[发明专利]一种超密集毫米波D2D通信干扰管理方法

摘要

本发明涉及一种超密集毫米波D2D通信干扰管理方法，主要解决现有方法对波束宽度选择与资源分配在管理干扰方面不能同时兼顾的缺点，提供一种基于联合波束宽度选择和资源优化的超密集毫米波D2D通信干扰管理方法，包括如下步骤：首先对毫米波D2D通信系统进行系统建模和干扰管理问题建模；其次利用粒子群优化进行波束宽度选择，获得最优的波束宽度向量；最后利用基于凸优化近似的资源优化获得最佳联合功率和时隙分配向量；本发明所提出的基于联合波束宽度选择和资源优化的干扰管理方法可以有效管理干扰，提高并行传输链路数目，获得更高系统和速率。

主权项

1.一种超密集毫米波D2D通信干扰管理方法，其特征在于：包括如下步骤，(1)对超密集毫米波D2D通信系统按如下步骤进行系统建模：(1a)两个移动设备之间直接进行通信组成一个D2D通信对，令表示所有D2D通信对的集合，为模拟超密集场景，假设所有D2D链路在一个较小的圆形区域中随机分布，D2D通信链路使用时分多址技术在毫米波频带上进行发送，时隙集合表示为此外，假设D2D链路受基站控制，并且基站可获得所有D2D通信链路的信道状态信息；(1b)任意设置两个D2D链路，分别表示为D2D链路i和D2D链路j，令和分别表示D2D发射器j和D2D接收器i之间连线相对于D2D发射器j到D2D接收器j(记为j→j)和D2D发射器i到D2D接收器i(记为i→i)视轴方向的角度，和分别表示D2D发射机j和D2D接收机i的主瓣波束宽度，对于较宽波束宽度情况，存在和此时存在干扰，两条D2D链路不能同时发送，应为它们分配不同的时隙，对于较窄波束宽度的情况，存在和此时两条D2D链路可以无干扰地同时传输，可以为它们分配相同时隙进行传输；(1c)采用模拟波束成形或混合模拟/数字波束成形对毫米波信号进行对准，从扇区级和波束级依次详尽地搜索所有可能的波束方向，确定最佳的波束对准方向，该对准过程将为毫米波通信网络引入对准开销，因此一个时隙包含两个阶段：波束对准阶段和数据传输阶段，其中D2D通信链路的波束对准持续时间可以表示为：其中和是发射机(接收机)端的扇区宽度和波束宽度。T_p是完成单个波束搜索需要的训练序列传输时间；(1d)波束对准完成之后，即可确定毫米波D2D链路最佳的传输和接收波束方向，然后开始进行有效数据传输，第i条D2D通信链路在时隙τ中最大可得速率可以表示为：其中，T_t是一个时隙的持续时间，B是毫米波传输带宽，P_i^τ是时隙τ中D2D发射机i的发射功率，为时隙分配因子，表达式为n₀是噪声功率谱密度(dBm/Hz)，为理想扇形天线模型下毫米波D2D链路j→i的发射和接收天线增益，表达式为：其中，为D2D发射机j(x＝j,Y＝T)或D2D接收机i(x＝i,Y＝R)的主瓣波束宽度，0≤g≤1是旁瓣增益，表示链路j→i连线相对于D2D链路通信j→j(Y＝T)或D2D通信链路i→i(Y＝R)视轴方向的角度；为从D2D发射机j到D2D接收机i的路径损耗，表达式为：其中λ为波长，对于60GHz毫米波信号，波长λ为5mm，d_ij是发射机j到接收机i的距离，σ代表氧气吸收损耗；(2)对超密集毫米波D2D通信系统干扰管理问题按如下步骤进行优化问题建模：(2a)系统和速率由波束宽度、发射功率和时隙分配结果共同决定，联合考虑这三个参数间的相互影响，建立联合波束宽度和资源优化的和速率最大化问题(P1)如下：(P1)其中，优化变量为波束宽度向量时隙分配向量以及发射功率向量约束条件(6b)是发射波束宽度的范围，约束条件(6c)是接收波束宽度的范围，约束条件(6d)确保一个波束对准时间不超过一个时隙时间，约束条件(6e)表示时隙分配因子的二进制属性，约束条件(6f)规定多个毫米波D2D通信链路可以在同一时隙中同时发送，约束条件(6g)保证发射功率满足功率约束；(2b)将问题(P1)中的时隙分配变量和功率优化变量组合成一个新的连续变量，表示为联合功率和时隙分配(JPTA，joint power and time slots allocation)变量建立如下优化问题(P2)：(P2)其中，优化变量是波束宽度矩阵ε和JPTA矩阵w，其中(3)对超密集毫米波D2D通信系统按如下步骤进行基于粒子群优化的波束宽度选择：(3a)假设波束宽度矢量存在S个可能解，定义为每个可能解维度为2K，即对于每个粒子，设置一个速度矢量用来更新其位置；(3b)初始化：在问题(P2)约束条件下生成初始波束宽度矢量生成在[0°，90°]范围内均匀分布的初始速度矢量设置初始的惯性权重保持原来速度的权重系数c₁、粒子跟踪群体最优值的权重系数c₂、[0,1]范围内均匀分布变量ξ和η；(3c)利用和速率R^sum函数来计算每个粒子当前位置处的适应度R^sum(ε_s)，并设置每个粒子个体最佳适应度该最佳适应度由其自身的个体最佳位置获得；设置所有粒子的全局最佳适应度该全局最佳适应度由粒子群的全局最佳位置获得；(3d)对于每个粒子进行如下操作：将速度矢量更新为：将粒子位置更新为：ε_s←ε_s+V_s；判断如果将个体最佳位置更新为：(3e)对于每个粒子进行如下操作：判断如果将粒子群的全局最佳位置更新为：(3f)对步骤(3c)到步骤(3e)进行迭代，直到收敛或超过预先设定的最大迭代次数结束；(4)对超密集毫米波D2D通信系统按如下步骤进行基于凸优化近似的联合功率优化和时隙调度：(4a)基于步骤(3)获得的最佳波束宽度，将联合功率优化和时隙调度问题等价为“凸函数‑凸函数”(DC，Difference of Convex)的形式，得到DC规划问题如下：其中f(w)和g(w)是凸函数；(4b)初始化：生成JPTA向量初始值w_(n)，n＝0，保证(4c)通过一阶泰勒展开，将g(w)近似为其中(4d)利用凸优化工具求解如下近似的凸优化问题，并将所求得的JPTA向量最优值赋值给w_(n+1)：(4e)令n＝n+1；(4f)对步骤(4c)到步骤(4e)进行迭代，直到迭代终止。