[发明专利]蜂窝网络中全双工D2D的功率分配方法

说明书

本发明公开一种蜂窝网络中全双工D2D的功率分配方法，解决了现有技术中D2D通信系统频谱效率较低的问题。本发明在满足蜂窝用户的最小通信速率约束和蜂窝用户、D2D用户的单独功率约束的基础上，建立最大化系统频谱效率的蜂窝网络系统模型，针对得到的非线性非凸优化模型，使用传统优化方法和智能算法相结合的功率分配方法得到蜂窝用户和D2D用户的发射功率。本发明考虑了全双工D2D用户和蜂窝用户的总频谱效率，且提出的功率分配方法具有精度高、复杂度低的特点，提高了D2D通信系统的可靠性和频谱效率。

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及终端直通通信技术领域中的一种蜂窝网络中全双工终端直通D2D(Device-to-Device)的功率分配方法。本发明可用于无线移动通信的蜂窝网络中，蜂窝用户使用传统蜂窝通信方式与基站通信，D2D用户使用全双工模式复用蜂窝用户的频谱资源进行D2D通信，进行蜂窝用户和D2D用户的最优功率分配，使系统频谱效率最大化，提升通信系统的频谱利用率和可靠性。

背景技术

D2D通信可以带来信道增益、跳数增益和复用增益，具有提高系统性能、提升用户体验、扩展蜂窝通信应用等优势，被广泛认为是下一代蜂窝网络中的关键技术之一。所谓D2D通信，是指D2D用户之间可以直接通信，不经过基站的中转。D2D通信可以使用专门的频谱资源，也可以复用传统蜂窝用户的频谱资源。当D2D复用蜂窝用户的频谱资源时，可以提高频谱利用率，但会对蜂窝用户造成干扰，同时也会受到来自蜂窝用户的干扰。D2D用户的工作模式分为半双工模式和全双工模式，当D2D用户采用全双工模式通信时，可以进一步提高频谱效率，但是会带来自身环路干扰，使干扰情况更加复杂。因此需要通过有效的资源分配方案来控制干扰，从而在保证蜂窝用户的通信质量的基础上，最大化通信系统的频谱效率。

Boqun Zuo等人在其发表的论文“Power Allocation Optimization for Full-Duplex D2D Communications Underlaying Cellular Networks”(Networking andNetwork Applications(NaNA),2016International Conference,pp.103-108)中提出了蜂窝网络中一种最大化全双工D2D用户的频谱效率的功率分配方法。该方法用于终端直通系统，在保证蜂窝用户的通信速率和各用户的单独功率约束下，构建D2D用户频谱效率最大化的数学模型，进一步通过凸近似的方法将非凸问题近似为凸问题，并通过多层迭代收敛到凸问题的优化解的方法来进行功率分配。该方法存在的不足之处是：目标函数只考虑了D2D链路的频谱效率，没有考虑蜂窝用户频谱效率，没有完全发挥全双工系统的性能。

东南大学在其申请的专利文件“一种D2D用户对与蜂窝用户共享频谱的功率分配方法”(申请号：201710346637.X公开号：CN 107172574 A)中公开了一种D2D用户对与蜂窝用户共享频谱的功率分配方法。该方法的实现步骤为：第一，初始化迭代次数、用户分配功率和拉格朗日乘子；第二，计算蜂窝用户的分配功率；第三，对D2D用户对的数据速率进行一阶凸近似后化简；第四，利用次梯度下降法，更新用户分配功率和拉格朗日乘子；第五，判断拉格朗日乘子是否收敛，若是，则当前计算得到的分配功率矩阵为最终分配功率，若否，则将循环次数加一，返回执行步骤二。该方法存在的不足之处在于，该方法适用于D2D工作在半双工模式下，目标函数只考虑了D2D链路的和速率，系统的频谱利用率较低。

西安电子科技大学在其申请的专利文件“嵌入D2D的蜂窝网络中基于SINR增量迭代的功率分配方法”(申请号：201310606828.7公开号：CN 103582104 A)中公开了一种嵌入D2D的蜂窝网络中基于SINR增量迭代的功率分配方法。该方法首先建立关于该功率分配问题的模型，用效用函数的增加量来代表每次迭代时的收益。迭代算法包括：计算效用函数，改变蜂窝通信接收端的SINR和D2D通信接收端的SINR，计算相关收益函数，比较收益函数值大小从而确定增加哪类用户的SINR。该方法存在的不足之处在于：该方法适用于D2D工作在半双工模式下，整个系统的频谱利用率没有得到充分的利用。