D2D网络中一种基于中断概率的资源分配方法与流程

本发明涉及一种资源分配方法，尤其涉及一种基于用户中断概率的信道分配和功率控制方法，属于通信技术领域。

背景技术：

随着移动宽带用户、智能手机以及互联网设备的逐年激增，移动数据流量呈现快速增长趋势。有别于过去以宏基站控制为主并以Wi-Fi接入点为辅来提供移动流量的发展模式，下一代移动网络的发展则朝着对频谱效率、网络覆盖率、节能省电、应用服务等方面进行改善，为消费者提供最佳用户体验的移动网络服务。而新一代D2D通信技术的出现正好可以满足这样的趋势和要求，通过对邻近设备的搜索与直接通信技术，能够满足消费者的各种需求。

D2D通信指终端与终端进行直接通信。当需要进行通信的双方之间的距离相对与到基站的距离小很多，那么它们可以在蜂窝基站的控制下建立直连的通信，用户的数据不需要通过基站转发，而是直接发送给接收端。相比于传统的蜂窝通信方式，D2D通信主要有以下几种增益：

1.近场增益。距离较近的D2D通信双方可以在蜂窝系统的控制下实现低发送功率的直连通信，降低用户的功耗。

2.单跳增益。与通过蜂窝基站进行两跳的数据转发不同，D2D通信仅需要一跳来完成数据传输，因此它仅需占用一条信道来实现通信，从而节约了信道资源。

3.复用增益。D2D通信的近距离特性使D2D通信可以使用较低的发送功率，因此D2D通信可以在干扰可控条件下复用蜂窝用户的无线资源，通过空间复用来提高频谱复用率。

因此，在蜂窝系统中引入D2D通信仅需要花费一定信令对D2D通信进行控制，而不需要负责双方之间的数据传输，因此减少了负载。在现有技术中，也有其他技术实现了移动终端的直连通信，又如蓝牙、Wi-Fi等。然而，蜂窝系统控制下的D2D通信同样拥有优势。首先，工作于授权频带上的D2D通信可以享受到比非授权频带更好的服务质量。其次，蜂窝系统下的D2D通信的典型设计距离至少为几十米的量级，而蓝牙和Wi-Fi的典型距离通常低很多。最后，蜂窝系统下的D2D通信受蜂窝系统的控制和保护，相比于公共频谱上的直连通信具有更高的安全性和可靠性。

蜂窝系统在分配D2D通信资源时，可分配专用的、与小区用户正交的或复用小区内用户的频谱资源。当小区负载较低，在满足小区用户通信后有剩余的频谱资源时，可分配正交频谱资源给D2D用户，二者不会相互干扰。当小区负载较高时，D2D用户复用小区用户的资源。此时共享同一资源的蜂窝用户和D2D用户会相互干扰，基站通过控制D2D通信的分配信道和发送功率来控制干扰。本发明在保障活跃蜂窝用户和D2D用户的中断概率要求、D2D用户的发送功率受限的条件下，构建了以D2D用户能效最大化为目标的优化函数。根据活跃蜂窝用户和D2D用户的中断概率，为D2D用户选择不同的通信模式(直通或利用中继进行通信)，利用匈牙利算法为各D2D用户分配合适的信道，并对D2D用户的发送功率进行优化分配。该方法具有减少用户能耗开销，提高D2D用户总能效的优点。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种基于用户中断概率的信道分配和功率控制方法，为D2D用户分配合理的信道，降低蜂窝用户与D2D用户间的干扰；并通过优化D2D用户的发送功率，节约用户能量，提高蜂窝网络中D2D通信的系统性能。

技术方案：本发明的D2D网络中基于用户中断概率的信道分配和功率控制方法，包括以下步骤：

1)分别用C_a＝{1,2,...,M}和Ω＝{1,2,...,N}表示活跃蜂窝用户集和D2D用户集，M为活跃蜂窝用户数，N为D2D对用户数，K表示系统中的空闲蜂窝用户数，且系统中的信道数也为M，定义S表示D2D用户复用蜂窝用户的信道集；

2)计算活跃蜂窝用户i(1≤i≤M)和D2D用户j(1≤j≤N)复用活跃蜂窝用户i信道的中断概率和式中P_C为活跃蜂窝用户发送功率，表示D2D用户j复用活跃蜂窝用户i信道的发送功率，g_i,B为活跃蜂窝用户i与基站间的信道增益，g_j,B表示D2D用户j与基站间的信道增益，g_j为D2D用户j的信道增益，g_i,j表示蜂窝用户i和D2D用户j之间的信道增益，η和δ分别表示活跃蜂窝用户和D2D用户的信干噪比阈值，N₀表示噪声功率；

3)根据活跃蜂窝用户i和D2D用户j的中断概率要求和若满足要求，将D2D用户j归入集合Ω₂中，将活跃蜂窝用户i归入集合S_j中，若不满足要求，为D2D用户j选择合适的中继k(1≤k≤K)，在满足要求的条件下使D2D用户中断概率最小化，将D2D用户j归入集合Ω₃中，将被用户j和中继k复用的活跃蜂窝用户i₁和i₂归入集合S_j中，若没有满足要求的中继k，此时的D2D用户j不进行通信，其中Ω₂和Ω₃分别为直接通信和利用中继通信的D2D用户集，S_j表示D2D用户j的候选活跃蜂窝用户信道集，ξ和ζ分别表示活跃蜂窝用户和D2D用户的中断概率阈值；

4)根据公式和计算D2D用户j∈Ω₂和j∈Ω₃的能效，其中，为D2D用户x复用活跃蜂窝用户y信道时的信干噪比，表示D2D用户x复用活跃蜂窝用户y信道时的发送功率，P_cir表示平均电路损耗；

5)利用匈牙利算法为各D2D用户j∈Ω₂和j∈Ω₃分配信道，使D2D用户的能效最大化；

6)初始化l_j＝0,u_j＝100j∈Ω₂orΩ₃以及差错容限ε＝10^-6；

7)根据所述步骤5)中得到的D2D用户j∈Ω₂和j∈Ω₃复用活跃蜂窝用户i的信道，对于D2D用户j∈Ω₂orΩ₃，当满足条件|u_j-l_j|＞ε时，重复执行步骤8)，当条件不满足时，执行步骤9)；

8)将t_j赋值为t_j＝(u_j+l_j)/2，基于D2D用户j的发送功率对其能效进行求导如果Δ_j＞0，l_j＝t_j，否则u_j＝t_j；

9)D2D用户j的最优发送功率P_j*＝min((l_j+u_j)/2,P_max)，其中，P_max为D2D用户的最大发送功率；

本发明优化蜂窝网络中D2D通信的信道分配和功率控制，根据活跃蜂窝用户和D2D用户的最小中断概率要求，通过构建以D2D用户能效最大化为目标的优化模型。根据D2D用户的中断概率为其选择合适的通信模式，采用匈牙利算法为D2D用户分配信道，并优化各D2D用户的发送功率，使D2D用户的能效最大化。本发明能够降低蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，减少蜂窝用户和D2D用户的能量开销，提高D2D用户能效和网络频谱利用率。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.不同于传统的D2D通信方法，本发明为D2D通信选择合适的通信模式(D2D用户直连通信或利用中断进行通信)，降低活跃蜂窝用户和D2D用户之间的干扰，提高网络系统性能。

2.本发明方法以D2D用户能效最大化为优化目标，对D2D用户的发送功率进行最优分配，与等功率分配方法相比，能量分配更加优化合理，避免蜂窝用户和D2D用户的能量浪费。

3.本发明的信道分配和功率控制方法在保障活跃蜂窝用户和D2D用户的最小中断概率条件下，可以提高一定活跃蜂窝用户数下的D2D用户能效，降低用户的功耗，从而为用户提供更好地服务。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明方法的网络模型示意图。

图3为不同资源分配方案下的D2D用户能效比较图。

图4为随着用户电路损耗增大的D2D用户能效变化图。

具体实施方法

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明的共享蜂窝系统上行链路资源的D2D通信模型如附图2所示，它由一个位于小区中心的基站，随机分布于小区的M个活跃蜂窝用户、K个空闲蜂窝用户和N对D2D用户组成，并分别用C_a＝{1,2,...,M}，C_i＝{1,2,...,K}和Ω＝{1,2,...,N}表示活跃蜂窝用户集，空闲蜂窝用户集和D2D用户集。M个活跃蜂窝用户占用M个信道进行通信，D2D用户复用已经分配给活跃窝用户的M个信道，由附图2可知，D2D用户有两种不同的通信模式，即直接通信模式(Mode2)和两跳通信模式(Mode3)，其中的两跳中继是由空闲蜂窝用户中选取产生。活跃蜂窝用户和空闲蜂窝用户的发送功率分别为常数P_C和零，定义包括N×M个变量的数组，用于存放D2D用户可能复用不同活跃蜂窝用户的发送功率，并初始化数组P_D＝O_N×K。定义S为D2D用户复用活跃蜂窝用户信道集。

对于以Mode2进行通信的D2D用户j，D2D用户j共享活跃蜂窝用户i的信道。跃蜂窝用户i向基站发送信号D2D用户j发送端的发送信号为则基站接收到蜂窝用户i的信号与D2D用户j的接收信号分别为：

其中P_C和分别是活跃蜂窝用户i的发送功率和D2D用户j复用活跃蜂窝用户i时的发送功率。g_i,B表示蜂窝用户i与基站间的信道增益，g_i,B可以表示为g_i，B=κ·d_i，B^-α·|h₀|²，式中，d_i,B是蜂窝用户i发送端到基站之间的距离，κ和α分别是信道衰落常数和信道衰落因子，h₀服从均值为0方差为1的复指数分布。同样的，可以得到D2D用户j发送端与接收端的信道增益g_j，D2D用户j与基站间的信道增益g_j,B，D2D用户j与被其复用信道的活跃蜂窝用户i之间的信道增益h_i,j。n₁和n₂分别是蜂窝用户到基站链路和D2D接收端链路上的加性高斯白噪声。不失一般性，假设所有通信链路都具有相同的噪声功率N₀。

根据和分别计算活跃蜂窝用户i(1≤i≤M)和D2D用户j(1≤j≤N)的中断概率，其中，η和δ分别为活跃蜂窝用户和D2D用户的信干噪比阈值。因此时还未对D2D用户的发送功率进行优化，故此时将赋值为

如果D2D用户j与活跃蜂窝用户i的中断概率满足条件和则将D2D用户j归入集合Ω₂，并将活跃蜂窝用户i归入集合S_j，其中Ω₂为直连通信的D2D用户集，S_j为D2D用户j的候选蜂窝用户集；如果D2D用户j不满足条件(*)，则为D2D用户j选择合适的中继k(1≤k≤K)辅助通信，如果D2D用户j和中继k都满足条件(*)，则将D2D用户j归入集合Ω₃，并将分别被D2D用户j和中断k复用的活跃蜂窝用户信道归入集合S_j，其中中继k为中断概率最小的中继用户，Ω₃表示利用中继通信的D2D用户集；如果所有的中继都不满足条件(*)，则此时的D2D用户j不进行数据传输。则D2D用户j∈Ω₂orΩ₃的能效可以表示为：

其中，x,y的取值分别为y＝2时x＝j和y＝3时x＝jork，且j,k分别表示D2D用户j和中继用户k。

本发明以最大化D2D用户能效，构建以下优化目标问题：

Subject to:

其中π_i,j是信道选择因子，π_i,j＝1表示活跃蜂窝用户i的信道被D2D用户j复用，π_i,j＝0则表示活跃蜂窝用户i的信道未被D2D用户j复用。式(5)和(6)分别表示各D2D用户只能复用一个活跃蜂窝用户信道和每个活跃蜂窝用户的信道只能被一个D2D用户复用，式(7)表示各D2D用户发送功率受限。

由约束条件可知，该优化问题可转化为二分图的最优匹配问题，且与标准的二分图匹配问题相比，多了对于D2D用户发送功率的约束。而且该优化问题是非凸的，不能用传统的方法解决。因此，将该优化问题分成两个子问题。首先，利用匈牙利算法为D2D用户分配最优信道；然后，优化D2D用户的发送功率使D2D用户能效最大化。

标准匈牙利算法是用来求解完成不同任务的花费或时间最小化问题。而本发明是最大化D2D用户的能效，因此用一充分大的数减去式(4)，将原问题转化为最小化优化问题，且该问题的最优解就是原优化问题的最优解。在利用匈牙利算法为D2D用户分配信道的过程中，由于还未对D2D用户的发送功率进行优化处理，故将D2D用户j的发送功率赋值为

利用匈牙利算法为D2D用户完合适的信道之后，原优化问题(4)可以简化为如下最优化问题：

Subject to:

在求解优化问题(8)之前，先定义一个函数其中b是一个常数。并简单分析下函数f(a,x)的性能。

基于变量x对函数f(a,x)求导：

由式(10)可知，恒大于零，故只需要基于变量x对g(a,x)求导：

由式(11)知，所以函数g(a,x)在区间x∈(0,+∞)上单调递减，求函数g(a,x)在区间端点的函数值：

故在区间(0,+∞)必定存在x₀使函数g(a,x₀)＝0。即在区间(0,x₀)，g(a,x₀)＞0，

在区间(x₀,+∞)内，g(a,x₀)＜0。则f(a,x)的导函数在区间(0,x'₀)内大于零，在区间(x'₀,+∞)内小于零；因此原函数f(a,x)在区间(0,x'₀)内单调递增，在区间(x'₀,+∞)内单调递减。说明函数f(a,x)是上凸函数，有极大值。

定义可将D2D用户j∈Ω₂orΩ₃的能效转化成函数f(a,x)的形式：

此处利用二分法即可解出D2D用户j的最优发送功率当x＝j∈Ω₂时，y＝i而当x＝j,k∈Ω₃时，y＝i₁,i₂。

本发明基于用户中断概率的资源分配方法的具体流程如附图1所示。

综上所述，本发明在考虑活跃蜂窝用户和D2D用户的中断概率要求，各D2D用户功率受限的条件下，以最大化D2D用户能效为优化目标，为D2D用户分配合适的信道进行数据传输，并优化D2D用户的发送功率。如附图3所示是本发明提出的信道分配和功率控制方法与文献[10]的资源分配方法的D2D用户能效对比图。从图中可以看出本发明方法可以获得更好的系统性能；如附图4所示是本发明提出的随着用户电路损耗增大时的D2D用户总能效，并与其他资源分配方法相比较的效果图，从图中可以看出本方法可以进一步提高D2D用户容量。