一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法技术

本发明专利技术涉及一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法，在上行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式共用发射波束；在下行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式使用不同的发射波束，本发明专利技术考虑的是多用户的MIMO网络，基站和用户皆配备多根天线，并且D2D传输模式和基站中继传输模式具有同样的优先级，可以同时实现D2D传输模式与基站中继传输模式转换、能量分配、MIMO传输以及干扰管理。

【技术实现步骤摘要】
一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法
本专利技术涉及无线通信领域,具体涉及一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法。
技术介绍
D2D通信作为一项在无线网络中非常有前景的技术，近来备受关注。在移动通信网络中，D2D通信可以有效地提升网络吞吐量，能量利用率，频谱利用率和通信可靠性。现存技术尽管考虑了D2D通信的模式转换，功率分配和波束赋形问题，但是大部分工作所考虑的场景都比较简单，如仅考虑单天线网络、并且严格限制用户对的数量等；少量研究考虑了多天线MIMO网络中的D2D传输模式转换、功率分配和波束赋形问题，但这些研究还处于初步阶段，例如很多研究仍然仅考虑只有一个用户对的情况；另外，现有关于D2D的研究多把蜂窝网用户作为主要用户，而将D2D用户作为次要用户。在网络通信管理的过程中，优先保证蜂窝网用户的通信质量。事实上，无论是蜂窝网用户，还是D2D用户都是在网络控制下进行通信，因此，一种更为合理的方式是不对他们进行优先级设置，而依据这些用户对网络效能的贡献，以及他们对其它用户的干扰来制定通信模式、功率分配和波束赋形方案。同时，由于多天线、多用户的MIMO无线网络通信已经成为一种趋势，急需一种有效的方法来解决复杂网络环境下(如多天线和多用户等)的D2D通信问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题提出一种D2D通信模式和传输波束的联合优化方法，从而更有效地解决多天线多用户MIMO无线网络中的D2D通信管理问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法，在上行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式共用发射波束；在下行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式使用不同的发射波束，包括步骤：(1)初始化参数以及变量；所述参数包括迭代次数,迭代终止门限，控制D2D用户对数量的参数，目标值；所述变量包括各对用户的传输模式控制变量；D2D传输模式下，接收用户端的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；基站中继传输模式下，基站的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；基站中继传输模式下的上行信道矢量、下行信道矢量；D2D传输模式下的上行信道矢量、下行信道矢量；对所有用户随机分配权重，并随机产生一组辅助变量；D2D传输模式，用户的上、下行速率向量；基站中继传输出模式，用户的上、下行速率向量；(2)在各传输时段末，根据当前获取的与各发射波束相关的赋形矩阵以及拉格朗日矩阵Φ，计算发射用户端的上行链路发射波束；基站中继传输模式下，计算基站的下行链路发射波束；D2D传输模式下，计算发射用户端的下行链路发射波束；更新传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量；(3)根据步骤(2)中得到的各发射波束，计算在D2D传输模式下，接收用户端的上行链路接收波束；和下行链路接收波束；基站中继传输模式下，基站的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；根据步骤(2)中得到的速率辅助变量限制中的辅助变量，计算辅助变量；(4)根据步骤(1)中获得的D2D模式的上行信道矢量、下行信道矢量，基站中继模式的上行信道矢量、下行信道矢量；步骤(2)中得到的各发射波束以及步骤(3)中得到的各接收波束，更新D2D模式的用户的上行权重、下行权重，以及基站中继模式的用户的上行权重、下行权重；根据步骤(1)中得到的控制D2D用户对数量的参数，步骤(2)中得到的传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量，步骤(3)中的辅助变量，计算目标值；(5)根据步骤(4)中得到的系统目标值与上一次迭代中计算得到的系统目标值计算系统目标值的增量变化率；如果系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限，则迭代结束；否则，返回步骤(2)开始进行下一轮迭代，直至系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限；(6)根据步骤(2)所得的传输模式控制变量，确定每对用户是属于D2D传输模式，还是基站中继传输模式；确定发射用户端的上行链路发射波束；D2D传输模式，发射用户端的下行链路发射波束；中继传输模式，基站的下行链路发射波束。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术考虑的是多用户的MIMO网络，基站和用户皆配备多根天线，并且D2D传输模式和基站中继传输模式具有同样的优先级，对于用户的传输模式选择，完全依靠网络自身的通信协议，这样的场景设计更贴合实际情况；2.本专利技术可以同时实现D2D传输模式转换、能量分配、MIMO传输、干扰管理。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述步骤(1)的初始化参数和变量还包括：初始化参数包括：网络中用户对的数量、基站和用户的天线数量、上行链路带宽、下行链路带宽、惩罚系数、控制D2D用户对数量的参数、发射用户端用于上行传输的功率、下行传输的功率以及基站用于下行传输的总功率；初始化变量包括：与上行传输发射波束相关的波束赋形矩阵；与D2D传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；与基站中继传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；单位带宽速率辅助变量、整个带宽内速率辅助变量、传输模式辅助变量以及拉格朗日矩阵θ、Φ以及ψ。进一步，所述步骤(2)具体过程为，(21)根据当前获得的与各发射波束相关的波束赋形矩阵以及拉格朗日矩阵，计算发射用户端的上行链路发射波束；基站中继传输模式下，基站的下行链路发射波束；D2D传输模式下，发射用户端的下行链路发射波束；根据当前获得的传输模式控制变量，辅助变量，计算每对用户在整个带宽内的速率辅助变量，传输模式辅助变量，以及该用户速率辅助变量限制中的辅助变量；(22)根据步骤(21)获得的各发射波束，更新与上行传输发射波束相关的波束赋形矩阵；与D2D传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；与基站中继传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；以及单位带宽速率辅助变量；根据步骤(21)获得的传输模式辅助变量，计算传输模式控制变量；(23)根据惩罚系数，步骤(21)和步骤(22)中得到的各发射波束和相关波束赋形矩阵，计算拉格朗日矩阵Φ；根据惩罚系数，上行链路带宽、下行链路带宽，步骤(21)中得到的整个带宽内的速率辅助变量，以及步骤(22)中得到的单位带宽速率辅助变量，计算拉格朗日矩阵ψ；根据惩罚系数，步骤(22)中得到的传输模式辅助变量，传输模式控制变量，计算拉格朗日矩阵θ；(24)将各发射波束与其相应的波束赋形矩阵进行做差之后，求其差值的范数，若该范数值未超过设定的迭代终止门限，则保存更新后的各发射波束和通信模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量s；否则，返回步骤(21)进行新一轮更新，直至满足迭代终止门限。采用上述进一步方案的有益效果是本专利技术可以有效地将问题拆分为多个子问题，进行分布式处理，从而提升网络管理的灵活性，降低网络管理的复杂性。进一步，所述步骤(21)中计算各发射波束，因为求解各发射用户端或基站的发射波束是完全独立的问题，所以分成多个小问题，同时进行分布式求解，具体求解方法如下，根据拉格朗日矩阵Φ、与上行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵、用户数量、发射用户端用于上行传输的功率以及惩罚系数，计算在发射用户端用于上行传输的功率限制下，发射用户端的上行链路发射波束；基站中继传输模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法，其特征在于，在上行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式共用发射波束；在下行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式使用不同的发射波束，包括步骤：(1)初始化参数以及变量；所述参数包括迭代次数,迭代终止门限，控制D2D用户对数量的参数，目标值；所述变量包括各对用户的传输模式控制变量；D2D传输模式下，接收用户端的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；基站中继传输模式下，基站的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；基站中继传输模式下的上行信道矢量、下行信道矢量；D2D传输模式下的上行信道矢量、下行信道矢量；对所有用户随机分配权重，并随机产生一组辅助变量；D2D传输模式，用户的上、下行速率向量；基站中继传输出模式，用户的上、下行速率向量；(2)在各传输时段末，根据当前获取的与各发射波束相关的赋形矩阵以及拉格朗日矩阵Φ，计算发射用户端的上行链路发射波束；基站中继传输模式下，计算基站的下行链路发射波束；D2D传输模式下，计算发射用户端的下行链路发射波束；更新传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量；(3)根据步骤(2)中得到的各发射波束，计算在D2D传输模式下，接收用户端的上行链路接收波束；和下行链路接收波束；基站中继传输模式下，基站的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；根据步骤(2)中得到的速率辅助变量限制中的辅助变量，计算辅助变量；(4)根据步骤(1)中获得的D2D模式的上行信道矢量、下行信道矢量，基站中继模式的上行信道矢量、下行信道矢量；步骤(2)中得到的各发射波束以及步骤(3)中得到的各接收波束，更新D2D模式的用户的上行权重、下行权重，以及基站中继模式的用户的上行权重、下行权重；根据步骤(1)中得到的控制D2D用户对数量的参数，步骤(2)中得到的传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量，步骤(3)中的辅助变量，计算目标值；(5)根据步骤(4)中得到的系统目标值与上一次迭代中计算得到的系统目标值计算系统目标值的增量变化率；如果系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限，则迭代结束；否则，返回步骤(2)开始进行下一轮迭代，直至系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限；(6)根据步骤(2)所得的传输模式控制变量，确定每对用户是属于D2D传输模式，还是基站中继传输模式；确定发射用户端的上行链路发射波束；D2D传输模式，发射用户端的下行链路发射波束；中继传输模式，基站的下行链路发射波束。...

【技术特征摘要】
1.一种D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法，其特征在于，在上行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式共用发射波束；在下行传输中，基站中继传输模式和D2D传输模式使用不同的发射波束，包括步骤：(1)初始化参数以及变量；所述参数包括迭代次数,迭代终止门限，控制D2D用户对数量的参数，目标值；所述变量包括各对用户的传输模式控制变量；D2D传输模式下，接收用户端的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；基站中继传输模式下，基站的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；基站中继传输模式下的上行信道矢量、下行信道矢量；D2D传输模式下的上行信道矢量、下行信道矢量；对所有用户随机分配权重，并随机产生一组辅助变量；D2D传输模式，用户的上、下行速率向量；基站中继传输出模式，用户的上、下行速率向量；(2)在各传输时段末，根据当前获取的与各发射波束相关的赋形矩阵以及拉格朗日矩阵Φ，计算发射用户端的上行链路发射波束；基站中继传输模式下，计算基站的下行链路发射波束；D2D传输模式下，计算发射用户端的下行链路发射波束；更新传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量；(3)根据步骤(2)中得到的各发射波束，计算在D2D传输模式下，接收用户端的上行链路接收波束；和下行链路接收波束；基站中继传输模式下，基站的上行链路接收波束；接收用户端的下行链路接收波束；根据步骤(2)中得到的速率辅助变量限制中的辅助变量，计算辅助变量；(4)根据步骤(1)中获得的D2D模式的上行信道矢量、下行信道矢量，基站中继模式的上行信道矢量、下行信道矢量；步骤(2)中得到的各发射波束以及步骤(3)中得到的各接收波束，更新D2D模式的用户的上行权重、下行权重，以及基站中继模式的用户的上行权重、下行权重；根据步骤(1)中得到的控制D2D用户对数量的参数，步骤(2)中得到的传输模式控制变量，以及速率辅助变量限制中的辅助变量，步骤(3)中的辅助变量，计算目标值；(5)根据步骤(4)中得到的系统目标值与上一次迭代中计算得到的系统目标值计算系统目标值的增量变化率；如果系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限，则迭代结束；否则，返回步骤(2)开始进行下一轮迭代，直至系统目标值的增量变化率小于或者等于迭代终止门限；(6)根据步骤(2)所得的传输模式控制变量，确定每对用户是属于D2D传输模式，还是基站中继传输模式；确定发射用户端的上行链路发射波束；D2D传输模式，发射用户端的下行链路发射波束；中继传输模式，基站的下行链路发射波束。2.根据权利要求1所述的D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法，其特征在于，所述步骤(1)的初始化参数和变量还包括：初始化参数包括：网络中用户对的数量、基站和用户的天线数量、上行链路带宽、下行链路带宽、惩罚系数、控制D2D用户对数量的参数、发射用户端用于上行传输的功率、下行传输的功率以及基站用于下行传输的总功率；初始化变量包括：与上行传输发射波束相关的波束赋形矩阵；与D2D传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；与基站中继传输模式中用于下行传输的发射波束相关的波束赋形矩阵；单位带宽速率辅助变量、整个带宽内速率辅助变量、传输模式辅助变量以及拉格朗日矩阵θ、Φ以及ψ。3.根据权利要求2所述的D2D通信中传输模式和传输波束的联合优化方法，其特征在于，所述步骤(2)具体过程为，(21)根据当前获得的与各发射波束相关的波束赋形矩阵以及拉格朗日矩阵，计算发射用户端的上行链路发射波束；基站中继传输模式下，基站的下行链路发射波束；D2D传输模式下，发射用户端的下行链路发射波束；根据当前获得的传输模式控制变量，辅助变量，计算每...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东梅，林静然，利强，韩松阳，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51