一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法，包括：构建能量收集模型进行能量收集的D2D网络底层蜂窝通信系统；考虑蜂窝通信和D2D通信的通信质量，构建以最大化系统内最小的数据量的优化问题，将优化问题转换为时间和功率分配子问题以及频谱资源分配子问题；利用变量替换和泰勒展开理论设计迭代算法求解时间和功率分配子问题；利用匈牙利算法和二分查找法设计算法求解频谱资源分配子问题，得到频谱资源最优化的分配。本发明专利技术提出最大化系统内最小的传输数据量的多目标优化问题，协调所有D2D设备的通信质量使得系统资源公平分配，同时考虑系统中蜂窝用户和D2D设备的通信质量，使得资源分配设计更好的应用于实际。于实际。于实际。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法。

技术介绍

[0002]随着万物互联的5G时代到来，海量设备接入无线网络引发的网络堵塞和耗能，频谱资源的匮乏等问题都给无线网络带来了巨大的挑战；多年之前，为了应对这些问题D2D通信作为一种允许设备之间直接通信的通信技术被提出，它能够将移动设备造成的网络压力转移到设备自身而不是基站；目前，D2D的快速发展展现出它的巨大发展潜力，已经作为5G的关键技术朝着实践落地的方向探索。
[0003]由于设备之间通信会对内容提供方造成多余的能量损耗，因此，研究人员从距离、社交因素和功率控制等方面考虑通信策略致力于提高D2D通信的能量效率；但未有效解决设备有限的电池容量和充电方式的问题，为此，研究人员将目光转到能量收集技术与D2D通信技术的结合，设备能够能量自补给，延长了网络和设备的寿命有利于促进绿色通信；能量收集是指设备能够从环境中收集可再生能源如太阳能、风能和射频能量用于自身运转工作，其中射频信号具有同时传输信息和能量的优势，能够利用闲置的干扰信号而被更多研究。
[0004]在频谱资源有限的情况下D2D与蜂窝通信协同工作能够实现更高的频谱效率，现有技术中设计了许多资源分配算法来控制复用频谱资源造成的干扰实现更好的系统性能表现；但是，由于能量收集改变了设备的可用电量，传统D2D网络的资源分配方法不再适用于基于射频能量收集的D2D网络，而且现有技术中对基于能量收集的D2D通信的研究比较缺乏，且缺乏对DUE(D2D设备)通信质量的考虑，资源分配缺乏公平性。
[0005]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法，解决了现有技术问题的不足。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法，所述方法包括：
[0008]S1、构建基于线性射频能量收集模型进行能量收集的D2D网络底层蜂窝通信系统，系统中包括多个D2D设备DUE组成的集合和蜂窝通信设备CUE组成的集合M＝{1,
…
,m,
…
,M}，DUE设备对之间采用D2D通信，CUE设备与基站之间进行蜂窝通信；
[0009]S2、同时考虑蜂窝通信和D2D通信的通信质量，构建以最大化系统内最小的数据量的优化问题，并将优化问题转换为时间和功率分配子问题以及频谱资源分配子问题；
[0010]S3、利用变量替换和泰勒展开理论设计迭代算法求解时间和功率分配子问题；
[0011]S4、利用匈牙利算法和二分查找法设计算法求解频谱资源分配子问题，得到频谱资源最优化的公平分配。
[0012]所述DUE设备对包括D2D发射机DUE_T设备和D2D接收机DUE_R设备，DUE_T设备采用时分协议收集补充能量，在周期时间T内，第n个DUE_T设备在能量收集时隙中进行能量收集，然后信息传输时隙将收集的能量用于数据传输，DUE_Tn收集的能量为其中，η为能量收集电路的转化效率，P
B
为基站发射功率，g
B,n
为DUE_T与基站之间的信道增益；
[0013]DUE_Tn的发射功率由第一阶段时长和收集能量决定，收集到的能量可得DUE_Tn的发射功率为
[0014]在通信阶段DUE设备复用CUE设备的上行频谱资源，当第n个DUE设备对复用第m个CUE设备的信道时，蜂窝通信信道和D2D通信信道分别建模为和其中C为路径损耗常量，ξ
m,B
为标准差为8dB的对数阴影衰落，得到DUE_Rn接收点与基站接收点处的信号干扰噪声比分别为：
[0015][0016][0017]其中，为CUEm的发射功率，为DUE_Tn的发射功率，ρ
m,n
为二分变量，代表DUE设备对n是否复用CUEm频谱的频谱复用指示因子；
[0018]进而得到DUE设备和CUE设备的信息传输速率分别表示为和
[0019]所述优化问题表示为：约束条件如下：
[0020]s.t.
[0021][0022][0023][0024][0025][0026]ρ
m,n
∈{0,1},
[0027]ρ
m,n
∈{0,1},
[0028]其中，和分别为CUE设备和DUE设备最低传输速率阈值，是能量收集时隙，是信息传输时隙，两个时隙之和不超过周期T；为收集能量的最低阈值即正常通信需求所需要的最低能量，是收集能量的最高阈值即DUE的最大容量；和分别是DUE设备和CUE设备的最大发射功率；频谱复用指示因子ρ
m,n
约束一个CUE设备的频谱最多只能被一个D2D链路复用，并且每个D2D链路均能找到一个CUE设备的频谱复用。
[0029]所述时间和功率分配子问题表示为：其中，a1＝bh
m,n
+Ah
n
，b1＝σ2+ah
m,n
‑
Bh
n
，c1＝bh
m,n
，d1＝σ2+ah
m,n
，
[0030]经过泰勒一阶展开为其中t
k
是常数，是的梯度向量。
[0031]利用变量替换和泰勒展开理论设计迭代算法对时间和功率分配子问题进行求解包括以下内容：
[0032]A1、初始化时间t
k
，k＝0，迭代次数为0；
[0033]A2、如果满足f(t
(k)
)
‑
f(t
(k
‑
1)
)＞ε，则继续下述步骤，否则直接跳到步骤A7，ε是求解精度；
[0034]A3、求解凸优化问题得到当前t
k
下的最优时间
[0035]A4、令k＝k+1；
[0036]A5、更新t
k
，
[0037]A6、返回步骤A2；
[0038]A7、计算最优能量收集时间CUE发射功率DUE发射功率
[0039]所述利用匈牙利算法和二分查找法设计算法求解频谱资源分配子问题包括以下
内容：
[0040]B1、利用最佳时间和功率分配求得每个CUE
‑
DUE复用对的信息速率与DUE设备的最低信息传输速率阈值比较
[0041]B2、计算M
×
N个CUE
‑
DUE复用对传输的数据量
[0042]B3、初始化二分查找的左边界i＝1，右边界j＝M
×
N，初始化矩阵K＝0
M
×
N
；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法，其特征在于：所述方法包括：S1、构建基于线性射频能量收集模型进行能量收集的D2D网络底层蜂窝通信系统，系统中包括多个D2D设备DUE组成的集合和蜂窝通信设备CUE组成的集合M＝{1,
…
,m,
…
,M}，DUE设备对之间采用D2D通信，CUE设备与基站之间进行蜂窝通信；S2、同时考虑蜂窝通信和D2D通信的通信质量，构建以最大化系统内最小的数据量的优化问题，并将优化问题转换为时间和功率分配子问题以及频谱资源分配子问题；S3、利用变量替换和泰勒展开理论设计迭代算法求解时间和功率分配子问题；S4、利用匈牙利算法和二分查找法设计算法求解频谱资源分配子问题，得到频谱资源最优化的公平分配。2.根据权利要求1所述的一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法，其特征在于：所述DUE设备对包括D2D发射机DUE_T设备和D2D接收机DUE_R设备，DUE_T设备采用时分协议收集补充能量，在周期时间T内，第n个DUE_T设备在能量收集时隙中进行能量收集，然后信息传输时隙将收集的能量用于数据传输，DUE_T n收集的能量为其中，η为能量收集电路的转化效率，P
B
为基站发射功率，g
B,n
为DUE_T与基站之间的信道增益；DUE_T n的发射功率由第一阶段时长和收集能量决定，收集到的能量可得DUE_T n的发射功率为3.根据权利要求2所述的一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法，其特征在于：在通信阶段DUE设备复用CUE设备的上行频谱资源，当第n个DUE设备对复用第m个CUE设备的信道时，蜂窝通信信道和D2D通信信道分别建模为和其中C为路径损耗常量，ξ
m,B
为标准差为8dB的对数阴影衰落，得到DUE_R n接收点与基站接收点处的信号干扰噪声比分别为：收点处的信号干扰噪声比分别为：其中，为CUE m的发射功率，为DUE_T n的发射功率，ρ
m,n
为二分变量，代表DUE设备对n是否复用CUE m频谱的频谱复用指示因子；进而得到DUE设备和CUE设备的信息传输速率分别表示为和4.根据权利要求1所述的一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法，其特征
在于：所述优化问题表示为：约束条件如下：约束条件如下：约束条件如下：约束条件如下：约束条件如下：约束条件如下：约束条件如下：约束条件如下：其中，和分别为CUE设备和DUE设备最低传输速率阈值，是能量收集时隙，是信息传输时隙，两个时隙之和不超过周期T；为收集能量的最低阈值即正常通信需求所需要的最低能量，是收集能量的最高阈值即DUE的最大容量；和分别是DUE设备和CUE设备的最大发射功率；频谱复用指示因子ρ
m,n
约束一个CUE设备的频谱最多只能被一个D2D链路复用，并且每个D2D链路均能找到一个CUE设备的频谱复用。5.根据权利要求1所述的一种基于能量收集的D2D网络联合资源公平分配方法，其特征在于：所述时间和功率分配子问题表示为：其中，a1＝bh
m,n
+Ah
n
，b1＝σ2+ah
m,n
‑
Bh
n
，c1＝bh
m,n
，d1＝σ2+ah
m,n
，经过泰勒一阶展开为其中t<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鲲，王萍，梅海波，刘强，韦云凯，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院衢州，
类型：发明
国别省市：