单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单信道蜂窝用户、 不同功率限制条件下，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W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W发挥的关键在于高效的资源共享方案，运 其中主要包括D2D用户和蜂窝频带的匹配，W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，运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，基于此提出了一种快速收敛 的优化算法。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种单信道蜂窝用户情 况下的D2D功率分配快速优化算法，在满足蜂窝用户如alityOfService怕〇巧条件下，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发射功率 A和D2D用户发射功率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] 基于蜂窝网的多信道D2D用户的通信速率优化问题是一个复杂的非凸非线性问 题，本发明提供的单信道蜂窝用户情况下的D2D功率分配快速优化算法用凸近似的方法将 非凸问题近似为凸问题，并通过多层迭代快速收敛到凸问题的优化解，即蜂窝用户和D2D 用户的发射功率分配，从而得到所有D2D用户的优化和通信速率；本算法适用于蜂窝用户 独立功率限制W及D2D用户独立功率限制情况和蜂窝用户和功率限制W及D2D用户和功率 限制两种情况，根据两种情况的特点采用不同的D2D用户通信速率优化方法，优化目标均 为最大化所有D2D用户的和通信速率。
[0008] 单信道蜂窝用户情况下的D2D功率分配快速优化算法，对于蜂窝用户独立功率限 制W及D2D用户独立功率限制情况和蜂窝用户和功率限制W及D2D用户和功率限制，根据 两种情况的特点采用不同的D2D用户通信速率优化方法，优化目标均为最大化所有D2D用 户的和通信速率。
[0009] 设蜂窝系统共有N个蜂窝用户和M对D2D用户，N个蜂窝用户对应N个蜂窝频带， 蜂窝用户i对应蜂窝频带i;定义：Pi表示蜂窝用户i在蜂窝频带i上的发射功率；q1表示 D2D用户在蜂窝频带i上的发射功率向量，qi=[q…qi2，…，qu，…，qiM]，qu表示第j对D2D 用户在蜂窝频带i上的发射功率；曰1表示蜂窝用户i到基站的归一化后的信道增益；01,表 示第j对D2D用户对蜂窝用户i干扰信道的信道增益；ri,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；e。表示蜂窝用户i对第j对D2D用户干扰信道的信道增益； 写Ui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；P1表示 蜂窝用户i的最低通信速率；
[0010](一）在蜂窝用户独立功率限制W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：
[0011](11)按照蜂窝频带将D2D用户通信速率优化问题划分为N个可平行计算的子问 题，蜂窝用户i的通信速率为
第j对D2D用户在蜂窝频带i 上的通信速率为
[001引W( ?)…表示（?）的第1次迭代结果，q严=[姑-1，始'，…，势>，???，您；、 A^'=[4"，省V.?，4。，?.?，端];初始化q^=0、A;。i=l、i；。l=0，给定计算精度el、e2、e3,初始化迭代次数t= 0、s= 0、k= 0;
[001引（蝴计算qf-…=J,(q;。），其中：
[001引其中：J,.姑"）表示迭代函数构成的函数向量，
[0014]
[0015] J,.化…)二 (qf-> )，^ (qf-> )，...，?/班严)，..一W(q…：)];
[0017] (I4)对于所有i=I，2,…，N、j=I，2,…，M，判断|據"|-媒是否成立：若成 立，则进入步骤（15);否则令k=k+1，返回步骤（13);
[001引 （lf5)计算
，其中皆表示更新常数，P康示蜂窝 用户i在蜂窝频带i上允许的最大发射功率；
[001引 （16)判断乂严|<62是否成立：若成立，则进入步骤（17);否则令S=S+1且k= 0,返回步骤（13);
[0020] (17)计算
，其中2。=挪?州"）；
[0021] (18)判断|4…是否成立：若成立，则将qW作为优化后的D2D用户在蜂 窝频带i上的发射功率向量如输出，并按照步骤（11)中的关系求出对应q;的蜂窝用户i在 蜂窝频带i上的发射功率扔、及;(A*，q;巧日％切，q:);否则令t=t+l、s=S+1且k= 0， 返回步骤（13);
[002引（二）在蜂窝用户和功率限制W及D2D用户和功率限制下，采用如下算法解决D2D用户通信速率优化问题：
[0023] (21)蜂窝用户i的通信速率为 > 第j对 D2D用户在蜂窝频带i上的通信速率为
[0024] 倘）W( ?)(。表示（?）的第1次迭代结果，qfi=[姑，，姑，…4"，…，说i;、 Af) =[4"，聲，…，<1，.-.，端]、护)=[<，冷，，…，作V..，地，];初始化q仰:=0、A;") =1、 入W=0、JiW=0,给定计算精度e1、e2、e3,初始化迭代次数t=0、s= 0、k= 0;
[0025] 似）计算姐"），其中：
[0026]
[0027]
[002引其中：J;姑"）表示迭代函数构成的函数向量，
[002引 （24)对于所有i= 1，2,…，N、j= 1，2,…，M，判断I媒…-為。|<&是否成立：若成 立，则进入步骤（25);否则令k=k+1，返回步骤（23);
[0030] 烛）计算乂 1"。=[乂…-咕(f-S巧-S巧S6,沁平，巧'表示更新常数，P表 1=1 JM -W. 示所有蜂窝用户的最大和功率限制；计算心"。二[A.W-C'(0,.-1據']'，f节表示更新常 /=1 数，Qj表示第j对D2D用户的最大和功率限制；
[003。 （26)对于所有j= 1，2,…，M，判断I入灿)-入(s)|<E2且|知'")-A(1《％是否成 立：若成立，则进入步骤（27);否则令S=S+1且k= 0,返回步骤（23);
[0032] 口7)计算
'其中=邸姑"）；
[00对桃）判断|4'"，-41<&是否成立：若成立，则将龄作为优化后的020用户在蜂 窝频带i上的发射功率向量q;输出，并按照步骤（21)中的关系求出对应q::的蜂窝用户i在 蜂窝频带i上的发射功率巧*.、.游(蘇，布).和巧(A，％).;.否则令t=t+l、s=S+1且k= 0， 返回步骤（23)。
[0034] 有益效果：本发明提供的单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蜂窝用户多D2D用户的情况， 且D2D用户为多信道用户，即同一时刻