多信道蜂窝用户情况下的d2d功率分配快速优化算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于基于蜂窝网的D2D通信技术，具体而言是一种针对蜂窝用户占用多信 道、蜂窝用户和D2D用户在每个频带上有最大发射功率限制条件下，蜂窝用户和D2D用户功 率分配的快速优化算法。
【背景技术】
[0002] 基于蜂窝网的D2D通信即是邻近用户之间不通过基站转接，直接利用蜂窝网资源 实现通信的技术。D2D技术有望降低基站负载，提高蜂窝频谱利用率。众多研究表明，基于 蜂窝网的D2D通信能够在局部区域内提供更好、更直接的无线服务。D2D技术有着明朗的应 用前景，比如在一个大型音乐会上，举办方通过远程服务器为观众提供相关资源下载服务， 由于同一时间下载请求过多，很容易造成网络拥堵。若应用D2D技术，已经下载了资源的用 户可以通过D2D链路将资源分享给别的用户，大大减轻网络负担。
[0003] 由于D2D用户和蜂窝用户共用相同的频谱资源，D2D用户在利用蜂窝网资源的同 时，也必然会对使用相同频谱资源的蜂窝用户产生干扰，同样的，蜂窝用户也会对占用同一 频带的D2D用户产生干扰。因而D2D技术优势得以发挥的关键在于高效的资源共享方案，这 其中主要包括D2D用户和蜂窝频带的匹配，以及D2D用户和蜂窝用户发射功率的控制。优 化的功率控制算法能够有效控制D2D用户和蜂窝用户间的干扰，并提高蜂窝资源的频谱利 用率。
[0004] 在当前国内外大部分研究中，都假设同一蜂窝信道同一时刻至多只能被一个D2D 用户共享，这大大简化了问题的复杂度，但无疑也降低了 D2D系统的灵活度。在本发明中条 件中，我们假设某一蜂窝信道同时可被所有D2D用户所共用，且考虑到当前LTE系统已经大 规模部署，因此我们基于多信道蜂窝用户的情况，提出了一种求解蜂窝用户和D2D用户功 率分配的快速优化算法。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多信道蜂窝用户情 况下的D2D功率分配快速优化算法，在满足蜂窝用户Quality of Service(QoS)条件下，最 大化蜂窝网中所有D2D用户的和通信速率；本发明方法能够输出优化的蜂窝用户在每一频 带上的发射功率f和每一 D2D用户在每一蜂窝频带上的发射功率q:。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 多信道蜂窝用户情况下的D2D功率分配快速优化算法，本算法采用连续凸近似的 方法，将原强非凸问题近似为凸优化问题，近似后的目标函数优化值为原目标函数优化值 的一个下界，通过构造迭代方程以快速收敛到凸优化问题的优化解，从而得到D2D用户的 优化和通信速率。
[0008] 多信道蜂窝用户情况下的D2D功率分配快速优化算法，设蜂窝系统共有M对D2D 用户和一个蜂窝用户，该蜂窝用户占用N个蜂窝频带，所述N个蜂窝频带均可被每对D2D用 户共享；定义=P1表示蜂窝用户在蜂窝频带i上的发射功率；q i表示D2D用户在蜂窝频带i 上的发射功率向量，Qi= [q qi；!，…，qi_j，…，QiM]，Clij表示第J_对D2D用户在蜂窝频带i上 的发射功率； ai表示蜂窝用户在蜂窝频带i上到基站归一化后的信道增益；Θ u表示第j对 D2D用户在蜂窝频带i上对蜂窝用户干扰信道的信道增益；Γι]表示第j对D2D用户在蜂窝 频带i上的归一化后的信道增益；β u表示蜂窝用户在蜂窝频带i上对第j对D2D用户干 扰信道的信道增益；ξ lU表示第1对D2D用户对第j对D2D用户在蜂窝频带i上的干扰信 道的增益；P i表示蜂窝用户在蜂窝频带i上的最低通信速率；在蜂窝用户独立功率限制以 及D2D用户独立功率限制下，采用如下算法解决D2D用户通信速率优化问题：
[0009] (1)蜂窝用户占用N个蜂窝频带，通信速率为t Λ rr , , 把（/Π )二1〇g(l..+--)； 第j对D2D用户在蜂窝频带i上的通信速率为y \ + β,ρ,+ Σ 4/^ ? 二 IUj _〇] ⑵以（·）⑴表示（·）的第1次迭代结果，qf)=[<，沾),.、忒>，...，')]、 = [4ι°，4Γ，·..，4°，·.·，4];对所有 i = !，2,…，n，初始化 Aws =.〇:、qp) ;〇、if) =^i、. BW=0、广=0、拉格朗日算子入(。)=〇,给定计算精度ε "^、^、^，初始 化迭代次数t = 0、s = 0、k = 0;
[0011] (3)计算#+1)=疒(#'#)和<+1)=疗(/^，(^)，其中 ：
[0012] 1 1 % 爹观; Jd ?η^ α(?)?=·_-__
[0013] 'iiKP，，q， SIR^p^,^)^ ^ SIR^P^^^y 1 一^^ ^^ _ ι+Σ^Γ M 峰,(' 〇---
[0015] ι+ΑρΓ+ΣΜ
[0016] 其中和均为迭代函数构成的函数向量， Jf (Pik), qff)=Ua ip\k) < q!*'11 Jlk KpT ^ q!*'1 ^ q;i})] 1Aiii)为蜂窝用户在蜂窝频带i上的信噪比，为第j对D2D用户在蜂 窝频带i上的信噪比；
[0017] ⑷对所有
是否均成立：若成立，则进入步骤（5);否则令k = k+Ι，返回步骤（3);
[0018] (5)计算
，其中C表示更新常数，
R为所有蜂窝用户最小通信速率；
[0019] (6)判断
是否成立：若成立，则进入步骤（7);否则令s = s+1，返 回步骤（3);
[0021]
是否成立：若成立，则将Aai作为优化后 的蜂窝用户在蜂窝频带i上的发射功率输出，将f作为优化后的D2D用户在蜂窝频带i 上的发射功率向量q『输出，并求出对用所有D2D用户的通信速率；否则令t = t+Ι且S = s+1，返回步骤（3)。
[0022] 有益效果：本发明提供的多信道蜂窝用户情况下的D2D功率分配快速优化算法， 与现有技术相比，具有如下优势：1、本发明所提算法适用于多D2D用户的情况，且D2D用户 为多信道用户，即同一时刻可使用所有的蜂窝信道；应用本算法可输出所有D2D用户在不 同频带上的优化发射功率，最大化D2D用户的通信速率；2、本发明中同一蜂窝频带同时可 被所有D2D用户使用，而不仅限于最多一个D2D用户使用，频谱资源共用更加灵活；3、本发 明中所提算法不仅仅适用于蜂窝用户和D2D用户均为独立功率限制的情况，将此算法加以 推广，亦适用于蜂窝用户和D2D用户和功率限制的情况；4、本发明所提算法适用于多信道 蜂窝用户的情况，与当前LTE系统相符，便于实际部署；5、本发明中提出的算法收敛速度 快，可构造成异步时的分布实现，进一步提高时间复杂度。
【附图说明】
[0023] 图1为基于多信道蜂窝网上行链路的D2D系统示意图；
[0024] 图2为多信道蜂窝用户情形下，蜂窝用户和D2D用户均为独立功率限制，D2D和通 十目速率与蜂窝用户QoS关系不意图；
[0025] 图3为多信道蜂窝用户情形下，蜂窝用户和D2D用户均为独立功率限制，D2D用户 和通信速率与蜂窝频带数量关系示意图。
【具体实施方式】
[0026] 基于蜂窝网的D2D用户的通信速率优化问题是一个复杂的非凸非线性的优化问 题，本发明针对的蜂窝用户为多信道，D2D用户为多信道，应用本算法可以在蜂窝用户独立 功率限制、D2D用户独立功率限制条件下，快速优化并求解出蜂窝用户发射功率 ？1和D2D用 户发射功率Cli。采用本优化算法得到的发射功率能够保证蜂窝用户在所有蜂窝频带上和通 信速率要求，并最大化所有D2D用户在所有蜂窝频带上的通信速率之和。。下面结合附图对 本发明作更进一步的说明。
[0027] 图1和图2中实线为非干扰信道，虚线为D2D用户对和蜂窝用户之间、不同D2D用 户对之间的干扰信道；Cellular user i表示蜂窝用户i，D2D j Tx表示第j对D2D用户对 发送机，D2D j Rx表示第j对D2D用户对接收机，图中各个参数的说明如下：
[0028] ：蜂窝用户在的蜂窝频带i上到基站的信道；
[0029] < :在蜂窝频带i上蜂窝用户对第j对D2D用户对接收机的干扰信道；
[0030] :第j对D2D用户对在蜂窝频带i上的信道；
[0031] :在蜂窝频带i上第j对D2D用户对对蜂窝用户的干扰信道；
[0032] :第k对D2D用户对发射机在蜂窝频带i上对第j对D2D用户对接