[发明专利]一种保障蜂窝移动通信系统QoS的D2D通信能效最优化方法

权利要求书

1.一种保障蜂窝移动通信系统QoS的D2D通信能效最优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)具备D2D检测和模式选择功能的基站调度选择小区内一个蜂窝用户的下行频带资源共享给合适的D2D用户进行设备到设备间直接通信；

(2)基站获取下行传输链路和干扰链路的实时信道状态信息；

(3)基站根据获取的实时信道状态信息，优先满足蜂窝用户的服务质量要求，确定功率分配方案；

(4)基站发送给D2D的发射端该功率分配方案，基站和D2D发射端按照步骤(3)的功率分配方案完成数据传输；步骤(3)中的确定功率分配方案具体方法如下：

(3.1)为满足蜂窝用户k的通信质量，基站要进行功率控制，在发射功率满足约束条件下，使得蜂窝用户在此功率分配方案下可达速率R_k大于保证其QoS要求的最低速率R^C，即：

其中：

R^C表示保障蜂窝用户通信质量的最低速率要求；

v表示实时信道的衰落状态；

表示基站对蜂窝用户的发射功率门限；

表示D2D链接的发射功率门限；

p_k(v)表示在衰落状态v下基站对蜂窝用户k的发射功率；

表示衰落状态v下基站和蜂窝用户k之间传输链路的信道状态信息其中，l_k表示基站和蜂窝用户k之间传输链路的路径损耗，h_k(v)表示衰落状态v下蜂窝用户k和基站之间传输链路的归一化信道增益，δ_k表示基站与蜂窝用户k通信链路中高斯白噪声的方差；

p_j(v)表示在衰落状态v下D2D链接j发射端的发射功率；

表示衰落状态v下D2D链接j对蜂窝用户k的干扰链路信道状态信息，其中，l_jk表示D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路的路径损耗，g_jk(v)表示衰落状态v下D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路的归一化信道增益，δ_jk表示D2D链接j对蜂窝用户k干扰链路中高斯白噪声的方差；

(3.2)基站在保证蜂窝用户达到其最小速率要求R^C的前提下，以使D2D用户的统计能量效率η最优为目标，进行功率分配，能量效率的表达式如下所示：

其中：

E{*}表示对不同的信道状态v的统计平均；

p_j(v)表示衰落状态v下D2D链路j发射端的发射功率；

ζ表示D2D链路发射端的功率放大系数，表示D2D链路电路功耗；

表示衰落状态v下D2D链接j传输链路的信道状态信息其中，l_j表示D2D链接j传输链路的路径损耗，h_j(v)表示衰落状态v下D2D链接j传输链路的归一化信道增益，δ_j表示D2D链路j传输链路高斯白噪声的方差；

p_k(v)表示衰落状态v下基站分配给蜂窝用户k的发射功率；

表示衰落状态v下基站和D2D链接j接收端之间干扰链路的信道状态信息其中，l_kj表示基站与D2D链接j接收端之间干扰链路的路径损耗，g_kj(v)表示衰落状态v下基站与D2D链接j接收端之间干扰链路的归一化信道增益，δ_kj表示基站对D2D链接干扰链路的高斯白噪声的方差；

(3.3)将能量最优的目标函数η(p_j(v))转化成下式的非线性规划问题：

同时考虑到要满足蜂窝用户最小速率的要求，所以：

目标函数f(p_j(v),η)与p_k(v)成反比，因此时能量效率最大，同时基站分配给蜂窝用户的功率期望E{p_k(v)}应该控制在不超过阈值即：

其中，将代入目标函数中，此时可证明目标函数为凹函数，可用拉格朗日乘子法求解；

(3.4)考虑到基站分配给蜂窝用户的功率期望E{p_k(v)}应该控制在不超过阈值以及基站分配给D2D用户的功率期望E{p_j(v)}应该控制在不超过阈值这两个约束条件，引入拉格朗日因子λ和μ，将目标函数f(p_j(v),η)转化为：

其中：

(3.5)从上式可以看出，目标函数L(p_j(v),λ,μ)的求解可转化为求解E{G'(v)}；

因为G'(v)对于每一个不同的衰落状态v都有相同的结构，将表达式中的v舍去，目标函数L(p_j(v),λ,μ)可转化为：

当满足条件时，获得的功率分配方案达到能效最优化目标η^*；

(3.6)分配给D2D用户和蜂窝用户的功率分别为：

其中，

其中，A_j,k，B_j,k，C_j,k的定义为：