[发明专利]单信道蜂窝用户情况下的D2D功率分配快速优化算法

摘要

本发明公开了一种单信道蜂窝用户情况下的D2D功率分配快速优化算法，基于蜂窝网的D2D用户的通信速率优化问题是一个复杂的非凸非线性的优化问题，本发明针对的蜂窝用户为单信道、D2D用户为多信道，应用本算法可以在蜂窝用户和功率限制、独立功率限制，D2D用户和功率限制及独立功率限制等多种情况下，快速优化并求解出蜂窝用户发射功率pi和D2D用户发射功率qi。采用本优化算法得到的发射功率能够保证蜂窝用户的通信速率要求，并最大化所有D2D用户在所有蜂窝频带上的通信速率之和。本算法具有收敛速度快，计算量小，易于实现，结果精度高等优点。

主权项

1.单信道蜂窝用户情况下的D2D功率分配快速优化算法，其特征在于：本算法用凸近似的方法将非凸问题近似为凸问题，并通过多层迭代快速收敛到凸问题的优化解，即蜂窝用户和D2D用户的发射功率分配，从而得到所有D2D用户的优化和通信速率；本算法适用于蜂窝用户独立功率限制以及D2D用户独立功率限制情况和蜂窝用户和功率限制以及D2D用户和功率限制两种情况，根据两种情况的特点采用不同的D2D用户通信速率优化方法，优化目标均为最大化所有D2D用户的和通信速率；设蜂窝系统共有N个蜂窝用户和M对D2D用户，N个蜂窝用户对应N个蜂窝频带，蜂窝用户i对应蜂窝频带i；定义：pi表示蜂窝用户i在蜂窝频带i上的发射功率；qi表示D2D用户在蜂窝频带i上的发射功率向量，qi＝[qi1,qi2,…,qij,…,qiM]，qij表示第j对D2D用户在蜂窝频带i上的发射功率；ai表示蜂窝用户i到基站的归一化后的信道增益；θij表示第j对D2D用户对蜂窝用户i干扰信道的信道增益；rij表示第j对D2D用户在蜂窝频带i上的归一化后的信道增益；βij表示蜂窝用户i对第j对D2D用户干扰信道的信道增益；ξijl表示第l对D2D用户对第j对D2D用户在蜂窝频带i上的干扰信道的增益；ρi表示蜂窝用户i的最低通信速率；(一)在蜂窝用户独立功率限制以及D2D用户独立功率限制下，采用如下算法解决D2D用户通信速率优化问题：(11)按照蜂窝频带将D2D用户通信速率优化问题划分为N个可平行计算的子问题，蜂窝用户i的通信速率为第j对D2D用户在蜂窝频带i上的通信速率为(12)以(·)^(l)表示(·)的第l次迭代结果，初始化拉格朗日算子给定计算精度ε₁、ε₂、ε₃，初始化迭代次数t＝0、s＝0、k＝0；(13)计算其中：其中：表示迭代函数构成的函数向量，(14)对于所有i＝1,2,…,N、j＝1,2,…,M，判断是否成立：若成立，则进入步骤(15)；否则令k＝k+1，返回步骤(13)；(15)计算其中表示更新常数，P_i表示蜂窝用户i在蜂窝频带i上允许的最大发射功率；(16)判断是否成立：若成立，则进入步骤(17)；否则令s＝s+1且k＝0，返回步骤(13)；(17)计算其中(18)判断是否成立：若成立，则将作为优化后的D2D用户在蜂窝频带i上的发射功率向量输出，并按照步骤(11)中的关系求出对应的蜂窝用户i在蜂窝频带i上的发射功率和否则令t＝t+1、s＝s+1且k＝0，返回步骤(13)；(二)在蜂窝用户和功率限制以及D2D用户和功率限制下，采用如下算法解决D2D用户通信速率优化问题：(21)蜂窝用户i的通信速率为第j对D2D用户在蜂窝频带i上的通信速率为(22)以(·)^(l)表示(·)的第l次迭代结果，初始化拉格朗日算子λ⁽⁰⁾＝0、μ⁽⁰⁾＝0，给定计算精度ε₁、ε₂、ε₃，初始化迭代次数t＝0、s＝0、k＝0；(23)计算其中：其中：表示迭代函数构成的函数向量，(24)对于所有i＝1,2,…,N、j＝1,2,…,M，判断是否成立：若成立，则进入步骤(25)；否则令k＝k+1，返回步骤(23)；(25)计算表示更新常数，P表示所有蜂窝用户的最大和功率限制；计算表示更新常数，Q_j表示第j对D2D用户的最大和功率限制；(26)对于所有j＝1,2,…,M，判断|λ^(s+1)‑λ^(s)|＜ε₂且是否成立：若成立，则进入步骤(27)；否则令s＝s+1且k＝0，返回步骤(23)；(27)计算其中(28)判断是否成立：若成立，则将作为优化后的D2D用户在蜂窝频带i上的发射功率向量输出，并按照步骤(21)中的关系求出对应的蜂窝用户i在蜂窝频带i上的发射功率和否则令t＝t+1、s＝s+1且k＝0，返回步骤(23)。