D2D系统中基于能量采集的功率控制和信道分配方法技术方案

技术编号:21168502 阅读:24 留言:0更新日期:2019-05-22 10:00
本发明专利技术公开了一种5G D2D系统中基于能量采集的功率控制和信道分配方法,该方法首先根据D2D用户之间的信道增益比值构建干扰权重图,依据干扰权重图将D2D用户分簇使得同一簇内D2D用户的共信道干扰最小;然后将同一簇内的D2D用户建模为非合作博弈,通过构建拉格朗日函数和利用KKT条件推导出D2D用户发送功率和采集时间的最优表达式,通过联合迭代优化的方法为D2D用户分配最优发送功率和采集时间;最后根据每个D2D簇分别复用每个蜂窝用户信道资源时的容量,利用KM算法以最大化D2D用户总容量为目标为D2D簇分配信道。本发明专利技术同时考虑共信道干扰和采集能量的限制,能量分配更加优化合理,为蜂窝用户分配功率时考虑蜂窝用户的最小信干噪比要求,有效降低了功率消耗。

Power Control and Channel Allocation Based on Energy Acquisition in D2D System

The invention discloses a power control and channel allocation method based on energy acquisition in 5G D2D system. Firstly, the interference weight graph is constructed according to the channel gain ratio between D2D users, and the D2D users are clustered according to the interference weight graph to minimize the co-channel interference of D2D users in the same cluster. Then, the D2D users in the same cluster are modeled as non-cooperative games by constructing Lag. Langer function and KKT condition are used to deduce the optimal expression of transmission power and acquisition time for D2D users. The optimal transmission power and acquisition time are allocated for D2D users by joint iterative optimization method. Finally, the channel is allocated for D2D clusters by using KM algorithm to maximize the total capacity of D2D users according to the capacity of each D2D cluster when multiplexing the channel resources of each cellular user separately. The invention considers the common channel interference and the limitation of acquisition energy at the same time, and the energy distribution is more optimized and reasonable. The minimum signal-to-interference-noise ratio (SINR) requirement of cellular users is taken into account when distributing power for cellular users, thereby effectively reducing power consumption.

【技术实现步骤摘要】
D2D系统中基于能量采集的功率控制和信道分配方法
本专利技术属于无线通信
,具体涉及一种应用在第五代移动通信网络的D2D系统中的基于能量采集的功率控制和信道分配方法。
技术介绍
随着智能移动终端设备数量地增多,更多的用户需要接入无线通信网络,然而频谱资源是有限的,如何利用有限的频谱资源使得更多的用户可以进行无线通信成为急需解决的问题。考虑用户之间进行信息共享的业务越来越多,地理位置较近的用户之间产生的数据流量显著增多,D2D通信在第五代移动通信网络中作为关键技术之一被提出,通过解决近距离用户的通信在很大程度上缓解了频谱资源短缺问题。D2D通信允许两个物理距离较近的用户终端之间建立直接通信链路而不需要经过基站或其他核心网络,复用蜂窝网络的授权频段进行点到点通信。由于共享频谱资源,D2D通信允许更多的用户终端接入到网络中,可以有效提高频谱利用率;相比于传统蜂窝通信,D2D通信不需要经过基站或者其他核心网络,可以减小端到端的传输延迟、提高数据传输速率和减轻基站或其他核心网络的工作负荷;近距离通信时,路径损耗较小,终端设备的发送功率也较小,可降低用户的能量损耗。考虑D2D用户的发送功率较小,可以将D2D通信与能量采集技术相结合,基于能量采集的D2D通信设备可从周围环境射频信号中采集能量,解决设备能量供给的问题。但是,由于D2D通信与传统蜂窝通信使用相同频谱资源,D2D用户与蜂窝用户存在层间干扰,如果某一蜂窝用户的频谱资源被多对D2D用户复用,则D2D用户对之间也存在层内干扰。因此,在蜂窝用户和D2D用户共存的混合网络中干扰管理成为一个很重要的问题。另外,由于环境的不确定性,能量采集也成为资源分配中的重要考虑因素。
技术实现思路
专利技术目的:为了克服现有技术中存在的不足,本专利技术提供一种应用在5GD2D系统中的基于能量采集的功率控制和信道分配方法,通过优化D2D用户的发送功率和能量采集时间以及蜂窝用户的发送功率、为D2D用户分配合理的信道资源,提高D2D用户的总容量。技术方案:为实现上述目的,本专利技术提供一种5GD2D系统中的基于能量采集的功率控制和信道分配方法,具体包括以下步骤:1)用C={1,2,...,i,...,M}、D={1,2,...,j,...,N}和DR={1,2,...,k,...,K}分别表示蜂窝用户集、D2D用户集和复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户集,其中M表示系统中蜂窝用户数,N表示系统中D2D用户对数,K表示复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户对数;2)根据D2D用户间的信道增益计算D2D用户间的干扰权重及每个D2D用户的干扰权重和,以最小化D2D用户间的共信道干扰为目标利用启发式动态分簇方法将N个D2D用户分为M个D2D簇,用DC={1,2,...,m,...M}表示D2D簇集;3)初始化tj,i=2,其中为D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的最大簇容量,为D2D簇m内D2D用户j(1≤j≤K)的发送功率,变量θj,i表示D2D发送端的能量采集时间;4)计算D2D用户的发送功率和信息传输时间变量;5)求出D2D簇m复用蜂窝用户i信道资源时簇内K个D2D用户的tj,i值,代入公式计算更新的值;6)重复步骤4和步骤5直至收敛条件成立,得到D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时D2D用户j的最优发送功率和最优信息传输时间变量7)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时蜂窝用户i的最优发送功率和D2D用户j的最优能量采集时间;8)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量9)重复步骤3至步骤8求出M个D2D簇分别复用M个蜂窝用户信道资源时的簇容量,比较得到M×M个簇容量中的最大值,将其与簇容量的差值作为D2D簇m与蜂窝用户i的权重,将M个D2D簇与M个蜂窝用户之间的权重值代入KM算法后得到D2D簇与蜂窝用户信道资源之间的信道复用因子矩阵Y;10)根据矩阵Y中信道复用因子的值和M个D2D簇分别复用M个蜂窝用户信道资源时的簇容量值计算D2D用户的总容量。进一步地,所述步骤4中D2D用户的发送功率和信息传输时间变量的计算公式分别为和其中A=hijrthchjB/hiB,B=hijrthcN0hiB+N0,C=hijrthchkB/hiB+hkj,D=ξPBShBj,式中hj为D2D发送端j与D2D接收端j的信道增益,hij为复用同一信道的蜂窝用户i与D2D接收端j间的信道增益,rthc表示蜂窝用户的SINR阈值,hkB为D2D发送端k与基站间的信道增益,hiB为蜂窝用户i与基站间的信道增益,N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度,hkj为复用同一信道的D2D发送端k与D2D接收端j间的信道增益,ξ∈(0,1)表示D2D发送端的能量采集效率,PBS表示基站的发射功率,hBj表示基站与第j个D2D发送端之间的信道增益,T表示能量采集与信息传输的总时间周期。进一步地,所述步骤6中收敛条件为:其中ε为允许误差,ε是一个数值很小的常量,且取值为ε=10-3。进一步地,所述步骤7中根据公式和分别计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时蜂窝用户i的最优发送功率和D2D用户j的最优能量采集时间。进一步地,所述步骤8中D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量的计算公式为:本专利技术首先构建了基于能量采集D2D通信的系统模型,多个D2D用户可复用相同蜂窝用户的信道资源,基站采用无线能量传输的方式为D2D发送端供电;然后针对系统中蜂窝用户与D2D用户、D2D用户间的同信道干扰和能量采集的时间分配问题,构建最大化D2D用户总容量的优化问题,采用功率控制和信道分配分步进行的处理方法,该方法首先根据D2D用户之间的信道增益比值构建干扰权重图,依据干扰权重图将D2D用户分簇使得同一簇内D2D用户的共信道干扰最小;然后将同一簇内的D2D用户建模为非合作博弈,通过构建拉格朗日函数和利用KKT条件推导出D2D用户发送功率和采集时间的最优表达式,通过联合迭代优化的方法为D2D用户分配最优发送功率和能量采集时间;最后根据每个D2D簇分别复用每个蜂窝用户信道资源时的容量,利用KM算法以最大化D2D用户总容量为目标为D2D簇分配信道。本专利技术在保证蜂窝用户服务质量和发送功率受限的条件下构建了最大化D2D用户总容量的优化问题。首先利用启发式动态分簇方法为D2D用户分簇,位于同一簇内的D2D用户可以共享同一信道,然后采用拉格朗日乘子法并利用KKT条件求得D2D用户发送功率的最优表达式,进而得到D2D发送端的最优能量采集时间,最后利用KM算法完成D2D簇与蜂窝用户信道资源的最优匹配使D2D用户总容量最大。本专利技术在基于能量采集的D2D系统中联合优化用户的功率分配和信道分配。在功率分配过程中,保证蜂窝用户的最小信干噪比要求,加入采集能量对发送功率的限制,运用拉格朗日乘子法和KKT条件推导出最优的功率分配方案,在信道分配过程中,首先以最小化共信道干扰为原则为D2D用户分簇,然后利用KM算法完成D2D簇与蜂窝用户信道资源的最佳匹配,最大化D2D用户总容量。有益效果:本专利技术与现有技术相比,具有以下优点:1、在D2D用户功率分配过程中,同时考虑共信道干扰和采集能量的限制,以最大化D2D用户的总容量为目标来获得D2D用户的最优发送功率,进而确定其能量采集本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.D2D系统中基于能量采集的功率控制和信道分配方法,其特征在于:包括以下步骤:1)用C={1,2,...,i,...,M}、D={1,2,...,j,...,N}和DR={1,2,...,k,...,K}分别表示蜂窝用户集、D2D用户集和复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户集,其中M表示系统中蜂窝用户数,N表示系统中D2D用户对数,K表示复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户对数;2)根据D2D用户间的信道增益计算D2D用户间的干扰权重及每个D2D用户的干扰权重和,以最小化D2D用户间的共信道干扰为目标利用启发式动态分簇方法将N个D2D用户分为M个D2D簇,用DC={1,2,...,m,...M}表示D2D簇集;3)初始化

【技术特征摘要】
1.D2D系统中基于能量采集的功率控制和信道分配方法,其特征在于:包括以下步骤:1)用C={1,2,...,i,...,M}、D={1,2,...,j,...,N}和DR={1,2,...,k,...,K}分别表示蜂窝用户集、D2D用户集和复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户集,其中M表示系统中蜂窝用户数,N表示系统中D2D用户对数,K表示复用蜂窝用户i信道资源的D2D用户对数;2)根据D2D用户间的信道增益计算D2D用户间的干扰权重及每个D2D用户的干扰权重和,以最小化D2D用户间的共信道干扰为目标利用启发式动态分簇方法将N个D2D用户分为M个D2D簇,用DC={1,2,...,m,...M}表示D2D簇集;3)初始化tj,i=2,其中为D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的最大簇容量,为D2D簇m内D2D用户j(1≤j≤K)的发送功率,变量θj,i表示D2D发送端的能量采集时间;4)计算D2D用户的发送功率和信息传输时间变量;5)求出D2D簇m复用蜂窝用户i信道资源时簇内K个D2D用户的tj,i值,代入公式计算更新的值;6)重复步骤4和步骤5直至收敛条件成立,得到D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时D2D用户j的最优发送功率和最优信息传输时间变量7)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时蜂窝用户i的最优发送功率和D2D用户j的最优能量采集时间;8)计算D2D簇m复用蜂窝用户i的信道资源时的簇容量9)重复步骤3至步骤8求出M个D2D簇分别复用M个蜂窝用户信道资源时的簇容量,比较得到M×M个簇容量中的最大值,将其与簇容量的差值作为D2D簇m与蜂窝用户i的权重,将M个D2D簇与M个蜂窝用户之间的权重值代入KM算法后得到D2D簇与蜂窝用户信道资源之间的信道复用因子矩阵Y;10)根据矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员:朱琦苏娜
申请(专利权)人:南京邮电大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1