一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法，涉及无线通信技术领域，采用一种猎人猎物优化算法进行求解，猎人猎物优化算法能够大大提高解决混合整数非线性规划问题的能力，猎人猎物种群元素是根据D2D发射功率边界随机产生的，随机选择猎人猎物且猎人围绕猎物作随机运动，所以陷入局部最优几率低，其次该算法以D2D平均发射功率为猎物来进行搜索，随着不断迭代猎人会自适应的减少与平均发射功率的距离，以保证算法的收敛性，且每次迭代猎人或者猎物会与当前最优解进行比较并更新，最后在优化过程中猎人会向最佳的猎物位置调整，同时会指引猎物到搜索空间中有希望逃生的位置，保证了搜索与开发之间的平衡。保证了搜索与开发之间的平衡。保证了搜索与开发之间的平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法。

技术介绍

[0002]随着现代通信技术的不断发展，D2D通信干扰抑制的研究已经成为热点。D2D通信引入蜂窝网络系统既可以提高频谱利用率和减少干扰，又可以更进一步的提高系统总吞吐量。但是需要注意的是，在一个蜂窝小区中存在多个DUE用户对和CUE用户时，彼此之间会造成相互干扰，对蜂窝网络系统的性能产生一定的影响。
[0003]早期的研究中主要使用集中式算法来抑制干扰，例如：基于图论的算法、基于超图理论的算法，这类算法虽然效果良好，但是算法复杂度高和BS负载压力大。后来考虑到通过功率控制来对D2D用户对之间以及CUE与DUE之间造成的干扰进行抑制会出现目标函数及约束条件可能是非凸的情况，于是存在得到的最优解并不是全局最优解而是局部最优解的问题。对于这个问题研究者们给出了不同的解决方案，一类是采用全局优化算法来解决，其思路是通过迭代得到不同的局部最优解，然后再从局部最优解中选择一个最佳的解作为近似的全局最优解，主要有遗传算法，模拟退火算法，粒子群优化算法等，已有文献提出了一种基于改进遗传算法的资源分配方案，该算法提高了遗传算法的多样性，避免了多重算子的变异，具有更好的系统吞吐量和干扰抑制性能，但是算法复杂度高和寻优精度低。已有提出了一种基于模拟退火算法的资源管理方案，模拟退火算法在一定程度上提高了吞吐量，但没有考虑D2D用户的能耗问题。已有文献介绍了一种基于粒子群优化的功率控制算法，该算法虽然降低了干扰，但是由于粒子多样性太低容易造成局部收敛。另一类解决方案是利用博弈论来设计功率控制方法，已有文献介绍了一种通过采用博弈论思想来进行资源分配的算法，这种算法提高了系统用户吞吐量，但是计算复杂度高，得到的纳什均衡点并不总是最好的。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法，解决了现有技术中无法同时实现系统用户吞吐量最大化和降低蜂窝用户干扰的技术问题。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法，方法包括以下步骤：
[0006]对D2D功率控制变量和相关约束条件进行建模；
[0007]分别对复用模式下D2D用户和蜂窝用户的吞吐量进行建模，以最大化D2D通信网络的吞吐量为目标，将D2D功率控制问题构建为混合整数非线性规划问题Φ；
[0008]采用猎人猎物优化算法对混合整数非线性规划问题Φ进行求解，得到D2D最优发射功率，进而实现系统用户吞吐量最大化和降低蜂窝用户干扰。
[0009]优选地，所述建模的过程包括以下步骤：
[0010]设置蜂窝用户最大发射功率为P
cmax
，D2D用户产生最大干扰门限为Inter
max
，D2D通信用户最大发射功率为P
Dmax
，最小发射功率为P
Dmin
，DUE用户的最小信噪比为SINR
Dmin
；
[0011]设小区内有X个D2D通信用户{DUE(1)，DUE(2)，
…
，DUE(X)}，Y个蜂窝用户{CUE(1),CUE(2)，
…
，CUE(Y)}，系统所有用户的路损增益模型为：
[0012]P
R
＝P
s
Kd
‑
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013]其中K为路径损耗常数，α为路径损耗指数，d为用户间距离，P
s
为发射功率，P
R
为接收功率；
[0014]当第i对DUE用户复用第j个CUE用户频谱资源时，DUE用户对蜂窝用户产生的干扰为：
[0015][0016]P
D
(i)表示第i对DUE的发射功率，d
i,bs
表示第i对DUE用户到基站的距离；CUE用户对DUE用户产生的干扰为：
[0017][0018]其中P
c
(j)表示第j个CUE用户的发射功率，d
i,j
表示第j个CUE用户到第i对DUE用户接收端的距离；
[0019]此时DUE用户的信噪比为：
[0020][0021]N0为高斯白噪声功率，此时，根据香农公式，第i个DUE用户的吞吐量为：
[0022][0023]上式中B表示系统带宽，SINR
D
(i)表示第i对DUE用户的信噪比。
[0024]优选地，所述构建为混合整数非线性规划问题Φ的过程包括以下步骤：
[0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031]式(6)是系统总吞吐量计算公式，前半部分是D2D用户的吞吐量，后半部分是蜂窝用户的吞吐量；d
i
表示第i对D2D用户之间的距离，i从1到X，表示第i对D2D用户，d
j,bs
表示第j个蜂窝用户到基站的距离；式(7)是D2D发射功率上下边界；式(8)表示D2D用户的信噪比下限；式(9)是指D2D用户对蜂窝用户产生干扰上限；式(10)中所述表示一对DUE用户只能复用一个蜂窝用户并且一个蜂窝用户的资源只能被一对DUE用户复用。其中η
i,j
是指第i对DUE用户复用第j个用户的频谱资源，为了避免D2D用户对之间的干扰，规定η
i,j
＝1表示DUE(i)用户与CUE(j)用户共享频谱资源，否则η
i,j
＝0。
[0032]优选地，所述得到D2D最优发射功率的过程包括以下步骤：
[0033]初始化参数，猎人猎物位置种群大小为nPop，最大迭代数为l
max
，设定调节参数为β＝0.1；
[0034]初始化猎人猎物种群HPO，其元素为D2D用户发射功率，并用目标函数对元素进行评估，其中R
total
(
·
)为式(6)表示系统总吞吐量计算公式，Inter
c
(
·
)为式(2)表示蜂窝用户受到的干扰，D2D通信用户的最大发射功率为P
Dmax
，D2D通信用户的最小发射功率为P
Dmin
，X表示D2D用户数，rand(1)表示0到1之间的一个随机数，P
Dj
(i)表示第j个种群第i个D2D用户的发射功率；
[0035][0036]H
j
＝{P
Dj
(1),P
Dj
(2),...,P
Dj
(i),...P
Dj
(X)},i∈(1,X)
[0037]P
Dj
(i)∈[P
Dmax
,P
Dmin
],P
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法，其特征在于，方法包括以下步骤：对D2D功率的控制变量和相关约束条件进行建模；分别对复用模式下D2D用户和蜂窝用户的吞吐量进行建模，以最大化D2D通信网络的吞吐量为目标，将D2D功率控制问题构建为混合整数非线性规划问题Φ；采用猎人猎物优化算法对混合整数非线性规划问题Φ进行求解，得到最优的D2D发射功率，进而实现系统用户吞吐量最大化和降低蜂窝用户干扰。2.根据权利要求1所述的一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法，其特征在于，所述建模的过程包括以下步骤：设置蜂窝用户最大发射功率为P
cmax
，D2D用户产生最大干扰门限为Inter
max
，D2D通信用户最大发射功率为P
Dmax
，最小发射功率为P
Dmin
，DUE用户的最小信噪比为SINR
Dmin
；设小区内有X个D2D通信用户对{DUET(1)，DUER(1)；DUET(2)，DUER(2)
…
DUET(i)，DUER(i)；DUET(X)，DUER(X)}，其中DUET(i)表示第i个D2D通信用户发射端，DUER(i)表示第i个D2D通信用户接收端，i由到X，Y个蜂窝用户{CUE(1),CUE(2)，
…
，CUE(Y)}，系统所有用户的路损增益模型为：P
R
＝P
s
Kd
‑
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中K为路径损耗常数，α为路径损耗指数，d为用户间距离，P
s
为发射功率，P
R
为接收功率；当第i对DUE用户复用第j个CUE用户频谱资源时，DUE用户对蜂窝用户产生的干扰为：P
D
(i)表示第i对DUE的发射功率，d
i,bs
表示第i对DUE用户到基站的距离；CUE用户对DUE用户产生的干扰为：其中P
c
(j)表示第j个CUE用户的发射功率，d
i,j
表示第j个CUE用户到第i对DUE用户接收端的距离；此时DUE用户的信噪比为：N0为高斯白噪声功率，此时，根据香农公式，第i个DUE用户的吞吐量为：上式中B表示系统带宽，SINR
D
(i)表示第i对DUE用户的信噪比。3.根据权利要求1所述的一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法，其特征在于，所述构建为混合整数非线性规划问题Φ的过程包括以下步骤：
式(6)是系统总吞吐量计算公式，前半部分是D2D用户的吞吐量，后半部分是蜂窝用户的吞吐量；d
i
表示第i对D2D用户之间的距离，i从1到X，表示第i对D2D用户，d
j,bs
表示第j个蜂窝用户到基站的距离，j从1到Y，表示第j个蜂窝用户；式(7)是D2D发射功率上下边界；式(8)表示D2D用户的信噪比下限；式(9)是指D2D用户对蜂窝用户产生干扰上限；式(10)中所述表示一对DUE用户只能复用一个蜂窝用户并且一个蜂窝用户的资源只能被一对DUE用户复用。其中η
i,j
是指第i对DUE用户复用第j个用户的频谱资源，为了避免D2D用户对之间的干扰，规定η
i,j
＝1表示DUE(i)用户与CUE(j)用户共享频谱资源，否则η
i,j
＝0。4.根据权利要求1所述的一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法，其特征在于，所述表示一对DUE用户只能复用一个蜂窝用户并且一个蜂窝用户的资源只能被一对DUE用户复用。5.根据权利要求1所述的一种基于猎人猎物优化的D2D通信功率控制方法，其特征在于，所述得到最优的D2D发射功率的过程包括以下步骤：初始化参数，猎人猎物位置种群大小为nPop，最大迭代数为l
max
，设定调节参数为β＝0.1；初始化猎人猎物种群HPO，其元素为D2D用户发射功率，并用目标函数对元素进行评估，其中R
total
(
·
)为式(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：江超，张治中，黄华然，曹丽媛，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：