[发明专利]中继增强D2D通信的联合无线信道分配和功率控制方法

权利要求书

1.中继增强D2D通信的联合无线信道分配和功率控制方法，其特征在于，包括：

S1、在模拟的真实链路场景下，以最小化系统总功率消耗为目标函数，分别以蜂窝用户服务质量、D2D用户服务质量、蜂窝用户的功率限制、D2D用户的功率限制、中继节点的功率限制、信道复用情况、通信模式为约束条件，确定第一优化问题；

所述模拟的真实链路场景包括：K个蜂窝用户、L对D2D用户、M个中继设备，K个蜂窝用户与L对D2D用户随机分布在小区内，M个中继设备均匀分布在小区内，ML，小区内共有K条信道，每个蜂窝用户单独使用一条信道，每个D2D用户可复用多个蜂窝用户的信道资源且每个蜂窝用户的资源可被多个D2D用户复用，每个中继仅能为一条D2D链路提供服务，一条D2D链路也只能选择一个中继节点进行中继通信；

将每个调度周期分为两个时长相等的时隙，蜂窝用户在两个时隙内均向基站发送数据，直接通信D2D链路发送端在两个时隙内均向对应的接收端发送数据，中继通信D2D链路的发送端在第一个时隙向其选择的中继节点发送数据，然后中继节点在第二个时隙将数据转发给对应的接收端；

第一优化问题表达式如下：

s.t.

其中，P1表示第一优化问题的目标函数，r_k表示第k个蜂窝用户的数据速率，r_l^(D)表示直接通信D2D用户l的数据速率，r_l^(r)表示中继通信D2D用户l的数据速率；p_k表示蜂窝用户k的发射功率，表示直接通信D2D用户l复用信道k的资源时的发射功率，表示中继通信D2D用户l复用信道k的资源时的发射功率，中继D2D用户l通过中继节点r(l)进行通信时，该中继节点的发射功率；是蜂窝用户k需要满足的最小数据速率，r_l^req是D2D链路l需要满足的最小数据速率；表示蜂窝用户的最大发射功率，P_l^max表示D2D用户l的最大发射功率，表示中继节点的最大发射功率；β_k,l＝1代表D2D用户l复用了蜂窝用户k的资源，β_k,l＝0代表D2D用户l没有复用蜂窝用户k的资源；ω_l,m＝1表示D2D用户l选择中继通信模式，且通过中继m进行中继通信，ω_l,m＝0表示D2D用户l未通过中继m进行通信；

S2、根据信道质量确定通信模式，将第一优化问题转化为第二优化问题；通信模式确定过程为：若则该D2D链路选择中继通信模式，反之，该D2D链路选择直接通信模式；其中γ_l表示D2D链路的瞬时信噪比，表示D2D发送端l_s到中继节点m的瞬时信噪比，表示中继节点m到D2D接收端l_r的瞬时信噪比；

根据确定的模式选择变量ω的取值，将第一优化问题转化为第二优化问题：

s.t.

S3、根据确定的信道复用情况，将第二优化问题转化为第三优化问题；所述信道复用情况为：每条信道资源被所有D2D用户复用；

以最小化系统功率为目标函数，将第二优化问题转化为第三优化问题；设得到所述第三优化问题表达式为：

s.t.

其中，表示直接通信D2D用户l′复用蜂窝用户k的资源时的功率，表示中继通信D2D用户l″复用蜂窝用户k的资源时的功率，表示D2D链路l的中继节点r(l″)的功率，L^(D)表示直接通信D2D用户的集合，L^(r)表示中继通信D2D用户的集合；表示D2D用户l发送端到接收端增益的归一化，表示蜂窝用户k到D2D用户l接收端增益的归一化，表示蜂窝用户k到基站的增益的归一化，表示D2D用户l′对基站的增益的归一化，表示D2D用户l″对基站的增益的归一化，表示复用同一信道资源k的D2D用户l'发送端到D2D用户l接收端增益的归一化，表示复用同一信道资源k的D2D用户l″发送端到D2D用户l接收端增益的归一化，表示D2D链路l″的中继节点r(l″)对基站的增益的归一化，表示复用同一信道资源k的中继通信D2D用户l的中继节点r(l)到D2D用户l接收端增益的归一化，表示复用同一信道资源k的中继通信D2D用户l”的中继节点r(l”)到D2D用户l接收端增益的归一化，表示D2D用户l发送端到D2D用户l的中继节点r(l)的增益的归一化，表示D2D用户l'发送端到D2D用户l的中继节点r(l′)的增益的归一化，表示D2D用户l″发送端到D2D用户l的中继节点r(l″)的增益的归一化；

S4、通过求解第三优化问题，得到信道分配方式；

根据信道分配方式将第二优化问题转化为几何规划问题，对该几何规划问题进行求解得到各用户功率与最小化系统功率消耗，具体为：

首先，将第三优化问题中的约束条件转化为满足GP几何规划，把蜂窝用户和直接通信D2D用户的QoS约束放缩为多项式，在把第三优化问题P3中的中继D2D用户的QoS约束和左边式子化为多项式，即不等号左边式子的分母化为单项式，设左边式子的分母分别为g_k,l(P)和s_k,l(P)，那么左式可表示单项式的和：

表示蜂窝用户k到D2D链路l中继节点r(l)的增益的归一化；

且g_k,l(P),s_k,l(P)分别可以近似为单项式可写为：

其中，P^(i-1)表示在第i-1次求解GP时P的值，P是指系统内所有用户功率的集合，由此，第三优化问题变为GP可解的，此时新的中继通信D2D用户的QoS约束为：

其次，对第三优化问题进行求解，得到各D2D用户在复用不同信道资源时的功率；

然后，判断D2D用户在复用信道资源时的功率是否大于或等于给定阈值，得到信道分配结果；具体为当或者时，那么β_k,l＝1；否则β_k,l＝0，τ是信道分配规则中给定的容错率，τ＝10^-6；

S5、根据步骤S4得到的信道分配方式，将第二优化问题转化为第四优化问题；

根据信道分配结果以及新的中继通信D2D用户的服务质量约束，并以最小化系统总功率消耗为目标函数；将第二优化问题转化为满足几何规划的第四优化问题：

s.t.

其中，P4表示几何规划问题的目标函数，表示复用了蜂窝用户k的直接通信D2D用户的集合，表示复用了蜂窝用户k的中继通信D2D用户的集合；

S6、通过对第四优化问题进行求解，得到各用户功率与最小化系统功率消耗；

通过迭代求解第四优化问题，当满足||P⁽ⁱ⁾-P^(i-1)||≤μ时，得到第四优化问题的解，即得到最小化系统总功率消耗；||·||表示取绝对值运算。