一种基于博弈论的d2d通信的能耗优化方法
【专利摘要】本发明一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，采用博弈论的思想，将D2D传输链路理解成为博弈游戏的参与者，每条D2D 传输链路只知道自己和哪条蜂窝上行链路的配对信息，而不知道其他D2D传输链路和哪条蜂窝上行链路的配对信息，在已知各个蜂窝链路的资源配置情况下,D2D传输链路对选择复用的蜂窝链路上行频谱资源进行博弈，依次更换复用的蜂窝链路上行频谱资源；试图建立一个联盟去共享蜂窝用户的上行频谱资源，目的在于使系统能耗最优化，计算时间比最优分配时间大大减少，相比基于距离的匹配方法，可以大幅度减少能量损耗，可以取代传统的基于距离的匹配方案和最优匹配方案。
【专利说明】
-种基于博弈论的D2D通信的能耗优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信领域，设及一种基于博弈论的D2D通信的能耗优化方法。
【背景技术】
[0002] D2D(终端直通Device TO Device)通信作为下一代无线通信的关键技术之一，能 够提供更高的传输速率，增大系统吞吐量，提高频谱利用效率，减轻蜂窝基站负担，增强系 统稳定性等优点。
[0003] D2D通信系统的能耗问题和D2D的资源分配问题密切相关，不同分配下的能耗相差 甚远。基于距离的资源分配策略为资源分配提供了一套分配准则，可W满足蜂窝用户和D2D 用户的传输需求，但是会造成较大的能量浪费。如果采用遍历所有分配来找到能耗最优的 匹配，运样虽然可W找到最优方案，但是计算时间会很长。
[0004] D2D通信系统中，终端分两类，一类是与基站通信的终端，即蜂窝终端OJE，另一类 是通过D2D技术直接与其他终端通信的终端，即D2D终端。在允许蜂窝上行链路和D2D传输链 路一对多匹配的系统中，可W详尽捜索出所有资源配置的组合，在运些组合中找到能量消 耗最少的方案，运个方案就是最优方案。虽然运样找到的方案能耗最小，并且可W满足各个 用户的数据传输需求，但是运样求解的复杂度是NP-化rd，计算消耗时间很长，只适合适量 较少的情况。而基于距离的匹配方案也可W满足用户的数据传输需求，但是得到的能耗值 一般都不是最优的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种基于博弈论的D2D通信的能耗优化方法，在已知各个 蜂窝链路的资源配置情况下，D2D传输链路对选择复用的蜂窝链路上行频谱资源进行博弈， 可W找到最优方案，使系统总能耗最优化。
[0006] 本发明一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1、假定一个蜂窝小区存在n个蜂窝上行链路和m个D2D传输链路，允许多条D2D 传输链路复用同一蜂窝链路的上行频谱资源，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝 上行链路配对，对于某条蜂窝链路i，有k个D2D传输链路共享运个蜂窝链路i的上行频谱资 源，若k声0,用Ui，i2，. . .，ik：}表示k个D2D传输链路的序号，运些D2D传输链路和蜂窝链路i 同时发送数据并同时结束，持续时间为ti，有
[000引
[0009]其中，W是系统带宽，表示系统高斯白噪声的平均功率/?,.表示第i个蜂窝用户的 速率需求，苗表示第条D2D传输链路中数据发送方的速率需求，表示第i个蜂 窝用户到基站的信道增益，&<,,表示第1^条〇20传输链路中数据发送方到数据接收方的信道 增益，表示第i个蜂窝用户到第条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第ij 条D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，g：J；表示第i。条D2D传输链路数据发送方 到第1^条020传输链路数据接收方的信道增益，八>',/。表示第1^条〇20链路数据发送方的发 送功率，表示第i条蜂窝上行传输链路的发送功率；
[0010] 根据实际中具体的k值，对上述方程组进行带参数求解，可W得到巧,,h)、仇,,(0
的表达式，设Ei(ti)表示当第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i 条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路的总能耗，当k声0时，Ei(ti)等于：
[0011]
[0012] 具甲，Pa巧电蹄功準，Pe巧置闲功準，U巧功準臘天帯护」駆重巧狹效準，陣巧上行链 路数为n，D2D传输链路数为m，k为共享蜂窝链路i上行频谱资源的D2D传输链路数；
[001引当k = 0时，表示蜂窝链路i没有和任何D2D传输链路配对，此时，Ei (ti)等于
[0014]
[001引其中每条链路的最优时间/,Wf为通过捜索得到使Ei(ti)值最小时的时间ti，那么第 i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链 路的最优总能耗为
[0016]
[0017] 定义1 X n时间行向量T，其元素I； = ?f ;;
[0018] 步骤2、当每条传输链路的时间都是最优的，但不能保证归一化的时间和不大于1， 当出现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的传输链路，通过 减少运些传输链路的数据传输时间来减少系统总时间，把资源分配看成是一个博弈游戏， 其中m个D2D传输链路为博弈游戏的参与者，试图建立一个集合联盟L=化1，...，k，...，Ln} 去共享蜂窝链路的上行频谱资源，以表示和第r个蜂窝用户共享频谱资源的D2D传输链路的 集合，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，优化目标就是使系统的总 能耗EtDtal最小化。
[0019] 所述的步骤2中提出一种联合博弈算法，使系统的总能耗EtDtai最小化，具体算法如 下：
[0020] (1)输入系统各通信链路参数:系统带宽W，系统高斯白噪声的平均功率电路功 率Pa，空闲功率Pe，功率放大器的能量转换效率0，蜂窝上行链路数n，D2D传输链路数m，博弈 总次数N，每个蜂窝用户的速率需求，每个D2D传输链路的速率要求，每个蜂窝用户到基站的 信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，每个蜂窝用户到每个 D2D传输链路数据接收方的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益， 每个D2D链路数据发送方到其他D2D链路数据接收方的信道增益，设置博弈计数器num = 0， 时间迭代步长S;
[0021] (2)初始化，产生一个随机生成集合联盟以。1二化1，. . .，Lr, . . .，Ln}，同时确定对 应的时间行向量T，其元素7 =/'，.计算系统总能耗Etotal,令Lcur = ^ni;
[0022] (3)判断时间行向量T中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(4)，若不是，进 入步骤(5);
[0023] (4)针对集合联盟Lcur,寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算
，其中1表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T，即令 ，tai并返回步骤(3);
[0024] (5)随机选择一个D2D传输链路dj，假定dj G以，然后任意选择一个集合Li ' G LcuA 化i}，博弈计数器11皿=11皿+1 ;
[002引（6)对于集合联盟Lgame=化cuAlLi，Li'})U化i\{dj}，Li' U化}}，确定对应的时间 行向量T'，时间行向量T'的各个元素是由Lgam冲各元素对应的最优时间货1_組成的；
[0026] (7)判断时间行向量T'中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(8)，若不是，进 入步骤(9);
[0027] (8)针对新的集合联盟Lgame,寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即 1 ，其中1'表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T '， E :盟Lgame下的系统总能耗E'tDtal并返回步骤(7);
[0028] ( 9 )如果E total <Etotal,则Lcur 二 Lgame , Etotal 二 E total ;
[0029] (10)当博弈计数器达到N时，即num = N，输出集合联盟Lcur和此时的系统总能量 Etotal，如果博弈次数没有达到N，返回步骤巧）。
[0030] 本发明采用博弈论的思想，将D2D传输链路理解成为博弈游戏的参与者，每条D2D 传输链路只知道自己和哪条蜂窝上行链路的配对信息，而不知道其他D2D传输链路和哪条 蜂窝上行链路的配对信息，在已知各个蜂窝链路的资源配置情况下，D2D传输链路对选择复 用的蜂窝链路上行频谱资源进行博弈，依次更换复用的蜂窝链路上行频谱资源;试图建立 一个联盟去共享蜂窝用户的上行频谱资源，目的在于使系统能耗最优化，当博弈次数达到 阔值时，可W找到最优方案，使系统总能耗最优化，并且计算时间比最优分配时间大大减 少，相比基于距离的匹配方法，可W大幅度减少能量损耗，可W取代传统的基于距离的匹配 方案和最优匹配方案;通过实验证明，基于博弈论的能耗优化方案和系统最优方案的能耗 基本相同，相比传统的最大功率传输策略，本发明方法能耗会减少65%。
【附图说明】
[0031 ]图1为一对多匹配的D2D通信场景示意图；
[0032] 图2为本发明的流程图。
[0033] W下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
【具体实施方式】
[0034] 本发明一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，具体包括如下步骤：
[0035] 步骤1、假定一个蜂窝小区存在n个蜂窝上行链路和m个D2D传输链路，允许多条D2D 传输链路复用同一蜂窝链路的上行频谱资源，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝 上行链路配对，如图1所示;对于某条蜂窝链路i，有k个D2D传输链路共享运个蜂窝链路i的 上行频谱资源，若k声0，用{ii，i2，. . .，ik}表示k个D2D传输链路的序号，运些D2D传输链路和 蜂窝链路i同时发送数据并同时结束，持续时间为ti，有
[0036]
[0037] 其中，W是系统带宽，O2表示系统高斯白噪声的平均功率/。,表示第i个蜂窝用户的 速率需求，馬表示第条D2D传输链路中数据发送方的速率需求，表示第i个蜂 窝用户到基站的信道增益，表示第条D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道 增益，g；；'i表示第i个蜂窝用户到第条D2D传输链路数据接收方的信道增益，g：：,表示第ij 条D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，g；；；；表示第i。条D2D传输链路数据发送方 到第iJ条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第iJ条D2D链路数据发送方的发 送功率，表示第i条蜂窝上行传输链路的发送功率；
[003引根据实际中具体的k值，对上述方程组进行带参数求解，可W得到&片.）、化,/。 的表达式，设Ei(ti)表示当第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i 条蜂窝>斤倍输链路巧k条D州倍输链路的总、能耗.巧k卓0时.估)望干，
[0039]
[0040] 其中，Pa是电路功率，Pe是空闲功率，目是功率放大器的能量转换效率，蜂窝上行链 路数为n，D2D传输链路数为m，k为共享蜂窝链路i上行频谱资源的D2D传输链路数；
[OOW 当k = 0时，表示蜂窝链路i没有和任何D2D传输链路配对，此时，Ei (ti)等于
[0042]
[0043] 其中每条链路的最优时间(；*"为通过捜索得到使Ei(ti)值最小时的时间ti，那么第 i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链 路的最优总能耗为马;
[0044]
[0045]
[0046] 步骤2、当每条传输链路的时间都是最优的，但是还不能保证归一化的时间和不大 于1，如果总时间大于1，必然存在一部分用户不能完成数据传输的任务，若存在此种情况， 必须通过减少某条传输链路的通信时间W满足各个用户的数据传输要求，本着系统能耗最 优化的原则，当出现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的传 输链路，通过减少运些传输链路的数据传输时间来减少系统总时间，把资源分配看成是一 个博弈游戏，其中m个D2D传输链路为博弈游戏的参与者，试图建立一个集合联盟L = 化1，...，k，...，Ln}去共享蜂窝链路的上行频谱资源，心表示和第r个蜂窝用户共享频谱资 源的D2D传输链路的集合，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，优化 目标就是使系统的总能耗EtDtal最小化，提出一种联合博弈算法，如图2,具体算法如下：
[0047] (1)输入系统各通信链路参数:系统带宽W，系统高斯白噪声的平均功率电路功 率Pa，空闲功率Pe，功率放大器的能量转换效率0，蜂窝上行链路数n，D2D传输链路数m，博弈 总次数N，每个蜂窝用户的速率需求，每个D2D传输链路的速率要求，每个蜂窝用户到基站的 信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，每个蜂窝用户到每个 D2D传输链路数据接收方的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益， 每个D2D链路数据发送方到其他D2D链路数据接收方的信道增益，设置博弈计数器num = 0， 时间迭代步长S;
[004引（2)初始化，产生一个随机生成集合联盟以。1二化1，. . .，Lr, . . .，Ln}，同时确定对应 的时间行向量T，其元素早=玲"'\，计算系统总能耗Etotal,令Lcur = ^ni;
[0049] (3)判断时间行向量T中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(4)，若不是，进 入步骤(5);
[0050] (4)针对集合联盟Lcur,寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算 (4/) = min巧悼巧-马盼")}，其中1表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T，即令 峰=护;计算系统总能耗Etetal并返回步骤(3);
[0051 ] (5)随机选择一个D2D传输链路dj，假定dj ，然后任意选择一个集合以'G LcuA 化i}，博弈计数器11皿=11皿+1 ;
[0052] (6)对于集合联盟Lgame=化cuAlLi，Li'})U化i\{dj}，Li' U化}}，确定对应的时间 行向量T'，时间行向量T'的各个元素是由Lgam冲各元素对应的最优时间货L_,组成的；
[0053] (7)判断时间行向量T'中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(8)，若不是，进 入步骤(9);
[005^1 344^减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即 计算 ，其中1'表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T '， 即令=Ce_/ 一《；计算在新的集合联盟Lgame下的系统总能耗E't。化说返回步骤(7);
[0055] ( 9 )如果E total <Etotal,则Lcur 二 Lgame , Etotal 二 E total ;
[0056] (10)当博弈计数器达到N时，即num = N，输出集合联盟Lcur和此时的系统总能量 Etotal，如果博弈次数没有达到N，返回步骤巧）。
[0057] 本发明的重点在于:采用博弈论的思想，将D2D传输链路理解成为博弈游戏的参与 者，每条D2D传输链路只知道自己和哪条蜂窝上行链路的配对信息，而不知道其他D2D传输 链路和哪条蜂窝上行链路的配对信息，在已知各个蜂窝链路的资源配置情况下，D2D传输链 路对选择复用的蜂窝链路上行频谱资源进行博弈，依次更换复用的蜂窝链路上行频谱资 源;试图建立一个联盟去共享蜂窝用户的上行频谱资源，目的在于使系统能耗最优化，当博 弈次数达到阔值时，可W找到最优方案，使系统总能耗最优化，并且计算时间比最优分配时 间大大减少，相比基于距离的匹配方法，可W大幅度减少能量损耗，可W取代传统的基于距 离的匹配方案和最优匹配方案;通过实验证明，基于博弈论的能耗优化方案和系统最优方 案的能耗基本相同，相比传统的最大功率传输策略，本发明方法能耗会减少65%。
[0058] W上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡 在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换W及改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤1、假定一个蜂窝小区存在η个蜂窝上行链路和m个D2D传输链路，允许多条D2D传输 链路复用同一蜂窝链路的上行频谱资源，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行 链路配对，对于某条蜂窝链路i，有k个D2D传输链路共享运个蜂窝链路i的上行频谱资源，若 k声0，用{ii，i2，. . .，ik}表示k个D2D传输链路的序号，运些D2D传输链路和蜂窝链路i同时发 送数据并同时结束，持续时间为ti，有其中，W是系统带宽，曰2表示系统高斯白噪声的平均功率,?表示第i个蜂窝用户的速率 需求，％表示第条D2D传输链路中数据发送方的速率需求，表示第i个蜂窝用 户到基站的信道增益，而，表示第?条D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增 益，表示第i个蜂窝用户到第?条D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示第ij条 D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，表示第i。条D2D传输链路数据发送方到 第i緣D2D传输链路数据接收方的信道增益，化,,片)表示第i緣D2D链路数据发送方的发送 功率，A (U表示第i条蜂窝上行传输链路的发送功率； 根据实际中具体的k值，对上述方程组进行带参数求解，可W得到卸化）、扣,,(0的表 达式，设Ei(ti)表示当第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂 窝上行传输链路和k条D2D传输链路的总能耗，当k声0时，Ei (ti)等于：其中，ρα是电路功率，pe是空闲功率，Θ是功率放大器的能量转换效率，蜂窝上行链路数 为η，D2D传输链路数为m，k为共享蜂窝链路i上行频谱资源的D2D传输链路数； 当k = 0时，表示蜂窝链路i没有和任何D2D传输链路配对，此时，Ei(ti)等于其中每条链路的最优时间皆"为通过捜索得到使Ei(ti)值最小时的时间ti，那么第i条蜂 窝上行传输链路和k条D2D传输链路配对时，第i条蜂窝上行传输链路和k条D2D传输链路的 最优总能耗为马0-);定义1 X η时间行向量Τ，其元素不=if'; 步骤2、当每条传输链路的时间都是最优的，但不能保证归一化的时间和不大于1，当出 现总时间大于1的情况时，必须找到那些减少相同时间能耗增加最少的传输链路，通过减少 运些传输链路的数据传输时间来减少系统总时间，把资源分配看成是一个博弈游戏，其中m 个D2D传输链路为博弈游戏的参与者，试图建立一个集合联盟L={Li，. . .，k，. . .，Ln}去共 享蜂窝链路的上行频谱资源，以表示和第r个蜂窝用户共享频谱资源的D2D传输链路的集 合，D2D传输链路选择的策略就是和不同的蜂窝上行链路配对，优化目标就是使系统的总能 耗EtDtal最小化。2.根据权利要求1所述的一种基于博弈论的D2D通信能量的优化方法，其特征在于步骤 2中提出一种联合博弈算法，使系统的总能耗EtDtal最小化，具体算法如下： (1) 输入系统各通信链路参数:系统带宽W，系统高斯白噪声的平均功率σ2,电路功率ρα， 空闲功率pe，功率放大器的能量转换效率Θ，蜂窝上行链路数n，D2D传输链路数m，博弈总次 数N，每个蜂窝用户的速率需求，每个D2D传输链路的速率要求，每个蜂窝用户到基站的信道 增益，每个D2D传输链路中数据发送方到数据接收方的信道增益，每个蜂窝用户到每个D2D 传输链路数据接收方的信道增益，每个D2D传输链路中数据发送方到基站的信道增益，每个 D2D链路数据发送方到其他D2D链路数据接收方的信道增益，设置博弈计数器num = 0,时间 迭代步长δ; (2) 初始化，产生一个随机生成集合联盟以。1= {Li，. . .，k，. . .，Ln}，同时确定对应的时 间行向量T，其元素7]=皆"'，计算系统总能耗Etotal，令Lcur = kni; (3) 判断时间行向量T中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(4)，若不是，进入步 骤(5); (4) 针对集合联盟Uur，寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算其中1表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵T，即令 if =?Γ -cJ ;计算系统总能耗Etetal并返回步骤(3); (5) 随机选择一个D2D传输链路dj，假定dj e以，然后任意选择一个集合Li ' e LcuA化1}， 博弈计数器num = num+l; (6) 对于集合联盟Lgame=(Xcur\化i，Li'}) U化i\{dj}山' U {dj}}，确定对应的时间行向 量Τ'，时间行向量Τ'的各个元素是由Lgame中各元素对应的最优时间，组成的； (7) 判断时间行向量Τ'中各个元素之和是否大于1，若是，进入步骤(8)，若不是，进入步 骤(9); (8) 针对新的集合联盟Lgame，寻找减少相同时间能耗增加幅度最少的蜂窝链路，即计算，其中Γ表示寻找得到的蜂窝链路，更新矩阵Τ'，即令咐算在新的集合联盟Lgame下的系统总能耗Ε/ total并返回步骤(7); (9) 女日果Etotal<Eto1;al,贝lJLcur二Lgame,Eto1;al二Etotal; (10) 当博弈计数器达到N时，即num = N，输出集合联盟Lcur和此时的系统总能量EtDtal，如 果博弈次数没有达到N，返回步骤(5)。
【文档编号】H04W52/02GK105979477SQ201610399996
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】林世俊, 刘文涛, 石江宏
【申请人】厦门大学