中继选择和资源信息优化方法、系统、计算机设备及应用技术方案

本发明专利技术属于毫米波D2D通信技术领域，公开了一种中继选择和资源信息优化方法、系统、计算机设备及应用，首先，建立使和速率最大化的联合中继选取和资源优化模型，并分解为中继选择和资源优化两个子问题；其次，构造加权二分图，将中继选择等效为“一对一”加权匹配问题，利用基于匈牙利算法的最大匹配方法得到最优中继选择；最后，针对功率优化和时隙分配子问题，利用约束凹凸过程原理，将原目标函数等价为“凸‑凸”的形式，对减号后的凸函数进行线性近似化，得到近似凸优化问题，迭代对其进行优化直至收敛。本发明专利技术可有效降低干扰和障碍物阻挡对系统吞吐量影响，提升毫米波D2D通信系统和速率。

Relay selection and resource information optimization method, system, computer equipment and Application

【技术实现步骤摘要】
中继选择和资源信息优化方法、系统、计算机设备及应用
本专利技术属于毫米波D2D通信
，尤其涉及一种中继选择和资源信息优化方法、系统、计算机设备及应用。
技术介绍
目前，在毫米波D2D通信系统中，研究与抗阻挡策略相结合的干扰管理机制，可有效控制并行传输链路之间的干扰，提高链路连通性和并行传输链路数目，进一步提升网络吞吐量。关于抗阻挡毫米波传输方法主要可分为：①基于反射路径收发的抗阻挡方法；②基于多基站连接的抗阻挡方法；③基于中继转发的抗阻挡方法，三大范畴。其中，基于反射路径收发的抗阻挡方法，需要利用墙体反射，或者加装反射装置，以保证空间中存在稳定可靠的反射路径。而对于广场、公园等室外环境，稳定反射波缺少，非视距路径传输衰减大，因此这种方法适用范围有限。基于多基站连接的抗阻挡方法，虽然毫米波系统可利用高定向可控波束天线阵列来扩展它们的传输距离并减少离轴方向的小区间干扰，但密集基站部署仍然会出现严重的干扰。例如，随着BS(BaseStation)密度的增加而增加，位于来自干扰BS的定向波束的LOS路径中的用户设备(UE)处的信号与干扰加噪声比(SINR)将严重降低。另一方面原因，基于多基站连接的抗阻挡方法主要针对蜂窝用户，并不适用于D2D通信，这是由于基站通常距离D2D通信节点较远，如果建立和多个基站相连接模式，则与D2D通信近距离点对点传输的初衷相矛盾。基于中继转发的抗阻挡方法，当发射端UE到目的地UE链路较差时，允许中间中继节点将信号从发射端UE转发到目的地UE，使用两跳中继传输可以提高毫米波覆盖范围。通常，中继传输可以在毫米波或微波频谱中完成，并且中继节点可以由运营商部署，例如长期演进(LTE)中所谓的基础设施中继，或者可以使用空闲UE。使用空闲UE很有吸引力，因为它不会彻底改变网络拓扑或基础设施要求。由于充当中继的UE经由D2D链路连接到目的地UE，我们将其称为D2D中继。BojiangMa和VincentW.S.Wong发表论文“Full-DuplexRelayingforD2DCommunicationinMillimeterWave-based5GNetworks”，提出了基于毫米波的中继辅助D2D通信来解决阻挡问题，多个D2D用户对由配备定向天线的全双工继电器辅助。在毫米波通信系统中，干扰是由于资源的不合理使用造成的。因此干扰管理的重要途径之一为资源管理，由于障碍物阻挡效应使得其信道特性与3GHz以下频段大为不同。清华大学研究团队在室内毫米波系统中，针对中继路径选取及时隙资源调度方面进行了深入研究，分别提出了基于信道条件链路状态、基于吞吐量大小以及基于能耗的中继路径选取策略，实现基于中继转发的抗阻挡传输，有效降低了系统所用时隙数目。NiuY和GaoC在文献“Exploitingdevice-to-devicecommunicationsinjointschedulingofaccessandbackhaulformmWavesmallcells”中提出了一种阻塞鲁棒且有效的定向媒体访问控制协议(BRDMAC)，该协议通过中继克服了阻塞问题。中继选择和空间复用被联合优化以提高网络性能。在BRDMAC中提出了中继选择和传输调度算法来计算接近最优的中继选择，以最大化空间复用并针对总传输时间计算接近最优的调度。GaoC和LiY在文献“EvaluatingtheimpactofuserbehavioronD2Dcommunicationsinmillimeter-wavesmallcells”中首先提出一种传输调度方案，用于毫米波频段中的小型小区的无线接入，称为定向D2D介质访问控制(D3MAC)，从而设计了路径选择标准以实现D2D传输。通过广泛的仿真，证明D3MAC在延迟和吞吐量方面达到了近乎最佳的性能，并且明显优于其他方案。然后，基于此最佳方案，评估用户行为的影响，毫米波小型小区中D2D通信的性能，包括流量模式和流量负载，以及用户密度，密度和移动性。NiuY和LiuY在文献“Device-to-devicecommunicationsenabledenergyefficientmulticastschedulinginmmWavesmallcells”中提出了一种高效节能的组播调度方案，称为EMS，它利用D2D通信和并发传输来实现高能效。在EMS中，D2D路径规划算法建立多跳D2D传输路径，并发调度算法将D2D路径上的链路分配为不同的配对。然后，通过功率控制算法调整链路的传输功率，并从理论上分析了D2D通信和并发传输在降低能耗方面的作用。东南大学移动通信国家重点实验室研究团队为实现毫米波无线个人局域网鲁棒性传输，提出了最小化最大组合功率的联合中继选择和功率控制策略，以及基于扇区扫描报告帧反馈波束成形信息的中继选择策略。ChuHY和XuPP在文献“JointrelayselectionandpowercontrolforrobustcooperativemulticastinmmWaveWPANs”中首先描述了一种新的波束训练协议，该协议能够通过监听和信息反馈来过滤具有非视距链路的候选中继，避免为具有视距路径的收发器选择中继。其次，将联合中继选择和功率分配问题表示为一个优化问题，目标是在最大可容忍的中断概率和发射功率下，将源和中继的最大组合功率消耗降至最低。通过引入松弛法和拉格朗日乘子法，获得联合继电器选择和功率分配的闭式表达式。并在其文献“RelayselectionwithfeedbackbeamforminginformationthroughdesignedsectorsweepreportframeformmWaveWPANs”中首先设计了与IEEE802.11ad标准兼容的扇区扫描报告框架。其次，设计了一种在波束成形期间窃听瞬时信道状态信息的方法。第三，为了最小化中断概率并最大化整体网络吞吐能力，将非视距链路的最佳中继选择问题转化为二分图，并使用KuhnMunkres(KM)算法求解。此外，台湾成功大学的W.Chang等研究人员针对全双工中继辅助的毫米波D2D通信系统，提出了最大化能效的中继匹配和功率优化方法。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术无法同时对中继选择、功率和时隙分配三者联合优化。解决以上问题及缺陷的难度为：中继选择，功率和时隙分配三者均影响系统吞吐量性能，设计三者联合优化策略才能有效进行抗阻档和抗干扰传输，从而提升系统性能。已有方案对这三者分开进行优化设计，不能获得更优的系统性能。本专利所构建的三者联合优化问题，对系统中的各项干扰进行了建模，所建问题是非凸混合整数规划，问题本身为NP-hard，难以直接求解。本专利通过构建新的JPTA变量，减少了原问题中的优化变量，同时通过问题分解，将原问题转化为中继选取子问题和资源优化子问题，从而分别利用二分图匹配思想和凸近似优化思想，求得子问题的解，最终求得原问题的解。解决以上问题及缺陷的意义为：通过对中继选择、功率和时隙分配三者联合优化，可以克服系统毫米波信号受阻挡问题，同时通过资源调度，降低链路间干扰，提升并行传输链路数目，提升本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中继选择和资源信息优化方法，其特征在于，所述中继选择和资源信息优化方法包括：/n建立使和速率最大化的联合中继选取和资源优化模型，并分解为中继选择和资源优化两个子问题；/n构造加权二分图，将中继选择等效为一对一加权匹配问题，利用基于匈牙利算法的最大匹配方法得到最优中继选择；/n针对功率优化和时隙分配子问题，利用约束凹凸过程原理，将原目标函数等价为凸-凸的形式，对减号后的凸函数进行线性近似化，得到近似凸优化问题，迭代对其进行优化直至收敛。/n

【技术特征摘要】
1.一种中继选择和资源信息优化方法，其特征在于，所述中继选择和资源信息优化方法包括：
建立使和速率最大化的联合中继选取和资源优化模型，并分解为中继选择和资源优化两个子问题；
构造加权二分图，将中继选择等效为一对一加权匹配问题，利用基于匈牙利算法的最大匹配方法得到最优中继选择；
针对功率优化和时隙分配子问题，利用约束凹凸过程原理，将原目标函数等价为凸-凸的形式，对减号后的凸函数进行线性近似化，得到近似凸优化问题，迭代对其进行优化直至收敛。


2.如权利要求1所述的中继选择和资源信息优化方法，其特征在于，所述中继选择和资源信息优化方法还包括：
步骤一，设定一组中继集合为R，源和目标设备的集合分别表示为S和D，其中S和D互不相交；将源到目的地D2D用户对的集合表示为L＝{1，2，...，li}，中继的集合表示为R＝{1，2，...，rj}，第i个源设备si∈S和第i个目标设备di∈D形成源-目的地对li∈(si，di)∈L；所有D2D用户对和中继在圆形区域中随机分布以模拟超密集场景和假设D2D链路在基站BeNB的控制下，并且eNB知道所有D2D通信链路的信道状态信息CSI，D2D通信链路使用时分多址TDMA在毫米波频带上进行发送，设定调度中的时隙集合是M＝{1，2，...，m}；
步骤二，分析中继选择和资源优化的和速率；
步骤三，建立联合中继选择和资源优化问题模型；
步骤四，分析中继选择问题，首先令式



中发射功率恒定为在信道时隙正交下进行中继选择，选择时隙正交信道，举出N2种D2D用户对和中继的匹配方案，并在给定功率下计算各个方案的系统和速率，从N2种方案中选出和速率最大的方案作为中继选择方案，中继辅助的D2D链路只受到本条链路全双工中继的自干扰和源设备对目标设备的干扰，得到式：



约束条件为：






定义矩阵以表示用户对的中继选择结果，其中如果用户对li选择中继rj，则二进制变量否则，采用基于二分图的最大匹配方法求解，公式的解为当系统中信息速率最大时，得到匹配系数矩阵X的值，即从而得到每个D2D用户对li匹配的中继rj，完成中继选择；
步骤五，构造加权二分图，将顶点集视为D2D用户对集合L和中继集合R，将所有可能的中继选择视为不同的匹配项，在D2D用户对和中继之间找到最佳匹配，得到问题的中继选择的最优解，构造了一个二分图；所述二分图包括两个不相交的顶点集和边，使用(li，rj)表示将D2D用户对li与中继rj连接的边，将每条中继辅助D2D链路的信息速率作为权重分配给图的每个边，构造加权二图将中继选择问题转换为等效匹配问题，考虑约束条件在匹配中只有一个边可以与D2D用户对连接，一个中继辅助一条D2D链路，一条D2D链路使用一个中继传输；
步骤六，设计基于二分图的中继选择算法，计算每条可能的中继辅助D2D链路的信息速率构造边权重矩阵将边权重矩阵带入基于匈牙利算法的最大匹配方法得到最优中继中继
步骤七，分析功率优化和时隙分配问题，在获得最佳中继选择之后，本发明进行联合功率优化和时隙分配问题的求解，联合功率优化和时隙分配的和速率最大问题描述如下：



约束条件：



步骤八，构建约束凹凸问题，近似凸优化目标函数，首先将问题中的目标函数重写为凸函数-凸函数DC的形式，由原问题中最大化和速率目标函数转换成最小化负的和速率目标函数，得到DC规划问题如下：



约束条件：



其中，

和

都是凸函数；然后，利用凸近似化思想，通过将进行一阶泰勒展开，问题近似为凸优化问题；通过连续求解一系列凸优化问题获得问题的稳定解，在第n次迭代中，需要解决的凸优化问题如下式：



约束条件：



其中，

和

是的一阶泰勒展开近似式，令表示单条链路负速率值得一阶近似泰勒展开式；
步骤九，设计联合功率优化和时隙分配算法，首先生成JPTA变量初始值n＝0，作为第一次迭代优化时，凸近似中一阶泰勒展开点；其次，求解近似的凸优化问题并将所求得的JPTA变量最优值赋值给计算当前迭代系统和速率与前一次迭代系统和速率的差值是否满足迭代终止条件若不满足，开始下一次迭代优化，若满足，则终止迭代。


3.如权利要求2所述的中继选择和资源信息优化方法，其特征在于，所述步骤二分析中继选择和资源优化的和速率包括：
(1)分别采用标准的Friis传输方程和实际统计信道模型进行毫米波传输，采用标准的Friss模型时，从D2D发射机j到D2D接收机i的路径损耗增益由下式给出：



其中，λ是波长，对于60GHz毫米波链路，波长为5mm，dij是设备j到设备i的距离，σ代表氧气吸收损失，采用实际统计信道模型时，从D2D发射机j到D2D接收机i的路径损耗增益由下式给出：



其中，CL和CN是与LOS和NLOS有关的传输系数常数，αL和αN是LOS和NLOS路径损耗指数；
(2)采用理想定向扇形天线模型，使天线达到恒定的高主瓣的增益或恒定的低旁瓣增益，Θt代表发射信号的偏离角，发射天线增益如下：



其中，Mt，mt和分别是主瓣增益，旁瓣增益和发射天线的半功率波束宽度，同样让Θr表示接收信号的偏离角度，接收天线的增益如下：



其中，Mt，mt和分别是主瓣增益，旁瓣增益和接收天线的半功率波束宽度，主瓣增益M由公式得到，如下：



其中，m是旁瓣增益，取值范围是0≤m≤1，通常取m＝0.05，主瓣波束宽度
设定设备i到设备j的天线增益为角度和分别表示发射机j和接收机i之间连线相对于发射机j到接收机j和发射机i到接收机i视轴方向的角度；发射和接收天线精确对准，如果i和j属于一对通信设备，和都是0°，设备i和j之间的总增益表示为
(3)定义中继分配参数如下：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小亚，张汉卿，贺晨，彭进业，梁霄，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61