一种蜂窝网络中D2D通信的联合功率控制及比例公平调度的方法

摘要

一种蜂窝网络中D2D通信的联合功率控制及比例公平调度的方法，涉及蜂窝网络中D2D通信领域。本发明为了为解决用户之间共信道干扰的问题以及现有干扰抑制算法中以系统吞吐量最大为目标所带来的用户之间公平性问题。本发明采用了最优功率控制方法进行干扰抑制。同时，针对多个用户共存情况下，由于信道的时变特性所导致的用户公平性问题，本发明采用了比例公平调度方法，以满足用户对公平性的需求。构建D2D通信复用上行链路资源的蜂窝网络模型并针对该网络模型进行联合功率控制和比例公平资源调度的数学建模及求解。本发明提出的联合功率控制和比例公平资源调度的干扰抑制方法能在保证用户通信质量的同时提高系统的吞吐量和公平性。

主权项

一种蜂窝网络中D2D通信的联合功率控制及比例公平调度的方法，其特征在于：所述方法的实现过程如下：A、构建D2D通信复用上行链路资源的蜂窝网络模型；B、针对该网络模型下D2D复用蜂窝网络频谱资源通信时的联合功率控制和比例公平资源调度算法的数学建模；蜂窝网络中蜂窝用户通信链路和D2D用户通信链路的瞬时信道增益由多径效应，阴影效应和路径损耗构成；以蜂窝用户i_C与基站(BS)之间的信道增益为例，其数学表达式为：其中，G是路径损耗常数，为服从指数分布的快速衰落，是服从对数正太分布的慢衰落因子，α是路径损耗因子，是蜂窝用户i_C和基站之间的距离；同样方法得到其他信道增益：用表示D2D对之间的信道增益，表示蜂窝用户i_C与D2D对i_D接收端之间的干扰信道增益，表示D2D对i_D到基站(BS)干扰链路的信道增益；假设信道的高斯白噪声为当D2D用户i_D复用蜂窝用户i_C时，计算相应D2D用户的SINR和瞬时数据速率如下：${\xi }_{i_D,i_C}^D=\frac{p_{i_D,i_C}^D{h}_{i_D}}{p_{i_D,i_C}^C{h}_{i_C,i_D}+{\sigma }_N^2},---\left(2\right)$$r_{i_D,i_C}^D={\log }_2(1+{\xi }_{i_D,i_C}^D),---\left(3\right)$其中，和分别是D2D对i_D和蜂窝用户i_C的发射功率；利用相同方法获取复用情况下，蜂窝用户i_C的SINR和瞬时数据速率如下：${\xi }_{i_D,i_C}^C=\frac{p_{i_D,i_C}^C{h}_{i_C,B}}{p_{i_D,i_C}^D{h}_{i_D,B}+{\sigma }_N^2},---\left(4\right)$$r_{i_D,i_C}^C={\log }_2(1+{\xi }_{i_D,i_C}^C),---\left(5\right)$完成上述计算后，获得复用情况下D2D用户和蜂窝用户的SINR和瞬时速率；蜂窝用户的个数大于D2D用户对数，有一些蜂窝用户将不会被复用，不被复用蜂窝用户不存在共信道干扰问题，其信噪比和瞬时速率计算公式如下：${\xi }_{i_C}^C=\frac{p_{i_C}^C{h}_{i_C,B}}{{\sigma }_N^2}---\left(6\right)$$r_{i_C}^C={\log }_2(1+{\xi }_{i_C}^C),---\left(7\right)$其中，是蜂窝用户i_C不被复用时，没有干扰情况下的发射功率；基于比例公平资源调度算法能够在用户公平性和平均用户数据速率之间达到一个很好的折中，在保证所有用户最小信噪比需求的条件下，通过联合功率控制和比例公平资源调度算法最大化所有用户包含D2D用户和蜂窝用户的对数效用函数之和；在保证用户最低通信质量的需求下，实现提高系统整体的吞吐量和公平性；蜂窝网络中D2D通信的联合功率控制和比例公平资源调度算法的数学模型用式(8)表示，$\left(X^{*},P^{*}\right)=\underset{X,P}{\arg \max }\left(\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\log R_{i_D,i_C}^D+\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\log R_{i_D,i_C}^C+\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}\left(1-\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\right)\log R_{i_C}^C\right)---\left(8\right)$$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\le 1,x_{i_D,i_C}\in \{0,1\},\forall i_C\in C\end{array},---\left(8a\right)$$\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\le 1,x_{i_D,i_C}\in \{0,1\},\forall i_D\in D,---\left(8b\right)$$\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}{x}_{i_C,i_D}{\xi }_{i_D,i_C}^C+\left(1-\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\right){\xi }_{i_C}^C\ge {\xi }_{min}^C,\forall i_C\in C,---\left(8c\right)$$\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}{\xi }_{i_D,i_C}^D\ge {\xi }_{\min }^D,\forall i_D\in D,---\left(8d\right)$$\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}{x}_{i_C,i_D}{p}_{i_D,i_C}^C+\left(1-\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\right)p_{i_C}\le P_{max}^C,\forall i_C\in C,---\left(8e\right)$$\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}{p}_{i_D,i_C}^D\le P_{max}^D,\forall i_D\in D,---\left(8f\right)$其中，和分别定义了D2D对i_D和蜂窝用户i_C在复用情况下的平均传输速率；为蜂窝用户i_C不被其他用户复用情况下的平均传输速率；X是一个N_D×N_C的信道分配矩阵，元素是D2D对i_D和蜂窝用户i_C的复用因子，复用时否则和分别定义了蜂窝用户i_C和D2D用户i_D最小SINR需求；定义了功率矩阵：矩阵和大小和矩阵X一样；其中中的元素由构成，为D2D对i_D复用蜂窝用户i_C时，D2D对i_D发送端的发射功率；中的元素由构成，为复用时蜂窝用户i_C的发射功率；为蜂窝用户不被复用时的发射功率矩阵，中的元素由构成，为蜂窝用户i_C不被复用时的发射功率；和则定义了蜂窝用户和D2D用户的最大发射功率；X^*是公式(8)达到最大值时对应的信道分配矩阵，P^*是公式(8)达到最大值时对应的功率矩阵，其对应的元素为和限制条件(8a)和(8b)表示一个D2D对和一个蜂窝用户之间一对一的复用关系，(8c)和(8d)分别代表了蜂窝用户和D2D用户的最小信噪比需求，(8e)和(8f)表示蜂窝用户和D2D用户的功率限制；C、针对公式(8)进行求解：将公式(8)简化为公式(9)$\left(X^{*},P^{*}\right)=\underset{X,P}{\arg \max }\left\{\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\frac{r_{i_D,i_C}^D}{R_{i_D,i_C}^D}+\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\frac{r_{i_D,i_C}^C}{R_{i_D,i_C}^C}+\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}\left(1-\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\right)\frac{r_{i_C}^C}{R_{i_C}^C}\right\},---\left(9\right)$将公式(9)的描述分为两个子问题：一个是最优的功率控制，一个是比例公平资源调度，通过三个阶段分步计算得出公式(9)的一个次优解，其求解过程为：步骤一：D2D发送端向基站发送信号，请求建立D2D之间通信；步骤二：判断D2D用户个数是否达到最大值，未达到转到步骤三；否则转步骤十二；步骤三：判断蜂窝用户个数是否达到最大值，未达到转到步骤四；否则转步骤十一；步骤四：进入阶段1接入控制：计算D2D对i和蜂窝用户发射端j之间的最小距离步骤五：计算D2D对i和蜂窝用户发射端j之间的实际距离L_i,j；步骤六：判断是否成立，如果成立转到步骤七，否则转到步骤八；步骤七：进入阶段2最优功率控制：计算D2D对i能够复用蜂窝用户j的频谱资源，利用最优功率控制算法计算D2D用户和复用蜂窝用户和速率最大值及分别对应的最优发射功率；$\left(p_{i_D,i_C}^{C*},p_{i_D,i_C}^{D*}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{p_{i_D,i_C}^C,p_{i_D,i_C}^D}{\arg \max }\left(r_{i_D,i_C}^C+r_{i_D,i_C}^D\right),& x_{i_D,i_C}=1\\ \underset{p_{i_C}^C}{\arg \max }{r}_{i_C}^C,& x_{i_D,i_C}=0\end{array}\right.---\left(11\right)$步骤八：计算D2D对i和蜂窝用户j在最优发射功率下的比例公平函数之和$Q_{i_D,i_C}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{r_{i_D,i_C}^{C*}}{R_{i_D,i_C}^C}+\frac{r_{i_D,i_C}^{D*}}{R_{i_D,i_C}^D},& x_{i_D,i_C}=1,\\ \frac{r_{i_C}^{C*}}{R_{i_C}^C},& x_{i_D,i_C}=0,\end{array}\right.---\left(12\right)$其中时，在公式(11)中和速率最大时，蜂窝用户i_C和D2D对i_D发送端分别使用功率和,所对应的蜂窝用户i_C的瞬时速率为和D2D用户i_D的瞬时速率为步骤九：利用公式13分别更新D2D对i和蜂窝用户j当前时隙T的平均传输速率R_T；$R_T=\frac{(T-1)R_{T-1}+r_T}{T}---\left(13\right)$其中R_T‑1为前(T‑1)时隙内用户的平均传输速率，r_T为当前时隙T内用户的瞬时传输速率；步骤十：蜂窝用户个数加1，转到步骤三；步骤十一：D2D用户个数加1，转到步骤二；步骤十二：进入阶段三的比例公平资源调度：利用匈牙利算法实现系统比例公平资源调度；确定最优控制功率以后，公式(9)中的问题转换为公式(14)中的比例公平资源分配问题：$\begin{array}{c}{X}^{*}=\underset{X}{\arg \max }\{\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\frac{\log \left(1+\frac{p_{i_D,i_C}^{D*}{h}_{i_D}}{p_{i_D,i_C}^{C*}{h}_{i_D,i_C}+{\sigma }_N^2}\right)}{R_{i_D,i_C}^D}\\ +\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\frac{\log \left(1+\frac{p_{i_D,i_C}^{C*}{h}_{i_C,B}}{p_{i_D,i_C}^{D*}{h}_{i_D,B}+{\sigma }_N^2}\right)}{R_{i_D,i_C}^C}\\ +\underset{i_C=1}{\overset{N_C}{\Sigma }}\left(1-\underset{i_D=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}{x}_{i_D,i_C}\right)\frac{\log \left(1+\frac{P_{\max }^C{h}_{i_C,B}}{{\sigma }_N^2}\right)}{R_{i_C}^C}\}\end{array},---\left(14\right)$为了使得系统的公平性最大，考虑到D2D对和蜂窝用户之间的一对一复用关系，将公式(14)看做是一个指派问题，该问题可利用匈牙利算法(Hungarian Algorithm)求解，从而完成对多对D2D用户和复用蜂窝用户的资源分配，其代价函数Q为：蜂窝用户个数大于D2D用户，而匈牙利算法要求代价函数的行列数必须相等，考虑到所有用户的公平性，将空着的元素用相对应的蜂窝用户不被复用时的比例公平函数值所填充，代价函数变为：其中Q中元素和Q′中元素均与公式(12)中的比例公平函数对应；步骤十三：求取信道分配矩阵X^*，算法结束。