基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法，包括如下步骤：S1)建立以最小化总功率为目标函数的系统模型，限制每一对D2D用户的吞吐量需求，限制第k条D2D用户在第k个免授权频段信道上的功率，限制第k条免授权频段的频谱分给第k个D2D用户时分因子的比重，限制所有的D2D用户对每个授权频段子信道n造成的总干扰；S2)建立微分方程组进行求解，采用基于梯度投影算法对目标函数所构造的微分方程组求解；S3)采用matlab中的simlink模块进行仿真分析。本发明专利技术的优点为：D2D用户复用LTE系统的授权频段和Wi‑Fi系统站点(APs)上的免授权频段，提出一种分布式算法来完成D2D用户的功率和频谱资源分配。

【技术实现步骤摘要】
基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法
本专利技术涉及无线通信系统
，具体涉及一种基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法。
技术介绍
随着移动设备的普及和移动端应用的多样化，人工智能、物联网以及大数据等技术迅速发展，人们在日常生活中对于移动数据流量的需求呈爆炸式増长。根据Cisco的视觉网络指数，全球IP流量可能会增长三倍，年均值将从2016年的1.2ZB上升到2021的3.3.ZB。预计在未来的几年，类似的趋势将会持续下去。为了满足不断增长的移动数据流量需求，工业界和学术界不断探索通信系统增加其吞吐量的方式。现有的授权频段上不断提高频谱利用率，主要方案有超密集异构网络、多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)技术、全双工传输(Full-DuplexTransmission)技术和设备到设备(Device-to-Device，D2D)技术等。然而，由于授权频段资源非常有限，难以继续提高系统吞吐量。对此，于2013年，业界提出了LTE-U(LTEunlicensed)技术，其特点在于借助了免授权频段资源，以缓解频谱资源紧缺的压力。相比于授权频段资源，免授权频段资源还是比较丰富的，特别是在主要使用者为Wi-Fi系统的5GHz频谱资源还未完全开发。近几年来，由于业界对LTE-U技术研究的不断深入，也提出了很多种LTE系统和Wi-Fi系统的共存技术，其系统吞吐量也展现了令人满意的性能效果。在这样的技术推动下，D2D通信系统使用免授权频段资源自然而然就成为了进一步提升通信系统吞吐量的一种解决方案。D2D通信技术可以使移动设备优先建立直通的通信链路，并在基站的控制下复用LTE系统的授权频谱资源，这对于蜂窝小区的频谱利用率和能量效率都有着很大的提升。而允许LTE系统使用免授权频段就相当于D2D通信模式也多了一维自由度。此时使用D2D通信进行数据传输的用户不仅可以使用授权频段，还可以使用免授权频段，称之为D2D-U(D2Dcommunicationinunlicensedspecturm)。然而，D2D系统不仅对免授权频段有干扰，在LTE系统上的每一个授权子信道也都将受到其他D2D链路的干扰，这将严重影响LTE用户在授权频段上的数据传输。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于免授权频段D2D系统、限制全部D2D链路对授权子信道造成的总干扰、保证LTE用户在授权频段上正常使用的分布式节能算法。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案来实现：基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法，包括如下步骤：S1)建立以最小化总功率为目标函数的系统模型，其中，是在授权频段上的传输功率矩阵，是在免授权频段上的传输功率矩阵，C(U)＝(c(U)k)k∈K是在免授权频段上分配给用户的时分因子矩阵，为第k对D2D链路在第n个授权频段的子信道上的吞吐量，为第k对D2D链路在第k条免授权频段的信道上的吞吐量，为全部D2D链路总的功率上限和时分因子上限且将远远大于实际的值；其中，为第k对D2D用户与授权频段上第n个子信道之间的干扰功率谱密度；S2)求解系统模型建立微分方程组进行求解，其中，为D2D用户要有优化的变量，λk和zk都为辅助变量，λj和zj为各自Agent附近邻居Agentj的有效信息；采用基于梯度投影算法对目标函数所构造的微分方程组进行求解，其中，和为投影算子；对应的约束集，即变量所对应的投影范围；S3)仿真分析采用matlab中的simlink模块进行仿真分析。进一步地，步骤S1)中，在D2D链路上可以实现的传输速率主要可以分为授权频段和免授权频段两个部分；第k对D2D用户使用授权频段上的第n个子信道时，其传输速率为：其中，B(L)为子信道的带宽，为分配到第k对D2D用户在第n个子信道上的发送功率，为第k对D2D用户与授权频段上第n个子信道之间的干扰功率谱密度，为噪声功率谱密度，ID为宏基站对D2D链路的干扰；第k对D2D用户在授权频段上总的吞吐量为：第k对D2D用户使用免授权频段上的第k个信道传输时，其传输速率为：其中，为分配到第k对D2D用户在免授权频段上的发送功率，为第k对D2D用户与免授权频段上的干扰功率谱密度，为第k对D2D用户在第k条免授权信道上的时分因子，B(U)为免授权信道上的带宽；定义代入得出第k对D2D用户在免授权频段上的总吞吐量为本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术基于免授权频段D2D系统中，D2D用户复用LTE系统的授权频段和Wi-Fi系统站点(APs)上的免授权频段，提出一种基于能效的分布式算法来完成D2D用户的功率和频谱资源分配。本专利技术的方法是将每一个D2D链路都看做分布式系统中的Agent，单个D2D链路的资源分配问题是要求与其他的Agent共同合作，相互之间进行信息传递，最后通过完成全部Agent的局部决策以获得整个D2D系统的最优解决方案。对于免授权频段，本专利技术在免授权频段上设置时分因子并限制了在免授权频段上的发射功率，要求D2D用户与其他设备一起通过信道感知的方式来竞争免授权信道资源。基于感知协议来支持LTE和D2D用户访问和使用免授权频段，保证与Wi-Fi系统一同和谐地使用免授权频段。对于授权频段，针对全部D2D链路对授权子信道造成的总干扰，采用了一种分布式算法来限制其总干扰，保证LTE用户在授权频段上的正常使用。附图说明图1是本专利技术基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法的流程示意图。图2是本专利技术基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法的D2D链路通信示意图。图3是本专利技术基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法的仿真分析中D2D链路之间关系示意图。图4是本专利技术基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法的仿真分析结果比较示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的实施例作进一步详细的描述。如图1所示为本专利技术基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法的流程示意图。基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法，包括如下步骤：S1)以最小化总功率为目标函数的系统模型如图2所示，在D2D通信系统中，允许使用D2D技术进行数据传输的用户可以复用宏基站的上行链路并与Wi-FiAPs、LAA技术和LTE-U单元共享免授权频段。如图2所示，MBS为宏基站，MUE为宏基站用户，Wi-FiAP为Wi-Fi站点，Wi-Fiuser为Wi-Fi用户，LTE-USBS为LTE-U系统中的小基站，SUE为采用D2D链路的用户。D2D链路同时会对宏基站和Wi-FiAPs造成干扰，使得宏基站用户和Wi-Fi用户的使用受到很大的影响，因此需要对授权频段和免授权频段的发射功率和时分因子加以约束。其中，假设有K对使用D2D技术进行传输数据的用户，宏基站的授权频段分为N个子信道，免授权频段为K个信道，其中一个免授权信道只能服务一个D2D链路，并且假设第k条D2D链路只使用第k个免授权信道来简化模型。在该系统中，系统模型将以最小化总功率为目标函数，同时满足用户的传输速率，考虑免授权频段上的功率和时分因子的限制，还考虑到全部的D2D链路对于宏基站子信道的总干扰。其优化问题可以如下表示：这里，是在授权频段上的传输功率矩阵，是在免授权频段上的传输功率矩阵，是在免授权频段上分配给用户本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法，其特征在于包括如下步骤：S1)建立以最小化总功率为目标函数的系统模型，

【技术特征摘要】
1.基于免授权频段D2D系统的分布式节能方法，其特征在于包括如下步骤：S1)建立以最小化总功率为目标函数的系统模型，其中，是在授权频段上的传输功率矩阵，是在免授权频段上的传输功率矩阵，C(U)＝(c(U)k)k∈K是在免授权频段上分配给用户的时分因子矩阵，为第k对D2D链路在第n个授权频段的子信道上的吞吐量，为第k对D2D链路在第k条免授权频段的信道上的吞吐量，为全部D2D链路总的功率上限和时分因子上限且将远远大于实际的值；其中，为第k对D2D用户与授权频段上第n个子信道之间的干扰功率谱密度；S2)求解系统模型建立微分方程组进行求解，其中，为D2D用户要有优化的变量，λk和zk都为辅助变量，λj和zj为各自Agent附近邻居Agentj的有效信息；采用基于梯度投影算法对目标函数所构造的微分方程组进行求解，其中，和为投影算子；对应的约束集，即变量所对应的投影范围；S3)仿真分析采用matlab中...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷锐，张云烽，赵光哲，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33