一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法，其将问题转化为基于三维分配的D2D通信用户上行资源分配以及中继选择问题；根据拉格朗日松弛算法的思想将问题转化为二维分配问题，结合匈牙利方法等对问题进行求解。本发明专利技术在保证各个链路通信质量的前提下，对系统单位时间各链路总发射功率优化，对比常见的分配策略，通过本发明专利技术的优化方法极大的减小了能量损耗。

An Optimized Method for Relay-Assisted D2D Communication System in a Single Cellular Cell

The present invention relates to an optimization method for a Relay-assisted D2D communication system in a single cellular cell, which converts the problem into the problem of upstream resource allocation and relay selection for D2D communication users based on three-dimensional allocation, and converts the problem into a two-dimensional allocation problem according to the idea of Lagrange relaxation algorithm, combined with Hungarian method, etc. Solve the problem. On the premise of guaranteeing the communication quality of each link, the invention optimizes the total transmission power of each link per unit time of the system, and compares with common allocation strategies, greatly reduces the energy loss by the optimization method of the invention.

【技术实现步骤摘要】
一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法
本专利技术涉及通信系统
，具体涉及一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法。
技术介绍
近三十年随着蜂窝通信系统飞速的发展与持续演进，海量终端设备的接入、日益增长的用户需求对现有的通信网络架构带来了巨大的挑战，频谱资源匮乏问题日益严重。作为5G关键候选技术之一的D2D通信技术，对缓解与日俱增的通信流量和蜂窝网频谱资源紧张之间的矛盾问题，有着独特的作用，因此备受业内关注。然而，D2D通信主要适用于距离相近的用户之间，当通信双方相距较远或者直通信道衰落较严重时，可能导致D2D链路信干噪比太小而无法满足其通信质量要求。此时，可以通过中继辅助的D2D通信进行信息传输，在保有D2D通信技术原有优势的同时，大大扩展D2D通信的范围。另一方面，通信技术迅速发展所带来的能源消耗问题也不容小觑。如何在保证通信服务质量的同时降低能量消耗，实现绿色通信、节约能源，仍是一个亟待解决的问题，本案由此产生。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法，其通过最小化系统总发射功率，实现优化通信系统的目的。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法，所述通信系统中D2D用户与蜂窝用户为一对一的关系，所述优化方法方法包括以下步骤：步骤1、求取通信系统中不同分配情况下的所有链路最小发射功率总和；将通信系统的总发射功率用所有用户的发射功率求和公式来表示，则通信系统总发射功率可以表示为：式(1)中，蜂窝用户数量为M，用集合C＝{CU1，CU2，…，CUM}表示各个蜂窝用户；D2D用户对数量为N，用集合D＝{DU1，DU2，…，DUN}表示各个D2D用户对；空闲蜂窝用户数量为K，用集合R＝{RU1，RU2，…，RUK}表示各个空闲蜂窝用户，其中有M≥N，K≥N：定义zijk∈{0，1}，1≤i≤M，1≤j≤N，0≤k≤K来表示D2D用户对DUj和蜂窝用户CUi资源复用以及中继选择的情况，用Pijk表示分组(CUi，DUj，RUk)的最小发射功率；当k＝0时，Pijk表示D2D用户对DUj复用蜂窝用户CUi频谱直接通信时用户的总最小发射功率，且：当k＞0时，Pijk表示当D2D用户对DUj复用蜂窝用户CUi频谱的同时通过空闲蜂窝用户RUk建立中继辅助D2D通信时的总最小发射功率，且：式(2)-(9)中，huv表示u到v之间的信道增益；表示链路保证通信质量的最小SINR值；Pu表示u的发送功率；N0为噪声功率谱密度；与分别表示D2D用户对DUj的源节点与目的节点；步骤2、根据蜂窝用户CUi、D2D用户对DUj、空闲蜂窝用户RUk的每一个可能分组求出该分组单位时间内的所有链路最小发射功率总和Pijk，得到初始化的M*N*(K+1)的三维功率矩阵P(i，j，k)，1≤i≤M，1≤j≤N，0≤k≤K；同时，初始化拉格朗日乘子u_k＝0，0≤k≤K，对偶解q(u)＝-∞，可行解f(u)＝+∞，当前迭代次数count＝0，最大迭代次数count_max＝100；步骤3、将三维功率矩阵P(i，j，k)转化为二维功率矩阵P＇(i，j).二维功率矩阵即对于每个蜂窝用户与D2D用户对的组合求出改造后最小发射功率总和Pijk＇＝(Pijk-u_k)的最小值，即得到二维功率矩阵P＇(i，j)；步骤4、通过匈牙利方法对二维功率矩阵P＇(i，j)求解，得到当前对偶解q’(u)以及蜂窝用户与D2D用户对的分配情况此时若q’(u)＞q(u)，就令q(u)＝q’(u)；步骤5、对于的组合找到使(Pijk-uk)最小的空闲蜂窝用户RUk；根据k是否为0将各个组合分为不连接中继和连接中继的组合；对于k＝0的组合即不连接中继的各个组合，此时最低发射功率和P1；对于k≠0的组合即连接中继的各个组合；此时，初始化的三维功率矩阵P(i，j，k)减去拉格朗日乘子后得到改造后的三维功率矩阵户＇(i，j，k)，从三维功率矩阵P＇(i，j，k)找出各个组合的Pijk＇值，就得到求可行解的二维功率矩阵P″(i，k)；然后使用匈牙利方法对二维功率矩阵P″(i，k)求解，求出最低发射功率和P2以及当前可行的中继分配；当前的可行解f’(u)＝P1+P2，若f’(u)＜f(u)，就令f(u)＝f’(u)；步骤6、若相对对偶间隙[f(u)-q(u)]/q(u)小于0.001或者当前迭代次数count超过了最大迭代次数count_max，则停止迭代，将当前可行解对应的蜂窝用户、D2D用户、中继的分配情况应用到通信系统中，即可获取系统总发射功率最小化的通信系统，实现系统的优化；否则继续步骤7；步骤7、根据以下各式更新拉格朗日乘子u_k＝0，0≤k≤K；定义一个长度为n3的次梯度向量其中的元素的值为1减去i3在对偶解中被用到的次数：其中与二维分配变量的最优值相关：拉格朗日乘子u(l)的更新根据下式进行：其中q*(l)分别表示第l次对偶迭代后获取的最优可行解与对偶解；步骤8、更新对偶问题，并计算其代价；在原三维功率矩阵P(i，j，k)中对应可行解分配各个组合的功率分别减去对应的拉格朗日乘子分量，计算二维功率矩阵将三维功率矩阵户(i，j，k)转化为二维功率矩阵P＇(i，j)；然后转到步骤4继续进行。采用上述方法后，本专利技术具有以下有益效果：在单个蜂窝小区，中继辅助的D2D通信系统，考虑单蜂窝用户的频谱资源只能被单D2D用户对共享的情况，系统各链路总发射功率和不仅与资源分配策略相关，还取决于中继选择的策略，同时考虑这两方面的因素，在保证各个链路通信质量的前提下，对系统单位时间各链路总发射功率优化。本专利技术将问题转化为基于三维分配的D2D通信用户上行资源分配以及中继选择问题；根据拉格朗日松弛算法的思想将问题转化为二维分配问题，结合匈牙利方法等对问题进行求解。并且通过实验证明，对比常见的分配策略，通过本专利技术的优化方法极大的减小了能量损耗。附图说明图1为本专利技术优化方法应用的单个蜂窝小区中继辅助的D2D通信系统结构图；图2为本专利技术优化方法流程图。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供了一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法，该优化方法应用的系统中D2D用户与蜂窝用户为一对一的关系，即蜂窝用户的频谱资源最多仅被单个D2D用户复用，D2D用户也只能复用一个蜂窝用户的频谱资源；D2D用户对可以选择一个空闲蜂窝用户作为中继进行中继辅助的D2D通信，D2D用户需要满足最低服务质量才可以进行D2D直接通信。如图2所示，本专利技术的方法包括以下步骤：步骤1、将系统的总发射功率用所有用户的发射功率求和公式来表示，则系统总发射功率可以表示为：式(1)中，蜂窝用户数量为M，用集合C＝{CU1，CU2，…，CUM}表示各个蜂窝用户；D2D用户对数量为N，用集合D＝{DU1，DU2，…，DUN}表示各个D2D用户对；空闲蜂窝用户数量为K，用集合R＝{RU1，RU2，…，RUK}表示各个空闲蜂窝用户，其中有M≥N，K≥N。增加一个虚拟的空闲蜂窝用户RU0，令分组(CUi，DUj，RU0)表示D2D用户对DUj复用蜂窝用户CUi的频谱资源直接通信的情况。定义zijk∈{0，1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法，所述通信系统中D2D用户与蜂窝用户为一对一的关系，其特征在于：所述优化方法方法包括以下步骤：步骤1、求取通信系统中不同分配情况下的所有链路最小发射功率总和；将通信系统的总发射功率用所有用户的发射功率求和公式来表示，则通信系统总发射功率可以表示为：

【技术特征摘要】
1.一种用于单个蜂窝小区的中继辅助D2D通信系统的优化方法，所述通信系统中D2D用户与蜂窝用户为一对一的关系，其特征在于：所述优化方法方法包括以下步骤：步骤1、求取通信系统中不同分配情况下的所有链路最小发射功率总和；将通信系统的总发射功率用所有用户的发射功率求和公式来表示，则通信系统总发射功率可以表示为：式(1)中，蜂窝用户数量为M，用集合C＝{CU1，CU2，…，CUM}表示各个蜂窝用户；D2D用户对数量为N，用集合D＝{DU1，DU2，…，DUN}表示各个D2D用户对；空闲蜂窝用户数量为K，用集合R＝{RU1，RU2，…，RUK}表示各个空闲蜂窝用户，其中有M≥N，K≥N；定义zijk∈{0，1}，1≤i≤M，1≤j≤N，0≤k≤K来表示D2D用户对DUj和蜂窝用户CUi资源复用以及中继选择的情况，用Pijk表示分组(CUi，DUj，RUk)的最小发射功率；当k＝0时，Pijk表示D2D用户对DUj复用蜂窝用户CUi频谱直接通信时用户的总最小发射功率，且：当k＞0时，Pijk表示当D2D用户对DUj复用蜂窝用户CUi频谱的同时通过空闲蜂窝用户RUk建立中继辅助D2D通信时的总最小发射功率，且：式(2)-(9)中，huv表示u到v之间的信道增益；表示链路保证通信质量的最小SINR值；Pu表示u的发送功率；N0为噪声功率谱密度；与分别表示D2D用户对DUj的源节点与目的节点；步骤2、根据蜂窝用户CUi、D2D用户对DUj、空闲蜂窝用户RUk的每一个可能分组求出该分组单位时间内的所有链路最小发射功率总和Pijk，得到初始化的M*N*(K+1)的三维功率矩阵P(i，j，k)，1≤i≤M，1≤j≤N，0≤k≤K；同时，初始化拉格朗日乘子u_k＝0，0≤k≤K，对偶解q(u)＝-∞，可行解f(u)＝+∞，当前迭代次数count＝0，最大迭代次数count_max＝100；步骤3、将三维功率矩阵P(i，j，k)转化为二维功率矩阵P＇(i，j)；二维功率矩阵即对于每个蜂窝用户与D2D...

【专利技术属性】
技术研发人员：林世俊，陈小峰，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35