一种基于信道概率统计特性的5G电力D2D通信网络资源分配优化方法与流程

一种基于信道概率统计特性的5g电力d2d通信网络资源分配优化方法
技术领域
1.本发明属于电力信息通讯领域，涉及5g电力通信网络资源分配优化技术，尤其是一种基于信道概率统计特性的5g电力d2d通信网络资源分配优化方法。


背景技术：

2.无处不在的无线访问环境使生活中的高质量和高速数据传输成为可能，5g技术的使用已从简单的数据传输扩展到了高数据速率，时延敏感和容错的业务场景。电力通信是电力业务发展的基础，随着5g电力通信系统中接入设备数量的进一步增加，大数据量的交互服务日益丰富以及无线通信网络容量需求的快速增长，对高速数据交互的需求越来越广，标准也越来越高，随着电力通信技术的业务遽增，流量爆炸，多样化的电力通信终端需求也越来越多，保障电力业务qos需求，是建设城市能源互联网的前提。
3.然而，可用于电力通信的频谱资源非常有限，当前的空中接口技术也难以在根源上提高资源利用率。灵活高效的网络资源分配技术对于5g新型业务场景以及后5g时代的电力通信技术发展都有着举足轻重的地位。如何有效地分配带宽仍然是一个非常困难的问题，面对这种差异巨大的服务需求，如何高效利用有限的网络资源变得尤为重要。
4.基于无线系统对高速、高效信息传输的要求，5g电力通信的关键技术之一d2d(device-to-device)技术应运而生。跳过基站的转发过程，直接点对点信息传输是通过复用蜂窝网络的信道资源直接进行的。现有技术中通信机制、模式选择、资源分配、d2d中继技术都取得了长足的进步。但是，由于蜂窝电力通信终端的链路资源被重用，并且不能忽略内部干扰，使得d2d通信也带来了新的问题和挑战，在实际应用中，由于5g电力通信无线信道的衰落现象，一个电力通信终端在不同信道(资源块)上观察到的信道质量是不同的。如果给电力通信终端分配一个质量好的信道，可以获得更高的数据速率。可以看出，如果系统在分配资源块时考虑到每个电力通信终端的位置和信道衰落引起的信道质量差异，可以优化资源分配方案，实现面向城市能源互联网的海量电力业务接入与通信qos全面提升。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，基于信道质量，提出了一种基于信道概率统计特性的5g电力d2d通信网络资源分配优化方法，是一种5g电力d2d通信网络中的资源优化算法，可以有效提高电力通信网络资源分配效率，全面提升电力通信高质量和高速数据传输的应用。
6.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
7.一种基于信道概率统计特性的5g电力d2d通信网络资源分配优化方法，包括如下方法步骤：
8.步骤一：5g电力通信网中d2d电力通信终端访问控制；
9.步骤二：选择5g电力通信中d2d电力通信终端的最优cu多路复用伙伴；
10.步骤三：d2d电力通信终端与cu复用伙伴的功率分配；
11.步骤四：求解非线性模型增加5g电力通信网络吞吐量；
12.步骤五：分配基于图论中的加权二部图最大匹配算法，为d2d电力通信终端选择合适的cu复用伙伴。
13.而且，步骤一中当没有d2d电力通信终端复用cu电力通信终端i的信道时，满足其信号与干扰加噪声比sinr要求的最低发射功率可表示为：
[0014][0015]
其中g
i,b
表示电力通信终端i到基站bs链路的信道增益，表示最小信干噪比，表示噪声功率，
[0016]
同样，当没有cu电力通信终端的干扰时，即d2d电力通信终端独占cu电力通信终端的信道时，满足sinr要求的最小发射功率可表示为：
[0017][0018]
必须满足两个电力通信终端的最小信噪比限制和最大发射功率限制，因此，d2d电力通信终端j通过cu电力通信终端i的信道复用接入网络的条件可以表示为：
[0019][0020]
其中表示cu电力通信终端i到d2d电力通信终端j的接收机的信道增益。
[0021]
而且，步骤二中一对d2d电力通信终端最多可以复用一个cu电力通信终端的通道，且一个cu电力通信终端的通道最多可以重复使用一对d2d电力通信终端，此时，可以将5g电力通信中d2d电力通信终端的最优cu多路复用伙伴选择问题转化为图论中的加权两部分，图的最大匹配问题的数学匹配如下：
[0022][0023]
其中p
i,j
表示cu电力通信终端的发射功率，表示映射关系，上式为约束条件的加权二部图的最大匹配问题，其中所有d2d电力通信终端的集合和所有cu复用伙伴的集合分别表示图中两个内部不相交的顶点集，如果cu电力通信终端i是d2d电力通信终端j的潜在复用伙伴，则cu电力通信终端i与d2d电力通信终端j之间存在一条连接，这条线上的权重为d2d电力通信终端j复用cu电力通信终端i的信道频带。
[0024]
而且，步骤三中当5g电力基站没有完善的cu-d链路信道信息时，无法保证d2d电力通信终端的最小sinr，所以使用中断概率来保证d2d电力通信终端的服务质量，信道信息的不确定性将通过两种不同的方法处理，包括基于信道概率统计的概率资源分配策略和基于电力通信终端选择的有限反馈机制。
[0025]
而且，所述的基于信道概率统计的概率资源分配策略具体方法包括：
[0026]
首先，提出了一种衰落信道下基于最小接入距离补偿因子的电力通信终端接入控制准则，然后，采用类似于完美信道下用户功率分配和信道分配的方法，得到一种保证不完美信道信息下电力通信终端qos要求的资源分配方案，在全负荷的5g电力通信网络环境下，d2d电力通信终端只能通过cu电力通信终端的信道复用才能接入网络，因此，对于d2d电力通信终端j来说，如果cu电力通信终端i的信道是复用的，则必须满足优化问题中的约束条件，即：
[0027][0028]
在5g电力通信信道信息完善的情况下，可以使用满足d2d电力通信终端所有接入条件的最短接入距离准则来判断d2d电力通信终端是否能够接入网络，根据这个标准，bs可以找到一个d2d电力通信终端可以复用的所有cu电力通信终端，并判断该d2d电力通信终端是否可以接入网络，显然，这种最短的访问距离不满足不完全信道信息定义的访问条件，然而，可以得到以下两个推论：
[0029][0030]ch+n
＝b log2(1+γ
c+n
)
ꢀꢀ
(7)
[0031]
其中γ表示d2d电力通信终端可以接入网络的概率，c
h+n
表示5g电力通信信道容量。
[0032]
而且，基于电力通信终端选择的有限反馈机制方法包括：首先寻找k个最优cu反馈电力通信终端，测量反馈电力通信终端和d2d电力通信终端接收者的cu-d链路信道信息，并根据准确的信道信息报告给bs，选择d2d电力通信终端的多路复用合作伙伴，然后，对于所有未被选择为反馈电力通信终端的cu电力通信终端，执行基于保证d2d电力通信终端中断概率要求的访问准则，判断该电力通信终端是否为d2d电力通信终端的多路复用合作伙伴，选择一个范围，增加d2d电力通信终端接入网络的概率，bs进行复用伙伴选择后，根据信道概率统计特性，对选择的cu复用伙伴进行优功率分配方案和启发式功率分配方案。
[0033]
而且，步骤四中为了使5g电力通信网络吞吐量最大化，通过求解非线性模型，提出了两种资源分配算法，最优资源算法可获得理论全局最优解，次优资源分配算法可作为前者的补充，当系统结构过于复杂时，可采用该方法降低成本，提高效率，采用瑞利分布来描述5g电力通信网络中电力通信终端在不同信道下的质量变化，变量表示c，即电力通信终端与所选信道i通信时的容量，其概率密度函数为：
[0034][0035]
蜂窝模式下，从发射端到基站有上行信道，从基站到接收端有下行信道，假设发送方为电力通信终端j，接收方为用户j+n。
[0036]
而且，步骤五中分配基于图论中的加权二部图最大匹配算法，为d2d电力通信终端
选择合适的cu复用伙伴，在获得d2d电力通信终端的平均吞吐量增益后，基于加权二部图最大匹配问题的km算法可用于获得d2d电力通信终端与cu复用伙伴的最优信道配对。
[0037]
而且，所述的km算法如下：设g＝(v，e，p)是一个赋权二分图，顶点v可分割为两个互不相交的子集，分别代表d2d电力通信终端集合和cu复用伙伴集合，即赋权二分图g＝(x，y，e，p)其中x＝{x1,x2,...,xm}，y＝{y1,y2,...,yn}，边e∈e的两个端点分别位于节点集合x和y中，边xiyi的权重值p
ij
＝p(xiyi)表示d2d电力通信终端与cu复用伙伴的匹配度，p为边权重值p
ij
构成的边权矩阵，因此为d2d电力通信终端选择合适的cu复用伙伴问题可以等价为在二分图中寻找d2d电力通信终端与cu复用伙伴最优匹配。
[0038]
本发明的优点和积极效果是：
[0039]
本发明设计科学合理，提供一种基于信道概率统计特性的5g电力d2d通信网络资源分配优化方法，基于信道概率和统计的5g电力通信资源分配算法具有最优的中断概率阈值，使d2d电力通信终端接入速率和d2d电力通信终端吞吐量获得最大；基于电力通信终端选择的有限反馈算法，可以显著降低电力通信终端反馈开销；对信道衰落模型变化和d2d通信距离变化不敏感；混合策略资源分配算法结合了基于电力通信终端选择有限反馈机制的信道概率统计资源分配算法的优点，在相同d2d电力通信终端接入速率和d2d吞吐量的情况下，在数量增益水平下，可以进一步降低d2d电力通信终端中断概率和反馈信令开销，有效提高电力通信网络资源分配效率，全面提升电力通信高质量和高速数据传输的应用。
附图说明
[0040]
图1为本发明5g承载网络架构图；
[0041]
图2为本发明d2d通信模型图；
[0042]
图3为本发明基于加权二部图最大匹配的复用伙伴关系图；
[0043]
图4为本发明吞吐量性能仿真结果图；
[0044]
图5为本发明混合资源算法性能仿真结果图。
具体实施方式
[0045]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0046]
本发明提供一种基于信道概率统计特性的5g电力d2d通信网络资源分配优化方法，如图1所示，为满足5g电力通信网络架构中海量、多样化业务需求而提出的接入网、核心网、承载网的变化，并根据需求具体设计相应的网络资源分配方案分析。
[0047]
接入网中的集中处理单元(centralized unit，cu)，cu主要由通用型服务器部署实现原bbu基带单元的非实时性业务，如电数据采集业务、场站监控业务、智能电力营业厅业务。为了解决5g电力通信网中cu电力通信终端的总吞吐量最大化问题，采用5g电力通信的关键技术之一d2d(device-to-device)技术，d2d通信模型如图2所示，d2d电力通信终端定义了优化目标函数，首先确定集合s的范围，其中s为可以接入网络的电力通信终端集合，并保证其qos要求。具体方法步骤如下：
[0048]
步骤一：5g电力通信网中d2d电力通信终端访问控制。
[0049]
当没有d2d电力通信终端复用cu电力通信终端i的信道时，满足其信号与干扰加噪
声比(signal to interference plus noise ratio，sinr)要求的最低发射功率可表示为：
[0050][0051]
其中g
i,b
表示电力通信终端i到基站bs链路的信道增益，表示最小信干噪比，表示噪声功率。
[0052]
同样，当没有cu电力通信终端的干扰时，即d2d电力通信终端独占cu电力通信终端的信道时，满足sinr要求的最小发射功率可表示为：
[0053][0054]
必须满足两个电力通信终端的最小信噪比限制和最大发射功率限制。因此，d2d电力通信终端j通过cu电力通信终端i的信道复用接入网络的条件可以表示为：
[0055][0056]
其中表示cu电力通信终端i到d2d电力通信终端j的接收机的信道增益。
[0057]
步骤二：选择5g电力通信中d2d电力通信终端的最优cu多路复用伙伴。
[0058]
对于5g电力通信网络中有多对d2d电力通信终端的场景，由于不同的d2d电力通信终端可能拥有相同的cu复用最优伙伴，使得d2d电力通信终端的访问控制和cu复用伙伴选择变得更加复杂。
[0059]
一对d2d电力通信终端最多可以复用一个cu电力通信终端的通道，且一个cu电力通信终端的通道最多可以重复使用一对d2d电力通信终端。此时，可以将5g电力通信中d2d电力通信终端的最优cu多路复用伙伴选择问题转化为图论中的加权两部分。图的最大匹配问题的数学匹配如下：
[0060][0061]
其中p
i,j
表示cu电力通信终端的发射功率，表示映射关系，上式为约束条件的加权二部图的最大匹配问题，其中所有d2d电力通信终端的集合和所有cu复用伙伴的集合分别表示如图3所示中两个内部不相交的顶点集。如果cu电力通信终端i是d2d电力通信终端j的潜在复用伙伴，则cu电力通信终端i与d2d电力通信终端j之间存在一条连接，这条线上的权重为d2d电力通信终端j复用cu电力通信终端i的信道频带。
[0062]
步骤三：d2d电力通信终端与cu复用伙伴的功率分配。
[0063]
通常，系统的性能会由于衰退而下降。而对于5g电力d2d通信来说，衰落会导致更多的信道分集，如提高有用信道的功率增益，降低干扰信道的功率增益，从而增加d2d电力通信终端的访问概率，增加系统吞吐量。也就是说，在干扰有限的无线网络中，衰落可以提高电力通信终端的qos。
[0064]
当5g电力基站没有完善的cu-d链路信道信息时，无法保证d2d电力通信终端的最小sinr，所以使用中断概率来保证d2d电力通信终端的服务质量。信道信息的不确定性将通过两种不同的方法处理：基于信道概率统计的概率资源分配策略和基于电力通信终端选择的有限反馈机制。
[0065]
根据信道统计特性，提出了一种基于d2d电力通信终端中断概率阈值的资源分配方案，以解决5g电力通信网络中cu-d链路信道衰落带来的不确定性。首先，提出了一种衰落信道下基于最小接入距离补偿因子的电力通信终端接入控制准则。然后，采用类似于完美信道下用户功率分配和信道分配的方法，得到一种保证不完美信道信息下电力通信终端qos要求的资源分配方案。
[0066]
在全负荷的5g电力通信网络环境下，d2d电力通信终端只能通过cu电力通信终端的信道复用才能接入网络。因此，对于d2d电力通信终端j来说，如果cu电力通信终端i的信道是复用的，则必须满足优化问题中的约束条件，即：
[0067][0068]
在5g电力通信信道信息完善的情况下，可以使用满足d2d电力通信终端所有接入条件的最短接入距离准则来判断d2d电力通信终端是否能够接入网络。根据这个标准，bs可以找到一个d2d电力通信终端可以复用的所有cu电力通信终端，并判断该d2d电力通信终端是否可以接入网络。显然，这种最短的访问距离不满足不完全信道信息定义的访问条件。然而，可以得到以下两个推论。
[0069][0070]ch+n
＝b log2(1+γ
c+n
)
ꢀꢀ
(7)
[0071]
其中γ表示d2d电力通信终端可以接入网络的概率，c
h+n
表示5g电力通信信道容量。
[0072]
步骤四：求解非线性模型增加5g电力通信网络吞吐量。
[0073]
式(2)中的信道容量是现有信道资源分配方法的主要依据，其取值主要取决于信道带宽b、发射功率和收发终端之间的距离。但是，我们认为由于信道衰落的存在，电力通信终端在不同信道上观察到的信道质量是不同的。如果在分配信道时考虑到该因素，可以优化信道分配，进一步增加5g电力通信网络的容量。为了使5g电力通信网络吞吐量最大化，通过求解非线性模型，提出了两种资源分配算法。最优资源算法可获得理论全局最优解，次优资源分配算法可作为前者的补充。当系统结构过于复杂时，可采用该方法降低成本，提高效率。因此，本文采用瑞利分布来描述5g电力通信网络中电力通信终端在不同信道下的质量变化。变量表示c，即电力通信终端与所选信道i通信时的容量，其概率密度函数为：
[0074][0075]
蜂窝模式下，从发射端到基站有上行信道，从基站到接收端有下行信道。假设发送
方为电力通信终端j，接收方为用户j+n。
[0076]
步骤五：分配基于图论中的加权二部图最大匹配算法，为d2d电力通信终端选择合适的cu复用伙伴。在获得d2d电力通信终端的平均吞吐量增益后，基于加权二部图最大匹配问题的km算法可用于获得d2d电力通信终端与cu复用伙伴的最优信道配对。
[0077]
km算法如下：设g＝(v，e，p)是一个赋权二分图，顶点v可分割为两个互不相交的子集，分别代表d2d电力通信终端集合和cu复用伙伴集合，即赋权二分图g＝(x，y，e，p)其中x＝{x1,x2,...,xm}，y＝{y1,y2,...,yn}，边e∈e的两个端点分别位于节点集合x和y中，边xiyi的权重值p
ij
＝p(xiyi)表示d2d电力通信终端与cu复用伙伴的匹配度，p为边权重值p
ij
构成的边权矩阵，因此为d2d电力通信终端选择合适的cu复用伙伴问题可以等价为在二分图中寻找d2d电力通信终端与cu复用伙伴最优匹配。
[0078]
在上述混合策略资源分配方案中，首先寻找k个最优cu反馈电力通信终端，测量反馈电力通信终端和d2d电力通信终端接收者的cu-d链路信道信息，并根据准确的信道信息报告给bs。选择d2d电力通信终端的多路复用合作伙伴。然后，对于所有未被选择为反馈电力通信终端的cu电力通信终端，执行基于保证d2d电力通信终端中断概率要求的访问准则，判断该电力通信终端是否为d2d电力通信终端的多路复用合作伙伴。通过这种方式，一方面，有助于改善多路复用伙伴选择的准确性，另一方面，基于信道概率统计的5g电力通信资源分配方案有助于增加多路复用的合作伙伴。选择一个范围，增加d2d电力通信终端接入网络的概率。bs进行复用伙伴选择后，根据信道概率统计特性，对选择的cu复用伙伴进行优功率分配方案和启发式功率分配方案。
[0079]
本实施例针对基于信道概率统计特性的5g电力d2d通信网络资源分配优化方法的性能进行了分析：
[0080]
在基于信道概率统计特性的5g电力d2d通信资源分配算法中，d2d电力通信终端的传输中断现象是不可避免的。因此，除了d2d通信的两个主要性能指标d2d用户接入速率和d2d电力通信终端吞吐量增益外，本发明还使用d2d电力通信终端中断概率来评估这两种算法，即接入网中发生传输中断的概率，d2d电力通信终端数量与接入网络的d2d电力通信终端总数的比值。
[0081]
比较了瑞利衰落信道模型中的混合策略资源分配(comb)算法、prob算法和kmdr算法，d2d电力通信终端接入速率、d2d电力通信终端吞吐量增益、d2d接入电力通信终端中断概率随d2d电力通信终端集群半径的变化：
[0082]
如图4-图5所示，在该算法中，d2d电力通信终端首先执行有限反馈机制，选择最有价值的cu电力通信终端对干扰通道进行测量和反馈，以降低d2d电力通信终端中断概率，执行未选中的cu电力通信终端。
[0083]
一种基于信道概率统计的5g电力通信资源分配策略，以增加d2d电力通信终端可复用的信道数量，减少信令开销。仿真结果表明，基于信道概率和统计的5g电力通信资源分配算法具有最优的中断概率阈值，使d2d电力通信终端接入速率和d2d电力通信终端吞吐量获得最大。基于电力通信终端选择的有限反馈算法，可以显著降低电力通信终端反馈开销。对信道衰落模型变化和d2d通信距离变化不敏感；混合策略资源分配算法结合了基于电力通信终端选择有限反馈机制的信道概率统计资源分配算法的优点，在相同d2d电力通信终端接入速率和d2d吞吐量的情况下，在数量增益水平下，可以进一步降低d2d电力通信终端
中断概率和反馈信令开销。
[0084]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。