此时的系统最优总能耗，返回步骤44。

以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。