基于能量效率的多用户多模式D2D通信资源分配方法

本发明涉及通信技术领域，具体是一种基于能量效率的多用户多模式d2d通信资源分配方法。

背景技术：

随着多媒体数据的爆炸性增长以及移动设备的不断普及，传统蜂窝网络中无线资源不足的问题日益突出。作为未来通信架构中的关键技术之一，设备到设备(device-to-device，简称d2d)通信为解决上述问题提供一个新方向，利用underlay情形下的d2d通信技术代替基站(basestation，简称bs)实现部分近场通信，提高网络的接入和负载能力，这也符合绿色通信理念。

然而在underlay情形下会引发d2d用户与蜂窝用户之间互相进行干扰，从而影响d2d通信的通信质量，降低其能量效率。虽然这种干扰是不可避免，但是可以通过一个合理的资源分配方法来降低这种干扰所带来的负面影响，从而实现d2d通信与蜂窝通信之间的友好共存。但是当前的资源分配方法仅仅从某一个单一模式来对资源进行分配，没有进行多模式之间的配合使资源得到最佳的利用。

因此，多模式下d2d资源分配，使d2d的资源得到最佳的利用是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于能量效率的多用户多模式d2d通信资源分配方法。这种方法能够提高系统的通信效率、抑制d2d用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰，在保证蜂窝用户与d2d用户最低sinr的同时提高d2d通信的能量效率。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于能量效率的多用户多模式d2d通信资源分配方法，包括如下步骤：

1)构建蜂窝网络与d2d通信共享频谱的异构网络模型：假设蜂窝网络与d2d通信共享频谱的异构网络中有n个蜂窝用户和m对d2d用户和k个空闲中继用户，且n≥m，蜂窝用户集用n＝{1,2,…,n}表示，d2d用户的用户集用m＝{1,2,…,m}表示，中继用户集用k＝{1,2,…,k}表示；

2)计算异构网络中d2d用户信噪比与蜂窝用户信噪比：计算共享同一频谱资源时d2d用户j的和蜂窝用户i的与引入中继用户后d2d用户j的和蜂窝用户i的在d2d通信正在进行直通模式时，d2d用户j的与蜂窝用户i的分别为：

公式(1)、(2)中，代表着蜂窝用户i的发射功率，而则表示为d2d用户j发射端的发射功率，hi,b表示蜂窝用户i到基站的信道增益，hj,b表示d2d用户j发射端到基站的信道增益，hj表示d2d用户j发射端到接收端的信道增益，hi,j表示蜂窝用户i到d2d用户j接收端的信道增益，n0表示加性高斯白噪声的功率谱密度，引入中继用户后，蜂窝用户受到的干扰包括d2d用户发射端对蜂窝用户通信接收端的干扰以及中继节点对蜂窝用户通信产生的干扰，在d2d用户采用中继通信模式情景下，第一段通信系统中的干扰为蜂窝用户对中继节点的干扰，第二段通信中的干扰为蜂窝用对d2d接收端的干扰，因此在第一段通信中，d2d用户j的和蜂窝用户i的分别为：

其中，hj,k表示d2d用户发射端到中继节点的信道增益，hi,k表示蜂窝用户到中继节点的信道增益，在第二段通信中，d2d用户j的和蜂窝用户i的分别为：

其中，为中继节点的发射功率，hk,d为中继节点到d2d接收端的信道增益，hr,b为中继节点到基站的信道增益；

3)依据d2d用户的信噪比与蜂窝用户信噪比获得能量效率表达式：依据步骤2)获得的d2d用户的信噪比与蜂窝用户信噪比推算出在各个模式下d2d用户的速率及相对应的能量效率，在d2d直通模式中，d2d用户的速率能量效率表示如下：

在d2d中继模式中，d2d用户的速率能量效率表示如下：

4)依据d2d用户之间的距离与信噪比选择传输模式：由能量效率表达式可以看出，直接求解非常困难，因此采用模式-功率-信道的三步资源分配的方法来完成系统资源的分配，当d2d用户请求通信时d2d用户之间的距离过远，则d2d用户的发射端就必须要提高发送端功率以达到最低的通信标准，通过提高发射功率的方式会使得基站收到的干扰增大且不符合绿色通信理念，因此，以d2d用户发射端与d2d用户接收端之间的距离作为判断所选用模式的依据，当他们通信距离超出d2d用户对通信所能接受的最大距离时，采用中继模式进行通信、当距离满足d2d通信范围但d2d用户之间的信噪比低于信噪比门限时，也采用中继模式，即：

当αj＝1时，则表明d2d用户对j所采用的通信模式为直通模式，当αj＝0时，则表示d2d用户对所采用的通信模式为中继模式；

5)寻找中继模式中最优中继节点：在d2d用户选择中继模式进行通信之后，就需要从空闲用户中选出最适合充当中继用户的节点，首先设定候选中继范围区域，以d2d发射端与d2d接收端为直径，线段中心点为圆心，作通信圆为通信覆盖区，选出通信覆盖区内空闲中继用户得到中继初始候选集，通过区域限制筛选出中继用户候选集，这样能降低确定最优中继节点过程中的计算量，在中继初始候选集中，由于最优中继节点hl＝min(hj,k,hk,d)通信质量受限于最差信道，根据信道增益的与通信距离直接相关，所以最优中继节点于d2d用户发射端与d2d用户接收端直线距离的中心，因此，从中继初始候选集中挑选出一个距离d2d发射端与d2d接收端中心点距离最近的中继用户，此时的中继用户就是最佳中继用户；

6)获得信号发射端的发射功率范围：在直通模式下，依据共享同一频谱资源后d2d用户j的与蜂窝用户i的判断d2d用户j能否复用蜂窝用户i的频谱资源的判定准则为：

所以，可得，d2d发射端的功率范围为：

7)得到最优发射功率和能量效率：得到d2d发射端发射功率范围之后，由步骤3)可知，能量效率函数是非凹且非线性，为了解决优化问题，首先应将原函数化简为线性函数，ω表示功率的可行域，为最优能量效率，当且仅当下式成立时有：

由于公式(12)函数是关于的凹函数，所以存在，因此可通过dinkelbach算法得到最优发射功率和能量效率，在中继模式下，第一段通信与第二段通信与直通模式的求解类似，将原函数化简为线性函数，得到的函数却是关于两个未知变量的函数，因此不能直接使用dinkelbach算法进行迭代得到最佳发射功率。然而对于给定的目标函数为关于的凹函数，反之亦然。所以将的值固定，并用dinkelbach算法进行迭代得到的最佳发射功率，再根据的值使用dinkelbach算法求得的最佳发射功率，最终d2d用户的能量效率可以表示为：

8)为d2d用户寻找最优蜂窝网络链路进行复用：蜂窝网络中存在多个d2d用户对需要对复用链路进行选择时，以d2d的能效ee为权值，为d2d用户对与中继用户选择最佳复用链路。

本技术方案采用模式-功率-信道的三维资源分配方式，并在中继模式中使中继通信的两端通信分别复用不同的蜂窝链路大大提高了d2d用户在蜂窝系统中的能量效率并保证了蜂窝用户之间的通信质量。

这种方法能提高系统的能量效率、抑制d2d用户与蜂窝用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰。在保证蜂窝用户与d2d用户最低sinr的同时保证了系统的能量效率。

附图说明

图1为实施例中异构网络模型的示意图；

图2为实施例中最佳中继用户示意图；

图3为实施例方法的流程示意图；

图4为实施例方法与其他方法在d2d用户距离递增的条件下对能量效率的影响的曲线图对比示意图；

图5为实施例方法与其他方法在蜂窝用户递增的条件下对能量效率的影响的曲线图对比示意图；

图6为实施例方法与其他方法在空闲用户增加的条件下对能量效率的影响的曲线图对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图3，一种基于能量效率的多用户多模式d2d通信资源分配方法，包括如下步骤：

1)构建蜂窝网络与d2d通信共享频谱的异构网络模型：如图1所示，假设蜂窝网络与d2d通信共享频谱的异构网络中有n个蜂窝用户和m对d2d用户和k个空闲中继用户，且n≥m，蜂窝用户集用n＝{1,2,…,n}表示，d2d用户的用户集用m＝{1,2,…,m}表示，中继用户集用k＝{1,2,…,k}表示；

2)计算异构网络中d2d用户信噪比与蜂窝用户信噪比：计算共享同一频谱资源时d2d用户j的和蜂窝用户i的与引入中继用户后d2d用户j的和蜂窝用户i的在d2d通信正在进行直通模式时，d2d用户j的与蜂窝用户i的分别为：

公式(1)、(2)中，代表着蜂窝用户i的发射功率，而则表示为d2d用户j发射端的发射功率，hi,b表示蜂窝用户i到基站的信道增益，hj,b表示d2d用户j发射端到基站的信道增益，hj表示d2d用户j发射端到接收端的信道增益，hi,j表示蜂窝用户i到d2d用户j接收端的信道增益，n0表示加性高斯白噪声的功率谱密度，引入中继用户后，蜂窝用户受到的干扰包括d2d用户发射端对蜂窝用户通信接收端的干扰以及中继节点对蜂窝用户通信产生的干扰，在d2d用户采用中继通信模式情景下，第一段通信系统中的干扰为蜂窝用户对中继节点的干扰，第二段通信中的干扰为蜂窝用对d2d接收端的干扰，因此在第一段通信中，d2d用户j的和蜂窝用户i的分别为：

其中，hj,k表示d2d用户发射端到中继节点的信道增益，hi,k表示蜂窝用户到中继节点的信道增益，在第二段通信中，d2d用户j的和蜂窝用户i的分别为：

其中，为中继节点的发射功率，hk,d为中继节点到d2d接收端的信道增益，hr,b为中继节点到基站的信道增益；

3)依据d2d用户的信噪比与蜂窝用户信噪比获得能量效率表达式：依据步骤2)获得的d2d用户的信噪比与蜂窝用户信噪比推算出在各个模式下d2d用户的速率及相对应的能量效率，在d2d直通模式中，d2d用户的速率能量效率表示如下：

在d2d中继模式中，d2d用户的速率能量效率表示如下：

4)依据d2d用户之间的距离与信噪比选择传输模式：由能量效率表达式可以看出，直接求解非常困难，因此采用模式-功率-信道的三步资源分配的方法来完成系统资源的分配，当d2d用户请求通信时d2d用户之间的距离过远，则d2d用户的发射端就必须要提高发送端功率以达到最低的通信标准，通过提高发射功率的方式会使得基站收到的干扰增大且不符合绿色通信理念，因此，以d2d用户发射端与d2d用户接收端之间的距离作为判断所选用模式的依据，当他们通信距离超出d2d用户对通信所能接受的最大距离时，采用中继模式进行通信、当距离满足d2d通信范围但d2d用户之间的信噪比低于信噪比门限时，也采用中继模式，即：

当αj＝1时，则表明d2d用户对j所采用的通信模式为直通模式，当αj＝0时，则表示d2d用户对所采用的通信模式为中继模式；

5)寻找中继模式中最优中继节点：在d2d用户选择中继模式进行通信之后，就需要从空闲用户中选出最适合充当中继用户的节点，首先设定候选中继范围区域，以d2d发射端与d2d接收端为直径，线段中心点为圆心，作通信圆为通信覆盖区，选出通信覆盖区内空闲中继用户得到中继初始候选集，通过区域限制筛选出中继用户候选集，这样能降低确定最优中继节点过程中的计算量，在中继初始候选集中，由于最优中继节点hl＝min(hj,k,hk,d)通信质量受限于最差信道，根据信道增益的与通信距离直接相关，所以最优中继节点于d2d用户发射端与d2d用户接收端直线距离的中心，因此，从中继初始候选集中挑选出一个距离d2d发射端与d2d接收端中心点距离最近的中继用户，此时的中继用户就是最佳中继用户，如图2所示；

6)获得信号发射端的发射功率范围：在直通模式下，依据共享同一频谱资源后d2d用户j的与蜂窝用户i的判断d2d用户j能否复用蜂窝用户i的频谱资源的判定准则为：

所以，可得，d2d发射端的功率范围为：

7)得到最优发射功率和能量效率：得到d2d发射端发射功率范围之后，由步骤3)可知，能量效率函数是非凹且非线性，为了解决优化问题，首先应将原函数化简为线性函数，ω表示功率的可行域，为最优能量效率，当且仅当下式成立时有：

由于公式(12)函数是关于的凹函数，所以存在，因此可通过dinkelbach算法得到最优发射功率和能量效率，在中继模式下，第一段通信与第二段通信与直通模式的求解类似，将原函数化简为线性函数，得到的函数却是关于两个未知变量的函数，因此不能直接使用dinkelbach算法进行迭代得到最佳发射功率。然而对于给定的目标函数为关于的凹函数，反之亦然。所以将的值固定，并用dinkelbach算法进行迭代得到的最佳发射功率，再根据的值使用dinkelbach算法求得的最佳发射功率，最终d2d用户的能量效率可以表示为：

8)为d2d用户寻找最优蜂窝网络链路进行复用：蜂窝网络中存在多个d2d用户对需要对复用链路进行选择时，以d2d的能效ee为权值，为d2d用户对与中继用户选择最佳复用链路。

经过仿真实验，仿真结果证明本例方法相比基于中继同资源方案和仅d2d直通方案相比，本例方法提升了d2d通信的能量效率：

如图4所示，引入了中继节点协作通信后，系统的性能有了较大的提升，并且中继节点与d2d发射端发送端不使用同一资源时的效果更好，另外可以看出随着d2d距离的增加，系统中的能量效率也会有相应地下降，这是由于当通信距离递增时，信道增益的会降低，为了维持d2d用户之间正常的通信，需要提高发射端发射功率，从而降低了系统能效；

如图5所示，随着蜂窝用户数目的增加，可供d2d用户复用的链路数目随之增多，选出更优质复用链路的可能性就更大，从而三种模式下的系统的能量效率都有所增加，并且从图中可以看出采用中继模式能够有效增加系统的能量效率；

如图6所示，随着空闲中继用户的增加，可供d2d用户使用的中继用户数目随之增多，选出更优质复用链路的可能性就更大，从而三种模式下的系统的能量效率都有所增加，并且从图中可以看出采用中继模式能够有效增加系统的能量效率。