复用模式下含D2D通信的DAS中功率分配方法及装置与流程

本发明属于基站通信技术领域，尤其涉及一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法及装置。

背景技术：

随着数据时代的快速发展，通信速率和能耗的快速增长成为现代无线通信网络面临的巨大挑战。由于集中式天线系统(co-locatedantennasystems，cas)存在的天然缺陷，为了满足不断增长的业务需求，研究人员提出了分布式天线系统(distributedantennasystems，das)。它成为了提高通信系统带宽，满足用户通信质量和降低通信中能耗的一种有效手段。das不同于传统cas，它的所有基站天线都是分散在整个小区之中，正因为如此，它可以有效地减小基站与用户之间的距离，从而减小通信时信号的大规模衰落，显著地提高通信小区的吞吐量，减少同等条件下通信所需的能耗。

另一种设备间(devicetodevice，d2d)通信的方式也是提高用户通信质量降低能耗的有效手段。d2d通信即是两个设备之间不必通过基站的帮助而直接通信，这一优点可以有效降低基站的负载，同时也可以极大地提高短距离用户之间的通信质量，提高系统的能量效率。

大多数关于d2d通信的研究都是集中在cas之中，大量研究表明，在cas中进行d2d通信可以有效地提高通信小区的容量，提高通信小区的能量效率；但是在研究当中，很少有研究考虑将das和d2d通信相结合的情况。

技术实现要素：

本发明提供一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法及装置，旨在将d2d通信添加到das当中，并且d2d用户复用蜂窝用户的信道进行通信，将两者的优点相结合来提高通信小区的通信质量并降低小区的能量消耗。

本发明提供了一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法，所述功率分配方法适用于最大化频谱效率se时的最优功率分配，所述das包括n个远程接入单元rau，n个所述rau分布于通信小区之中，其中，rau1位于所述通信小区的中心，剩余的n-1个rau与所述rau1相连并均匀分布于所述通信小区之中，所述通信小区中包括1个蜂窝用户ue1和1对d2d用户ue2和ue3，1对所述d2d用户复用所述蜂窝用户的信道进行通信，所述功率分配方法包括：

步骤s101，初始化cccp算法中的迭代次数i＝0，并初始化蜂窝用户和d2d用户的发射功率

其中，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化se时的最优发射功率的限制条件构成的凸集；

步骤s102，根据所述cccp算法的公式计算第i次迭代对应的

步骤s103，令i＝i+1，根据所述cccp算法的公式计算第i+1次迭代对应的

步骤s104，如果与之间差值的2范数小于ξ，则即为最优功率，并结束迭代操作；否则，返回步骤s102；

其中，ξ表示一个很小的正的误差参数。

本发明还提供了一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配装置，所述功率分配方法适用于最大化频谱效率se时的最优功率分配，所述das包括n个远程接入单元rau，n个所述rau分布于通信小区之中，其中，rau1位于所述通信小区的中心，剩余的n-1个rau与所述rau1相连并均匀分布于所述通信小区之中，所述通信小区中包括1个蜂窝用户ue1和1对d2d用户ue2和ue3，1对所述d2d用户复用所述蜂窝用户的信道进行通信，所述功率分配装置包括：

初始化模块，用于初始化cccp算法中的迭代次数i＝0，并初始化蜂窝用户和d2d用户的发射功率

其中，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化se时的最优发射功率的限制条件构成的凸集；

计算模块，用于根据所述cccp算法的公式计算第i次迭代对应的

迭代模块，用于令i＝i+1，并根据所述cccp算法的公式计算第i+1次迭代对应的

最优功率获取模块，用于在与之间差值的2范数小于ξ时，判断出即为最优功率，并结束迭代操作；否则，返回所述计算模块；

其中，ξ表示一个很小的正的误差参数。

本发明还提供了一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法，所述功率分配方法适用于最大化能量效率ee时的最优功率分配，所述das包括n个远程接入单元rau，n个所述rau分布于通信小区之中，其中，rau1位于所述通信小区的中心，剩余的n-1个rau与所述rau1相连并均匀分布于所述通信小区之中，所述通信小区中包括1个蜂窝用户ue1和1对d2d用户ue2和ue3，所述功率分配方法包括：

步骤s201，初始化参数和cccp算法中的迭代次数t＝0，并初始化蜂窝用户和d2d用户的发射功率

其中，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化ee时的最优发射功率的限制条件构成的凸集；

步骤s202，根据所述cccp算法的公式计算第t次迭代对应的

步骤s203，令t＝t+1，根据所述cccp算法的公式计算第t+1次迭代对应的

步骤s204，将计算出的所述带入添加d2d通信后系统的能量效率eed2d中计算

步骤s205，如果满足最大化ee时的转化后的优化函数的绝对值小于ξ，则即为最优功率，并结束迭代操作；否则，返回步骤s202；

其中，ξ表示一个很小的正的误差参数。

本发明还提供了一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配装置，所述功率分配方法适用于最大化能量效率ee时的最优功率分配，所述das包括n个远程接入单元rau，n个所述rau分布于通信小区之中，其中，rau1位于所述通信小区的中心，剩余的n-1个rau与所述rau1相连并均匀分布于所述通信小区之中，所述通信小区中包括1个蜂窝用户ue1和1对d2d用户ue2和ue3，所述功率分配方法包括：

初始化模块，用于初始化参数和cccp算法中的迭代次数t＝0，并初始化蜂窝用户和d2d用户的发射功率

其中，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化ee时的最优发射功率的限制条件构成的凸集；

第一计算模块，用于根据所述cccp算法的公式计算第t次迭代对应的

迭代模块，用于令t＝t+1，并根据所述cccp算法的公式计算第t+1次迭代对应的

第二计算模块，用于将计算出的所述带入添加d2d通信后系统的能量效率eed2d中计算

最优功率获取模块，用于在满足最大化ee时的转化后的优化的绝对值小于ξ时，判断出即为最优功率，并结束迭代操作；否则，返回所述第一计算模块；

其中，ξ表示一个很小的正的误差参数。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供了的一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法及装置，具体提供了适用于最大化频谱效率和最大化能量效率时的最优功率分配方法，该功率分配方法与现有技术相比，通过将d2d通信与das相结合，在复用模式下，即通过d2d用户复用蜂窝用户频率来提高系统频率利用率，充分发挥了两者的优点，可以极大的提高通信小区的通信质量并降低小区的能量消耗，这对于节省能量和提高用户通信质量有很大的帮助。

附图说明

图1是现有技术提供的分布式天线系统das的模型示意图；

图2是本发明实施例提供的复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的复用模式下含d2d通信的das中功率分配装置的模块示意图；

图4是本发明实施例提供的复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的复用模式下含d2d通信的das中功率分配装置的模块示意图；

图6是本发明实施例提供的平均se在不同功率分配算法中随着最大发射功率的变化而变化的曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的平均ee在不同功率分配算法中随着最大发射功率的变化而变化的曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法，其中，所述das(distributedantennasystems，分布式天线系统)的模型如图1所示，具体地，本发明中考虑单个小区，所述das包括n个远程接入单元rau(remoteaccessunits，raus)，n个所述rau分布于通信小区之中，其中，rau1位于所述通信小区的中心，其可以看作一个中央处理单元，剩余的n-1个rau与所述rau1通过光纤相连并均匀分布于所述通信小区之中，所有的raus都是低功耗的单天线基站(basestation,bs)。所述通信小区中包括1个蜂窝用户ue1(userequipment，ue1)和1对d2d用户ue2和ue3。

我们假设d2d用户复用蜂窝用户的信道进行通信，并且信道信息对于通信两端都是已知的。系统的带宽设定为1，则蜂窝用户的传输速率为：

其中，pn,1表示第n个rau到ue1的发射功率，hn,1表示两者之间的传输信道，表示蜂窝用户的复高斯白噪声功率，pd表示d2d对中发送者ue2的发射功率，h2,1表示d2d对中发送者ue2与蜂窝用户ue1之间的传输信道。

类似地，d2d对的传输速率可以表示为：

其中，h2,3表示d2d对中两用户之间的传输信道，表示d2d用户的复高斯白噪声功率，hn,3表示第n个rau到d2d对的接收者ue3之间的传输信道。衰落信道包含一个小规模和一个大规模衰落，可以表示为：

hn,1＝gn,1wn,1(3)

其中，gn,1表示不同rau到ue1之间的小规模衰落，可以归结为独立同分布的复高斯随机变量。wn,1表示独立于gn,1的大规模衰落，它可以表示为：

其中，c是参考距离为1km时的平均路径增益。dn,1表示rau和ue1之间的距离。α是路径衰落因子，通常取值范围为[3,5]。sn,1是对数正态分布的衰落变量，即10log10sn,1的均值为0，标准差为σsh。

下面具体从最大化系统se(spectralefficiency，频谱效率)和最大化系统ee(energyefficiency，能量效率)的功率优化两个方面来介绍：

关于复用模式下添加d2d通信的das的最大化se时的最优功率分配：

考虑添加d2d通信的das中最大化se下的最优功率分配，最大化se应满足系统最小se和d2d对最小se的要求，蜂窝用户和d2d用户的最大发射功率限定。问题可以描述为：

其中，pc＝{pn,1,n＝1,2,…,n}，分别表示ue1和d2d对中发送者ue2的最大发射功率。表示蜂窝用户和d2d用户的最小传输速率。

在复用模式下，d2d对通过复用蜂窝用户的频率来进行通信，因此最大化系统se的问题可以总结为式(5)。我们可以发现，该问题并不能直接求解。因此我们通过对其形式的调整，把该问题转化成一个特殊的d.c.(differenceofconvexfunctions)结构的优化问题；然后，我们可以利用基于d.c.规划的高效优化算法进行求解。

定义p1＝[pc,pd]，f(p1)作为优化变量和对象函数，可以将式(5)转化为：

其中：

从式(7)和(8)之中可以看出，都是严格的凸函数和凹函数，其中，代表蜂窝用户和d2d用户的最大化se时的最优发射功率问题转化后的凸函数，代表蜂窝用户和d2d用户的最大化se时的最优发射功率问题转化后的凹函数。另外，定义为由式(5)中的限制条件构成的集合，由于其中的第一和第三个限制条件并不是线性的，我们可以将其转化为如下线性条件：

由此可知，集合为凸集。

通过以上的讨论，问题(5)可以转化为以下的优化问题：

问题(11)可以利用dca(d.c.algorithm)的简化算法cccp(concaveconvexprocedure)算法来进行求解，该算法主要使用mm(majorizationminimization)方法d.c.对对象函数的凸的一部分进行迭代。

我们可知(11)式的凹函数部分存在偏导，因此，我们可以通过一阶泰勒展开得到如下迭代表达式：

其中，表示p1的转置，i是迭代次数，表示在点处的梯度。通过以上分析我们可以总结出添加d2d通信的das中最大化se时的最优功率算法如下：

关于一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法，所述功率分配方法适用于最大化频谱效率se时的最优功率分配，如图2所示，包括：

步骤s101，初始化cccp算法中的迭代次数i＝0，并初始化蜂窝用户和d2d用户的发射功率

其中，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化se时的最优发射功率的限制条件构成的凸集；

步骤s102，根据所述cccp算法的公式计算第i次迭代对应的

具体地，上述(12)式即为cccp算法的公式，其中，表示蜂窝用户和d2d用户的发射功率，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化se时的最优发射功率的限制条件构成的凸集。

具体地，所述步骤s102包括：

s1021，使用拟牛顿法得到所述cccp算法的公式对应的最优功率分配的搜索方向，并通过线性回馈搜索armijo规则得到搜索的每一步的最优步长；

s1022，结合所述搜索方向和所述最优步长并结合内点法对所述cccp算法的公式进行求解，得到第i次迭代对应的

步骤s103，令i＝i+1，根据所述cccp算法的公式计算第i+1次迭代对应的

步骤s104，如果与之间差值的2范数小于ξ，则即为最优功率，并结束迭代操作；否则，返回步骤s102；

其中，ξ表示一个很小的正的误差参数。

具体地，若则继续返回步骤s102进行迭代计算，直至满足与之间差值的2范数小于ξ时，结束迭代操作。

本发明提供了一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配装置，所述功率分配装置适用于最大化频谱效率se时的最优功率分配，如图3所示，包括：

初始化模块301，用于初始化cccp算法中的迭代次数i＝0，并初始化蜂窝用户和d2d用户的发射功率

其中，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化se时的最优发射功率的限制条件构成的凸集；

计算模块302，用于根据所述cccp算法的公式计算第i次迭代对应的

迭代模块303，用于令i＝i+1，并根据所述cccp算法的公式计算第i+1次迭代对应的

最优功率获取模块304，用于在与之间差值的2范数小于ξ时，判断出即为最优功率，并结束迭代操作；否则，返回所述计算模块；

其中，ξ表示一个很小的正的误差参数。

关于ee模型：

根据已有的研究，系统的总功率消耗ptotal由三个部分组成，可以表示为：

其中，τ表示射频功率放大器的效率，φ表示系统中发射数据用户的数量，当ue2和ue3作为d2d对通信时，φ＝n+1；当它们使用传统蜂窝通信时，φ＝n，pdy和pst分别表示动态的和静态的功率损耗，p0表示光纤传输所消耗功率；在加入d2d通信之后，系统的总传输功率p表示为：

当d2d用户ue2和ue3传统的通信方式时系统的总传输功率p表示为：

由以上分析可以得到ee模型的表达方式如下：

当ue2和ue3通信采用d2d通信时，rtotal表示为式(5)，传输功率表示为pd2d；当他们使用传统蜂窝通信时，传输功率表示为pcellular。

关于复用模式下添加d2d通信的das的最大化ee时的最优功率分配：

考虑添加d2d通信的下行das中最大化ee时的最优功率分配问题，应满足ue1和ue2(d2d对中的发送端)最小传输速率和最大发射功率要求，优化问题可以描述为：

其中，p2＝[pc,pd]表示优化变量，eed2d代表添加d2d通信后系统的能量效率。

由于(17)是一个非凹非线性优化问题，我们无法采用传统的优化方法直接求得最优解，所以通过利用分式规划的相关理论将该优化问题转化为一个减法形式的优化问题：

其中，

根据已的相关研究表明，对于问题(17)总会存在一个等价减法形式的优化问题(18)，我们通过以下定理来表明式(17)和(18)之间的等价关系。

(定理)定义当且仅当和时的最优功率可以使(17)式中的ee达到最大。

因此，根据以上定理，我们可以集中于求解其等价问题来得到最优的功率分配，但式(18)仍然是一个非凸的优化问题，我们可以通过将其转化为一个d.c.结构的优化问题；对象函数可以转化成如下形式：

其中，对象函数的凸和凹部分可以表示为：

其中，代表蜂窝用户和d2d用户的最大化ee时的最优发射功率问题转化后的凹函数，代表蜂窝用户和d2d用户的最大化ee时的最优发射功率问题转化后的凸函数，定义为式(19)中约束条件构成的集合，很容易可以看出是一个凸集。上面的凸部也同样存在偏导，所以我们可以利用cccp算法得到其迭代公式如下：

其中，是p2的转置，t是迭代次数，表示在点处的梯度。

通过以上分析我们可以总结出添加d2d通信的das中最大化ee时的最优功率算法如下：

关于一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法，如图4所示，包括：

步骤s201，初始化参数和cccp算法中的迭代次数t＝0，并初始化蜂窝用户和d2d用户的发射功率

其中，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化ee时的最优发射功率的限制条件构成的凸集；

步骤s202，根据所述cccp算法的公式计算第t次迭代对应的

具体地，上述(22)式为cccp算法，其中，表示蜂窝用户和d2d用户的发射功率，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化ee时的最优发射功率的限制条件构成的凸集。

具体地，所述步骤s202包括：

s2021，使用拟牛顿法得到所述cccp算法的公式对应的最优功率分配的搜索方向，并通过线性回馈搜索armijo规则得到搜索的每一步的最优步长；

s2022，结合所述搜索方向和所述最优步长并结合内点法对所述cccp算法的公式进行求解，得到第t次迭代对应的

步骤s203，令t＝t+1，根据所述cccp算法的公式计算第t+1次迭代对应的

步骤s204，将计算出的所述带入添加d2d通信后系统的能量效率eed2d中计算

具体地，利用等式计算出而eed2d的表达式前述分析中有给出，可根据前述分析中给出的表达式计算。

步骤s205，如果满足最大化ee时的转化后的优化函数的绝对值小于ξ，则即为最优功率，并结束迭代操作；否则，返回步骤s202；

其中，ξ表示一个很小的正的误差参数。

具体地，若则继续返回步骤s202进行迭代计算，直至满足时，结束迭代操作；另外，关于转化后的优化函数h1的表达式前述分析中有给出，可根据前述分析中给出的表达式计算。

本发明提供了一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配装置，所述功率分配装置适用于最大化能量效率ee时的最优功率分配，如图5所示，包括：

初始化模块401，用于初始化参数和cccp算法中的迭代次数t＝0，并初始化蜂窝用户和d2d用户的发射功率

其中，表示蜂窝用户和d2d用户的最大化ee时的最优发射功率的限制条件构成的凸集；

第一计算模块402，用于根据所述cccp算法的公式计算第t次迭代对应的

迭代模块403，用于令t＝t+1，并根据所述cccp算法的公式计算第t+1次迭代对应的

第二计算模块404，用于将计算出的所述带入添加d2d通信后系统的能量效率eed2d中计算

最优功率获取模块405，用于在满足最大化ee时的转化后的优化函数的绝对值小于ξ时，判断出即为最优功率，并结束迭代操作；否则，返回所述第一计算模块；

其中，ξ表示一个很小的正的误差参数。

本发明实施例通过仿真实验验证了算法的有效性，同时也表明了d2d通信和das相结合可以极大地提高通信小区的se和ee，具体仿真参数如下表：

图6中显示了平均se随着最大发射功率的变化而出现的变化，很容易地看出添加d2d通信的das中的平均se比单一的das要好很多。

例如，当最大发射功率为30dbm时，在添加d2d通信的das中最大化se得到的结果比相同算法下单一das得到的平均se提高将近25％；而且，当最大发射功率变大时单一das的平均se的增长逐渐缓慢了下来，而包含d2d通信的das的平均se增长仍然很快，这很好地表明了大das中加入d2d可以有效地提高通信小区se。

图7中显示了平均ee随着最大发射功率的变化而出现的变化，该图表明添加d2d通信的das中的平均ee比单一的das提高了很多。

例如，当最大发射功率为15dbm时，在添加d2d通信的das中采用最大化ee得到的结果比相同算法下单一das得到的平均ee提高将近18％。在添加d2d通信的das中，随着最大发射功率增大，平均ee开始下降，但它仍然高于单一的das。

从图6和图7中可以得出，在das中添加d2d通信后，系统的平均se和ee都要好于单一的das，这表明将d2d通信加入到das中是提高通信小区的se和ee有效手段。

本发明提供的一种复用模式下含d2d通信的das中功率分配方法及装置，在das中考虑d2d通信，d2d用户通信时复用蜂窝用户的频率，提高系统频率利用率，在复用模式下分析系统的se和ee，并分别求得最大化该系统下的平均se和ee，同时实验验证了理论分析的有效性；同时，将d2d通信与das相结合，能够充分发挥两者的优点，并可以极大的提高通信小区的通信质量并降低小区的能量消耗，这对于节省能量和提高用户通信质量有很大的帮助，本发明提供的分配方法可以应用在5g通信之中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。