[发明专利]一种D2D通信中基于能效优化的分布式功率控制方法

权利要求书

1.一种D2D通信中基于能效优化的分布式功率控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

（1）在D2D通信中，通过D2D用户和蜂窝用户的发送功率控制，从而实现D2D用户能量效率最大化的目标，该优化问题描述为如下所示的非凸性优化问题：

P1:η*d=max1qdlog2(1+qdgdpdgcd+n0)]]>

s.t.log2(1+qdgdpcgcd+n0)≥Rdreq]]>

log2(1+pcgcqdgdc+n0)≥Rcreq]]>

0≤pc≤Pcmax]]>

0≤qd≤Pdmax]]>

在问题P1中，各个参数定义如下：

p_c：D2D用户DU d接入CU c时蜂窝用户的发送功率；

q_d：D2D用户DU d接入CU c时D2D用户的发送功率；

g_c：蜂窝用户CU c与基站之间的信道增益；

g_d：DU d的发射机和接收机之间的信道增益；

g_cd：蜂窝用户CU c对DU d的干扰信道增益；

g_dc：D2D用户DU d对CU c的干扰信道增益；

蜂窝用户CU c的传输速率要求；

D2D用户DU d的传输速率要求；

蜂窝用户CU c的最大发送功率；

D2D用户DU d的最大发送功率；

n₀：背景噪声功率；

η_d：D2D用户DU d的能量效率，“*”表示参数在优化问题中的最优值；

（2）用公式将p_c用q_d代替，同时，引入新变量P和将问题P1等效转化为一个D2D用户DU d的发送功率控制优化问题；

P2:η*d=maxqd1qdlog2(1+gdgcqdn0(gc+αcgcd)+αcgdcgcdqd)]]>

s.t.P-≤qd≤P‾]]>

其中，P‾=n0βd(αcgcd+gc)gcgd-αcβdgcdgdc,P‾=min{1gdc(Pcmaxgcαc-n0),Pdmax},]]>αc=2Rcreq-1,βd=2Rdreq-1]]>

利用函数R~(qd)=log2(1+gdgcqdn0(gc+αcgcd)+αcgdcgcdqd),]]>优化问题P2等效转换为如下优化问题P3：

P3:maxγ,qdγ]]>

s.t.γ>0,P‾<qd<P‾]]>

F(qd,γ)=R~(qd)-γqd≥0]]>

在问题P2和P3中，各个参数定义如下：

p_c：D2D用户DU d接入CU c时蜂窝用户的发送功率；

q_d：D2D用户DU d接入CU c时D2D用户的发送功率；

g_c：蜂窝用户CU c与基站之间的信道增益；

g_d：DU d的发射机和接收机之间的信道增益；

g_dc：D2D用户DU d对CU c的干扰信道增益；

蜂窝用户CU c的传输速率要求；

D2D用户DU d的传输速率要求；

蜂窝用户CU c的最大发送功率；

D2D用户DU d的最大发送功率；

n₀：背景噪声功率；

γ：D2D用户DU d的能量效率；

（3）求解问题P3，获得qd*=P‾,pc*=αc(n0+qd*gdc)gc;]]>

（4）针对D2D通信中基于能效优化的发送功率控制问题，采用如下分布式功率控制的算法，过程为：

步骤4.1：设置迭代次数，t＝1；初始化CU c的发送功率，pc(1)=pcini=0;]]>初始化DU d的发送功率，qd(1)=qdini=0;]]>

步骤4.2：若CU c收到来自DU d的消息告知功率控制不可行，终止算法；否则，继续步骤4.3；

步骤4.3：CU c首先测量其受到的外界干扰和噪声之和，然后按照如下公式更新其发送功率

pc(t+1)=min{αcgcIc(t),Pcmax}]]>

其中，I_c(t)＝q_d(t)g_dc+n₀，在更新之后，如果CU c的发送功率已达其最大发送功率值，即但是CU c的传输速率要求未被满足；在此情况下，CU c向DU d发出消息，告知DU d说明他们之间不匹配，算法终止；否则继续步骤4.4；

步骤4.4：若DU d收到来自CU c的消息告知匹配不可行，则终止算法，否则，继续步骤4.5；

步骤4.5：DU d首先测量其受到的外界干扰和噪声之和，然后按照如下公式更新其发送功率

qd(t+1)=min{βdgdId(t),Pdmax}]]>

其中，I_d(t)＝p_c(t)g_cd+n₀，在更新之后，如果DU d的发送功率已达其最大发送功率值，即但是DU d的传输速率要求未能被满足，在此情况下，则DU d向CU c发消息告知其他们之间匹配不可行，算法终止，否则，继续执行步骤4.6；

步骤4.6：收敛条件判断，若满足收敛条件：

|p_c(t+1)-p_c(t)|²+|q_d(t+1)-q_d(t)|²≤ε

则算法收敛，ε是正数，此时DU d和CU c已经达到最优发送功率，该组发送功率是优化问题P1的最优解，即能够保证最大化DU d的能量效率；否则，设置t＝t+1，返回步骤4.2。

2.如权利要求1所述的一种D2D通信中基于能效优化的分布式功率控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中，采用分层思想求解优化问题P3的主要步骤为：

步骤3.1）给定任意γ＞0时，优化问题的目标函数是一个常数，为获得最优的q_d，即求解优化问题，其中，F(q_d,γ)是q_d的凹函数，令得dR~(qd)dqd-γ=1ln2AC(C+(A+B)qd)(C+Bqd)-γ=0,]]>故，为满足(A+B)Bqd2+C(A+2B)qd+C2-1ln21γAC=0]]>的解，得：

qd*(γ)=(Δ-C(A+2B)2B(A+B))P‾P‾]]>

其中，A＝g_cg_d，B＝α_cg_cdg_dc，C＝n₀(g_c+α_cg_cd)；

步骤3.2）将步骤3.1）中求得的代入原优化问题，求解满足条件F(qd*,γ)≥0]]>的最大的γ，即γ*=maxγ>0γ]]>满足F(qd*(γ),γ)≥0,]]>其中，

qd*(γ)=P‾,γ<M‾Δ-C(A+2B)2B(A+B),M‾≤γ≤M‾P‾,γ>M‾]]>

M‾=1ln2ACB(A+B)P‾2+C(A+2B)P‾+C2,]]>

M‾=1ln2ACB(A+B)P‾2+C(A+2B)P‾+C2,]]>

分析不同γ取值下D2D网络能量效率的情况：

1)当M‾≤γ≤M‾]]>时，F(qd*(M‾),M‾)>F(qd*(M‾),M‾)>0,]]>故γ*=M‾,]]>qd*=P‾,η*d=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾);]]>

2)当γ<M‾]]>时,F(qd*(γ),γ)=log2(1+AP‾C+BP‾)-γP‾]]>为γ的单调递减函数，令F(qd*(γ),γ)=0]]>得γ*=M‾,qd*=P‾,η*d=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾);]]>

3)当γ>M‾]]>时,F(qd*(γ),γ)=log2(1+AP‾C+BP‾)-γP‾]]>为γ的单调递减函数，令F(qd*(γ),γ)=0]]>得qd*=P‾,η*d=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾),]]>γ*=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾);]]>

综合以上三种情况可知，或者且当时γ取到的值较大，故，qd*=P‾,γ*=1P‾log2(1+AP‾C+BP‾)=1P‾log2(1+βd).]]>