CN106162855A - 结合子载波分配和功率控制的多d2d通信对资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合子载波分配和功率控制的多D2D通信对资源分配方法，包括：根据网络有效增益限制、蜂窝用户的可达速率限制以及D2D最大发送功率限制等约束条件，构建以D2D与蜂窝和频谱效率最大化为目标的优化问题；计算D2D通信对k在蜂窝用户子载波m上的最优发射功率；采用循环搜索，筛选出最大的和频谱效率值，及其所对应的D2D通信对和子载波资源的复用组合；判断子载波资源能否满足蜂窝用户QoS需求、D2D用户最大发送功率阈值等约束条件。本发明在保证网络有效增益需求、蜂窝用户QoS需求的同时，限制蜂窝用户与D2D用户之间的相互干扰，能大大提升整个混合网络的总频率效率性能，并且运算复杂度低，适合于多个D2D通信对与多个蜂窝用户共存的混合网络。

Description

结合子载波分配和功率控制的多D2D通信对资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种结合子载波分配和功率控制的D2D通信对资源分配方法。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的发展，新兴的数据密集型业务和服务不断涌现，更高的数据速率和频谱资源需求让传统蜂窝通信模式面临巨大的挑战。为了应对此种问题，多设备间(Device-to-Device，简称D2D)通信被引入蜂窝系统中，通过频谱复用的方式与传统蜂窝网络共存构成混合网络。D2D通信可以在基站辅助下让两个地理位置较近的用户设备建立D2D直通链路，数据可以绕过基站，直接通过D2D链路进行高速传输。通过引入D2D短距离通信，可以获得诸如提升网络吞吐量、降低数据传输延时、改善蜂窝频谱效率等正的增益。然而，D2D通信复用蜂窝用户的频谱资源也会带来干扰，影响D2D和蜂窝用户的正常通信，降低系统性能。因此，需要合理的资源分配方法来有效降低干扰，最大化D2D通信对网络的增益。

现有的混合网络中D2D资源分配方法，主要包括以下几种：(1)D2D通信对复用固定的子载波资源；(2)一个D2D通信对复用一个蜂窝用户的子载波资源；(3)单个D2D通信对复用多个蜂窝用户的子载波资源，并且都以网络吞吐量最大化、频谱效率最大化为优化目标，进行资源分配。

然而，上述的第一种方法存在不能灵活、动态的为DD2D通信对分配资源，无法有效利用D2D高频谱利用率的特点；上述第二种方法的缺点在于实际情况中，蜂窝用户数量往往会远大于D2D通信对的数量，只考虑D2D通信对复用一个蜂窝用户的子载波资源，无法实现蜂窝子载波资源的高效利用，造成蜂窝资源的浪费。第三种方法的问题在于，单D2D通信对的通信场景不满足实际场景中多D2D通信对共存的环境。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种结合子载波分配和功率控制的D2D通信对资源分配方法，其目的在于，解决上述现有方法中存在的无法为D2D通信对动态分配资源、无法实现蜂窝子载波资源的高效利用以及无法满足实际通信场景中多D2D通信对共存的环境等技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种结合子载波分配和功率控制的多D2D通信对资源分配方法，包括下列步骤：

(1)获取D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源，并且以网络有效增益限制、蜂窝用户的可达速率限制以及D2D网络的最大发送功率限制为约束条件，构建以D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率最大化为目标的优化模型：

(2)根据步骤(1)构建的优化模型获取D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的最优发射功率；

(3)根据步骤(2)获得的最优发射功率获取多个D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率，从中选择最大的和频谱效率值，并确定其对应的D2D网络中的通信对k^*和蜂窝用户m^*；

(4)判断步骤(3)获取的最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k^*和蜂窝用户m^*是否满足预设的约束条件，若满足则转入步骤(5)，否则返回步骤(3)；

(5)根据最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k*和蜂窝用户m*为D2D通信对k*分配子载波资源；

(6)判断蜂窝网络中是否存在剩余的子载波资源，如果不存在，则过程结束，若存在，则将剩余的子载波资源进行分配：

(7)根据步骤(5)和(6)中已经分配的所有子载波资源获取每个D2D网络中的通信对在每个子载波上的最优发送功率；

(8)根据步骤(7)得到的最优发送功率获取D2D网络和蜂窝网络的总频谱效率。

优选地，步骤(1)中构建的上述优化模型是通过以下公式来表示的：

$\begin{array}{cc}\underset{p_{k,m}^D,km}{max}& R_{k,m}^{CD}\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{R}_{k,m}^D\left(p_{k,m}^D\right)+R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& C1:G_{k,m}^P\left(p_{k,m}^D\right)-G_{k,m}^N\left(p_{k,m}^D\right)\≥0\end{array},$

$C2:R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\≥R_{m,\min }^C,$

$C3:0\≤p_{k,m}^D\≤P_{thr}^D.$

其中，k表示D2D网络中的通信对序号，m表示被通信对k所复用子载波资源的蜂窝用户序号，s.t.表示约束符号；s.t.符号后面的式子表示为约束式；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的D2D用户频谱效率；为D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率；为蜂窝网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的蜂窝用户频谱效率；符号max表示求最大值符号；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源带来的网络正增益；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源带来的网络负增益；为蜂窝用户m的最小可达速率阈值；为D2D网络中通信对的最大发送功率阈值。

优选地，D2D网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的D2D用户频谱效率以及蜂窝网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的蜂窝用户频谱效率分别为：

$R_{k,m}^D\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\log }_2(1+\frac{p_{k,m}^D{h}_k^{DD}}{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\σ}}_0^2})$

$R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\log }_2(1+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{p_{k,m}^D{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\σ}}_0^2})$

其中分别表示蜂窝用户m到基站的链路信道增益、D2D网络中通信对k的链路信道增益、蜂窝用户m到D2D网络中通信对k接收端的干扰链路信道增益、D2D网络中通信对k发送端到基站的干扰链路信道增益；为模型中的高斯白噪声；为蜂窝用户m的最大发送功率；为D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的发射功率，且满足如下条件：

$p_{k,m}^D\∈\[p_{k,m}^{D\min },p_{k,m}^{D\max }\]$

其中，下标k＝1,2,...,K；下标m＝1,2,...,M；每个D2D网络中的通信对由D2D通信发送端和D2D通信接收端组成；K表示D2D网络中通信对的总数；M表示蜂窝网络中的用户总数；

其中，

$p_{k,m}^{D\min }\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\max \left\{0,\frac{{\mathrm{\σ}}_0^2(p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\σ}}_0^2)}{{\mathrm{\σ}}_0^2(h_k^{DD}-h_{k,B}^{DB})-p_m^C{h}_{k,m}^{CD}{h}_{k,B}^{DB}}\right\}$

$p_{k,m}^{D\max }\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\min \left\{P_{thr}^D,\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{h_{k,B}^{DB}(2^{R_{m,\min }^C}-1)}-\frac{{\mathrm{\σ}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}\right\}$

其中表示在满足条件下，D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上所能达到的最小发送功率，且

$G_{k,m}^P\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{p_{k,m}^D{h}_k^{DD}}{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\σ}}_0^2}$

$G_{k,m}^N\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{p_{k,m}^D{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\σ}}_0^2}{{\mathrm{\σ}}_0^2}$

表示在满足上述C2和C3的约束条件下，D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上所能达到的最大发送功率。

优选地，步骤(2)具体是采用公式：

$p_{k,m}^{D*}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_{k,m}^{D\max },& B^2-4C<0\\ {\&lsqb;\frac{-B\&PlusMinus;\sqrt{B^2-4C}}{2}\&rsqb;}_{p_{k,m}^{D\min }}^{p_{k,m}^{D\max }},& B^2-4C\&GreaterEqual;0,\end{array}\right.$

其中，

$B=2\frac{B_3}{A_3}$

$C=(\frac{B_1}{A_1}+\frac{B_2}{A_2})\frac{B_3}{A_3}-\frac{B_1}{A_1}\frac{B_2}{A_2}$

且有：

$\begin{array}{cc}{B}_1=p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2& A_2=A_3=h_{k,B}^{DB}\end{array}$

$B_2=p_m^C{h}_{m,B}^{CB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2$

$B_3={\mathrm{\&sigma;}}_0^2$

表示投影在区间上的值；

优选地，步骤(3)具体是使用如下公式：

$R_{k,m}^{CD}\left(p_{k,m}^{D*}\right)={\log }_2(1+\frac{p_{k,m}^{D*}{h}_k^{DD}}{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2})+{\log }_2(1+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{p_{k,m}^{D*}{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}).$

优选地，步骤(3)中的约束条件是：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{k*,m*}^{Dmin}\&le;p_{k*,m*}^{Dmax}\\ P_{k*}^{ini}+p_{k*,m*}^{D*}\&le;P_{thr}^D\end{array}\right.$

其中为D2D网络中的通信对k^*已经被分配的发送功率；为D2D网络中的通信对k^*将要被分配的发送功率。

优选地，步骤(5)包括以下子步骤：

(5-1)根据最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k*和蜂窝用户m*判断蜂窝用户m*的子载波资源是否未被分配，如果是，则转入步骤(5-2)，否则转入步骤(5-3)。

(5-2)将蜂窝用户m*的子载波资源放入当前D2D网络中的通信对k*的有效分配集合中，并删除D2D网络中除k*以外的其余通信对的候选分配集合中的该子载波资源，以确保不同D2D用户复用不同的子载波资源，过程结束，其中每个D2D网络中通信对的候选分配集合的初始值为{1,2,...,M}，有效分配集合的初始值为空集；

(5-3)从D2D网络中所有通信对的候选分配集合中删除该子载波资源。

优选地，步骤(6)中是根据以下公式将剩余的子载波资源进行分配：

其中，k′和m′分别表示当前D2D网络中通信对，以及被通信对k′所复用子载波资源的蜂窝用户序号；Ω为当前可用子载波资源；为D2D网络中通信对k′接入蜂窝网络后的D2D网络频谱效率；为D2D网络中通信对k′接入蜂窝网络后的蜂窝网络频谱效率；为未接入D2D通信时蜂窝网络的频谱效率。

优选地，步骤(7)具体为：

首先，确定拉格朗日乘子ν的上限和下限值：

其中，ν^u为拉格朗日乘子ν的取值上界；ν^l为拉格朗日乘子ν的取值下界；max{x}表示取其中最大者；min{x}表示取其中最小者；为D2D网络中的通信对k的有效分配集合；

其次，根据拉格朗日乘子ν的上限和下限值并采用二分法找到拉格朗日乘子ν的最优值ν^*，将该ν^*代入以下一元三次方程中，求出最优发送功率使其满足等式

$\begin{array}{c}{v}^{*}=\frac{1}{\ln 2}(\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_k^{DD}}}-\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}}+\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}})\\ \stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}f\left(p_{k,m}^{Dout}\right)\end{array}$

其中，为D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的最优发送功率，且满足：为投影在区间内的解。

优选地，步骤(8)是采用以下公式：

其中，表示D2D网络和蜂窝网络的总频谱效率，表示D2D网络中通信对k与集合中所有蜂窝用户的和频谱效率，其表达式为：

其中，π_k,m表示蜂窝用户m的子载波资源是否被D2D网络中通信对k复用的二进制分配因子，且π_k,m∈{0,1}；π_k,m＝0表示子载波没有被通信对k复用；π_k,m＝1表示子载波被通信对k复用；表示D2D网络中通信对k与蜂窝用户m的和频谱效率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明方法能够解决现有D2D资源分配方法中存在的无法动态、灵活的为D2D通信对分配子载波资源的技术问题：由于本发明采用了步骤(3)、(4)、(5)和步骤(6)，根据信号链路和干扰链路的信道质量的不同，为不同的D2D通信对选择最优的蜂窝子载波进行复用，能够解决为D2D通信对动态的分配资源的问题。

2、本发明方法能够解决现有D2D资源分配方法中存在的无法实现蜂窝子载波资源高效利用的技术问题：由于本发明采用了步骤(3)、(4)、(5)、(6)和步骤(7)，结合了子载波分配和功率控制，使得每个D2D通信对可以同时复用多个蜂窝用户的子载波，并在相应子载波上获取最优的功率来抑制干扰，因此能够能解决蜂窝子载波资源高效利用的技术问题。

3、本发明方法能够解决现有D2D资源分配方法中存在的无法满足实际通信场景中多D2D通信对共存的环境的技术问题：由于本发明采用了步骤(1)和步骤(2)，以多个D2D通信对和多个蜂窝用户共存的混合网络场景构建优化模型并求解，因此能够满足实际场景中多D2D通信对共存的环境。

4、本发明方法考虑了当D2D通信复用蜂窝子载波资源时，引入的干扰会在一定程度上抵消D2D通信带来的性能增益的情况，在步骤(1)的优化模型中引入了网络有效增益限制的约束条件，能够最大程度的发挥D2D通信的优势，提升混合网络的性能。

附图说明

图1是本发明结合子载波分配和功率控制的多D2D通信对资源分配方法的流程图。

图2是本发明基于多D2D通信对混合网络结构示意图。

图3是本发明的蜂窝用户和D2D通信对在不同功率限制和D2D通信距离条件下的频谱效率图。

图4是本发明在不同蜂窝用户数量下与其他三种方案比较的网络总频谱效率图。

图5是本发明在不同D2D最大功率限制条件下与其他三种方案比较的网络总频谱效率图。

图6是本发明在不同蜂窝用户最小速率限制条件下与其他三种方案比较的网络总频谱效率图。

图7是本发明在不同D2D通信对数量下与其他三种方案比较的网络总频谱效率图，其中：方案1是每个D2D通信对只复用一条蜂窝上行子载波的资源分配方法，D2D通信对遍历每一条子载波，使网络总频谱效率最大化。方案2是随机是每个D2D通信对分配一条蜂窝上行子载波，并分配D2D传输功率使频谱效率最大化的资源分配方法。方案3是只有一个D2D通信对被授权可以复用多个蜂窝上行子载波资源，使网络总频谱效率最大化。

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，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明是结合了子载波分配和功率控制的资源分配方案，系统噪声为频谱密度是-174dBm/Hz的零均值加性高斯白噪声，信道模型考虑简单的路径损耗模型，根据3GPP标准中规定，蜂窝通信链路为L_d(dB)＝128.1+37.6log₁₀(d[km])，D2D通信链路为L_d(dB)＝148+40log₁₀(d[km])。

本发明提出了一种联合子载波分配和功率控制的资源分配方法。为了提高频谱效率和比避免D2D用户间的同层干扰，本发明允许D2D通信对复用多个蜂窝用户的频谱资源来，而每个蜂窝用户的频谱资源最多只能被一个D2D通信对共享。当D2D通信复用蜂窝频谱资源时，引入的跨层干扰，会在一定程度上抵消D2D通信带来的性能增益。因此本发明引入了性能正增益和性能负增益的概念，能够使混合网络的有效增益需求得到保障。同时，本发明在保证了蜂窝用户QoS需求，限制了D2D通信的最大发送功率，通过为多D2D通信对分配子载波，在对应子载波上最优化功率控制，来优化整个混合网络的频谱效率。相比传统的资源分配方法，本发明适合多D2D通信对和多蜂窝用户共存的混合网络，能够保证蜂窝用户正常通信质量，限制蜂窝用户和D2D用户间的干扰，最大化的利用蜂窝授权频谱资源从而增强无线网络的频谱效率性能。

如图1所示，本发明结合子载波分配和功率控制的多D2D通信对资源分配方法包括下列步骤：

(1)获取D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源，并且以网络有效增益限制、蜂窝用户的可达速率限制以及D2D网络的最大发送功率限制为约束条件，构建以D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率最大化为目标的优化模型：

具体而言，构建的上述优化模型是通过以下公式来表示的：

$\begin{array}{cc}\underset{p_{k,m}^D,km}{max}& R_{k,m}^{CD}\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{R}_{k,m}^D\left(p_{k,m}^D\right)+R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& C1:G_{k,m}^P\left(p_{k,m}^D\right)-G_{k,m}^N\left(p_{k,m}^D\right)\&GreaterEqual;0\end{array},$

$C2:R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\&GreaterEqual;R_{m,\min }^C,$

$C3:0\&le;p_{k,m}^D\&le;P_{thr}^D.$

其中，k表示D2D网络中的通信对序号，m表示被通信对k所复用子载波资源的蜂窝用户序号，s.t.表示约束符号；s.t.符号后面的式子表示为约束式；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的D2D用户频谱效率；为D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率；为蜂窝网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的蜂窝用户频谱效率；符号max表示求最大值符号；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源带来的网络正增益；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源带来的网络负增益；为蜂窝用户m的最小可达速率阈值；为D2D网络中通信对的最大发送功率阈值；

其中，

$R_{k,m}^D\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{\log }_2(1+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{p_{k,m}^D{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2})$

$R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{\log }_2(1+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{p_{k,m}^D{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2})$

其中分别表示蜂窝用户m到基站的链路信道增益、D2D网络中通信对k的链路信道增益、蜂窝用户m到D2D网络中通信对k接收端的干扰链路信道增益、D2D网络中通信对k发送端到基站的干扰链路信道增益；为模型中的高斯白噪声；为蜂窝用户m的最大发送功率；为D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的发射功率，且满足如下条件：

$p_{k,m}^D\&Element;\&lsqb;p_{k,m}^{D\min },p_{k,m}^{D\max }\&rsqb;$

其中，下标k＝1,2,...,K；下标m＝1,2,...,M；每个D2D网络中的通信对由D2D通信发送端和D2D通信接收端组成；K表示D2D网络中通信对的总数；M表示蜂窝网络中的用户总数；

其中，

$p_{k,m}^{D\min }\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\max \left\{0,\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2(p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2)}{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2(h_k^{DD}-h_{k,B}^{DB})-p_m^C{h}_{k,m}^{CD}{h}_{k,B}^{DB}}\right\}$

$p_{k,m}^{D\max }\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\min \left\{P_{thr}^D,\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{h_{k,B}^{DB}(2^{R_{m,\min }^C}-1)}-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}\right\}$

其中表示在满足条件下，D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上所能达到的最小发送功率，且

$G_{k,m}^P\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\frac{p_{k,m}^D{h}_k^{DD}}{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}$

$G_{k,m}^N\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\frac{p_{k,m}^D{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}$

表示在满足上述C2和C3的约束条件下，D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上所能达到的最大发送功率。

(2)根据步骤(1)构建的优化模型获取D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的最优发射功率本步骤具体采用公式：

$p_{k,m}^{D*}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_{k,m}^{D\max },& B^2-4C<0\\ {\&lsqb;\frac{-B\&PlusMinus;\sqrt{B^2-4C}}{2}\&rsqb;}_{p_{k,m}^{D\min }}^{p_{k,m}^{D\max }},& B^2-4C\&GreaterEqual;0,\end{array}\right.$

其中，

$B=2\frac{B_3}{A_3}$

$C=(\frac{B_1}{A_1}+\frac{B_2}{A_2})\frac{B_3}{A_3}-\frac{B_1}{A_1}\frac{B_2}{A_2}$

且有：

$\begin{array}{cc}{B}_1=p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2& A_2=A_3=h_{k,B}^{DB}\end{array}$

$B_2=p_m^C{h}_{m,B}^{CB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2$

$B_3={\mathrm{\&sigma;}}_0^2$

表示投影在区间上的值；如果在区间内有两个解，则取较优解。

(3)根据步骤(2)获得的最优发射功率获取多个D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率，从中选择最大的和频谱效率值，并确定其对应的D2D网络中的通信对k^*和蜂窝用户m^*；

本步骤具体使用如下公式：

$R_{k,m}^{CD}\left(p_{k,m}^{D*}\right)={\log }_2(1+\frac{p_{k,m}^{D*}{h}_k^{DD}}{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2})+{\log }_2(1+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{p_{k,m}^{D*}{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2})$

(4)判断步骤(3)获取的最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k^*和蜂窝用户m^*是否满足约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{k*,m*}^{Dmin}\&le;p_{k*,m*}^{Dmax}\\ P_{k*}^{ini}+p_{k*,m*}^{D*}\&le;P_{thr}^D\end{array}\right.$

若满足则转入步骤(5)，否则返回步骤(3)；

其中为D2D网络中的通信对k^*已经被分配的发送功率；为D2D网络中的通信对k^*将要被分配的发送功率；

(5)根据最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k*和蜂窝用户m*为D2D通信对k*分配子载波资源；

本步骤包括以下子步骤：

(5-1)根据最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k*和蜂窝用户m*判断蜂窝用户m*的子载波资源是否未被分配，如果是，则转入步骤(5-2)，否则转入步骤(5-3)；

(5-2)将蜂窝用户m*的子载波资源放入当前D2D网络中的通信对k*的有效分配集合中，并删除D2D网络中除k*以外的其余通信对的候选分配集合中的该子载波资源，以确保不同D2D用户复用不同的子载波资源，过程结束，其中每个D2D网络中通信对的候选分配集合的初始值为{1,2,...,M}，有效分配集合的初始值为空集；

(5-3)从D2D网络中所有通信对的候选分配集合中删除该子载波资源。

(6)判断蜂窝网络中是否存在剩余的子载波资源，如果不存在，则过程结束，若存在，则根据以下公式将剩余的子载波资源进行分配：

其中，k′和m′分别表示当前D2D网络中通信对，以及被通信对k′所复用子载波资源的蜂窝用户序号；Ω为当前可用子载波资源；为D2D网络中通信对k′接入蜂窝网络后的D2D网络频谱效率；为D2D网络中通信对k′接入蜂窝网络后的蜂窝网络频谱效率；为未接入D2D通信时蜂窝网络的频谱效率；满足上式，则表明当D2D通信对k′复用蜂窝用户m′的频谱资源时，能对网络带来正的频谱效率增益，同时网络和频谱效率达到最大化。

(7)根据步骤(5)和(6)中已经分配的所有子载波资源获取每个D2D网络中的通信对在每个子载波上的最优发送功率，具体方法为：

首先，确定拉格朗日乘子ν的上限和下限值：

其中，ν^u为拉格朗日乘子ν的取值上界；ν^l为拉格朗日乘子ν的取值下界；max{x}表示取其中最大者；min{x}表示取其中最小者；为D2D网络中的通信对k的有效分配集合；

其次，根据拉格朗日乘子ν的上限和下限值并采用二分法找到拉格朗日乘子ν的最优值ν^*，将该ν^*代入以下一元三次方程中，求出最优发送功率使其满足等式

$\begin{array}{c}{v}^{*}=\frac{1}{\ln 2}(\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_k^{DD}}}-\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}}+\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}})\\ \stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}f\left(p_{k,m}^{Dout}\right)\end{array}$

其中，为D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的最优发送功率，且满足：为投影在区间内的解；如果有多个解，则取较优解；

(8)根据步骤(7)得到的最优发送功率获取D2D网络和蜂窝网络的总频谱效率：

其中，表示D2D网络和蜂窝网络的总频谱效率，表示D2D网络中通信对k与集合中所有蜂窝用户的和频谱效率，其表达式为：

其中，π_k,m表示蜂窝用户m的子载波资源是否被D2D网络中通信对k复用的二进制分配因子，且π_k,m∈{0,1}；π_k,m＝0表示子载波没有被通信对k复用；π_k,m＝1表示子载波被通信对k复用；表示D2D网络中通信对k与蜂窝用户m的和频谱效率。

在本实施例中，图3是基于不同功率限制和D2D通信距离条件下的蜂窝与D2D频谱效率图。由图3可知，本实施例方法中，D2D功率的增加能显著提升D2D通信频谱效率，而D2D通信距离的降低能有效改善整个混合网络总频谱效率。图4是基于不同蜂窝用户数量下的各种方案的网络总频谱效率图。由图4可知，本实施例方法在网络总频谱效率性能提升上明显优于其他传统方案，并且随着蜂窝用户数量的增加，相比其他方案，性能差距越大。图5是基于不同D2D最大功率限制条件下各种方案的网络总频谱效率图。图6是基于不同蜂窝用户最小速率限制条件下各种方案的网络总频谱效率图。由图5可以看出，网络总频谱效率并不是随着D2D功率增加无限增长，而是逐渐达到一个相对稳定的值。而图6表明，随着蜂窝用户最小速率限制的提高，混合网络总频谱效率会略微有所降低。图7是基于不同D2D通信对数量下的各种方案的网络总频谱效率图。由图7可以看出，随着D2D通信对数量的增加，网络总频谱效率几乎呈直线增长，这表明本实施例方法广泛适用于多D2D通信对的各种混合网络场景，并且性能普遍高于其他三种传统方案。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的混合网络中方法适合多D2D通信对和多蜂窝用户共存的混合网络，通过对子载波分配和功率控制进行联合优化，能够保证蜂窝用户正常通信质量，限制蜂窝用户和D2D用户间的干扰，最大化的利用蜂窝授权频谱资源从而增强无线网络的频谱效率性能。

本领域的技术人员容易理解，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。

Claims (10)

1.一种结合子载波分配和功率控制的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)获取D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源，并且以网络有效增益限制、蜂窝用户的可达速率限制以及D2D网络的最大发送功率限制为约束条件，构建以D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率最大化为目标的优化模型：

(2)根据步骤(1)构建的优化模型获取D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的最优发射功率；

(3)根据步骤(2)获得的最优发射功率获取多个D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率，从中选择最大的和频谱效率值，并确定其对应的D2D网络中的通信对k^*和蜂窝用户m^*；

(4)判断步骤(3)获取的最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k^*和蜂窝用户m^*是否满足预设的约束条件，若满足则转入步骤(5)，否则返回步骤(3)；

(5)根据最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k*和蜂窝用户m*为D2D通信对k*分配子载波资源；

(6)判断蜂窝网络中是否存在剩余的子载波资源，如果不存在，则过程结束，若存在，则将剩余的子载波资源进行分配：

(7)根据步骤(5)和(6)中已经分配的所有子载波资源获取每个D2D网络中的通信对在每个子载波上的最优发送功率；

(8)根据步骤(7)得到的最优发送功率获取D2D网络和蜂窝网络的总频谱效率。

2.根据权利要求1所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，步骤(1)中构建的上述优化模型是通过以下公式来表示的：

$\begin{array}{cc}\underset{p_{k,m}^D,km}{max}& R_{k,m}^{CD}\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{R}_{k,m}^D\left(p_{k,m}^D\right)+R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& C1:G_{k,m}^P\left(p_{k,m}^D\right)-G_{k,m}^N\left(p_{k,m}^D\right)\&GreaterEqual;0\end{array},$

$C2:R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\&GreaterEqual;R_{m,\min }^C,$

$C3:0\&le;p_{k,m}^D\&le;P_{thr}^D.$

其中，k表示D2D网络中的通信对序号，m表示被通信对k所复用子载波资源的蜂窝用户序号，s.t.表示约束符号；s.t.符号后面的式子表示为约束式；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的D2D用户频谱效率；为D2D网络与蜂窝网络的和频谱效率；为蜂窝网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的蜂窝用户频谱效率；符号max表示求最大值符号；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源带来的网络正增益；为D2D网络中通信对k复用蜂窝用户m的子载波资源带来的网络负增益；为蜂窝用户m的最小可达速率阈值；为D2D网络中通信对的最大发送功率阈值。

3.根据权利要求2所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，D2D网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的D2D用户频谱效率以及蜂窝网络中通信对k复用蜂窝用户的子载波资源m后产生的蜂窝用户频谱效率分别为：

$R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{\log }_2(1+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{DD}}{p_{k,m}^D{h}_{k,B}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2})$

$R_{k,m}^C\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}{\log }_2(1+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{p_{k,m}^D{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2})$

其中分别表示蜂窝用户m到基站的链路信道增益、D2D网络中通信对k的链路信道增益、蜂窝用户m到D2D网络中通信对k接收端的干扰链路信道增益、D2D网络中通信对k发送端到基站的干扰链路信道增益；为模型中的高斯白噪声；为蜂窝用户m的最大发送功率；为D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的发射功率，且满足如下条件：

$p_{k,m}^D\&Element;\&lsqb;p_{k,m}^{D\min },p_{k,m}^{D\max }\&rsqb;$

其中，下标k＝1,2,...,K；下标m＝1,2,...,M；每个D2D网络中的通信对由D2D通信发送端和D2D通信接收端组成；K表示D2D网络中通信对的总数；M表示蜂窝网络中的用户总数；

其中，

$p_{k,m}^{D\min }\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}max\{0,\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2(p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2)}{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2(h_k^{DD}-h_{k,B}^{DB})-p_m^C{h}_{k,m}^{CD}{h}_{k,B}^{DB}}\}$

$p_{k,m}^{D\max }\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\min \left\{P_{thr}^D,\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{h_{k,B}^{DB}(2^{R_{m,\min }^C}-1)}-\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}\right\}$

其中表示在满足条件下，D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上所能达到的最小发送功率，且

$G_{k,m}^P\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\frac{p_{k,m}^D{h}_k^{DD}}{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}$

$G_{k,m}^N\left(p_{k,m}^D\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\frac{p_{k,m}^D{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}$

表示在满足上述C2和C3的约束条件下，D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上所能达到的最大发送功率。

4.根据权利要求3所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，步骤(2)具体是采用公式：

$p_{k,m}^{D*}=\left\{\begin{array}{cc}{p}_{k,m}^{D\max },& B^2-4C<0\\ {\&lsqb;\frac{-B\&PlusMinus;\sqrt{B^2-4C}}{2}\&rsqb;}_{p_{k,m}^{D\min }}^{p_{k,m}^{D\max }},& B^2-4C\&GreaterEqual;0,\end{array}\right.$

其中，

$B=2\frac{B_3}{A_3}$

$C=(\frac{B_1}{A_1}+\frac{B_2}{A_2})\frac{B_3}{A_3}-\frac{B_1}{A_1}\frac{B_2}{A_2}$

且有：

$B_1=p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2{A}_2=A_3=h_{k,B}^{DB}$

$B_2=p_m^C{h}_{m,B}^{CB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2$

$B_3={\mathrm{\&sigma;}}_0^2$

表示投影在区间上的值；

5.根据权利要求4所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，步骤(3)具体是使用如下公式：

$R_{k,m}^{CD}\left(p_{k,m}^{D*}\right)={\log }_2(1+\frac{p_{k,m}^{D*}{h}_k^{DD}}{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2})+{\log }_2(1+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}}{p_{k,m}^{D*}{h}_{k,B}^{DB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}).$

6.根据权利要求5所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，步骤(3)中的约束条件是：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{k*,m*}^{Dmin}\&le;p_{k*,m*}^{Dmax}\\ P_{k*}^{ini}+p_{k*,m*}^{D*}\&le;P_{thr}^D\end{array}\right.$

其中为D2D网络中的通信对k^*已经被分配的发送功率；为D2D网络中的通信对k^*将要被分配的发送功率。

7.根据权利要求6所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，步骤(5)包括以下子步骤：

(5-1)根据最大和频谱效率值对应的D2D网络中的通信对k*和蜂窝用户m*判断蜂窝用户m*的子载波资源是否未被分配，如果是，则转入步骤(5-2)，否则转入步骤(5-3)。

(5-2)将蜂窝用户m*的子载波资源放入当前D2D网络中的通信对k*的有效分配集合中，并删除D2D网络中除k*以外的其余通信对的候选分配集合中的该子载波资源，以确保不同D2D用户复用不同的子载波资源，过程结束，其中每个D2D网络中通信对的候选分配集合的初始值为{1,2,...,M}，有效分配集合的初始值为空集；

(5-3)从D2D网络中所有通信对的候选分配集合中删除该子载波资源。

8.根据权利要求7所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，步骤(6)中是根据以下公式将剩余的子载波资源进行分配：

其中，k′和m′分别表示当前D2D网络中通信对，以及被通信对k′所复用子载波资源的蜂窝用户序号；Ω为当前可用子载波资源；为D2D网络中通信对k′接入蜂窝网络后的D2D网络频谱效率；为D2D网络中通信对k′接入蜂窝网络后的蜂窝网络频谱效率；为未接入D2D通信时蜂窝网络的频谱效率。

9.根据权利要求8所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，步骤(7)具体为：

首先，确定拉格朗日乘子ν的上限和下限值：

其中，ν^u为拉格朗日乘子ν的取值上界；ν^l为拉格朗日乘子ν的取值下界；max{x}表示取其中最大者；min{x}表示取其中最小者；为D2D网络中的通信对k的有效分配集合；

其次，根据拉格朗日乘子ν的上限和下限值并采用二分法找到拉格朗日乘子ν的最优值ν^*，将该ν^*代入以下一元三次方程中，求出最优发送功率使其满足等式

$\begin{array}{c}{v}^{*}=\frac{1}{\ln 2}(\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{p_m^C{h}_{k,m}^{CD}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_k^{DD}}}-\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}}+\frac{1}{p_{k,m}^{Dopt}+\frac{p_m^C{h}_{m,B}^{CB}+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}{h_{k,B}^{DB}}})\\ \stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}f\left(p_{k,m}^{Dout}\right)\end{array}$

其中，为D2D网络中通信对k在蜂窝用户m的子载波资源上的最优发送功率，且满足：为投影在区间内的解。

10.根据权利要求9所述的多D2D通信对资源分配方法，其特征在于，步骤(8)是采用以下公式：

其中，表示D2D网络和蜂窝网络的总频谱效率，表示D2D网络中通信对k与集合中所有蜂窝用户的和频谱效率，其表达式为：

其中，π_k,m表示蜂窝用户m的子载波资源是否被D2D网络中通信对k复用的二进制分配因子，且π_k,m∈{0,1}；π_k,m＝0表示子载波没有被通信对k复用；π_k,m＝1表示子载波被通信对k复用；表示D2D网络中通信对k与蜂窝用户m的和频谱效率。