移动蜂窝系统中基于NOMA的D2D通信能效优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了D2D通信技术领域的一种基于NOMA的D2D通信能效优化方法及系统，在保证所有用户的通信质量的前提下，优化信道分配，实现功率控制，提高D2D能效。多个蜂窝用户以NOMA方式占用一个信道与基站通信；D2D用户复用基站上行信道进行通信；以提高D2D用户能效为优化目标，将原问题分解为三个子问题，包括：a、利用遗传算法为蜂窝用户和D2D用户进行信道分配，并将信道分配的结果存入历史信道分配集合中；b、基于边界值推导，根据SINR下限获得蜂窝用户发射功率，并确定NOMA信号解调顺序；c、基于多目标优化和DC算法将原优化目标转换为凸函数，利用遗传算法求解D2D用户发射功率；迭代至信道分配结果已存在于历史信道分配集合中，得到资源分配稳定解。

【技术实现步骤摘要】
移动蜂窝系统中基于NOMA的D2D通信能效优化方法及系统
本专利技术属于D2D通信
，具体涉及一种移动蜂窝系统中基于NOMA的D2D通信能效优化方法及系统。
技术介绍
随着移动设备数量和多媒体业务的快速增长，人们对于高速率数据流量的需求不断增加，使得频谱资源日益匮乏，核心网压力剧增。D2D通信是一种在蜂窝系统控制下，允许近距离终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术。在蜂窝网络中引入D2D通信，可以减轻基站负担，减小通信时延。与传统蜂窝通信相比，D2D通信仅占用一半的频谱资源。而且近距离的D2D通信可以减小传输功率，节约能耗，增加手机的续航时间。现有技术中，D2D通信尚存在信道分配不合理、能效低、多用户时通信质量不高的技术问题。
技术实现思路
为解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种移动蜂窝系统中基于NOMA的D2D通信能效优化方法及系统，在保证所有用户的通信质量的前提下，优化信道分配，实现功率控制，提高D2D能效。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：第一方面，提供一种基于NOMA的D2D通信能效优化方法，多个蜂窝用户以NOMA方式占用一个信道与基站通信；D2D用户复用基站上行信道进行通信；以提高D2D用户能效为优化目标，包括：a、利用遗传算法为蜂窝用户和D2D用户进行信道分配，并将信道分配的结果存入历史信道分配集合中；b、基于边界值推导，根据SINR下限获得蜂窝用户发射功率，并确定NOMA信号解调顺序；c、基于多目标优化和DC算法将原优化目标转换为凸函数，利用遗传算法求解D2D用户发射功率；d、重复步骤a、b、c，直至信道分配结果已存在于历史信道分配集合中，得到资源分配稳定解。进一步地，所述优化目标为：其中，P0表示平均电路损耗功率，表示D2D发射端DTk的发射功率，表示D2D发射端DTk的传输速率。进一步地，所述利用遗传算法为蜂窝用户和D2D用户进行信道分配，包括：a1、在所有可能的信道分配方案中随机产生染色体种群，即初始方案；a2、根据优化目标评估每个染色体的适应度，即对应的优化目标值；a3、如果满足终止条件：与上一次迭代结果的差值在给定范围内，则选择最好的染色体并结束循环，否则转a4；a4、通过交叉、变异更新染色体，转a2；a5、得到信道分配结果μ*，即μk,n表示D2D组占用信道的情况，如果D2D组Dk复用信道SCn，那么μk,n＝1，否则μk,n＝0、η*，即ηm,n表示蜂窝使用信道的情况，如果蜂窝用户Cm复用信道SCn，那么ηm,n＝1，否则ηm,n＝0，完成蜂窝用户和D2D用户的信道分配。进一步地，所述基于边界值推导，根据SINR下限获得蜂窝用户发射功率，包括：b1、将蜂窝用户到基站的信道增益按升序排列，当即任意蜂窝用户Cj的信道增益都小于Ci的信道资源时，去除同一信道上蜂窝用户发送的信息干扰，解调出蜂窝用户的信号，且满足：b2、根据蜂窝用户的信干噪比门限获取蜂窝用户最低的发射功率：b3、令递推得到蜂窝用户的最优发射功率，为：进一步地，所述基于多目标优化和DC算法将原优化目标转换为凸函数，利用遗传算法求解D2D用户发射功率，包括：c1、将优化目标转化为子目标函数：：和利用加权因子将各子目标函数线性组合成一个单一目标函数c2、利用DC算法将原优化目标转换为凸函数的差，余项用一阶泰勒级数逼近，得到其中，c3、获取h(p)的泰勒级数；c4、选择一个可行的p0作为初始解，然后迭代生成下一个解使其满足进而得到α(f(pt+1)-h(pt+1))-(1-α)g(p)≥α(f(pt)-h(pt))-(1-α)g(p)，即每次迭代后的目标值均不小于原目标值；c5、利用遗传算法搜索得到最优D2D用户发射功率。第二方面，提供一种基于NOMA的D2D通信能效优化系统，包括处理器和存储设备，所述存储设备中存储有多条指令，用于所述处理器加载并执行第一方面所述方法的步骤。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：本专利技术通过将蜂窝NOMA与D2D通信结合，以D2D能效为优化目标，协调蜂窝和D2D组干扰，提升系统性能；将资源分配问题分解为三个子问题，利用遗传算法为蜂窝和D2D用户分配信道，并证明算法的收敛性，利用信干噪比门限递推得到蜂窝用户最优发射功率，将原优化问题通过多目标优化和DC非凸转凸，用凸优化方法解决D2D用户最优发射功率，三个子问题迭代收敛至最优资源分配，在保证所有用户的通信质量的前提下，优化信道分配，实现功率控制，提高D2D能效。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种移动蜂窝系统中基于NOMA的D2D通信能效优化方法的网络模型示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种移动蜂窝系统中基于NOMA的D2D通信能效优化方法的主要流程示意图；图3是不同蜂窝信干噪比门限下D2D能效的对比图；图4是不同蜂窝用户数下D2D能效的对比图；图5是不同β(信道路径损耗衰落因子)值下D2D能效的对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。实施例一：一种基于NOMA的D2D通信能效优化方法，多个蜂窝用户以NOMA方式占用一个信道与基站通信；D2D用户复用基站上行信道进行通信；以提高D2D用户能效为优化目标，包括：a、利用遗传算法为蜂窝用户和D2D用户进行信道分配，并将信道分配的结果存入历史信道分配集合中；b、基于边界值推导，根据SINR(信干噪比)下限获得蜂窝用户发射功率，并确定NOMA信号解调顺序；c、基于多目标优化和DC算法将原优化目标转换为凸函数，利用遗传算法求解D2D用户发射功率；d、重复步骤a、b、c，直至信道分配结果已存在于历史信道分配集合中，得到资源分配稳定解。本实施例的共享基站上行链路资源的蜂窝NOMA-D2D通信模型，如附图1所示，基站位于小区中心，小区半径为R，小区内随机分布着M个蜂窝用户和K个D2D组，蜂窝用户集合为{C1,C2,...,CM}，基站提供N个相互正交的信道，信道集合为{SC1,SC2,...,SCN}，蜂窝用户以NOMA方式与基站通信，即多个蜂窝用户可占用同一信道，D2D组集合为{D1,D2,...,DK}，D2D组由D2D发送端和D2D接收端组成，D2D接收端随机分布在以其发送端为圆心，半径为L的圆内，D2D用户复用蜂窝用户的上行信道进行通信。通过协调干扰，实现小区内用户通信。本实施例假设多个蜂窝用户以NOMA方式占用一个信道与基站通信，一个D2D组只能复用一个蜂窝用户的信道，一个信道能被多个D2D组复用。因此，基站在信道SCn上所接收到的信号可以表示为：其中，为蜂窝用户的发射功率，为D2D发送端的发射功率，gm,B为蜂窝用户到基站的信道增益，gk,B为D2D发送端DTk到基站的信道增益，ηm,n表示蜂窝用户占用信道的情况，如果Cm复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于NOMA的D2D通信能效优化方法，其特征是，多个蜂窝用户以NOMA方式占用一个信道与基站通信；D2D用户复用基站上行信道进行通信；以提高D2D用户能效为优化目标，包括：/na、利用遗传算法为蜂窝用户和D2D用户进行信道分配，并将信道分配的结果存入历史信道分配集合中；/nb、基于边界值推导，根据SINR下限获得蜂窝用户发射功率，并确定NOMA信号解调顺序；/nc、基于多目标优化和DC算法将原优化目标转换为凸函数，利用遗传算法求解D2D用户发射功率；/nd、重复步骤a、b、c，直至信道分配结果已存在于历史信道分配集合中，得到资源分配稳定解。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于NOMA的D2D通信能效优化方法，其特征是，多个蜂窝用户以NOMA方式占用一个信道与基站通信；D2D用户复用基站上行信道进行通信；以提高D2D用户能效为优化目标，包括：
a、利用遗传算法为蜂窝用户和D2D用户进行信道分配，并将信道分配的结果存入历史信道分配集合中；
b、基于边界值推导，根据SINR下限获得蜂窝用户发射功率，并确定NOMA信号解调顺序；
c、基于多目标优化和DC算法将原优化目标转换为凸函数，利用遗传算法求解D2D用户发射功率；
d、重复步骤a、b、c，直至信道分配结果已存在于历史信道分配集合中，得到资源分配稳定解。


2.根据权利要求1所述的基于NOMA的D2D通信能效优化方法，其特征是，所述优化目标为：



其中，P0表示平均电路损耗功率，表示D2D发射端DTk的发射功率，表示D2D发射端DTk的传输速率。


3.根据权利要求1所述的基于NOMA的D2D通信能效优化方法，其特征是，所述利用遗传算法为蜂窝用户和D2D用户进行信道分配，包括：
a1、在所有可能的信道分配方案中随机产生染色体种群，即初始方案；
a2、根据优化目标评估每个染色体的适应度，即对应的优化目标值；
a3、如果满足终止条件：与上一次迭代结果的差值在给定范围内，则选择最好的染色体并结束循环，否则转a4；
a4、通过交叉、变异更新染色体，转a2；
a5、得到信道分配结果μ*，即μk,n表示D2D组占用信道的情况，如果D2D组Dk复用信道SCn，那么μk,n＝1，否则μk,n＝0、η*，即ηm,n表示蜂窝使用信道的情况，如果蜂窝用户Cm复用信道SCn，那么ηm,n＝1，否则ηm,...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱琦，顾雯莹，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32