一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法与流程

本发明涉及无线通信领域,具体涉及一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法。

背景技术：

D2D通信作为一项在无线网络中非常有前景的技术，近来备受关注。在移动通信网络中，D2D通信可以有效地提升网络吞吐量，能量利用率，频谱利用率和通信可靠性。

现存技术尽管考虑了D2D通信的模式转换，功率分配和波束赋形问题，但是大部分工作所考虑的场景都比较简单，如仅考虑单天线网络、并且严格限制用户对的数量等；少量研究考虑了多天线MIMO网络中的D2D传输模式转换、功率分配和波束赋形问题，但这些研究还处于初步阶段，例如很多研究仍然仅考虑只有一个用户对的情况；另外，现有关于D2D的研究多把蜂窝网用户作为主要用户，而将D2D用户作为次要用户。在网络通信管理的过程中，优先保证蜂窝网用户的通信质量。事实上，无论是蜂窝网用户，还是D2D用户都是在网络控制下进行通信，因此，一种更为合理的方式是不对他们进行优先级设置，而依据这些用户对网络效能的贡献，以及他们对其它用户的干扰来制定通信模式、功率分配和波束赋形方案。同时，由于多天线、多用户的MIMO无线网络通信已经成为一种趋势，急需一种有效的方法来解决复杂网络环境下(如多天线和多用户等)的D2D通信问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题提出一种D2D通信模式和传输波束的联合优化方法，从而更有效地解决多天线多用户MIMO无线网络中的D2D通信管理问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法，在上行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式共用发射波束；在下行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式使用不同的发射波束，包括步骤：

(1)初始化参数以及变量；

所述参数包括迭代次数,迭代终止门限，控制D2D用户对数量的参数，目标值；

所述变量包括各对用户的传输模式控制变量；

D2D传输模式下，接收用户端的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；

基站中继传输模式下，基站的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；

基站中继传输模式下的上行信道矢量、下行信道矢量；

D2D传输模式下的上行信道矢量、下行信道矢量；

对所有用户随机分配权重，并随机产生一组辅助变量；

D2D传输模式，用户的上、下行速率向量；基站中继传输出模式，用户的上、下行速率向量；

(2)在各传输时段末，根据当前获取的与各发射波束相关的赋形矩阵以及拉格朗日矩阵Φ，计算发射用户端的上行链路发射波束；

基站中继传输模式下，计算基站的下行链路发射波束；

D2D传输模式下，计算发射用户端的下行链路发射波束；

更新传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量；

(3)根据步骤(2)中得到的各发射波束，计算在D2D传输模式下，接收用户端的上行链路接收波束；和下行链路接收波束；

基站中继传输模式下，基站的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；

根据步骤(2)中得到的速率辅助变量限制中的辅助变量，计算辅助变量；

(4)根据步骤(1)中获得的D2D模式的上行信道矢量、下行信道矢量，基站中继模式的上行信道矢量、下行信道矢量；步骤(2)中得到的各发射波束以及步骤(3)中得到的各接收波束，更新D2D模式的用户的上行权重、下行权重，以及基站中继模式的用户的上行权重、下行权重；

根据步骤(1)中得到的控制D2D用户对数量的参数，步骤(2)中得到的传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量，步骤(3)中的辅助变量，计算目标值；

(5)根据步骤(4)中得到的系统目标值与上一次迭代中计算得到的系统目标值计算系统目标值的增量变化率；如果系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限，则迭代结束；否则，返回步骤(2)开始进行下一轮迭代，直至系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限；

(6)根据步骤(2)所得的传输模式控制变量，确定每对用户是属于D2D传输模式，还是基站中继传输模式；确定发射用户端的上行链路发射波束；D2D传输模式，发射用户端的下行链路发射波束；中继传输模式，基站的下行链路发射波束。

本发明的有益效果是：

1.本发明考虑的是多用户的MIMO网络，基站和用户皆配备多根天线，并且D2D传输模式和基站中继传输模式具有同样的优先级，对于用户的传输模式选择，完全依靠网络自身的通信协议，这样的场景设计更贴合实际情况；

2.本发明可以同时实现D2D传输模式转换、能量分配、MIMO传输、干扰管理。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤(1)的初始化参数和变量还包括：

初始化参数包括：网络中用户对的数量、基站和用户的天线数量、上行链路带宽、下行链路带宽、惩罚系数、控制D2D用户对数量的参数、发射用户端用于上行传输的功率、下行传输的功率以及基站用于下行传输的总功率；

初始化变量包括：

与上行传输发射波束相关的波束赋形矩阵；与D2D传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；与基站中继传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；

单位带宽速率辅助变量、整个带宽内速率辅助变量、传输模式辅助变量以及拉格朗日矩阵θ、Φ以及ψ。

进一步，所述步骤(2)具体过程为，

(21)根据当前获得的与各发射波束相关的波束赋形矩阵以及拉格朗日矩阵，计算发射用户端的上行链路发射波束；基站中继传输模式下，基站的下行链路发射波束；D2D传输模式下，发射用户端的下行链路发射波束；

根据当前获得的传输模式控制变量，辅助变量，计算每对用户在整个带宽内的速率辅助变量，传输模式辅助变量，以及该用户速率辅助变量限制中的辅助变量；

(22)根据步骤(21)获得的各发射波束，更新与上行传输发射波束相关的波束赋形矩阵；与D2D传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；与基站中继传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；以及单位带宽速率辅助变量；

根据步骤(21)获得的传输模式辅助变量，计算传输模式控制变量；

(23)根据惩罚系数，步骤(21)和步骤(22)中得到的各发射波束和相关波束赋形矩阵，计算拉格朗日矩阵Φ；

根据惩罚系数，上行链路带宽、下行链路带宽，步骤(21)中得到的整个带宽内的速率辅助变量，以及步骤(22)中得到的单位带宽速率辅助变量，计算拉格朗日矩阵ψ；

根据惩罚系数，步骤(22)中得到的传输模式辅助变量，传输模式控制变量，计算拉格朗日矩阵θ；

(24)将各发射波束与其相应的波束赋形矩阵进行做差之后，求其差值的范数，若该范数值未超过设定的迭代终止门限，则保存更新后的各发射波束和通信模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量s；否则，返回步骤(21)进行新一轮更新，直至满足迭代终止门限。

采用上述进一步方案的有益效果是本发明可以有效地将问题拆分为多个子问题，进行分布式处理，从而提升网络管理的灵活性，降低网络管理的复杂性。

进一步，所述步骤(21)中计算各发射波束，因为求解各发射用户端或基站的发射波束是完全独立的问题，所以分成多个小问题，同时进行分布式求解，具体求解方法如下，

根据拉格朗日矩阵Φ、与上行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵、用户数量、发射用户端用于上行传输的功率以及惩罚系数，计算在发射用户端用于上行传输的功率限制下，发射用户端的上行链路发射波束；

基站中继传输模式下，根据拉格朗日矩阵Φ、与基站的下行链路发射波束相关的波束赋形矩阵、用户数量、基站用于下行传输的总功率以及惩罚系数，计算在基站用于下行传输的总功率限制下，基站的下行链路发射波束；

D2D传输模式下，根据拉格朗日矩阵Φ、与发射用户端的下行链路发射波束相关的波束赋形矩阵、用户数量、发射用户端用于下行传输的功率以及惩罚系数，计算在发射用户端用于下行传输的功率限制下，计算发射用户端在下行链路的发射波束；

根据传输模式控制变量，辅助变量计算每对用户在整个带宽内的速率辅助变量，传输模式辅助变量，以及该用户速率辅助变量限制中的辅助变量s；

由于求解各对用户在整个带宽内的速率辅助变量，以及该速率辅助变量限制中的辅助变量s，传输模式辅助变量是完全独立的问题，所以将所有的用户对分开进行并行式求解，求每对用户整个带宽内的速率辅助变量，以及该速率辅助变量限制中的辅助变量s，传输模式辅助变量，具体求解方式如下：

根据拉格朗日矩阵ψ、θ，惩罚系数、传输模式控制变量以及辅助变量计算每对用户在整个带宽内的速率辅助变量，传输模式辅助变量，以及该用户速率辅助变量限制中的辅助变量s。

采用上述进一步方案的有益效果是本发明可以有效地将问题拆分为多个子问题，进行分布式处理，从而提升网络管理的灵活性，降低网络管理的复杂性。

进一步，所述步骤(22)中由于求解与各对用户和基站的发射波束相关的波束赋形矩阵是完全独立的问题，所以分开进行并行式求解，求与每对用户或基站的发射波束相关的波束赋形矩阵，具体求解方法如下：

根据拉格朗日矩阵Φ和ψ，惩罚系数，上行链路带宽、下行链路带宽，权重，各接收波束，步骤(21)获得的各发射波束，整个带宽内的速率辅助变量，计算与上行链路发射波束相关的波束赋形矩阵，与D2D传输模式中发射用户端的下行链路发射波束相关的波束赋形矩阵；与基站中继传输模式中基站的下行链路发射波束相关的波束赋形矩阵；以及单位带宽速率辅助变量；

根据控制D2D用户对数量的参数，惩罚系数，拉格朗日矩阵θ，步骤(21)获得的传输模式辅助变量，计算传输模式控制变量。

采用上述进一步方案的有益效果是本发明可以有效地将问题拆分为多个子问题，进行分布式处理，从而提升网络管理的灵活性，降低网络管理的复杂性。

附图说明

图1是本发明的基站中继传输和D2D传输共存的MU-MIMO网络；

图2是本发明的D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提出了一种D2D通信模式和传输波束的联合优化方法，有效地解决多天线多用户MIMO无线网络中的D2D通信管理问题。网络中有一个基站和多个用户对，用户和基站都配备有多根天线。每对用户中一个用作发射，一个用作接收。从发射到接收的信息传递要么是通过D2D传输模式直接传输，要么是通过基站中继传输模式由基站中转传输。同时，设置D2D传输模式和基站中继传输模式有同等优先级，每对用户是否采用D2D传输模式传输，完全取决于它对网络吞吐量的贡献和它对其他用户对的干扰大小。

另一方面，随着网络规模增大，所需要解决问题的维度和复杂度都会大大增加。而本发明提出的方法能将这个大问题拆分为多个独立的小问题，进行并行分布式处理，有效提升网络管理的灵活性，降低网络管理的复杂度。

如图1所示，为本发明应用场景，假设网络中有一个基站(base station，BS)和多对用户设备(user equipment，UE)，这M个用户对属于一个集合，记为M＝{1,2,…,M}，且每对用户中一个作为发射用户(UE_T)，一个作为接收用户(UE_R)，基站配有N_b根天线，每个用户配备N_u根天线；

UE_T与UE_R之间的通信模式有两种，分别为D2D传输模式和基站中继传输模式。在基站中继传输模式中，基站采用解码转发的策略，通过位于不同频段或时隙的正交上、下行链路向UE_R转发来自UE_T的信息；而在D2D传输模式中，当一些用户之间D2D传输模式被激活时，UE_T则直接通过上下行链路将信息发送给UE_R；

假设上行链路、下行链路的带宽分别为B₁、B₂，在基站中继传输模式下，第m对UE和BS之间的上行、下行信道矢量分别为和在D2D传输模式下，UE_Tn与UE_Rm之间的上、下行信道矢量为和

在上行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式共用发射波束，将UE_Tm的上行链路发射波束表示为在下行传输中，两种模式使用不同的发射波束。具体而言，在D2D传输模式下，UE_Tm对UE_Rm的下行链路发射波束表示为在基站中继传输模式下，基站对UE_Rm的下行链路发射波束表示为

在D2D传输模式下，UE_Rm通过上、下行链路接收的来自UE_Tm的信息，其中上行链路的接收波束为下行链路的接收波束为基站中继传输模式下，BS对UE_Tm的上行链路接收波束为UE_Tm对基站的下行链路接收波束为

表1对上述变量进行了小结。

如图2所示，本发明提出了一种D2D通信模式和传输波束的联合优化方法，包括步骤：

(1)初始化参数及变量；初始化参数包括：网络中用户对的数量M，基站天线数目N_b，每个用户天线数目N_u，上、下行链路带宽B₁和B₂，高斯白噪声的功率σ²，惩罚系数c，控制D2D用户对数量的参数λ，迭代终止门限η；UE_Tm用于上、下行传输的功率和基站用于下行传输的总功率

初始化的变量包括：基站中继传输模式下的信道矢量D2D传输模式下的信道矢量发射波束，接收波束权重传输模式控制变量

与上行链路发射波束相关的波束赋形矩阵与D2D传输模式中发射用户端的下行链路发射波束相关的波束赋形矩阵与基站中继传输模式中基站的下行链路发射波束相关的波束赋形矩阵

单位带宽速率辅助变量整个带宽内速率辅助变量传输模式辅助变量速率辅助变量限制中的辅助变量辅助变量拉格朗日矩阵

(2)在各传输时段末，根据当前获取的与各发射波束相关的赋形矩阵以及拉格朗日矩阵Φ，计算发射用户端的上行链路发射波束；

基站中继传输模式下，计算基站的下行链路发射波束；

D2D传输模式下，计算发射用户端的下行链路发射波束；

更新传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量；

具体包含以下步骤：

(21)根据当前的各发射波束相关的波束赋形矩阵以及拉格朗日矩阵Φ，计算发射用户端的上行链路发射波束基站中继传输模式下，基站的下行链路发射波束D2D传输模式下，发射用户端的下行链路发射波束其中，是所有发射波束的集合，具体计算公式如下：

其中，是拉格朗日乘子，且[ω]⁺＝max{0,ω}。

根据步骤当前的传输模式控制变量，辅助变量计算用户在整个带宽内的速率辅助变量y，传输模式辅助变量z，以及用户速率辅助变量限制中的辅助变量s，整个变量集合表示为{s,y,z}；

由于{s,y,z}可以完全拆分为{s_b,m,y_b,m,z_b,m}_m∈M，这3M个子问题可以按下面公式进行独立求解：

可以按照如下公式求解

其中，c＝max{a,b}表示，若a≥b，则c＝a；否则c＝b；是拉格朗日乘子，其计算方法如下：

如果成立，利用二分法求解

得到最优

如果不成立，利用二分法求解式(a)，得到最优

更新如下：

其中，是拉格朗日乘子，其计算方法如下：

如果利用二分法求解

如果成立，利用二分法求解

如果不成立，利用二分法求解式(b)，得到最优

按照如下公式求解{s_b,m,y_b,m,z_b,m}_m∈M：

其中，β_b,m≥0是拉格朗日乘子，其计算方法如下：

如果c(1-d_m)-θ_b,m≥0，利用二分法求解

得到最优β_b,m≥0；

如果成立：利用二分法求解

得到最优

如果不成立，利用二分法求解式(c)，得到最优

(22)根据步骤(21)获得的各发射波束，更新与上行传输发射波束相关的波束赋形矩阵与D2D传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵与基站中继传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵以及单位带宽速率辅助变量x；波束赋形矩阵、单位带宽速率辅助变量以及模式变量的集合可表示为{T,d,x}；由于{T,d,x}可以完全拆分和{d_m}_m∈M，这5M个小问题可以独立求解；

按照如下公式更新

其中，是拉格朗日乘子，利用二分法求解可得，定义

按照如下公式更新

其中，是拉格朗日乘子，利用二分法求解可得，定义

按照如下公式更新

其中，是拉格朗日乘子，二分法求解可得，定义

按照如下公式更新

其中，是拉格朗日乘子，二分法求解可得，定义

根据步骤(21)获得的传输模式辅助变量z，计算传输模式控制变量d＝{d_m}_m∈M；

按照如下公式更新通信模式控制变量d：

其中，表示在[0,1]范围内投影，即若d_m＞1，则d_m＝1；若d_m＜0，则d_m＝0；其他情况下d_m＝d_m。

(23)根据惩罚系数，步骤(21)和步骤(22)中得到的各发射波束和相关波束赋形矩阵，计算拉格朗日矩阵Φ；

根据惩罚系数，步骤(21)中得到的整个带宽内的速率辅助变量，以及步骤(22)中得到的单位带宽速率辅助变量，计算拉格朗日矩阵ψ；

根据惩罚系数，步骤(22)中得到的传输模式辅助变量，计算拉格朗日矩阵θ；

按照如下公式更新随机矩阵{Φ,Ψ,θ}：

(24)将各发射波束与其相应的波束赋形矩阵进行做差比较，若其差值的范数值未超过设定的迭代终止门限，则保存更新后的各发射波束和通信模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量s；否则，返回步骤(21)进行新一轮更新，直至满足迭代终止门限；其具体过程为，

其中，η为迭代终止门限，M为用户对个数，判断D≤η是否成立，如果成立，则保存更新后的发射波束和通信模式控制变量d＝{d_m}_m∈M，以及辅助变量否则，返回步骤(21)进行新一轮更新，直至满足迭代终止门限。

(3)根据步骤(2)中得到的各发射波束，可计算在D2D传输模式下，接收用户端在上行链路的接收波束下行链路的接收波束

基站中继传输模式下，基站对发射用户端的上行链路接收波束接收用户端对基站的下行链路接收波束

其中，为所有发射波束的集合，可以按照如下公式进行求解：

根据步骤(2)中得到的速率辅助变量限制中的辅助变量s，计算辅助变量具体计算公式如下：

(4)根据步骤(1)中获得的D2D模式的上行信道矢量、下行信道矢量，基站中继模式的上行信道矢量、下行信道矢量；步骤(2)中得到的各发射波束以及步骤(3)中得到的各接收波束，更新D2D模式的用户的上行权重、下行权重；基站中继模式的用户的上行权重、下行权重；

具体求解公式如下：

根据步骤(1)中得到的控制D2D用户对数量的参数，步骤(2)中得到的传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量，步骤(3)中的辅助变量，计算目标值；具体计算方式如下：

(5)根据步骤(4)中得到的目标值obj与上一次迭代中计算得到的目标值obj_old计算目标值的增量变化率：

如果系统目标值的增量变化率gap小于或者等于迭代终止门限，则迭代结束；否则，返回步骤(2)开始进行下一轮迭代，直至系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限；

(6)根据步骤(2)所得的传输模式控制变量d，确定每对用户是属于D2D传输模式，还是基站中继传输模式；确定发射用户端的上行链路发射波束D2D传输模式，发射用户端的下行链路发射波束中继传输模式，基站的下行链路发射波束

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。