The invention discloses a high throughput resource allocation method for energy acquisition D2D heterogeneous network. It mainly includes the following steps: 1. Constructing the mathematical model of the system in D2D heterogeneous network. 2. Simplify the mathematical model of D2D heterogeneous network. 3. Transform the mathematical model based on variable relaxation technology and prove its concavity and convexity. 4. Solving mathematical model based on convex optimization theory and greedy strategy. 5. Find the interior point which satisfies the constraints. 6. Optimizing based on feasible direction detection and variable step size. The invention solves the problem of optimal resource allocation for DUE devices in D2D heterogeneous network by channel allocation, communication mode selection, transmission power and transmission time control on the premise of guaranteeing the quality of CUE devices, and maximizes the total throughput of DUE devices in the system.
【技术实现步骤摘要】
一种能量获取D2D异构网络中高吞吐量资源分配方法
本专利技术属于无线网络
，能量获取D2D异构网络中高吞吐量模式选择与资源分配方法涉及到蜂窝用户QoS约束、能量获取约束，通过网络中上行信道分配，模式选择，传输功率分配以及时间分配，来最大化能量获取D2D异构网络的吞吐量。
技术介绍
由于人们对通信需求不断增加，5G通信技术成为了现在通信领域研究的热点内容。5G关键技术之一的终端直接通信(DevicetoDevice，D2D)技术，其所占用的频谱资源是由电信运营商授权的，相对于其它D2D技术，其干扰环境是可控的，数据传输能得到有效保障。终端直通技术允许终端跳过基站的转发过程，直接通过复用蜂窝网络的信道资源，进行点到点的信息直接传输。相对于现有的LTE和IMT-A技术特点而言，D2D技术在频谱效率，系统容量，传输速率等方面具有优势。D2D通信技术作为一种近距离数据传输通信技术，它可以与蜂窝网络共存，可以选择的通信模式有蜂窝模式、专用模式、复用模式。D2D通信具有提高网络吞吐量，节省用户设备的功率，增加瞬时数据率等优势。需要解决的问题是，D2D设备在复用蜂窝资源块(ResourceBlock，RB)进行通信时，会与蜂窝用户之间造成同频干扰，此时如何提高系统的资源利用效率就非常重要了。具有能量获取能力的无线设备能够从自然界中获取能量，这使得网络生命周期不再受到能量存储能力的限制而几乎仅受限于硬件寿命。因此本专利技术考虑D2D设备具有能量获取能力。鉴于以上考虑，本专利技术提供了一种能量获取D2D异构网络中高吞吐量资源分配方法，通过本专利技术对系统中的信道分配，模...
【技术保护点】
1.能量获取D2D异构网络中高吞吐量资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建能量获取D2D异构网络中系统的数学模型；步骤2：化简能量获取D2D异构网络的数学模型；步骤3：基于变量松弛技术转换数学模型并证明其凹凸性；步骤4：基于凸优化理论以及贪心策略求解数学模型；步骤5：求满足约束条件的内点；步骤6：基于可行方向探测与可变步长进行寻优。
【技术特征摘要】
1.能量获取D2D异构网络中高吞吐量资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建能量获取D2D异构网络中系统的数学模型；步骤2：化简能量获取D2D异构网络的数学模型；步骤3：基于变量松弛技术转换数学模型并证明其凹凸性；步骤4：基于凸优化理论以及贪心策略求解数学模型；步骤5：求满足约束条件的内点；步骤6：基于可行方向探测与可变步长进行寻优。2.根据权利要求1所述的能量获取D2D异构网络中高吞吐量资源分配方法，其特征在于，步骤1中构建能量获取D2D异构网络中系统的数学模型的步骤如下：通信场景是以基站(BaseStation，BS)为圆心位置，蜂窝用户(CellularUserEquipments，CUE)与终端直通通信(Device-to-Device，D2D)设备对随机分布于以BS为圆心r为半径的圆域内。系统中存在Nc个上行CUE用户，上行CUE链路的集合为C＝{1,2,...,Nc}，Nc个上行CUE链路对应有Nc个上行信道，信道集合为CH＝{1,2,...,Nc}，且按照编号顺序一一对应分配给CUE用户(各信道之间相互正交)。各CUE及使用的信道用用序号i∈C或i∈CH表示。系统中存在Nd对D2D设备，可以复用系统中上行信道进行D2D模式通信或者蜂窝模式通信。D2D链路的集合为D＝{1,2,...Nd}，D2D链路分别用序号j∈D表示。D2D设备通过从环境中收集能量为自己充能，能量获取速率服从泊松分布。在所考虑的通信系统模型中，系统传输总时槽数目为T，每时槽的时长为τt，各时槽用序号t表示，即t∈T。D2D链路可以复用不同信道进行通信，信道分配变量为当时，表示t时槽D2D链路j复用信道i进行通信，为其它情况，公式如下：D2D链路可以选择复用蜂窝信道进行D2D模式通信或者蜂窝模式通信，表示模式选择，时表示在时槽t内D2D链路j采用蜂窝模式进行通信，时表示在时槽t内D2D链路j采用D2D模式进行通信，的公式如下：以基站为圆心建立笛卡尔直角坐标系，计算hi，hj，hi,j和dj，其中hi表示第i个上行CUE设备距离基站的距离，i∈C；hj表示第j对D2D设备对的发送设备距离基站的距离，j∈D；hi,j表示第j对D2D设备对的接收设备与CUE之间的距离；dj表示D2D设备对之间的距离。信号传输增益为距离倒数的3次方，设备受到的干扰为干扰源距离信号接收设备距离倒数的4次方。在时槽t，蜂窝用户i的发送功率为第j对D2D设备发送设备复用信道i的发送功率为第i个蜂窝用户使用i信道在t时槽内进行通信时的传输速率为第i个蜂窝链路受到的干扰包括高斯白噪声N0B以及来自复用i信道进行通信的D2D发送设备带来的同频干扰根据香农公式可得其传输速率的公式表示如下：第j个D2D链路复用信道i在时槽t内进行蜂窝通信时的传输速率为D2D链路j受到的干扰包括高斯白噪声N0B以及蜂窝用户i所带来的同频干扰其传输速率的公式如下：第j个D2D链路复用信道i在时槽t内进行D2D通信时的传输速率为D2D链路j受到的干扰包括高斯白噪声N0B以及蜂窝用户i所带来的同频干扰其传输速率的公式如下：数学模型目标函数定义，我们考虑最大化T个时槽内全部D2D设备的总吞吐量，同一个D2D设备在同一个时槽内只能选择一种通信模式进行工作，目标是在满足CUE用户的QoS的同时，最大化T个时槽所有D2D设备的总的吞吐量，目标函数如下：其中表示t时槽所有D2D设备的总的吞吐量。数学模型约束包括蜂窝用户的QoS约束；信道在被D2D设备复用时，同一时槽内信道i只能被一对D2D设备所复用；同一时槽内一对D2D设备也只复用一个信道i；D2D设备从环境中收集能量进行充能，每个时槽中D2D设备传输所消耗的能量始终不能大于D2D设备在本时槽起始时所剩余的能量；传输时间不能大于时槽长度τt，数学模型的约束如下：公式(7)表示为保障CUE用户的通信服务质量，蜂窝用户的最低传输速率为公式(8)表示每个信道最多只能同时被一个D2D链路复用。公式(9)表示每个D2D链路在同一时槽内只能复用一个蜂窝信道进行通信。公式(10)表示能量获取约束，各个时槽内所消耗的总能量不得超过设备在本时槽已经获取的总能量，即在t时槽以及之前的时槽内所消耗的总能量不得超过在t时槽之前所总共获取的能量。D2D设备都能够从环境中获取能量为进行充能，用表示D2D设备j在时间槽t内获取能量的速度，其值服从泊松分布，代表D2D设备j在时间槽t内所获取到的总能量，则能量获取的公式如下；表示D2D设备j在第1个时槽开始时所具有的初始能量。公式(11)表示能量获取时间的约束，D2D设备因复用信道i进行工作，能量获取与数据传输不能同时进行，且在同一时槽t内需要满足数据传输时间与能量获取时间之和等于时槽长度τt。公式(12)表示模型中优化变量的取值范围，和表示模式选择变量与信道分配变量为二值变量；和表示CUE设备与D2D设备的传输功率为非负数；表示数据传输时间为不大于时槽长度的非负数。3.根据权利要求1所述的能量获取D2D异构网络中高吞吐量资源分配方法，其特征在于，步骤2中化简能量获取D2D异构网络中系统的数学模型的步骤为：1)对于蜂窝用户的QoS约束如式(7)所示，即其中如式(3)所示，令则变量需满足通过观察目标函数可以看出，目标函数是关于的递减函数，若要使得目标函数取最大值，则变量应该取最小值，即有2)将变量带入目标函式(6)，目标函数化简之后得到如下所示：其中αi＝N0B(1+|hi|-1zi)，si,j＝|hi|3zi|hi,j|-4|hj|-4，ei,j＝|hi|-1|hj|-4zi+|hj|-3，ui,j＝|hi|-1zi|hj|-4，ki,j＝N0B(1+|hi|3zi|hi,j|-4)，mi,j＝|R2|-3+|hi|3zi|hi,j|-4|hj|-4，不难看出ei,j＞ui,j，mi,j＞si,j。3)化简后的系统模型为：4.根据权利要求1所述的能量获取D2D异构网络中高吞吐量资源分配方法，其特征在于，步骤3中基于变量松弛技术转换数学模型并证明其凹凸性的步骤为：1)因为构建的数学模型是一个非线性混合整数约束优化问题，现利用变量松弛技术将二值变量与进行放缩为连续变量，即2)根据复合函数凹凸性准则，对数函数凹凸性以及透视函数的性质，可以证明该转化的目标函数问题为凸函数，根据权利要求3中简化后的数学模型，简化后的目标函数如式(14)，设R(p,ρ,x)如下所示：函数(16)是关于变量(p,ρ,x)的多元函数。先证明函数(16)是关于变量(p,x)的凹函数。若函数(16)在数学模型可行域内任意取不同两点：(p1,x1)、(p2,x2)，恒有式(17)成立，则函数(16)为凹函数，则目标函数(15)是关于变量的凹函数。具体步骤为：①将点(p1,x1)与(p2,...
【专利技术属性】
技术研发人员：邝祝芳，言杰，张立邦，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43
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