D2D網絡中一種基于QoS的信道分配和功率控制方法技術

本發明專利技術是基于用戶QoS的一種信道分配和功率控制方法，具體步驟如下：基于D2D用戶容量最大化構建系統模型，根據D2D用戶的最小信干噪比要求，為D2D用戶選擇滿足要求的候選蜂窩用戶集；在保障蜂窩用戶的QoS要求和用戶功率受限條件下，采用拉格朗日乘子法優化蜂窩用戶和D2D用戶的發送功率；再根據用戶最優發送功率計算所有D2D用戶容量并將信道分配給最大容量的D2D用戶，從而實現蜂窩網絡中的D2D通信。該方法聯合優化用戶的信道分配和功率控制，為每個用戶分配最優的發送功率，并將信道分配給具有最大容量的D2D用戶,從而降低蜂窩用戶和D2D用戶能量損耗，提高D2D用戶總容量。

【技術實現步驟摘要】
D2D網絡中一種基于QoS的信道分配和功率控制方法
本專利技術涉及一種資源分配方法，尤其涉及一種基于用戶QoS的信道分配和功率控制方法，屬于通信

技術介紹
隨著無線通信技術的迅速發展，頻譜資源短缺成為移動通信面臨的挑戰。在傳統蜂窩網絡中，不允許用戶之間直接通信。通信過程由基站轉接分為兩個階段：移動終端到基站，即上行鏈路；基站到移動終端，即下行鏈路。這種集中式工作方式便于對資源的干擾進行管理和控制，但資源利用效率低。在此背景下D2D通信技術應運而生。D2D通信是一種在蜂窩系統控制下，允許近距離終端用戶通過共享小區資源進行直接通信的新技術。在蜂窩網絡中引入D2D通信，可以減輕基站負擔，減小通信時延。與傳統蜂窩通信相比，D2D通信僅占用一半的頻譜資源。而且近距離的D2D通信可以減小傳輸功率，節約能耗，增加手機的續航時間。D2D通信具有明顯的技術特征，相比于藍牙和無線局域網(WLAN)等短距離通信技術，其最大的優勢在于工作在授權頻段，數據傳輸具有更高的可靠性。除此之外，D2D通信也不需要藍牙和WLAN那樣繁瑣的匹配，可以為用戶提供更好的體驗。蜂窩系統在分配D2D通信資源時，可分配專用的、與小區用戶正交的或復用小區內用戶的頻譜資源。當小區負載較低，在滿足小區用戶通信后有剩余的頻譜資源時，可分配正交頻譜資源給D2D用戶，二者不會相互干擾。當小區負載較高時，D2D用戶復用小區用戶的資源。此時共享同一資源的蜂窩用戶和D2D用戶會相互干擾，基站通過控制D2D通信的分配信道和發送功率來控制對小區帶來的干擾。因此為用戶分配合理的資源降低用戶之間的干擾，提高系統整體性能是目前的一個研究熱點。本專利技術在保障蜂窩用戶和D2D用戶QoS要求、蜂窩用戶發送功率受限和D2D用戶總功率受限的條件下，構建了以D2D用戶容量最大化為目標的優化函數。采用拉格朗日乘子法對蜂窩用戶和D2D用戶的發送功率進行了優化分配，并為D2D用戶分配合理的信道進行通信。具有減少用戶能耗開銷，提高D2D用戶總容量的優點。
技術實現思路
技術問題：本專利技術的目的是提供一種基于QoS的信道分配和功率控制方法，通過優化蜂窩用戶和D2D用戶的發送功率，節約用戶能量；并為D2D用戶分配合理的信道，降低蜂窩用戶與D2D用戶間的干擾，提高蜂窩網絡中D2D通信的系統性能。技術方案：本專利技術的D2D網絡中基于QoS的信道分配和功率控制方法，包括以下步驟：1)分別用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示蜂窩用戶集和D2D用戶集，M為蜂窩用戶數，N為D2D對用戶數；2)計算D2D用戶j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比式中Ptot為D2D用戶總發送功率，gj為D2D用戶對j的信道增益，N0表示噪聲功率，表示蜂窩用戶的最大發送功率，hi,j表示蜂窩用戶i和D2D用戶j之間的信道增益，K表示可用信道數；3)根據D2D用戶j的最小信干噪比要求將滿足要求的信道k歸入集合Ω中，其中Ω為D2D用戶的候選信道集，表示D2D用戶的信干噪比閾值；4)初始化t＝1，當t＝1時λ(t)＝2，其中t為迭代次數，λ為拉格朗日乘子；5)根據公式計算D2D用戶j(1≤j≤N)在信道k(k∈Ω)上的發送功率，其中式中hj,B表示D2D用戶j與基站間的信道增益，gi,B表示蜂窩用戶i與基站間的信道增益，為蜂窩用戶的信干噪比閾值；且其中6)根據所述步驟5)中得到的D2D用戶j(1≤j≤N)的發送功率將代入公式中，得到蜂窩用戶i(1≤i≤M)的發送功率；7)根據公式計算D2D用戶j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的容量，并將信道k分配給值最大的D2D用戶，再將信道k歸入D2D用戶復用蜂窩用戶信道集合S；8)根據公式和t＝t+1分別迭代更新λ(t)和t，θ(t)為步長序列，且θ(t)的常用表達式為或式中η為常量；9)根據所述步驟8)中得到的λ(t)，重復執行所述步驟5)至8)，直到滿足條件|λ(t+1)-λ(t)|≤exp，其中exp為一數值很小的常量，且取值為exp＝10-8。本專利技術聯合優化蜂窩網絡中D2D通信的功率控制和信道分配，根據蜂窩用戶和D2D用戶的最小信干噪比要求，通過構建以D2D用戶容量最大化為目標的優化模型。采用拉格朗日乘子法求解D2D用戶和蜂窩用戶的最優發送功率，并根據用戶最優發送功率計算D2D用戶容量，將信道分配給容量值最大的D2D用戶。實現了最優資源分配，能夠降低蜂窩用戶與D2D用戶之間的干擾，減少蜂窩用戶和D2D用戶的能量開銷，提高D2D用戶容量和網絡頻譜利用率。有益效果本專利技術與現有技術相比，具有以下優點：1.本專利技術方法以D2D用戶容量最大化為優化目標，對蜂窩用戶和D2D用戶的發送功率進行最優分配，與等功率分配方法相比，能量分配更加優化合理，避免蜂窩用戶和D2D用戶的能量浪費。2.不同于傳統的資源分配方法，本專利技術提出的聯合優化信道分配和功率控制方法可以為用戶分配最優資源，從而大大提高頻譜利用率，也提高了網絡性能。3.本專利技術的信道分配和功率控制方法在保障蜂窩用戶和D2D用戶的QoS條件下，可以提高不同蜂窩用戶數下的D2D用戶容量，降低用戶的功耗和費用，從而為用戶提供更好地服務。附圖說明圖1為本專利技術方法的流程示意圖。圖2為本專利技術方法的網絡模型示意圖。圖3為不同資源分配方案下的D2D用戶容量比較圖。圖4為隨著D2D對間距離增大的D2D用戶容量變化圖。具體實施方法下面結合實施例和說明書附圖對專利技術的技術方案進行詳細說明：本專利技術的共享蜂窩系統上行鏈路資源的D2D通信模型如附圖2所示，它由一個位于小區中心的基站，隨機分布于小區的M個蜂窩用戶和N對D2D用戶組成，并分別用C＝{1,2,..,M}和D＝{1,2,...,N}表示蜂窩用戶集和D2D用戶集。定義包括M×K個變量和N×K個變量的數組，分別用于存放蜂窩用戶與D2D用戶的發送功率，并初始化數組PC＝OM×K和PD＝ON×K。蜂窩用戶i(1≤i≤M)占用信道k(1≤k≤K)進行通信，D2D用戶復用已經分配給蜂窩用戶的K個信道，其中K表示可用信道數，定義S為D2D用戶復用蜂窩用戶信道集。在信道k上，蜂窩用戶i向基站發送信號xc,i，D2D用戶j的發送信號為xd,j，基站接收到蜂窩用戶i的信號與D2D用戶j的接收信號分別為：其中和分別是共享信道k的蜂窩用戶i的發送功率和D2D對j發送端的發送功率。gi,B表示蜂窩用戶i與基站間的信道增益，gi,B可以表示為gi,B＝κ·di,B-α·|g0|2，式中，di,B是蜂窩用戶i發送端到基站之間的距離，κ和α分別是信道衰落常數和信道衰落因子，g0服從均值為0方差為1的復指數分布。同樣的，可以得到D2D用戶j發送端與接收端的信道增益gj，D2D用戶j與基站間的信道增益hj,B，占用同一信道的蜂窩用戶i與D2D用戶j之間的信道增益hi,j。n1和n2分別是蜂窩用戶到基站鏈路和D2D接收端鏈路上的加性高斯白噪聲。不失一般性，假設所有通信鏈路都具有相同的噪聲功率N0。根據計算D2D用戶j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比，將滿足條件的蜂窩用戶i占用的信道k歸入集合Ω，否則不歸入集合Ω，其中Ω為D2D用戶的候選信道集，即且Ω＝{Ωj|j＝1,2,...,N}。Ptot表示本文檔來自技高網...

【技術保護點】
D2D網絡中一種基于QoS的信道分配和功率控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：1)分別用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示蜂窩用戶集和D2D用戶集，M為蜂窩用戶數，N為D2D對用戶數，K表示可用信道數，定義S表示D2D用戶復用蜂窩用戶的信道集；2)計算D2D用戶j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比式中Ptot為D2D用戶總發送功率，gj為D2D用戶對j的信道增益，N0表示噪聲功率，表示蜂窩用戶的最大發送功率，hi,j表示蜂窩用戶i和D2D用戶j之間的信道增益；3)根據D2D用戶j的最小信干噪比要求將滿足要求的信道k歸入集合Ω中，其中Ω為D2D用戶的候選信道集，表示D2D用戶的信干噪比閾值；4)初始化t＝1和λ(t)＝2，其中t為迭代次數，λ為拉格朗日乘子；5)根據公式p~j,kd=[Δ2gi,B2·B(gj+B)-A2B-A2(gj+B)]0τ]]>計算D2D用戶j(1≤j≤N)在信道k(k∈Ω)上的發送功率，其中[·]xy=min(max(·,x),y),τ=1hj,B(gi,Bγthc·Pmaxc-N0),]]>式中hj,B表示D2D用戶j與基站間的信道增益，gi,B表示蜂窩用戶i與基站間的信道增益，為蜂窩用戶的信干噪比閾值；且Δ=gjgi,B2A(gjgi,B2A+4λln2gi,B2B(gj+B)),]]>其中A=N0·(1+γthc·hi,jgi,B),B=γthc·hj,B·hi,jgi,B;]]>6)根據所述步驟5)中得到的D2D用戶j(1≤j≤N)的發送功率將代入公式中，得到蜂窩用戶i(1≤i≤M)的發送功率；7)根據公式計算D2D用戶j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的容量，并將信道k分配給值最大的D2D用戶j*，再將信道k歸入D2D用戶復用信道集合S；8)根據公式和t＝t+1分別迭代更新λ(t)和t，θ(t)為步長序列，且θ(t)的常用表達式為或式中η為常量；9)根據所述步驟8)中得到的λ(t)，重復執行所述步驟5)至8)，直到滿足條件|λ(t+1)?λ(t)|≤exp，其中exp為一數值很小的常量，且取值為exp＝10?8。...

【技術特征摘要】
1.D2D網絡中一種基于QoS的信道分配和功率控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：1)分別用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示蜂窩用戶集和D2D用戶集，M為蜂窩用戶數，N為D2D對用戶數；2)計算D2D用戶j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比式中Ptot為D2D用戶總發送功率，gj為D2D用戶對j的信道增益，N0表示噪聲功率，表示蜂窩用戶的最大發送功率，hi,j表示蜂窩用戶i和D2D用戶j之間的信道增益，K表示可用信道數；3)根據D2D用戶j的最小信干噪比要求將滿足要求的信道k歸入集合Ω中，其中Ω為D2D用戶的候選信道集，表示D2D用戶的信干噪比閾值；4)初始化t＝1，當t＝1時λ(t)＝2，其中t為迭代次數，λ為拉格朗日乘子；5)根據公式計算D2D用戶j(1≤j≤...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱琦，于寶舟，朱洪波，楊龍祥，
申請(專利權)人：南京郵電大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32