多信道蜂窩用戶情況下的d2d功率分配快速優(yōu)化算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于基于蜂窩網(wǎng)的D2D通信技術(shù)，具體而言是一種針對蜂窩用戶占用多信 道、蜂窩用戶和D2D用戶在每個頻帶上有最大發(fā)射功率限制條件下，蜂窩用戶和D2D用戶功 率分配的快速優(yōu)化算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于蜂窩網(wǎng)的D2D通信即是鄰近用戶之間不通過基站轉(zhuǎn)接，直接利用蜂窩網(wǎng)資源 實現(xiàn)通信的技術(shù)。D2D技術(shù)有望降低基站負載，提高蜂窩頻譜利用率。眾多研究表明，基于 蜂窩網(wǎng)的D2D通信能夠在局部區(qū)域內(nèi)提供更好、更直接的無線服務(wù)。D2D技術(shù)有著明朗的應(yīng) 用前景，比如在一個大型音樂會上，舉辦方通過遠程服務(wù)器為觀眾提供相關(guān)資源下載服務(wù)， 由于同一時間下載請求過多，很容易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。若應(yīng)用D2D技術(shù)，已經(jīng)下載了資源的用 戶可以通過D2D鏈路將資源分享給別的用戶，大大減輕網(wǎng)絡(luò)負擔。
[0003] 由于D2D用戶和蜂窩用戶共用相同的頻譜資源，D2D用戶在利用蜂窩網(wǎng)資源的同 時，也必然會對使用相同頻譜資源的蜂窩用戶產(chǎn)生干擾，同樣的，蜂窩用戶也會對占用同一 頻帶的D2D用戶產(chǎn)生干擾。因而D2D技術(shù)優(yōu)勢得以發(fā)揮的關(guān)鍵在于高效的資源共享方案，這 其中主要包括D2D用戶和蜂窩頻帶的匹配，以及D2D用戶和蜂窩用戶發(fā)射功率的控制。優(yōu) 化的功率控制算法能夠有效控制D2D用戶和蜂窩用戶間的干擾，并提高蜂窩資源的頻譜利 用率。
[0004] 在當前國內(nèi)外大部分研究中，都假設(shè)同一蜂窩信道同一時刻至多只能被一個D2D 用戶共享，這大大簡化了問題的復(fù)雜度，但無疑也降低了 D2D系統(tǒng)的靈活度。在本發(fā)明中條 件中，我們假設(shè)某一蜂窩信道同時可被所有D2D用戶所共用，且考慮到當前LTE系統(tǒng)已經(jīng)大 規(guī)模部署，因此我們基于多信道蜂窩用戶的情況，提出了一種求解蜂窩用戶和D2D用戶功 率分配的快速優(yōu)化算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種多信道蜂窩用戶情 況下的D2D功率分配快速優(yōu)化算法，在滿足蜂窩用戶Quality of Service(QoS)條件下，最 大化蜂窩網(wǎng)中所有D2D用戶的和通信速率；本發(fā)明方法能夠輸出優(yōu)化的蜂窩用戶在每一頻 帶上的發(fā)射功率f和每一 D2D用戶在每一蜂窩頻帶上的發(fā)射功率q:。
[0006] 技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] 多信道蜂窩用戶情況下的D2D功率分配快速優(yōu)化算法，本算法采用連續(xù)凸近似的 方法，將原強非凸問題近似為凸優(yōu)化問題，近似后的目標函數(shù)優(yōu)化值為原目標函數(shù)優(yōu)化值 的一個下界，通過構(gòu)造迭代方程以快速收斂到凸優(yōu)化問題的優(yōu)化解，從而得到D2D用戶的 優(yōu)化和通信速率。
[0008] 多信道蜂窩用戶情況下的D2D功率分配快速優(yōu)化算法，設(shè)蜂窩系統(tǒng)共有M對D2D 用戶和一個蜂窩用戶，該蜂窩用戶占用N個蜂窩頻帶，所述N個蜂窩頻帶均可被每對D2D用 戶共享；定義=P1表示蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上的發(fā)射功率；q i表示D2D用戶在蜂窩頻帶i 上的發(fā)射功率向量，Qi= [q qi；!，…，qi_j，…，QiM]，Clij表示第J_對D2D用戶在蜂窩頻帶i上 的發(fā)射功率； ai表示蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上到基站歸一化后的信道增益；Θ u表示第j對 D2D用戶在蜂窩頻帶i上對蜂窩用戶干擾信道的信道增益；Γι]表示第j對D2D用戶在蜂窩 頻帶i上的歸一化后的信道增益；β u表示蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上對第j對D2D用戶干 擾信道的信道增益；ξ lU表示第1對D2D用戶對第j對D2D用戶在蜂窩頻帶i上的干擾信 道的增益；P i表示蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上的最低通信速率；在蜂窩用戶獨立功率限制以 及D2D用戶獨立功率限制下，采用如下算法解決D2D用戶通信速率優(yōu)化問題：
[0009] (1)蜂窩用戶占用N個蜂窩頻帶，通信速率為t Λ rr , , 把（/Π )二1〇g(l..+--)； 第j對D2D用戶在蜂窩頻帶i上的通信速率為y \ + β,ρ,+ Σ 4/^ ? 二 IUj _〇] ⑵以（·）⑴表示（·）的第1次迭代結(jié)果，qf)=[<，沾),.、忒>，...，')]、 = [4ι°，4Γ，·..，4°，·.·，4];對所有 i = !，2,…，n，初始化 Aws =.〇:、qp) ;〇、if) =^i、. BW=0、廣=0、拉格朗日算子入(。)=〇,給定計算精度ε "^、^、^，初始 化迭代次數(shù)t = 0、s = 0、k = 0;
[0011] (3)計算#+1)=疒(#'#)和<+1)=療(/^，(^)，其中 ：
[0012] 1 1 % 爹觀; Jd ?η^ α(?)?=·_-__
[0013] 'iiKP，，q， SIR^p^,^)^ ^ SIR^P^^^y 1 一^^ ^^ _ ι+Σ^Γ M 峰,(' 〇---
[0015] ι+ΑρΓ+ΣΜ
[0016] 其中和均為迭代函數(shù)構(gòu)成的函數(shù)向量， Jf (Pik), qff)=Ua ip\k) < q!*'11 Jlk KpT ^ q!*'1 ^ q;i})] 1Aiii)為蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上的信噪比，為第j對D2D用戶在蜂 窩頻帶i上的信噪比；
[0017] ⑷對所有
是否均成立：若成立，則進入步驟（5);否則令k = k+Ι，返回步驟（3);
[0018] (5)計算
，其中C表示更新常數(shù)，
R為所有蜂窩用戶最小通信速率；
[0019] (6)判斷
是否成立：若成立，則進入步驟（7);否則令s = s+1，返 回步驟（3);
[0021]
是否成立：若成立，則將Aai作為優(yōu)化后 的蜂窩用戶在蜂窩頻帶i上的發(fā)射功率輸出，將f作為優(yōu)化后的D2D用戶在蜂窩頻帶i 上的發(fā)射功率向量q『輸出，并求出對用所有D2D用戶的通信速率；否則令t = t+Ι且S = s+1，返回步驟（3)。
[0022] 有益效果：本發(fā)明提供的多信道蜂窩用戶情況下的D2D功率分配快速優(yōu)化算法， 與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)勢：1、本發(fā)明所提算法適用于多D2D用戶的情況，且D2D用戶 為多信道用戶，即同一時刻可使用所有的蜂窩信道；應(yīng)用本算法可輸出所有D2D用戶在不 同頻帶上的優(yōu)化發(fā)射功率，最大化D2D用戶的通信速率；2、本發(fā)明中同一蜂窩頻帶同時可 被所有D2D用戶使用，而不僅限于最多一個D2D用戶使用，頻譜資源共用更加靈活；3、本發(fā) 明中所提算法不僅僅適用于蜂窩用戶和D2D用戶均為獨立功率限制的情況，將此算法加以 推廣，亦適用于蜂窩用戶和D2D用戶和功率限制的情況；4、本發(fā)明所提算法適用于多信道 蜂窩用戶的情況，與當前LTE系統(tǒng)相符，便于實際部署；5、本發(fā)明中提出的算法收斂速度 快，可構(gòu)造成異步時的分布實現(xiàn)，進一步提高時間復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0023] 圖1為基于多信道蜂窩網(wǎng)上行鏈路的D2D系統(tǒng)示意圖；
[0024] 圖2為多信道蜂窩用戶情形下，蜂窩用戶和D2D用戶均為獨立功率限制，D2D和通 十目速率與蜂窩用戶QoS關(guān)系不意圖；
[0025] 圖3為多信道蜂窩用戶情形下，蜂窩用戶和D2D用戶均為獨立功率限制，D2D用戶 和通信速率與蜂窩頻帶數(shù)量關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 基于蜂窩網(wǎng)的D2D用戶的通信速率優(yōu)化問題是一個復(fù)雜的非凸非線性的優(yōu)化問 題，本發(fā)明針對的蜂窩用戶為多信道，D2D用戶為多信道，應(yīng)用本算法可以在蜂窩用戶獨立 功率限制、D2D用戶獨立功率限制條件下，快速優(yōu)化并求解出蜂窩用戶發(fā)射功率 ？1和D2D用 戶發(fā)射功率Cli。采用本優(yōu)化算法得到的發(fā)射功率能夠保證蜂窩用戶在所有蜂窩頻帶上和通 信速率要求，并最大化所有D2D用戶在所有蜂窩頻帶上的通信速率之和。。下面結(jié)合附圖對 本發(fā)明作更進一步的說明。
[0027] 圖1和圖2中實線為非干擾信道，虛線為D2D用戶對和蜂窩用戶之間、不同D2D用 戶對之間的干擾信道；Cellular user i表示蜂窩用戶i，D2D j Tx表示第j對D2D用戶對 發(fā)送機，D2D j Rx表示第j對D2D用戶對接收機，圖中各個參數(shù)的說明如下：
[0028] ：蜂窩用戶在的蜂窩頻帶i上到基站的信道；
[0029] < :在蜂窩頻帶i上蜂窩用戶對第j對D2D用戶對接收機的干擾信道；
[0030] :第j對D2D用戶對在蜂窩頻帶i上的信道；
[0031] :在蜂窩頻帶i上第j對D2D用戶對對蜂窩用戶的干擾信道；
[0032] :第k對D2D用戶對發(fā)射機在蜂窩頻帶i上對第j對D2D用戶對接