一种基于全双工双向中继D2D网络的能量效率优化方法与流程

本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及一种基于全双工双向中继D2D网络的能量效率优化方法。

背景技术：

随着智能移动设备数量的指数式上升以及移动通信方式的多样性需求，移动通信的能耗呈现爆炸式增长，因此衡量无线通信系统可持续运行能力的能量效率成为了当前国内外学界和工业界的焦点问题。

D2D(Device-to-Device，终端直通)是移动通信中两个近距离的终端共享基站的频带直接进行通信而不需要基站转发信号的新技术。它不但可以提高蜂窝通信系统的频谱利用率、吞吐量，还可以降低终端的传输功率，从而提高系统的能量效率。

作为提高能量效率的传统通信方式，双向中继通信已经被广泛应用到了移动通信网络中。现有的研究也表明双向中继与D2D的结合可以带来显著的能量效率增益。但是目前现有的通信方法大都工作在半双工模式下，很少有人考虑更加高效的全双工模式。全双工通信允许收发机同时同频的发送与接收信号，是下一代通信系统中的关键技术。随着自干扰消除技术的发展，人们逐渐意识到全双工技术可以实现。因此，在适当的自干扰消除技术下，全双工双向中继辅助的D2D通信将进一步提高移动通信系统的能量效率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于全双工双向中继D2D网络的能量效率优化方法，该方法利用两层交替迭代的功率分配模型调节传输功率和放大增益，有效降低了各用户之间的干扰以及全双工带来的自干扰，从而在保证最低频谱效率限制条件下最大化能量效率，实现全双工的通信方式。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种基于全双工双向中继D2D网络的能量效率优化方法，包括如下步骤：

1)建立全双工双向中继辅助的D2D网络的能量效率最优化问题；

2)在蜂窝链路中，求出能够使链路能量效率最大化的蜂窝用户CUE(cellularuserequipment，蜂窝用户)的最优传输功率；

3)在全双工双向中继辅助的D2D链路中，求出能够使链路能量效率最大化的全双工D2D用户SUE(sourceuserequipment，源用户)和DUE(destinationuserequipment，目标用户)的最优传输功率；

4)在全双工双向中继辅助的D2D链路中，求出能够使链路能量效率最大化的全双工双 向中继用户RUE(relayuserequipment，中继用户)的最优放大增益；

5)交替迭代步骤3)与步骤4)中所得到的最优解，联合求得全双工D2D用户的最优传输功率和全双工双向中继用户的最优放大增益；

6)再次交替迭代步骤2)与步骤5)的最优解，从而联合求得蜂窝用户、全双工D2D用户的最优传输功率值以及全双工双向中继用户的最优放大增益。

通过上述步骤，结合频谱效率最低要求、最大允许传输功率以及最大允许放大增益，利用两层交替迭代的功率分配模型调节用户的传输功率和放大增益，从而在保证最低频谱效率限制条件下最大化系统能量效率。

步骤1)中，在蜂窝网中，全双工双向中继辅助的D2D通信系统由上行蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路组成，两条链路复用相同频带和相同时间，上行蜂窝链路包括半双工的蜂窝用户和基站；全双工双向的中继辅助的D2D链路包括一对全双工的D2D用户(SUE和DUE)和一个全双工双向的中继用户RUE；可以扩展到多用户、多小区等更加复杂的网络环境，整个系统中的用户同时同频的传输信号，为了有效隔离自干扰以降低对性能的影响，所有全双工用户都分别装有一根发射天线和一根接收天线；

在时隙t，全双工的D2D用户SUE和DUE分别向全双工双向中继用户RUE发送信号x_s(t)、x_d(t)，则全双工双向中继用户RUE接收到的信号表示为：

式中：P_u是蜂窝用户CUE的传输功率，P_s是全双工D2D用户SUE的传输功率，P_d是全双工D2D用户DUE的传输功率；x_u(t)是蜂窝用户CUE的发射信号，x_s(t)是全双工D2D用户SUE的发射信号，x_d(t)是全双工D2D用户DUE的发射信号，他们的均值为0、方差归一化为1；

r(t)是全双工双向中继用户RUE的发射信号，ρ_r和h_rr分别是全双工双向中继RUE的自干扰功率和自干扰信道系数；h_sr、h_rd和h_ur分别是全双工双向中继用户RUE到全双工D2D用户SUE、DUE和蜂窝用户CUE的信道系数；N_r(t)是均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声，所有信道都设为准静态的瑞利快衰落信道并且在同一时隙内保持不变；

在时隙t，全双工双向中继用户RUE转发上一时隙t-1从全双工D2D用户SUE和DUE接收到的信号，即r(t)＝y_r(t-1)，每个用户都知道自己上一时刻发出的信号，则全双工D2D用户SUE和DUE接收到的信号分别表示为：

式中，h_us和h_ud分别是蜂窝用户到全双工D2D用户SUE和DUE的信道系数；β是全双工双向中继用户RUE的放大增益，它满足限制条件是全双工双向中继用户RUE的放大增益最大允许值，其中P_rmax是全双工双向中继用户的最大传输功率；ρ_s和ρ_d分别是全双工D2D用户SUE和DUE的自干扰功率；h_ss和h_dd分别是全双工D2D用户SUE和DUE的自干扰信道；N_s(t)和N_d(t)是均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声；

同时，蜂窝链路的传输也会遭受到全双工D2D用户SUE、DUE和全双工双向中继用户RUE的干扰，因此，在时隙t，基站接收的信号为：

式中，h_ub，h_sb，h_db和h_rb分别是基站到蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE、DUE和全双工双向中继用户RUE的信道系数；N_b(t)是均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声；

用户i和j之间的信道增益表示为：

G_ij＝|h_ij|² (5)

h_ij是均值为0、方差为：

${\mathrm{\σ}}_{ij}=d_{ij}^{-v}---\left(6\right)$

式中：d_ij是用户i和j之间的标准距离，v是路损指数；

的复高斯随机变量。

根据以上分析，可以得出蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE和DUE的信息传输速率 分别为：

式中，W为带宽，

蜂窝链路与全双工双向中继辅助的D2D链路的频谱效率分别定义为：

则系统的总频谱效率为：

蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路的频谱效率分别定义为：

式中，P_d,total＝ξP_s+ξP_d+β(P_sG_sr+P_dG_rd+ρ_rG_rr+P_uG_ur+σ²)+3P_DC+3P_c和P_u,total＝ξP_u+P_c分别是全双工双向中继辅助的D2D链路和蜂窝链路的总功率消耗。1/ξ是功率放大系数；P_c是静态功耗；P_DC是自干扰消除所产生的功耗。

因此，系统的总能量效率为：

优化问题建立为：

式中，η_EE是系统总能量效率；η_u,SE和η_d,SE分别是蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路的频谱效率；和分别是蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路的最低频谱效率需求；P_u、P_s和P_d分别是蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率；β是全双工双向中继用户RUE的放大增益；P_u,max、P_s,max和P_d,max分别是蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE和DUE的最大允许传输功率；是全双工双向中继用户RUE的最大放大增益，由RUE的最大传输功率决定；

由于该优化问题是非凸的，不能用一般的凸优化方法来解决，因此我们把联合优化问题分解成蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路两个能量效率子优化问题；

步骤2)中，在蜂窝链路中，固定全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率以及全双工双向中继用户RUE的放大增益，优化蜂窝用户CUE的传输功率，建立子优化问题1：

式中，η_u,EE是蜂窝链路的能量效率；

此子优化问题1是一般的单变量凸优化问题，利用数值方法，即可解此子优化问题，从而求得能够使蜂窝链路能量效率最大化的蜂窝用户CUE的最优传输功率；

步骤3)中，在全双工双向中继辅助的D2D链路中，固定蜂窝用户CUE的传输功率，优化全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率以及全双工双向中继用户RUE的放大增益，建立子优化问题2：

式中，η_d,EE是全双工双向中继辅助的D2D链路的能量效率；

子优化问题2依然是一个非凸优化问题，因此我们把子优化问题2再分解成D2D用户和全双工双向中继用户两个能量效率子优化问题来求解，首先固定全双工双向中继用户RUE的放大增益，然后优化全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率，子优化问题2-1建立为：

此两变量子优化问题2-1也是一个非凸优化问题，首先使用分式规划技术把此非凸优化问题转化为凸优化问题，然后再利用拉格朗日乘子法求得能够使全双工双向中继辅助的D2D链路的能量效率最大化的全双工D2D用户SUE和DUE的最优传输功率；

步骤4)中，在全双工双向中继辅助的D2D链路的子优化问题2中，固定全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率，优化全双工双向中继用户RUE的放大增益，建立子优化问题2-2：

此子优化问题2-2是一般的单变量凸优化问题，利用数值方法，来解此子优化问题，从而求得能够使全双工双向中继辅助的D2D链路的能量效率最大化的全双工双向中继用户RUE的最优放大增益；

步骤5)中，交替迭代步骤3)与步骤4)中分别利用拉格朗日乘子法和二分法所得到的子优化问题2-1和2-2的最优解，直到全双工双向中继辅助的D2D链路的能量效率最大值收敛，从而联合求得全双工D2D用户SUE、DUE的最优传输功率和全双工双向中继用户RUE的最优放大增益；

步骤6)中，再次交替迭代步骤2)与步骤5)中蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路的子优化问题最优解，直到整个系统的能量效率最大值收敛，从而联合求得蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE和DUE的最优传输功率值P_u^*、P_s^*和P_d^*以及全双工双向中继用户RUE的最优放大增益β^*以最大化系统能量效率。

有益效果

通过两层交替迭代优化方法，本发明能够动态的调节用户传输功率和放大增益以有效降低各用户间干扰和自干扰的影响，在保证最低频谱效率的同时最大化系统能量效率。此外，该方法还可以扩展到多小区、多用户等更加复杂的干扰环境。

附图说明

图1为本发明所述方法的操作流程图；

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明，但不是对本发明的限定。

实施例

如图1所示，

一种基于全双工双向中继D2D网络的能量效率优化方法，包括如下步骤：

1)建立全双工双向中继辅助的D2D网络的能量效率最优化问题；

2)在蜂窝链路中，求出能够使链路能量效率最大化的蜂窝用户CUE(cellularuserequipment，蜂窝用户)的最优传输功率；

3)在全双工双向中继辅助的D2D链路中，求出能够使链路能量效率最大化的全双工D2D用户SUE(sourceuserequipment，源用户)和DUE(destinationuserequipment，目标用户)的最优传输功率；

4)在全双工双向中继辅助的D2D链路中，求出能够使链路能量效率最大化的全双工双向中继用户RUE(relayuserequipment，中继用户)的最优放大增益；

5)交替迭代步骤3)与步骤4)中所得到的最优解，联合求得全双工D2D用户的最优传输功率和全双工双向中继用户的最优放大增益；

6)再次交替迭代步骤2)与步骤5)的最优解，从而联合求得蜂窝用户、全双工D2D用户的最优传输功率值以及全双工双向中继用户的最优放大增益。

通过上述步骤，结合频谱效率最低要求、最大允许传输功率以及最大允许放大增益，利用两层交替迭代的功率分配模型调节用户的传输功率和放大增益，从而在保证最低频谱效率限制条件下最大化系统能量效率。

步骤1)中，在蜂窝网中，全双工双向中继辅助的D2D通信系统由上行蜂窝链路和全双 工双向中继辅助的D2D链路组成，两条链路复用相同频带和相同时间，上行蜂窝链路包括半双工的蜂窝用户和基站；全双工双向的中继辅助的D2D链路包括一对全双工的D2D用户(SUE和DUE)和一个全双工双向的中继用户RUE；可以扩展到多用户、多小区等更加复杂的网络环境，整个系统中的用户同时同频的传输信号，为了有效隔离自干扰以降低对性能的影响，所有全双工用户都分别装有一根发射天线和一根接收天线；

在时隙t，全双工的D2D用户SUE和DUE分别向全双工双向中继用户RUE发送信号x_s(t)、x_d(t)，则全双工双向中继用户RUE接收到的信号表示为：

式中：P_u是蜂窝用户CUE的传输功率，P_s是全双工D2D用户SUE的传输功率，P_d是全双工D2D用户DUE的传输功率；x_u(t)是蜂窝用户CUE的发射信号，x_s(t)是全双工D2D用户SUE的发射信号，x_d(t)是全双工D2D用户DUE的发射信号，他们的均值为0、方差归一化为1；

r(t)是全双工双向中继用户RUE的发射信号，ρ_r和h_rr分别是全双工双向中继RUE的自干扰功率和自干扰信道系数；h_sr、h_rd和h_ur分别是全双工双向中继用户RUE到全双工D2D用户SUE、DUE和蜂窝用户CUE的信道系数；N_r(t)是均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声，所有信道都设为准静态的瑞利快衰落信道并且在同一时隙内保持不变；

在时隙t，全双工双向中继用户RUE转发上一时隙t-1从全双工D2D用户SUE和DUE接收到的信号，即r(t)＝y_r(t-1)，每个用户都知道自己上一时刻发出的信号，则全双工D2D用户SUE和DUE接收到的信号分别表示为：

式中，h_us和h_ud分别是蜂窝用户到全双工D2D用户SUE和DUE的信道系数；β是全双工双向中继用户RUE的放大增益，它满足限制条件是全双工双向中继用户RUE的放大增益最大允许值，其中P_rmax是全双工双向中继用户的最大传输功率；ρ_s和ρ_d分别是全双工D2D用户SUE和DUE的自干扰功率；h_ss和h_dd分别是全双工D2D用户SUE和DUE的自干扰信道；N_s(t)和N_d(t)是均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声；

同时，蜂窝链路的传输也会遭受到全双工D2D用户SUE、DUE和全双工双向中继用户RUE的干扰，因此，在时隙t，基站接收的信号为：

式中，h_ub，h_sb，h_db和h_rb分别是基站到蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE、DUE和全双工双向中继用户RUE的信道系数；N_b(t)是均值为0、方差为σ²的加性高斯白噪声；

用户i和j之间的信道增益表示为：

G_ij＝|h_ij|² (5)

h_ij是均值为0、方差为：

式中：d_ij是用户i和j之间的标准距离，v是路损指数；

的复高斯随机变量。

根据以上分析，可以得出蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE和DUE的信息传输速率分别为：

式中，W为带宽，

蜂窝链路与全双工双向中继辅助的D2D链路的频谱效率分别定义为：

则系统的总频谱效率为：

蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路的频谱效率分别定义为：

式中，P_d,total＝ξP_s+ξP_d+β(P_sG_sr+P_dG_rd+ρ_rG_rr+P_uG_ur+σ²)+3P_DC+3P_c和P_u,total＝ξP_u+P_c分别是全双工双向中继辅助的D2D链路和蜂窝链路的总功率消耗。1/ξ是功率放大系数；P_c是静态功耗；P_DC是自干扰消除所产生的功耗。

因此，系统的总能量效率为：

优化问题建立为：

式中，η_EE是系统总能量效率；η_u,SE和η_d,SE分别是蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路的频谱效率；和分别是蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路的最低频谱效率需求；P_u、P_s和P_d分别是蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率；β是全双工双向中继用户RUE的放大增益；P_u,max、P_s,max和P_d,max分别是蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE和DUE的最大允许传输功率；是全双工双向中继用户RUE的最大放大增益，由RUE的最大传输功率决定；

由于该优化问题是非凸的，不能用一般的凸优化方法来解决，因此我们把联合优化问题分解成蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路两个能量效率子优化问题；

步骤2)中，在蜂窝链路中，固定全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率以及全双工双向中继用户RUE的放大增益，优化蜂窝用户CUE的传输功率，建立子优化问题1：

式中，η_u,EE是蜂窝链路的能量效率；

此子优化问题1是一般的单变量凸优化问题，利用数值方法即可解此子优化问题，从而求得能够使蜂窝链路能量效率最大化的蜂窝用户CUE的最优传输功率；

步骤3)中，在全双工双向中继辅助的D2D链路中，固定蜂窝用户CUE的传输功率，优化全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率以及全双工双向中继用户RUE的放大增益，建立子优化问题2：

式中，η_d,EE是全双工双向中继辅助的D2D链路的能量效率；

子优化问题2依然是一个非凸优化问题，因此我们把子优化问题2再分解成D2D用户和全双工双向中继用户两个能量效率子优化问题来求解，首先固定全双工双向中继用户RUE的放大增益，然后优化全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率，子优化问题2-1建立为：

此两变量子优化问题2-1也是一个非凸优化问题，首先使用分式规划技术把此非凸优化问题转化为凸优化问题，然后再利用拉格朗日乘子法求得能够使全双工双向中继辅助的D2D链路的能量效率最大化的全双工D2D用户SUE和DUE的最优传输功率；

步骤4)中，在全双工双向中继辅助的D2D链路的子优化问题2中，固定全双工D2D用户SUE和DUE的传输功率，优化全双工双向中继用户RUE的放大增益，建立子优化问题2-2：

此子优化问题2-2是一般的单变量凸优化问题，利用数值方法来解此子优化问题，从而求得能够使全双工双向中继辅助的D2D链路的能量效率最大化的全双工双向中继用户RUE的最优放大增益；

步骤5)中，交替迭代步骤3)与步骤4)中分别利用拉格朗日乘子法和二分法所得到的子优化问题2-1和2-2的最优解，直到全双工双向中继辅助的D2D链路的能量效率最大值收敛，从而联合求得全双工D2D用户SUE、DUE的最优传输功率和全双工双向中继用户RUE的最优放大增益；

步骤6)中，再次交替迭代步骤2)与步骤5)中蜂窝链路和全双工双向中继辅助的D2D链路的子优化问题最优解，直到整个系统的能量效率最大值收敛，从而联合求得蜂窝用户CUE、全双工D2D用户SUE和DUE的最优传输功率值P_u^*、P_s^*和P_d^*以及全双工双向中继用户RUE的最优放大增益β^*以最大化系统能量效率。