一种多蜂窝下的D2D通信的能耗优化方法

摘要

本发明公开了一种多蜂窝下的D2D通信的能耗优化方法，将优化问题分解为两个子问题，即蜂窝内的能耗优化和蜂窝间的干扰控制，先根据当前蜂窝间的干扰对单个目标蜂窝进行优化，再根据优化后目标蜂窝对其他蜂窝的干扰依次优化剩余的单蜂窝，通过多次迭代，降低蜂窝间干扰，并降低能量损耗。

主权项

一种多蜂窝下的D2D通信的能耗优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、在本发明涉及的多蜂窝系统中，一个多蜂窝系统含有M个蜂窝基站，任意一个蜂窝基站C(n),1≤n≤M都有两种终端设备，与蜂窝基站通信的终端称为蜂窝终端CUE，通过D2D技术直接与其他终端通信的终端，称为D2D终端；每个蜂窝基站中有个蜂窝传输链路和个D2D传输链路CUE和D2D终端随机存在于该多蜂窝系统中的任意位置，每条D2D传输链路共享并且只共享一条蜂窝链路的上行频谱资源，CUE都是通过TDMA的方式向基站发送数据；步骤2、用二分图描述各个蜂窝基站中的资源分配，即对个蜂窝链路和个D2D传输链路做最优匹配，进一步，构建拓展的二分图，在D2D传输链路集合中添加个虚拟的D2D传输链路，该虚拟的D2D传输链路的速率需求和发送方发送功率均为0，即具有条蜂窝链路和条D2D传输链路，该条D2D传输链路包括条真实的D2D传输链路和条虚拟的D2D传输链路；对于蜂窝C(m)，设蜂窝上行链路i(m)∈C(m)的速率需求为D2D传输链路j(m)∈C(m)速率需求为假定为蜂窝C(m)中第i条蜂窝上行链路和第j条D2D传输链路配对时第i条蜂窝上行链路和第j条D2D传输链路的总能耗，那么当第j条D2D传输链路是真实的D2D传输链路时，其中表示蜂窝C(m)中第i条蜂窝上行链路的发送功率：表示蜂窝C(m)中第j条D2D传输链路数据发送方的发送功率：其中，为蜂窝C(m)中第i条蜂窝上行链路和第j条D2D传输链路配对的时间，θ是功率放大器的能量转换效率，p_α是电路功率，p_β是空闲功率，w是信道带宽，σ²为系统高斯白噪声的平均功率，是蜂窝C(m)中第i个蜂窝用户到基站的信道增益，是蜂窝C(m)中第j个D2D传输链路数据发送方到数据接收方的信道增益，表示蜂窝C(m)第j条D2D传输链路数据发送方到基站的信道增益，表示蜂窝C(m)中第i条蜂窝用户到第j条D2D传输链路数据接收方的信道增益，当第j条D2D传输链路不是真实的D2D传输链路时，上面η₁(m)表示蜂窝{C(n),1≤n≤M且n≠m}对蜂窝C(m)中基站的最大干扰噪声功率：η₂(m)表示蜂窝{C(n),1≤n≤M且n≠m}对蜂窝C(m)中第j条D2D传输链路数据接收方的最大干扰功率：其中表示蜂窝C(n)中的第i'个蜂窝用户到蜂窝C(m)中的基站的信道增益，表示蜂窝C(n)中的第i'个蜂窝用户到蜂窝C(m)中第j个D2D传输链路数据接收方的信道增益，表示蜂窝C(n)中第j'个D2D传输链路数据发送方到蜂窝C(m)中基站的信道增益，表示蜂窝C(n)中第j'个D2D传输链路数据发送方到蜂窝C(m)中第j个D2D数据传输链路数据接收方的信道增益，为蜂窝C(n)中的第i'个蜂窝用户当前的发送功率，为蜂窝C(n)中第j'个D2D传输链路数据发送方当前的发送功率；蜂窝C(m)中每条配对链路的最优时间为通过搜索得到的使值最小的步骤3、对于蜂窝C(m)，采用矩阵D(m)来表示拓展的二分图，其元素D(m)_ij表示蜂窝C(m)中第i条蜂窝上行链路和第j条D2D传输链路共享资源时的最优能耗，即：定义时间矩阵T(m)，其元素表示蜂窝C(m)各条链路的最优时间；用的0‑1矩阵Z(m)表示蜂窝C(m)的最优分配，其元素Z(m)_ij＝1表示第i条蜂窝上行链路和第j条D2D传输链路配对，反之，Z(m)_ij＝0表示第i条蜂窝上行链路和第j条D2D传输链路不配对，那么对于蜂窝基站C(m)的总能耗E_C(m)可以表示为：对于整个多蜂窝系统而言，总能耗E_total可以表示为：这里的最优分配矩阵Z(m)可以通过匈牙利算法求得；步骤4、输入各个蜂窝的通信链路参数：蜂窝上行链路i(m)∈C(m)的速率需求为D2D传输链路j(m)∈C(m)速率需求为蜂窝C(m)中第i个蜂窝用户到基站的信道增益蜂窝C(m)中第j个D2D传输链路数据发送方到数据接收方的信道增益蜂窝C(m)第j条D2D传输链路数据发送方到基站的信道增益蜂窝C(m)中第i条蜂窝用户到第j条D2D传输链路数据接收方的信道增益蜂窝C(n)中的第i'个蜂窝用户到蜂窝C(m)中的基站的信道增益蜂窝C(n)中的第i'个蜂窝用户到蜂窝C(m)中第j个D2D传输链路数据接收方的信道增益蜂窝C(n)中第j'个D2D传输链路数据发送方到蜂窝C(m)中基站的信道增益蜂窝C(n)中第j'个D2D传输链路数据发送方到蜂窝C(m)中第j个D2D数据传输链路数据接收方的信道增益功率放大器的能量转换效率θ，电路功率p_α，空闲功率p_β，信道带宽w，系 统高斯白噪声的平均功率σ²，系统优化阈值β；步骤5、蜂窝系统每个蜂窝中的所有蜂窝用户都以最大发送功率p_{u_max}发送数据，所有D2D传输链路数据发送方都以最大发送功率p_{d_max}发送数据；对每个蜂窝的分配矩阵以最远距离准则进行初始化，即每个蜂窝中，每个D2D传输链路数据选择最远的CUE进行配对，Z(m)表示蜂窝C(m)的分配矩阵，计算此时的蜂窝系统初始总能耗并令m＝1；步骤6、针对蜂窝C(m)，计算干扰噪声η₁(m)和η₂(m)，η₁(m)表示蜂窝C(n),1≤n≤M且n≠m对蜂窝C(m)的最大干扰噪声，η₂(m)表示蜂窝C(n),1≤n≤M且n≠m对蜂窝C(m)中D2D传输链路数据接收方的最大干扰噪声，同时计算矩阵D(m)和对应的时间矩阵T(m)，D(m)的元素D(m)_ij表示蜂窝C(m)中第i条蜂窝上行链路和第j条D2D传输链路共享资源时的最优能耗，T(m)的元素T(m)_ij为对应D(m)_ij的最优时间；步骤7、根据匈牙利算法，求解最优分配矩阵Z(m)和蜂窝C(m)的总能耗E_C(m)；步骤8、判断蜂窝C(m)的各条链路总时间是否大于1，若是，进入步骤9，若不是，进入步骤10；步骤9、在蜂窝C(m)中的所有链路中寻找减少相同时间内能量增加最少的链路，计算其中l,r表示找到的链路行和列，△表示能耗增加幅度，根据计算结果更新矩阵D(m)和T(m)，采用匈牙利算法求解最优分配矩阵Z(m)和蜂窝C(m)的总能耗E_C(m)，返回步骤7；步骤10、更新蜂窝C(m)中的第i条蜂窝上行链路的发送功率和第j条D2D传输链路数据发送方的发送功率步骤11、判断m是否等于M，若不是，进入步骤12，若是，进入步骤 13；步骤12、令m＝m+1，进入步骤6；步骤13、计算更新后的系统总能耗E'_total；步骤14、判断是否E_total‑E'_total＞β，若是，令E'_total＝E_total，并令m＝1，返回步骤6，若不是，则结束。