[发明专利]蜂窝网络中全双工D2D的功率分配方法

摘要

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。

主权项

1.一种蜂窝网络中全双工D2D的功率分配方法，其特征在于，蜂窝网络中包含一个基站、一个蜂窝用户和两个D2D用户，蜂窝用户到基站采用半双工模式通信，两个D2D用户采用全双工模式复用蜂窝用户的频谱资源通信，通过对蜂窝用户和两个D2D用户进行最优功率分配，使蜂窝网络系统的频谱效率最大，具体步骤包括如下：/n(1)按照下式，计算没有D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源时，蜂窝用户到基站的最大信息速率：/n /n其中，R_cu′表示没有D2D用户复用蜂窝用户cu的频谱资源时，蜂窝用户cu到基站的最大信息速率，B表示蜂窝网络系统的带宽，log₂表示以2为底的对数操作，表示蜂窝用户cu的最大发射功率，h_cu表示蜂窝用户cu到基站通信链路的信道增益，n_c表示基站接收的背景噪声功率；/n(2)判断没有D2D用户复用蜂窝用户cu的频谱资源时蜂窝用户cu到基站的最大信息速率R_cu′是否大于蜂窝网络系统中蜂窝用户cu自身的最小信息速率，若是，则执行步骤(3)，否则，执行步骤(11)；/n(3)按照下式，基站建立使频谱效率最大的蜂窝网络系统的功率分配模型：目标函数约束条件/n0≤p₁≤P₁^max；/n其中，max{·}表示求最大值的操作，p₁表示第一个D2D用户的发射功率，h₁表示第一个D2D用户到基站的干扰链路的信道增益，p₂表示第二个D2D用户的发射功率，h₂表示第二个D2D用户到基站的干扰链路的信道增益，p_cu表示蜂窝用户cu的发射功率，h₁₂表示第一个D2D用户到第二个D2D用户的通信链路的信道增益，h₂′表示蜂窝用户到第二个D2D用户的干扰链路的信道增益，η表示第一个D2D用户进行自干扰消除后的剩余环路自干扰系数，第二个D2D用户与第一个D2D用户的剩余环路自干扰系数相等，n_d表示第一个D2D用户接收的背景噪声功率，第二个D2D用户与第一个D2D用户接收的背景噪声相等，h₂₁表示第二个D2D用户到第一个D2D用户的通信链路的信道增益，h₁′表示蜂窝用户到第一个D2D用户的干扰链路的信道增益，表示蜂窝网络系统设定的蜂窝用户cu的最小信息速率，P₁^max表示第一个D2D用户的最大发射功率，表示第二个D2D用户的最大发射功率；/n(4)获得至少一个D2D用户的发射功率为0时，蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率值：/n(4a)令第一个D2D用户的发射功率为0，利用积极约束条件，计算蜂窝用户、第二个D2D用户的发射功率值，将该功率组合下的系统频谱效率值记为e1；/n计算蜂窝用户和第二个D2D用户的发射功率值的步骤如下：/n第一步，按照下式，利用蜂窝用户的最小速率约束条件，计算判断条件值p₂′：/n /n第二步，按照下式，计算蜂窝用户的满足最小速率约束的最大功率值/n /n第三步，将蜂窝用户发射功率取两个D2D用户发射功率取0记为功率组合3，将蜂窝用户发射功率取第一个D2D用户发射功率取0、第二个D2D用户发射功率取p₂′记为功率组合4，将蜂窝用户发射功率取第一个D2D用户发射功率取0、第二个D2D用户发射功率取记为功率组合5，将蜂窝用户发射功率取第一个D2D用户发射功率取0、第二个D2D用户发射功率取记为功率组合6；/n第四步，若则蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率采用功率组合3中的值；若计算功率组合3和功率组合4对应的系统频谱效率e3和e4，若e3>e4，则蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率采用功率组合3中的值，否则，蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率采用功率组合4中的值；若计算功率组合3、功率组合5和功率组合6对应的系统频谱效率e3、e5和e6，若e3≥e5且e3≥e6，蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率采用功率组合3中的值，若e5>e3且e5>e6，蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率采用功率组合5中的值，若e6>e3且e6>e5，蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率采用功率组合6中的值；/n(4b)令第二个D2D用户的发射功率为0，利用积极约束条件，采用与步骤(4a)相同的方法，计算蜂窝用户、第一个D2D用户的发射功率值，将该功率组合下的系统频谱效率值记为e2；/n(4c)若e1大于e2，将步骤(4a)中得到的蜂窝用户、第一个D2D用户、第二个D2D用户的功率记为功率组合1，否则，将步骤(4b)中得到的蜂窝用户、第一个D2D用户、第二个D2D用户的功率记为功率组合1；/n(5)按照下式，计算两个D2D用户同时复用蜂窝用户的频谱资源时，蜂窝用户的信息速率最大值：/n /n其中，R_cu″表示两个D2D用户同时复用蜂窝用户cu到基站的频谱资源时，蜂窝用户cu的信息速率最大值，表示第一个D2D用户和第二个D2D用户的最小发射功率；/n(6)判断两个D2D用户同时复用蜂窝用户的频谱资源时蜂窝用户cu的信息速率最大值R_cu″是否不小于蜂窝用户cu自身的最小信息速率，若是，则执行步骤(7)，否则，执行步骤(9)；/n(7)获得两个D2D用户的发射功率均不为0时，蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率值：/n根据蜂窝用户的最小速率约束，计算蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率更精确的取值范围，利用自适应粒子群算法，计算蜂窝用户、两个D2D用户的发射功率，将得到的蜂窝用户、第一个D2D用户、第二个D2D用户的功率记为功率组合2；/n所述的根据蜂窝用户的最小速率约束，计算蜂窝用户和两个D2D用户的发射功率更精确的取值范围的具体步骤如下：/n第一步，按照下式，计算第一个D2D用户的发射功率上限值/n /n其中，min表示取最小值操作；/n第二步，按照下式，计算第二个D2D用户的发射功率上限值/n /n第三步，按照下式，计算蜂窝用户cu的发射功率下限值/n /n第四步，根据蜂窝用户和D2D用户的单独功率约束条件，得到蜂窝用户、第一个D2D用户、第二个D2D用户的更精确的发射功率的取值范围分别为/n(8)判断功率组合1的系统频谱效率是否大于功率组合2的系统频谱效率，若是，则执行步骤(9)，否则，执行步骤(10)；/n(9)将蜂窝用户、第一个D2D用户和第二个D2D用户的发射功率，分别取功率组合1中的三个值后执行步骤(12)；/n(10)将蜂窝用户、第一个D2D用户和第二个D2D用户的发射功率，分别取功率组合2中的三个值后执行步骤(12)；/n(11)将蜂窝用户cu的发射功率取其最大值，第一个D2D用户和第二个D2D用户的发射功率均取0，执行步骤(12)；/n(12)基站将得到的各用户对应的发射功率通知用户，用户使用基站通知的发射功率发射信号。/n