联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法技术

本发明专利技术公开了一种联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法，针对传统通信方式能量效率低的问题，首先根据全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的位置分布来确定需要中继辅助传输的全双工D2D用户组，然后在频谱效率最低要求、最大允许传输功率的限制条件下构建全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的功率分配矩阵，最后采用改进的匈牙利算法对全双工D2D用户组和全双工双向中继用户进行最优的中继选择，从而最大化系统总能量效率。本发明专利技术的技术方案还可以扩展到多小区的蜂窝网络场景中。

【技术实现步骤摘要】
联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法
本专利技术涉及移动通信
，特别涉及一种联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法。
技术介绍
移动通信的迅猛发展为人们的生活提供了便利，但是通信行业产生的能耗也呈现了爆炸式的增长。据相关研究表明，通信行业的能耗大概占全球2％的二氧化碳排放量。在这个提倡节能减排的社会，衡量无线通信系统可持续运行能力的能量效率成为了业界的研究热点。为了在下一代移动通信系统中实现能量效率的提高，标准化组织和网络运营商不断探索未来新技术。其中，D2D(Device-to-Device，终端直通)和全双工技术被认为是下一代移动通信的关键技术。D2D是移动通信中两个近距离的移动终端共享基站的频带并以较低的发射功率直接进行通信而不需要基站转发信号的新技术。它不但可以提供高速数据服务、分担基站流量，从而提高蜂窝通信系统的频谱利用率、吞吐量，还可以降低终端的传输功率，延长用户的电池续航，从而提高系统的能量效率。但是D2D复用蜂窝用户的频谱资源会带来更加复杂的信道干扰，因此可以把中继技术引入D2D通信中以降低干扰的影响。作为提高能量效率的传统通信方式，双向中继通信已经被广泛应用到了移动通信网络中。现有的研究也表明双向中继与D2D的结合可以带来显著的能量效率增益。全双工通信允许收发机同时同频的发送与接收信号，可以带来比半双工更高的能效增益，是下一代通信系统中的关键技术。但是全双工技术的实施会带来强烈的自干扰，因此自干扰的消除成为了学界和产业界的研究共识。得益于自干扰消除技术的发展，并随着被动消除技术、模拟消除技术以及数字消除技术的高效结合，全双工逐渐得以实现。但是目前的通信方法大都工作在半双工状态，很少有人考虑更加高效的全双工模式。因此，在适当的自干扰消除技术下，全双工双向中继辅助的D2D通信将进一步提高移动通信系统的能量效率。然而，传统的研究往往只限定于一个D2D用户组和一个中继用户的固定通信模型下，并对它们进行功率分配以最大化能量效率。但是在实际通信中，会存在大量的D2D用户组，以及与之配对的大量中继用户。用户数量的增多会带来更加复杂的干扰，使功率分配更加困难。同时无序的中继选择甚至可能会降低系统的能量效率。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术解决的技术问题是满足多用户D2D用户组和多用户中继用户的固定通信模型下进行功率分配以最大化能量效率的需要，提高系统的能量效率。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是一种联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法，根据全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的分布来进行最优的功率分配和中继选择，从而有效降低了总能耗，在频谱效率和用户功耗的限制条件下，最大化能量效率，包括如下步骤：(1)初始化所有全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的位置；(2)筛选出需要中继辅助传输的全双工D2D用户组；(3)建立能量效率最大化的基本模型；(4)求出在第m(m∈[1,M])个全双工D2D用户组与第n(n∈[1,N])个全双工双向中继用户配对时，能够使能量效率最大化的最优功率分配；(5)根据步骤(2)中得出的需要中继辅助传输的全双工D2D用户组数M，若小于一个预定义的数量门限值MT，则采用枚举法得出最优中继选择；(6)根据步骤(2)中得出的需要中继辅助传输的全双工D2D用户组数M，若大于一个预定义的数量门限值MT，则采用改进的匈牙利算法求出最优中继选择方案；通过以上步骤，根据全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的位置分布，结合频谱效率最低要求和最大允许传输功率的限制条件，在能量效率最大化的基本模型下，利用最优的迭代算法求得功率分配模型以调节各用户的传输功率，最后采用枚举法和改进的匈牙利算法来进行最优的中继选择，从而在保证最低频谱效率和最大允许传输功率的限制条件下最大化系统总能量效率。步骤(1)中，初始全双工D2D用户组中两个全双工D2D用户的坐标分别为初始全双工双向中继用户的坐标为其中，K是全双工D2D用户组的个数，N是全双工双向中继用户的个数，且N＞K。步骤(2)中，根据所有全双工D2D用户组的位置，计算每个全双工D2D用户组中两个用户之间的距离，即：式中，k表示第k个用户组，若dk大于预定义的距离门限值dT，则筛选出此需要中继辅助传输的全双工D2D用户组，否则，此用户组不需要中继辅助而直接进行传输。从而可以确定需要中继辅助传输的全双工D2D用户组数M以及可以为全双工D2D用户组服务的中继用户数N，且M＜N。步骤(3)中，在一个小区内，全双工双向中继辅助的D2D通信系统由M个全双工D2D用户组和N个全双工双向中继用户组成。每个全双工D2D用户组使用不同的频带，并且只能选择一个全双工双向中继用户为之服务。同样，每个全双工双向中继用户也只能为一个全双工D2D用户组服务。由于整个系统中的用户都工作在全双工状态，同时同频的传输信号，从而产生自干扰。为了有效隔离自干扰以降低对性能的影响，所有全双工用户都分别装有一根发射天线和一根接收天线。此外，频谱效率定义为吞吐量与带宽之比，能量效率定义为吞吐量与功耗之比，每个全双工D2D用户组所用的带宽均为W。在第n(n∈[1,N])个全双工双向中继辅助传输下的第m(m∈[1,M])个全双工D2D用户组的频谱效率为式中，和分别是在第n个全双工双向中继辅助传输下的第m个全双工D2D用户组中两个全双工用户的吞吐量；在第n个全双工双向中继辅助传输下的第m个全双工D2D用户组的能量效率为式中，是在第n个全双工双向中继辅助传输下的第m个全双工D2D用户组完成传输的总功耗；ξ是功放系数，和是第m个全双工D2D用户组中两个全双工用户的发射功率，是与第m个全双工D2D用户组配对的第n个全双工双向中继用户的发射功率，PDC是全双工用户自干扰消除所产生的功耗，Pc是静态功耗。则系统的总频谱效率为系统的总能量效率为：其中，是选择变量，时，第m个全双工D2D用户组选择第n个全双工双向中继用户作为中继。基于上述条件，能量效率最大化的基本模型为：式中，是全双工双向中继辅助的D2D用户组的最低频谱效率要求；Ps,max和Pd,max是全双工D2D用户组中两个全双工用户的最大允许传输功率；Pr,max是全双工双向中继用户的最大允许传输功率。步骤(4)中，需要求解的问题为步骤(3)中的③，即由于该优化问题是非凸的，不能用一般的凸优化方法来解决，因此我们把优化问题⑦分解成全双工D2D用户组和全双工双向中继用户两个能量效率子优化问题来求解，包括如下步骤：1)首先固定全双工双向中继用户的发射功率，然后优化全双工D2D用户组中两个全双工D2D用户的传输功率，因此问题⑦的子优化问题1建立为：此两变量子优化问题1也是一个非凸优化问题，首先使用分式规划技术把此非凸优化问题转化为凸优化问题，再利用拉格朗日方法解此凸优化问题，最后使用狄利克雷方法求得能够使全双工双向中继辅助的D2D用户组的能量效率最大化的全双工D2D用户的最优传输功率；2)固定全双工D2D用户组中用户的传输功率，优化全双工双向中继用户的传输功率，建立子优化问题2：此子优化问题2是一般的单变量凸优化问题，利用二分法等数值方法，来解此子优化问题，从而求得能够使全双工双向中继辅助的D2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法，其特征在于：根据全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的分布来进行最优的功率分配和中继选择，从而有效降低了总能耗，在频谱效率和用户功耗的限制条件下，最大化能量效率，包括如下步骤：(1)初始化所有全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的位置；(2)筛选出需要中继辅助传输的全双工D2D用户组；(3)建立能量效率最大化的基本模型；(4)求出在第m(m∈[1,M])个全双工D2D用户组与第n(n∈[1,N])个全双工双向中继用户配对时，能够使能量效率最大化的最优功率分配；(5)根据步骤(2)中得出的需要中继辅助传输的全双工D2D用户组数M，若小于一个预定义的数量门限值M

【技术特征摘要】
1.一种联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法，其特征在于：根据全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的分布来进行最优的功率分配和中继选择，从而有效降低了总能耗，在频谱效率和用户功耗的限制条件下，最大化能量效率，包括如下步骤：(1)初始化所有全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的位置；(2)筛选出需要中继辅助传输的全双工D2D用户组；(3)建立能量效率最大化的基本模型；(4)求出在第m(m∈[1,M])个全双工D2D用户组与第n(n∈[1,N])个全双工双向中继用户配对时，能够使能量效率最大化的最优功率分配；(5)根据步骤(2)中得出的需要中继辅助传输的全双工D2D用户组数M，若小于一个预定义的数量门限值MT，则采用枚举法得出最优中继选择；(6)根据步骤(2)中得出的需要中继辅助传输的全双工D2D用户组数M，若大于一个预定义的数量门限值MT，则采用改进的匈牙利算法求出最优中继选择方案；通过以上步骤，根据全双工D2D用户组和全双工双向中继用户的位置分布，结合频谱效率最低要求和最大允许传输功率的限制条件，在能量效率最大化的基本模型下，利用最优的迭代算法求得功率分配模型以调节各用户的传输功率，最后采用枚举法和改进的匈牙利算法来进行最优的中继选择，从而在保证最低频谱效率和最大允许传输功率的限制条件下最大化系统总能量效率。2.根据权利要求1所述的联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，初始全双工D2D用户组中两个全双工D2D用户的坐标分别为初始全双工双向中继用户的坐标为其中，K是全双工D2D用户组的个数，N是全双工双向中继用户的个数，且N＞K。3.根据权利要求1所述的联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，根据所有全双工D2D用户组的位置，计算每个全双工D2D用户组中两个用户之间的距离，即：式中，k表示第k个用户组，若dk大于预定义的距离门限值dT，则筛选出此需要中继辅助传输的全双工D2D用户组，否则，此用户组不需要中继辅助而直接进行传输；从而可以确定需要中继辅助传输的全双工D2D用户组数M以及可以为全双工D2D用户组服务的中继用户数N，且M＜N。4.根据权利要求1所述的联合中继选择和功率分配的全双工D2D的能效优化方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，在一个小区内，全双工双向中继辅助的D2D通信系统由M个全双工D2D用户组和N个全双工双向中继用户组成；每个全双工D2D用户组使用不同的频带，并且只能选择一个全双工双向中继用户为之服务；同样，每个全双工双向中继用户也只能为一个全双工D2D用户组服务；由于整个系统中的用户都工作在全双工状态，同时同频的传输信号，从而产生自干扰；为了有效隔离自干扰以降低对性能的影响，所有全双工用户都分别装有一根发射天线和一根接收天线；此外，频谱效率定义为吞吐量与带宽之比，能量效率定义为吞吐量与功耗之比，每个全双工D2D用户组所用的带宽均为W；在第n(n∈[1,N])个全双工双向中继辅助传输下的第m(m∈[1,M])个全双工D2D用户组的频谱效率为式中，和分别是在第n个全双工双向中继辅助传输下的第m个全双工D2D用户组中两个全双工用户的吞吐量；在第n个全双工双向中继辅助传输下的第m个全双工D2D用户组的能量效率为式中，是在第n个全双工双向中继辅助传输下的第m个全双工D2D用户组完成传输的总功耗；ξ是功放系数，和是第m个全双工D2D用户组中两个全双工用户的发射功率，是与第m个全双工D2D用户组配对的第n个全双工双向中继用户的发射功率，PDC是全双工用户自干扰消除所产生的功耗，Pc是静态功耗；则系统的总频谱效率为系统的总能量效率为：其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宏滨，常怡亮，赵峰，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45