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一种D2D通信中基于布伦特方法的带有保障服务质量的能效优化发射功率控制方法

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一种D2D通信中基于布伦特方法的带有保障服务质量的能效优化发射功率控制方法，包括以下步骤：(1)通过对D2D通信用户和蜂窝网用户发射功率的控制，达到在保障服务质量前提下的D2D通信用户能效优化的目标，以此为依据对该问题进行建模；(2)通过引入辅助变量的方法将涉及D2D通信用户和蜂窝网用户发射功率控制的优化问题P1等效转换为只涉及D2D通信用户发射功率的优化问题P2；(3)通过分析，将优化问题P2转换为优化问题P3，并利用结合黄金比例搜索和二次插值算法对其进行求解。本发明考虑发射机基本电路功耗、最优化用户能量使用效率、提高资源利用率。

著录项

公开/公告号CN104684062A

专利类型发明专利
公开/公告日2015-06-03

原文格式PDF
申请/专利权人浙江工业大学;
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申请/专利号CN201510077144.1
发明设计人吴远;陈佳超;何艳飞;钱丽萍;
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申请日2015-02-12
分类号
代理机构杭州斯可睿专利事务所有限公司;
代理人王利强
地址 310014 浙江省杭州市下城区朝晖六区潮王路18号浙江工业大学
入库时间 2023-12-18 09:04:05

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2018-01-09

授权

授权
2015-07-01

实质审查的生效 IPC(主分类):H04W52/26 申请日:20150212

实质审查的生效
2015-06-03

公开

公开

说明书

技术领域

本发明涉及D2D通信领域中，尤其是一种D2D通信中基于布伦特方法的带有保障服务质量的能效优化发射功率控制方法。

背景技术

随着人们对于数据需求的井喷式增长，在当用户之间距离足够近时就能够通过对蜂窝网用户的资源复用来实现D2D直接通信的模式有着越来越广阔的发展前景，尤其在提升能量效率以及下一代无线网络效率优化幅度方面更加值得期待。但是由于在D2D通信过程中，D2D通信用户对网络中的蜂窝网用户进行了资源复用，不可避免的会产生干扰，影响蜂窝网用户的通信质量。为了充分利用D2D通信的优势，必须能够控制由于资源复用所带来的蜂窝网用户与D2D通信用户之间干扰的问题。因此，本发明实现在最大化D2D通信用户能量效率的同时保障网络中包括D2D通信用户以及蜂窝网用户在内所有用户的服务质量，是十分有意义的。

发明内容

为了弥补现有的关于D2D通信能效最优化控制方案并未考虑发射机电路基本功率消耗及其影响的不足。本发明提供一种考虑发射机基本电路功耗、最优化用户能量使用效率、提高资源利用率的D2D通信中基于布伦特方法的带有保障服务质量的能效优化发射功率控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种D2D通信中基于布伦特方法的带有保障服务质量的能效优化发射功率控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

(1)在D2D通信中，设定最优化问题为：实现最大化D2D通信用户的能量效率同时保证包括D2D通信用户和蜂窝网用户的服务质量，采用控制D2D通信用户和蜂窝网用户的发射功率的方法，将该最优化问题描述为问题P1：

P1： $ma x_{p, q} \frac{R_{d} (p, q)}{q + h} = \frac{1}{q + h} lo g_{2} (1 + \frac{q g_{dd}}{p q_{cd} + n_{0}})$

受限制于： $R_{c} (p, q) = lo g_{2} (1 + \frac{p g_{cB}}{q g_{dc} + n_{0}}) \geq R_{c}^{req}$

$R_{d} (p, q) = lo g_{2} (1 + \frac{p g_{dd}}{q g_{cd} + n_{0}}) \geq R_{d}^{req}$

$R_{c}^{\max} \geq P \geq 0$

$R_{d}^{\max} \geq q \geq 0$

在问题P1中，各参数定义如下：

p：蜂窝网用户的发射功率；

q：D2D通信用户的发射功率；

h：D2D通信中发射机为其电路基本运作的功率消耗，发射功率除外；

蜂窝网用户的吞吐量要求；

D2D通信用户的吞吐量要求；

蜂窝网用户的最大发射功率；

D2D通信用户的最大发射功率；

g_dd：D2D通信中发射用户到D2D通信中接收用户之间的信道增益；

g_cB：蜂窝网用户到蜂窝网基站之间的信道增益；

g_dc：D2D通信中发射用户到蜂窝网基站之间的信道增益；

g_cd：蜂窝网用户到D2D通信中接收用户之间的信道增益；

R_c(p，q)：蜂窝网用户的上行链路的吞吐量；

R_d(p，q)：D2D通信用户的吞吐量；

n₀：背景噪声功率；

(2)利用公式将p用q代替，与此同时，引入q新的上下界变量与Q将问题P1等效地转化为一个对D2D通信用户发射功率的控制优化问题 P2：

P2： $\max \frac{1}{q + h} lo g_{2} (1 + \frac{g_{dd} g_{cB} q}{n_{0} (g_{cB} + α_{c} g_{cd}) + α_{c} g_{dc} g_{cd} q})$

受限制于： $\overline{Q} \geq q \geq \underline{Q}$

其中， $\overline{Q} = \min {\frac{1}{g_{dc}} (\frac{P_{c}^{\max} g_{cB}}{α_{c}} - n_{0}), P_{d}^{\max}}, \underline{Q} = \frac{n_{0} β_{d} (α_{c} g_{cd} + g_{cB})}{g_{cB} g_{dd} - α_{c} β_{d} g_{cd} g_{dc}},$ $α_{c} = 2^{R_{c}^{rq}} - 1, β_{d} = 2^{R_{d}^{req}} - 1;$

定义A＝g_cBg_dd，B＝α_cg_cdg_dc，C＝n₀(g_cB+α_cg_cd)，并定义函数 $F (z, q) = lo g_{2} (1 + \frac{Aq}{Bq + C}) - zq - zh,$ 将优化问题P2等效地转化为优化问题P3：

P3： $\max_{\overline{Q} \geq q \geq \underline{Q} and>\geq0} Z$

受限制于：F(z，q)≥0

在问题P2和问题P3中，各参数定义如下：

p：蜂窝网用户的发射功率；

q：D2D通信用户的发射功率；

h：D2D通信中发射机为其电路基本运作的功率消耗，发射功率除外；

蜂窝网用户的吞吐量要求；

D2D通信用户的吞吐量要求；

蜂窝网用户的最大发射功率；

D2D通信用户的最大发射功率；

g_dd：D2D通信中发射用户到D2D通信中接收用户之间的信道增益； g_cB：蜂窝网用户到蜂窝网基站之间的信道增益；

g_dc：D2D通信中发射用户到蜂窝网基站之间的信道增益；

g_cd：蜂窝网用户到D2D通信中接收用户之间的信道增益；

n₀：背景噪声功率；

z：辅助待决定的控制变量；

(3)为求解问题P3，变形成如下子问题：

P3-A：q^*(z)＝arg max F(z，q)

受限制于： $\overline{Q} \geq q \geq \underline{Q}$

然后利用q^*(z)，解决如下子问题得到{z^*，q^*}：

P3-B：max z

受限制于：F(z，q^*(z))≥0

z≥0

在子问题P3-A和子问题P3-B中，参数定义如下：

q^*：D2D通信中用户发射功率的最优值；

{z^*，q^*}：问题P3的最优解；

采用分层的思想对问题P3进行优化求解，步骤为：

步骤3.1：对于步骤(3)中的唯一最优值q^*(z)有：

$q * (z) = (\begin{matrix} \overline{Q}, & 0 < z < \underline{M} \\ \underline{Q}, & z > \overline{M} \\ \frac{- (A + 2 B) C + \sqrt{Δ}}{2 (A + B) B}, & \underline{M} \leq z \leq \overline{M} \end{matrix})$

其中， $Δ = A^{2} C^{2} + 4 (A + B) ABC \frac{1}{\ln 2} \frac{1}{z}, \underline{M} = \frac{AC}{\ln 2} \frac{1}{(A + B) B {\overline{Q}}^{2} + (A + 2 B) C \overline{Q} + C^{2}}, \overline{M} =$ $\frac{AC}{\ln 2} \frac{1}{(A + B) B {\underline{Q}}^{2} + (A + 2 B) C \underline{Q} + C^{2}},$ A＝g_cBg_dd，B＝α_cg_cdg_dc，C＝n₀(g_cB+α_cg_cd)；

步骤3.2：问题P3-B中最优的情况在F(z，q^*(z))＝0下取得，另外定义D2D 通信用户的发射机电路运作基本功耗h的两个上下临界值为： $\underline{H} = \frac{1}{\overline{M}} lo g_{2} (1 +$ $\frac{A \underline{Q}}{B \underline{Q} + C}) - \underline{Q}$ 和 $\overline{H} = \frac{1}{\underline{M}} lo g_{2} (1 + \frac{A \overline{Q}}{B \overline{Q} + C}) - \overline{Q};$

1)若h＜H，那么问题P3的最优解{z^*，q^*}为： $q * = \underline{Q}, z * = \frac{1}{\underline{Q} + h} lo g_{2} (1 +$ $\frac{A \underline{Q}}{B \underline{Q} + C}),$ 从而获得问题P1的最优解为：D2D通信用户的最优发射功率蜂窝网用户的最优发射功率以及D2D通信用户的最大能量效率： $\frac{1}{\underline{Q} + h} lo g_{2} (1 + \frac{g_{cB} g_{dd} \underline{Q}}{(2^{R_{c}^{req}} - 1) (n_{0} + g_{dd} \underline{Q}) g_{cd} + n_{0} g_{cB}});$

2)若那么问题P3的最优解{z^*，q^*}为： $q * = \overline{Q}, z * = \frac{1}{\overline{Q} + h} lo g_{2} (1 +$ $\frac{A \overline{Q}}{B \overline{Q} + C}),$ 从而获得问题P1的最优解为：D2D通信用户的最优发射功率蜂窝网用户的最优发射功率以及D2D通信用户的最大能量效率： $\frac{1}{\overline{Q} + h} lo g_{2} (1 + \frac{g_{cB} g_{dd} \overline{Q}}{(2^{R_{c}^{req}} - 1) (n_{0} + g_{dd} \overline{Q}) g_{cd} + n_{0} g_{cB}});$

3)若那么问题P3的最优解{z^*，q^*}通过如下过程求解：

步骤3.2.1：设置b为DU发送功率的上边界，a为下边界，z＝M，bx＝0.5(a+b)，ia＝min(a，b)，ib＝max(a，b)，v＝bx，w＝v，x＝v，e＝0， $fx = - (lo g_{2} (1 + \frac{{qg}_{dd}}{p g_{cd} + n_{0}}) - z (q + h)),$ 其中， $q = x, p = \frac{a_{c} (q g_{dc} + n_{0})}{g_{cB}};$ 设置插值比例cgold，迭代精度epsilon，迭代次数IterTimes，∈₂为二分法计算误差的限度，初始化当前已迭代次数inter＝0；

步骤3.2.2： $Z = \frac{1}{2} (\underline{Z} + \overline{Z});$

步骤3.2.3：判断若inter≤IterTimes，则跳至步骤3.2.4，否则跳至步骤；

步骤3.2.4：设置xm＝0.5(ia+ib)，判断若abs(x-xm)＜epsilon·2- 0.5(ib-ia)，则循环结束，跳至步骤3.2.12，否则跳至步骤3.2.5；

步骤3.2.5：判断若abs(e)≤epsilon，则跳至步骤3.2.7，否则，设置 r＝(x-w)(fx-fv)，q＝(x-v)(fx-fw)，p＝(x-v)q-(x-w)r， q＝2(q-r)，其中，如果q大于零，则设置p＝-p，设置q＝abs(q)，etemp＝e， e＝d；

步骤3.2.6：判断若同时满足abs(p)＜abs(0.5·q·etemp)，p＞q(ia-x)， p＜q(ib-x)这三个条件，则设置d＝p/q，u＝x+d，其中，若u-ia＜ epsilon·2并且ib-u＜epsilon·2，则设置d＝sign(xm-x)·epsilon，跳至步骤3.2.8，否则，跳至步骤3.2.7；

步骤3.2.7：当x≥xm时，设置e＝ia-x，反之，设置e＝ib-x，设置 d＝cgold·e；

步骤3.2.8：判断若abs(d)≥epsilon，则设置u＝x+d，否则，设置 u＝x+sign(d)·epsilon；

步骤3.2.9：设置 $q = u, p = \frac{a_{c} (q g_{dc} + n_{0})}{g_{cB}}, fu = - (lo g_{2} (1 + \frac{q g_{dd}}{p g_{cd} + n_{0}}) - z (q +$ $h));$

步骤3.2.10：若fu≤fx，则判断u≥x，若是，则设置ia＝x，若否，则设置ib＝x，v＝w，fv＝fw，w＝x，fw＝fx，x＝u，fx＝fu，若fu＞fx，则判断u＜x，若是，则设置ia＝u，若否，则设置ib＝u，与此同时，如果fu≤fw 并且w＝x，则设置v＝w，fv＝fw，w＝u，fw＝fu，如果fu≤fv并且v＝x以及v＝w，贝设置v＝u，fv＝fu；

步骤3.2.11：inter＝inter+1，跳至步骤3.2.3；

步骤3.2.12：得到：当前最大值-fx，以及取到最大值时对应的x；

步骤3.2.13：如果-∈₂＜-fx＜∈₂，则算法运行停止，输出：D2D通信用户的最优发射功率q^*＝x，蜂窝网用户的最优发射功率D2D通信用户的最大能量效率z^*＝z；否则执行步骤3.2.14；

步骤3.2.14：如果-fx＞∈₂，将z赋值给z，跳至步骤3.2.2；如果-fx＜-∈₂，将z赋值给跳至步骤3.2.2。

本发明的技术构思为：首先，通过引入辅助变量的方法将原本涉及蜂窝网用户和D2D通信用户功率控制实现最大化能量效率的问题等效转化为只涉及D2D 通信用户的发射功率控制问题。然后，进行问题特征分析，提出了利用结合黄金比例搜索和二次插值算法控制功率来最终实现保障服务质量的能效优化功率控制方法。

本发明的有益效果主要变现在：1、对系统总体而言，系统内的D2D通信能够有效地降低基站的负载，增加频谱利用率，缓解无线通信系统频谱资源匮乏的问题；2、对于D2D通信用户而言，通过对蜂窝网用户资源块的复用，提高了系统的资源利用率；在考虑发射机电路功耗情况下，通过对蜂窝网用户与D2D 通信用户的发射功率的最优化，实现带有服务质量保证的最大化D2D通信用户能量效率。

附图说明

图1是含有D2D通信网络的蜂窝网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，一种D2D通信中基于布伦特方法的带有保障服务质量的能效优化发射功率控制方法，实行该方法能够在保障系统内用户服务质量的前提下，通过对系统内蜂窝网用户和D2D通信用户的发射功率的最优化控制，达到最大化 D2D通信用户的能量效率的目标。系统内的D2D通信能够有效地降低基站的负载，增加频谱利用率，缓解无线通信系统频谱资源匮乏的问题。针对D2D通信中保障服务质量的能效优化功率控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

P1： $ma x_{p, q} \frac{R_{d} (p, q)}{q + h} = \frac{1}{q + h} lo g_{2} (1 + \frac{q g_{dd}}{p q_{cd} + n_{0}})$

受限制于： $R_{c} (p, q) = lo g_{2} (1 + \frac{p g_{cB}}{q g_{dc} + n_{0}}) \geq R_{c}^{req}$

$R_{d} (p, q) = lo g_{2} (1 + \frac{p g_{dd}}{q g_{cd} + n_{0}}) \geq R_{d}^{req}$

$R_{c}^{\max} \geq P \geq 0$

$R_{d}^{\max} \geq q \geq 0$

在问题P1中，各参数定义如下：

p：蜂窝网用户的发射功率；

q：D2D通信用户的发射功率；

h：D2D通信中发射机为其电路基本运作的功率消耗，发射功率除外；

蜂窝网用户的吞吐量要求；

D2D通信用户的吞吐量要求；

蜂窝网用户的最大发射功率；

D2D通信用户的最大发射功率；

g_dd：D2D通信中发射用户到D2D通信中接收用户之间的信道增益；

g_cB：蜂窝网用户到蜂窝网基站之间的信道增益；

g_dc：D2D通信中发射用户到蜂窝网基站之间的信道增益；

g_cd：蜂窝网用户到D2D通信中接收用户之间的信道增益；

R_c(p，q)：蜂窝网用户的上行链路的吞吐量；

R_d(p，q)：D2D通信用户的吞吐量；

n₀：背景噪声功率；

(2)利用公式将p用q代替，与此同时，引入q新的上下界变量与Q将问题P1等效地转化为一个对D2D通信用户发射功率的控制优化问题 P2：

P2： $\max \frac{1}{q + h} lo g_{2} (1 + \frac{g_{dd} g_{cB} q}{n_{0} (g_{cB} + α_{c} g_{cd}) + α_{c} g_{dc} g_{cd} q})$

受限制于： $\overline{Q} \geq q \geq \underline{Q}$

定义A＝g_cBg_dd，B＝α_cg_cdg_dc，C＝n₀(g_cB+α_cg_cd)，并定义函数 $F (z, q) = lo g_{2} (1 + \frac{Aq}{Bq + C}) - zq - zh,$ 将优化问题P2等效地转化为优化问题P3：

P3： $\max_{\overline{Q} \geq q \geq \underline{Q} and>\geq0} Z$

受限制于：F(z，q)≥0

在问题P2和问题P3中，各参数定义如下：

p：蜂窝网用户的发射功率；

q：D2D通信用户的发射功率；

h：D2D通信中发射机为其电路基本运作的功率消耗，发射功率除外；

蜂窝网用户的吞吐量要求；

D2D通信用户的吞吐量要求；

蜂窝网用户的最大发射功率；

D2D通信用户的最大发射功率；

g_dd：D2D通信中发射用户到D2D通信中接收用户之间的信道增益；

g_cB：蜂窝网用户到蜂窝网基站之间的信道增益；

g_dc：D2D通信中发射用户到蜂窝网基站之间的信道增益；

g_cd：蜂窝网用户到D2D通信中接收用户之间的信道增益；

n₀：背景噪声功率；

z：辅助待决定的控制变量；

(3)为求解问题P3，变形成如下子问题：

P3-A：q^*(z)＝arg max F(z，q)

受限制于： $\overline{Q} \geq q \geq \underline{Q}$

然后利用q^*(z)，解决如下子问题得到{z^*，q^*}：

P3-B：max z

受限制于：F(z，q^*(z))≥0

z≥0

在子问题P3-A和子问题P3-B中，参数定义如下：

q^*：D2D通信中用户发射功率的最优值；

{z^*，q^*}：问题P3的最优解；

采用分层的思想对问题P3进行优化求解，步骤为：

步骤3.1：对于步骤(3)中的唯一最优值q^*(z)有：

1)若h＜H，那么问题P3的最优解{z^*，q^*}为： $q * = \underline{Q}, z * = \frac{1}{\underline{Q} + h} lo g_{2} (1 +$ $\frac{A \underline{Q}}{B \underline{Q} + C}),$ 从而获得问题P1的最优解为：D2D通信用户的最优发射功率q^*＝Q，蜂窝网用户的最优发射功率以及D2D通信用户的最大能量效率： $\frac{1}{\underline{Q} + h} lo g_{2} (1 + \frac{g_{cB} g_{dd} \underline{Q}}{(2^{R_{c}^{req}} - 1) (n_{0} + g_{dd} \underline{Q}) g_{cd} + n_{0} g_{cB}});$

3)若那么问题P3的最优解{z^*，q^*}通过如下过程求解：

步骤3.2.1：设置b为DU发送功率的上边界，a为下边界，z＝M，bx＝0.5(a+b)，ia＝min(a，b)，ib＝max(a，b)，v＝bx，w＝v，x＝v，e＝0， $fx = - (lo g_{2} (1 + \frac{{qg}_{dd}}{p g_{cd} + n_{0}}) - z (q + h)),$ 其中， $q = x, p = \frac{a_{c} (q g_{dc} + n_{0})}{g_{cB}};$ 设置插值比例cgold＝0.3819，设置迭代精度epsilon＝10^-6，迭代次数IterTimes＝ 1000，∈₂为二分法计算误差的限度，初始化当前已迭代次数inter＝0；

步骤3.2.2： $\frac{1}{2} (\underline{z} + \overline{z});$

步骤3.2.3：判断若inter≤IterTimes，则跳至步骤3.2.4，否则跳至步骤；

步骤3.2.4：设置xm＝0.5(ia+ib)，判断若abs(x-xm)＜epsilon·2- 0.5(ib-ia)，则循环结束，跳至步骤3.2.12，否则跳至步骤3.2.5；

步骤3.2.7：当x≥xm时，设置e＝ia-x，反之，设置e＝ib-x，设置 d＝cgold·e；

步骤3.2.8：判断若abs(d)≥epsilon，则设置u＝x+d，否则，设置 u＝x+sign(d)·epsilon；

步骤3.2.9：设置 $q = u, p = \frac{a_{c} (q g_{dc} + n_{0})}{g_{cB}}, fu = - (lo g_{2} (1 + \frac{q g_{dd}}{p g_{cd} + n_{0}}) - z (q +$ $h));$

步骤3.2.11：inter＝inter+1，跳至步骤3.2.3；

步骤3.2.12：得到：当前最大值-fx，以及取到最大值时对应的x；

步骤3.2.14：如果-fx＞∈₂，将z赋值给z，跳至步骤3.2.2；如果-fx＜-∈₂，将z赋值给跳至步骤3.2.2。

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