一种基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法

摘要

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法，对于每一个备选中继节点进行最优功率分配；选出其中可以使D2D链路信道容量最大的中继节点作为最佳中继节点。本发明将网络编码、中继技术和D2D通信相结合，可以以较低的成本提高混合网络的频谱利用率，解决网络覆盖和服务质量问题；针对蜂窝用户作为双向中继节点的系统场景，在终端直通链路发射总功率一定的前提下，对终端直通链路上的节点进行了最优功率分配，选出了最佳中继节点，相比于其他功率分配和中继选择算法，可以使终端直通链路信道容量达到最大。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法。

背景技术

为了保证本地服务的通信质量与安全，第三代合作伙伴计划(thethirdGeneration PartnerProject，3GPP)将终端直通通信(Device-to-Device,D2D)技术作为底层网络应用到蜂窝网络中，国际电信联盟无线通信委员会(InternationalTelecommunications Union-Radio CommunicationsSector，ITU-R)将D2D列为未来无线通信的关键技术之一，以增加系统的频谱利用效率、减轻基站的负荷、降低终端和基站的发射功率、提升整体信道容量。然而当D2D用户间的信道发生深度衰落或空间距离突然变得很远时，静态蜂窝用户作为中继节点协作D2D通信，可以在不增加无线通信网络基站数目的前提下，以较低的成本解决网络覆盖和服务质量问题。另一方面，网络编码允许中间节点对信息进行处理，彻底颠覆了一直以来人们对干扰信号的认识，允许多路无线通信的同时进行，进而提高传输速率以及信道容量。因此将网络编码应用在D2D通信中，对于分析和解决混合网络中的干扰协调等问题具有很重要的应用意义。在原蜂窝网络中引入D2D用户及其相关技术，在改善系统性能的同时，也必然将导致更复杂的相互干扰问题。因此，如何合理地将中继技术和网络编码应用到D2D通信中，对干扰进行有效管理，设计切实可行的传输方案，使D2D通信性能进一步的提高是亟待解决的问题。针对蜂窝用户作为双向中继节点的系统场景，目前现有技术并没有在综合考虑蜂窝链路与D2D链路的通信质量要求的前提下，将D2D通信、中继传输技术和网络编码相结合，设计完整的功率分配和中继选择方法，以进一步有效地拓展D2D通信优势。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法。

本发明是这样实现的，一种基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法，所述基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法实现最大化D2D通信链路的信道容量的目标数学模型为：

s.t.2|h_bd|²p_d≤I₀；

|h_bk|²p_k≤I₀；

2p_d+p_k＝P；

0<p_d,p_k<P；

其中，p_d表示D2D用户的发送功率，p_k表示中继节点的发送功率，p_n表示蜂窝用户的发送功率，h表示D2D用户与中继节点之间的信道信息，h_ck、h_cd分别表示蜂窝用户与中继节点、D2D用户之间的信道信息，h_bd、h_bk分别表示基站与D2D用户、中继节点之间的信道信息，P表示D2D用户和中继节点的发射总功率，I₀表示基站可容忍的干扰门限值，N₀为噪声功率。

所述基于网络编码的D2D通信功率分配表示为；

其中p_k＝P-2p_d，s₁＝|h_ck|²p_n+N₀>0，s₂＝|h_cd|²p_n+N₀>0。

所述基于网络编码的D2D通信的中继选择的目标函数为：

其中对应的k*(1≤k^*≤L)即为选择的最佳中继节点，h^*,h_ck^*,h_cd^*,h_bd^*,h_bk^*即为对应最佳中继节点的信道系数。

进一步，所述基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法具体包括以下步骤：

步骤一，基站获取此时信道信息，确定发射总功率P，基站可容忍的干扰门限值I₀，将可选中继节点k初始化为1；

步骤二，计算s₁＝|h_ck|²p_n+N₀，s₂＝|h_cd|²p_n+N₀，

步骤三，判断p_d'(k)的取值，若则选择第k个中继节点时，D2D用户对应的最优发送功率为p_d^*(k)＝p_d'(k)，执行步骤五；否则，执行步骤四；

步骤四，分别计算若否则

步骤五，将取得的p_d^*(k)代入计算得出D2D对在中继节点k处的信干燥比的最大值r_d(k)；

步骤六，更新k＝k+1，直到k小于中继节点数目L，执行下一步，否则执行步骤二继续迭代；

步骤七，比较步骤五中得出的所有r_d(k)(1≤k^*≤L)，选出其中最大值r_d(k^*)，其对应的k^*即为最优中继节点，p_d^*(k)即为D2D用户应分配的最佳功率值。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法的终端直通通信系统。

本发明的优点及积极效果为：将D2D通信、中继传输技术和网络编码相结合，设计了完整的功率分配和中继选择方法，以较低的成本提高了D2D通信的信道容量；针对蜂窝用户作为双向中继节点的系统场景，在终端直通链路发射总功率一定的前提下，对终端直通链路上的节点进行了最优功率分配，选出了最佳中继节点。与其他技术相比，本发明提供的技术方案可以使终端直通链路信道容量达到最大。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于网络编码的D2D通信的功率分配和中继选择方法具体实现流程图。

图3是本发明实施例提供的系统模型图。

图4是本发明实施例提供的D2D链路信道容量与发射总功率的关系图。

图5是本发明实施例提供的D2D链路信道容量与可选中继数目的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法包括以下步骤：

S101：对于每一个备选中继节点进行最优功率分配；

S102：选出其中可以使D2D链路信道容量最大的中继节点作为最佳中继节点。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法为实现最大化D2D通信链路的信道容量的目标，给出数学模型：

s.t.2|h_bd|²p_d≤I₀

|h_bk|²p_k≤I₀；

2p_d+p_k＝P

0<p_d,p_k<P

其中，p_d表示D2D用户的发送功率，p_k表示中继节点的发送功率，p_n表示蜂窝用户的发送功率，h表示D2D用户与中继节点之间的信道信息，h_ck、h_cd分别表示蜂窝用户与中继节点、D2D用户之间的信道信息，h_bd、h_bk分别表示基站与D2D用户、中继节点之间的信道信息，P表示D2D用户和中继节点的发射总功率，I₀表示基站可容忍的干扰门限值，N₀为噪声功率。

最优功率分配包括：

(1)将最优功率分配子问题的目标函数简化为：

为求解上述非线性约束规划问题，令：

其中p_k＝P-2p_d，s₁＝|h_ck|²p_n+N₀>0，s₂＝|h_cd|²p_n+N₀>0。

假设此子信道满足D2D通信的要求，即最优功率分配子问题可以转化为：

(2)目标函数f(p_d)的一阶导数、二阶导数分别为：

因此在p_d∈(0,0.5P)时，f(p_d)是下凹函数，问题有唯一的全局最优点，且是f(p_d)在p_d∈(0,0.5P)上的极小值点，令解得极小值点为：

考虑约束条件p_d≠0，p_d≠0.5P，所以：

i)若则p_d取得最优解为p_d^*＝p_d'。

ii)若则p_d在边界值中取得最优解，令并令：

当r_d¹_≥r_d²时，否则

综上，当p_d＝p_d^*时，问题取得最优解，D2D对在中继节点k处取得最大信道容量为：

最优中继选择包括：

由于选择中继节点的不同，各节点间的信道系数也不相同，将每个中继节点进行最优的功率分配之后，选出可以使D2D链路信道容量最大的中继节点，此节点即为最佳中继节点。

最佳中继选择的目标函数为：

其中对应的k^*(1≤k^*≤L)即为选择的最佳中继节点，h^*,h_ck^*,h_cd^*,h_bd^*,h_bk^*即为对应最佳中继节点的信道系数，此时D2D对在中继节点k*处取得最大信道容量为：

本发明实施例提供的基于网络编码的D2D通信功率分配和中继选择方法具体包括以下步骤：

步骤一，基站获取此时信道信息，确定发射总功率P，基站可容忍的干扰门限值I₀，将可选中继节点k初始化为1；

步骤二，计算s₁＝|h_ck|²p_n+N₀，s₂＝|h_cd|²p_n+N₀，

步骤三，判断p_d'(k)的取值，若则选择第k个中继节点时，D2D用户对应的最优发送功率为p_d^*(k)＝p_d'(k)，执行步骤五；否则，执行步骤四；

步骤四，分别计算若否则

步骤五，将取得的p_d^*(k)代入计算得出D2D对在中继节点k处的信干燥比的最大值r_d(k)；

步骤六，更新k＝k+1，直到k小于中继节点数目L，执行下一步，否则执行步骤二继续迭代。

步骤七，比较步骤五中得出的所有r_d(k)(1≤k^*≤L)，选出其中最大值r_d(k^*)，其对应的k^*即为最优中继节点，p_d^*(k)即为D2D用户应分配的最佳功率值。

如图3所示，由基站集中控制的单蜂窝系统场景，各节点均匀分布在小区中，其中L个静态蜂窝用户为备选中继节点。假设上行系统被分为多个正交子信道，且每个子信道只单独分给一个处于激活状态的蜂窝用户，每个子信道的上行频谱资源最多可被一个D2D用户对复用。假设D2D用户之间不存在直达链路，D2D用户i和D2D用户j采用物理层网络编码的方式，分两个时隙通过一个中继节点实现双向通信，此D2D对复用蜂窝用户n(1≤n≤N)的上行链路频谱资源。

第一时隙为多址接入阶段，D2D用户i和j同时向中继节点发送信号x₁和x₂，蜂窝用户c向基站发送信号x_n，第k个中继节点接收到的叠加信号表达式：

第二时隙为广播阶段，中继节点将接收到的信号放大转发。D2D用户i和j接收到的信号y_i'和y_j'分别表示为：

y_i'＝βh_iky_k+h_cix_n+n₀y_j'＝βh_jky_k+h_cjx_n+n₀；

其中为中继节点的放大系数。

D2D用户i和j根据自身发送的信号信息将其在第二时隙中接收到的自干扰去除后的表达式为：

y_i＝βh²x₂+βhh_ckx_n+βhn₀+h_cix_n+n₀>j＝βh²x₁+βhh_ckx_n+βhn₀+h_cjx_n+n₀；

假设信道为对称信道，对应的信干噪比(SINR)为：

假设D2D用户i和j的发送功率相同，当第k个中继节点被选中时，对应的D2D链路的信道容量可以表示为：

另一方面，D2D对复用蜂窝用户n的上行频谱资源会对基站造成干扰，为了保证蜂窝用户的正常通信，D2D用户对于基站的干扰应小于基站容忍的干扰门限值I₀，即：

I_bn1＝|h_bi|²p₁+|h_bj|²p₂≤I₀>bn2＝|h_bk|²p_k≤I₀；

其中I_bn1表示第一时隙D2D用户对基站产生的干扰，I_bn2表示第二时隙D2D用户对基站产生的干扰。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

本发明的仿真使用Matlab7.10.0仿真软件，仿真参数设置如下：

各信道系数和加性高斯白噪声相互独立，且n₀～N(0，1)，蜂窝用户的发送功率为p_n＝50dB，蜂窝网络所能容忍的来自D2D链路的干扰功率上限I₀＝30dB。所有的仿真结果都是经历1*10⁶次信道实现后的平均值。

将提出的方法与其它三种方法进行仿真对比，其中，最优功率分配和随机中继选择(Optimal PowerAllocation and Random Relay Selection，OPRR)方法是指先对每个中继节点进行最优功率分配，然后从中随机选取一个中继节点；随机功率分配和最佳中继选择(Random PowerAllocation and Optimal Relay Selection，RPOR)方法是指对每个中继节点先进行随机功率分配，然后选出使信道容量最大化的中继节点；随机功率分配和随机中继选择(Random Power Allocation and Random RelaySelection，RPRR)方法是指对每个中继节点先进行随机功率分配，然后从中随机选取一个中继节点。

图4给出了D2D链路信道容量随发射总功率的变化曲线。假设中继节点数为L＝20。由图可以看出，四种方法对应的D2D链路的信道容量都随着D2D链路发射总功率的增大而增大，但本发明提出的OPOR方法对应的D2D链路最大信道容量明显高于其它方法，而且随着链路发射总功率的增加，优势更为明显。例如当D2D发射总功率为120dB时，本发明所提方法对应的D2D链路信道容量约是OPRR方法的1.25倍，约是RPOR方法的7.33倍，约是RPRR方法的8.80倍。这说明本发明所提的方法要明显优于其它三个方法。

图5给出了D2D链路信道容量随可选中继数目的变化曲线。仿真中假设D2D链路的发射总功率为P＝80dB。由图可以看出：i)对于本发明所提OPOR方法和RPOR方法来说，由于增加可选中继节点的数目可以增加中继节点的选择性从而提高D2D链路的信道容量，因此随着中继节点数目的增加，这两种方法所对应的D2D链路最大信道容量也持续增加，但本发明所提方法的性能优势随着L的增加更为明显。ii)对于其它两种方法，因为是随机中继选择方法，其D2D链路的信道容量不会随着中继节点数目的增加而增加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。