一种基于中继选择的D2D蜂窝通信系统能耗优化方法与流程

本发明涉及d2d蜂窝通信系统技术领域，具体涉及一种基于中继选择的d2d蜂窝通信系统能耗优化方法。

背景技术：

在传统蜂窝网路中，通信被分为了上行和下行两个链路，用户之间的直接通信是不被允许的，这种集中式的工作方式便于管理资源、控制干扰，但其对频谱资源的利用效率低。随着智能终端的快速普及以及网络通信容量的爆炸式增长，无线通信技术的演进需求也更加明确及迫切。

一方面，需要持续提升传统的无线通信性能指标，比如网络容量、频谱效率等，以进一步提高有限且日益紧张的无线频谱利用率；另一方面，更丰富的通信模式将带来终端用户体验的提升，蜂窝通信的应用也将被拓展。

设备到设备通信(device-to-device，d2d)具有潜在的提高系统性能、提升用户体验、扩展蜂窝通信应用的前景，受到了广泛关注。d2d通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术。蜂窝网络引入d2d通信，可以减轻基站负担，减小通信时延。与蜂窝通信相比，d2d通信仅占用一半的频谱资源。此外，距离较近的用户利用d2d通信可减小传输功率，节约能耗。同时，当相距较远或者信道条件较差的2个终端要进行直接通信时，引入中继协作传输可以有效提高d2d通信链路的吞吐量同时降低d2d链路中发射端的发射功率，从而减小d2d链路对蜂窝网络的干扰，因此，中继协作传输是降低d2d链路对蜂窝网络干扰的另外一种有效方法。

在d2d通信系统中，利用中继和非中继d2d传输模式的配合以获取更低能耗的传输方式，是学界的一大研究方向。对于d2d对的中继选择，当前多数方案都是考虑中继个数充足的情况，也就是经过中继选择后，不会出现交叠中继设备的情况。然而，现实条件是存在中继设备不足的情况，也就是中继选择后，可能会出现中继重复利用的结果，导致中继选择算法效率不高，无法达到最佳的资源分配方式。这样会增加d2d通信系统的能耗，提高了用户成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于中继选择的d2d蜂窝通信系统能耗优化方法，以实现d2d蜂窝通信系统的能耗最优化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于中继选择的d2d蜂窝通信系统能耗优化方法，其所应用的d2d蜂窝通信系统包含一组蜂窝用户和d2d用户集合，其中，d2d对与蜂窝用户为一对一的关系，即一个蜂窝用户的频谱资源只能被一对d2d用户复用，而d2d用户也只能复用一个蜂窝用户的频谱资源；同时一个中继也最多只能被一对d2d用户选择，所述能耗优化方法包括以下步骤：

步骤1、初始化生成一组d2d用户和蜂窝用户集合；

蜂窝用户表示为c＝{ci,1≤i≤n}，d2d用户表示为d＝{dj,1≤j≤m}，其中m<n；m个d2d用户和n个蜂窝用户共同组成了初始联盟区l＝{li,1≤i≤n}，其中，m个d2d用户和m个蜂窝用户组成m个联盟，n-m个蜂窝用户自成n-m个联盟；

随机选取一个蜂窝用户和一个d2d用户组成一个联盟li，令连续失败次数b＝0，同时设置连续失败次数阈值t,其中，t＞0；

步骤2、计算每个联盟内d2d用户dj直通时所需的能耗，同时选择d2d用户dj近邻区域内可用的中继，并计算d2d用户dj带中继的能耗；若dj近邻区域内有可用的p个中继，则dj直通和带中继所需的能耗组数为p+1个；

步骤3、通过ca中继选择算法，分配合适的中继；ca中继选择算法具体如下：

步骤3.1、在计算出的p+1个能耗组中，选出最低的能耗；若最低能耗的d2d用户的通信方式是直通的，则该最低能耗定为该联盟最终的能耗；否则，则进入步骤3.2；

步骤3.2、对于最低能耗组中，d2d用户的通信方式为带中继的联盟，首先，判断该中继是否被别的联盟同时选择；如果未被其他联盟同时选择，则该中继下的能耗为该d2d用户最低能耗；如果有其他同时选择了该中继，则形成了竞争联盟，进入步骤3.3；

步骤3.3、对于同时被竞争联盟选择的中继，进行退让选择：

计算联盟一组能耗中除去该联盟最低能耗之外的所有能耗和最低能耗的差值；每个竞争联盟计算出的差值最大的联盟的占用该中继，其余联盟选择次优能耗下的中继或者直通；如果次优能耗下的中继同样被别组选中，则再次进入步骤3.3；

步骤4、从n个联盟中随机选择两个联盟交换蜂窝用户，计算交换后的联盟下的d2d用户的能耗，若交换后总能耗降低，则保留组合且令b＝0；否则，令交换连续失败次数b＝b+1；

重复步骤2到4，直到b＝t时，跳出循环并且输出最终的所有d2d能耗和，该能耗和即为该d2d蜂窝通信系统的最优能耗。

采用上述方案后，本发明通过将d2d蜂窝通信系统中的d2d用户与蜂窝用户组成多个联盟，然后比较多个联盟中的d2d用户直通和带中继所需的能耗，选择最低能耗组，最低能耗组的d2d用户的通信方式是直通的或带中继的，从而实现了d2d用户的中继和非中继传输方式的切换。而在对d2d用户的通信方式为带中继时，对与重复选择的中继进行退让优化，从而达到降低d2d蜂窝通信系统的能耗，节约用户成本的目的。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示了一种基于中继选择的d2d蜂窝通信系统能耗优化方法，其所应用的d2d蜂窝通信系统包含一组蜂窝用户和d2d用户集合，其中，d2d对与蜂窝用户为一对一的关系，即一个蜂窝用户的频谱资源只能被一对d2d用户复用，而d2d用户也只能复用一个蜂窝用户的频谱资源；同时一个中继也最多只能被一对d2d用户选择。

本发明的能耗优化方法具体包括以下步骤：

步骤1、蜂窝用户表示为c＝{ci,1≤i≤n}，d2d用户表示为d＝{dj,1≤j≤m}，其中m<n。初始化生成一组d2d用户和蜂窝用户集合，m个d2d用户和n个蜂窝用户就共同组成了初始联盟区l＝{li,1≤i≤n}，其中，m个d2d用户和m个蜂窝用户组成m个联盟，n-m个蜂窝用户自成n-m个联盟。随机选取一个蜂窝用户和一个d2d用户组成一个联盟li，令连续失败次数b＝0，同时设置连续失败次数阈值t(t＞0)。

b表示连续失败次数，指的是联盟交换蜂窝用户后计算出来的能耗，与之前联盟的能耗进行比较，若交换后的能耗没有降低，则表示博弈失败。t连续失败次数阈值，表示经过t次博弈后，系统能耗无法再继续下降，此时认为是达到纳什均衡。

步骤2、计算每个联盟内d2d用户dj直通时所需的能耗，同时选择d2d用户dj近邻区域内可用的中继，并计算d2d用户dj带中继的能耗。若dj近邻区域内有可用的p个中继，则dj直通和带中继所需的能耗组数为p+1个。

步骤3、通过ca中继选择算法，分配合适的中继。ca中继选择算法具体如下：

步骤3.1、在计算出的p+1个能耗组中，选出最低的能耗；若最低能耗的d2d用户的通信方式是直通的，则该最低能耗定为该联盟最终的能耗；否则，则进入步骤3.2；

步骤3.2、对于最低能耗组中，d2d用户的通信方式不是直通的联盟，即选择了带中继的联盟，首先判断该中继是否被别的联盟同时选择；如果未被其他联盟同时选择，则该中继下的能耗为该d2d用户最低能耗；如果有其他同时选择了该中继，则形成了竞争联盟，进入步骤3.3。

步骤3.3、对于同时被竞争联盟选择的中继，进行退让选择。

由于各个竞争联盟的最低能耗都是选择了该中继后计算得出的，于是计算该联盟一组能耗中除去该联盟最低能耗之外的所有能耗和最低能耗的差值。首先，每个竞争联盟计算出的差值最大的联盟的占用该中继，其余联盟选择次优能耗下的中继或者直通；如果次优能耗下的中继同样被别组选中，则再次进入步骤3.3。

步骤4、从n个联盟随机选择两个联盟交换蜂窝用户，计算交换后的联盟下的d2d用户的能耗，交换后总能耗降低，则保留组合且令b＝0；否则令交换连续失败次数b＝b+1。

重复步骤2到4，直到b＝t时，跳出循环并且输出最终的所有d2d能耗和，该能耗和即为该d2d蜂窝通信系统的最优能耗。

本发明的关键在于，本发明通过将d2d蜂窝通信系统中的d2d用户与蜂窝用户组成多个联盟，然后比较多个联盟中的d2d用户直通和带中继所需的能耗，选择最低能耗组，最低能耗组的d2d用户的通信方式是直通的或带中继的，从而实现了d2d用户的中继和非中继传输方式的切换。而在对d2d用户的通信方式为带中继时，对与重复选择的中继进行退让优化，从而达到降低d2d蜂窝通信系统的能耗，节约用户成本的目的。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。