本发明专利技术是基于用户QoS的一种信道分配和功率控制方法，具体步骤如下：基于D2D用户容量最大化构建系统模型，根据D2D用户的最小信干噪比要求，为D2D用户选择满足要求的候选蜂窝用户集；在保障蜂窝用户的QoS要求和用户功率受限条件下，采用拉格朗日乘子法优化蜂窝用户和D2D用户的发送功率；再根据用户最优发送功率计算所有D2D用户容量并将信道分配给最大容量的D2D用户，从而实现蜂窝网络中的D2D通信。该方法联合优化用户的信道分配和功率控制，为每个用户分配最优的发送功率，并将信道分配给具有最大容量的D2D用户,从而降低蜂窝用户和D2D用户能量损耗，提高D2D用户总容量。
【技术实现步骤摘要】
D2D网络中一种基于QoS的信道分配和功率控制方法
本专利技术涉及一种资源分配方法，尤其涉及一种基于用户QoS的信道分配和功率控制方法，属于通信
技术介绍
随着无线通信技术的迅速发展，频谱资源短缺成为移动通信面临的挑战。在传统蜂窝网络中，不允许用户之间直接通信。通信过程由基站转接分为两个阶段：移动终端到基站，即上行链路；基站到移动终端，即下行链路。这种集中式工作方式便于对资源的干扰进行管理和控制，但资源利用效率低。在此背景下D2D通信技术应运而生。D2D通信是一种在蜂窝系统控制下，允许近距离终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术。在蜂窝网络中引入D2D通信，可以减轻基站负担，减小通信时延。与传统蜂窝通信相比，D2D通信仅占用一半的频谱资源。而且近距离的D2D通信可以减小传输功率，节约能耗，增加手机的续航时间。D2D通信具有明显的技术特征，相比于蓝牙和无线局域网(WLAN)等短距离通信技术，其最大的优势在于工作在授权频段，数据传输具有更高的可靠性。除此之外，D2D通信也不需要蓝牙和WLAN那样繁琐的匹配，可以为用户提供更好的体验。蜂窝系统在分配D2D通信资源时，可分配专用的、与小区用户正交的或复用小区内用户的频谱资源。当小区负载较低，在满足小区用户通信后有剩余的频谱资源时，可分配正交频谱资源给D2D用户，二者不会相互干扰。当小区负载较高时，D2D用户复用小区用户的资源。此时共享同一资源的蜂窝用户和D2D用户会相互干扰，基站通过控制D2D通信的分配信道和发送功率来控制对小区带来的干扰。因此为用户分配合理的资源降低用户之间的干扰，提高系统整体性能是目前的一个研究热点。本专利技术在保障蜂窝用户和D2D用户QoS要求、蜂窝用户发送功率受限和D2D用户总功率受限的条件下，构建了以D2D用户容量最大化为目标的优化函数。采用拉格朗日乘子法对蜂窝用户和D2D用户的发送功率进行了优化分配，并为D2D用户分配合理的信道进行通信。具有减少用户能耗开销，提高D2D用户总容量的优点。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于QoS的信道分配和功率控制方法，通过优化蜂窝用户和D2D用户的发送功率，节约用户能量；并为D2D用户分配合理的信道，降低蜂窝用户与D2D用户间的干扰，提高蜂窝网络中D2D通信的系统性能。技术方案：本专利技术的D2D网络中基于QoS的信道分配和功率控制方法，包括以下步骤：1)分别用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示蜂窝用户集和D2D用户集，M为蜂窝用户数，N为D2D对用户数；2)计算D2D用户j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比式中Ptot为D2D用户总发送功率，gj为D2D用户对j的信道增益，N0表示噪声功率，表示蜂窝用户的最大发送功率，hi,j表示蜂窝用户i和D2D用户j之间的信道增益，K表示可用信道数；3)根据D2D用户j的最小信干噪比要求将满足要求的信道k归入集合Ω中，其中Ω为D2D用户的候选信道集，表示D2D用户的信干噪比阈值；4)初始化t＝1，当t＝1时λ(t)＝2，其中t为迭代次数，λ为拉格朗日乘子；5)根据公式计算D2D用户j(1≤j≤N)在信道k(k∈Ω)上的发送功率，其中式中hj,B表示D2D用户j与基站间的信道增益，gi,B表示蜂窝用户i与基站间的信道增益，为蜂窝用户的信干噪比阈值；且其中6)根据所述步骤5)中得到的D2D用户j(1≤j≤N)的发送功率将代入公式中，得到蜂窝用户i(1≤i≤M)的发送功率；7)根据公式计算D2D用户j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的容量，并将信道k分配给值最大的D2D用户，再将信道k归入D2D用户复用蜂窝用户信道集合S；8)根据公式和t＝t+1分别迭代更新λ(t)和t，θ(t)为步长序列，且θ(t)的常用表达式为或式中η为常量；9)根据所述步骤8)中得到的λ(t)，重复执行所述步骤5)至8)，直到满足条件|λ(t+1)-λ(t)|≤exp，其中exp为一数值很小的常量，且取值为exp＝10-8。本专利技术联合优化蜂窝网络中D2D通信的功率控制和信道分配，根据蜂窝用户和D2D用户的最小信干噪比要求，通过构建以D2D用户容量最大化为目标的优化模型。采用拉格朗日乘子法求解D2D用户和蜂窝用户的最优发送功率，并根据用户最优发送功率计算D2D用户容量，将信道分配给容量值最大的D2D用户。实现了最优资源分配，能够降低蜂窝用户与D2D用户之间的干扰，减少蜂窝用户和D2D用户的能量开销，提高D2D用户容量和网络频谱利用率。有益效果本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.本专利技术方法以D2D用户容量最大化为优化目标，对蜂窝用户和D2D用户的发送功率进行最优分配，与等功率分配方法相比，能量分配更加优化合理，避免蜂窝用户和D2D用户的能量浪费。2.不同于传统的资源分配方法，本专利技术提出的联合优化信道分配和功率控制方法可以为用户分配最优资源，从而大大提高频谱利用率，也提高了网络性能。3.本专利技术的信道分配和功率控制方法在保障蜂窝用户和D2D用户的QoS条件下，可以提高不同蜂窝用户数下的D2D用户容量，降低用户的功耗和费用，从而为用户提供更好地服务。附图说明图1为本专利技术方法的流程示意图。图2为本专利技术方法的网络模型示意图。图3为不同资源分配方案下的D2D用户容量比较图。图4为随着D2D对间距离增大的D2D用户容量变化图。具体实施方法下面结合实施例和说明书附图对专利技术的技术方案进行详细说明：本专利技术的共享蜂窝系统上行链路资源的D2D通信模型如附图2所示，它由一个位于小区中心的基站，随机分布于小区的M个蜂窝用户和N对D2D用户组成，并分别用C＝{1,2,..,M}和D＝{1,2,...,N}表示蜂窝用户集和D2D用户集。定义包括M×K个变量和N×K个变量的数组，分别用于存放蜂窝用户与D2D用户的发送功率，并初始化数组PC＝OM×K和PD＝ON×K。蜂窝用户i(1≤i≤M)占用信道k(1≤k≤K)进行通信，D2D用户复用已经分配给蜂窝用户的K个信道，其中K表示可用信道数，定义S为D2D用户复用蜂窝用户信道集。在信道k上，蜂窝用户i向基站发送信号xc,i，D2D用户j的发送信号为xd,j，基站接收到蜂窝用户i的信号与D2D用户j的接收信号分别为：其中和分别是共享信道k的蜂窝用户i的发送功率和D2D对j发送端的发送功率。gi,B表示蜂窝用户i与基站间的信道增益，gi,B可以表示为gi,B＝κ·di,B-α·|g0|2，式中，di,B是蜂窝用户i发送端到基站之间的距离，κ和α分别是信道衰落常数和信道衰落因子，g0服从均值为0方差为1的复指数分布。同样的，可以得到D2D用户j发送端与接收端的信道增益gj，D2D用户j与基站间的信道增益hj,B，占用同一信道的蜂窝用户i与D2D用户j之间的信道增益hi,j。n1和n2分别是蜂窝用户到基站链路和D2D接收端链路上的加性高斯白噪声。不失一般性，假设所有通信链路都具有相同的噪声功率N0。根据计算D2D用户j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比，将满足条件的蜂窝用户i占用的信道k归入集合Ω，否则不归入集合Ω，其中Ω为D2D用户的候选信道集，即且Ω＝{Ωj|j＝1,2,...,N}。Ptot表示本文档来自技高网...
【技术保护点】
D2D网络中一种基于QoS的信道分配和功率控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)分别用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示蜂窝用户集和D2D用户集，M为蜂窝用户数，N为D2D对用户数，K表示可用信道数，定义S表示D2D用户复用蜂窝用户的信道集；2)计算D2D用户j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比式中Ptot为D2D用户总发送功率，gj为D2D用户对j的信道增益，N0表示噪声功率，表示蜂窝用户的最大发送功率，hi,j表示蜂窝用户i和D2D用户j之间的信道增益；3)根据D2D用户j的最小信干噪比要求将满足要求的信道k归入集合Ω中，其中Ω为D2D用户的候选信道集，表示D2D用户的信干噪比阈值；4)初始化t＝1和λ(t)＝2，其中t为迭代次数，λ为拉格朗日乘子；5)根据公式p~j,kd=[Δ2gi,B2·B(gj+B)-A2B-A2(gj+B)]0τ]]>计算D2D用户j(1≤j≤N)在信道k(k∈Ω)上的发送功率，其中[·]xy=min(max(·,x),y),τ=1hj,B(gi,Bγthc·Pmaxc-N0),]]>式中hj,B表示D2D用户j与基站间的信道增益，gi,B表示蜂窝用户i与基站间的信道增益，为蜂窝用户的信干噪比阈值；且Δ=gjgi,B2A(gjgi,B2A+4λln2gi,B2B(gj+B)),]]>其中A=N0·(1+γthc·hi,jgi,B),B=γthc·hj,B·hi,jgi,B;]]>6)根据所述步骤5)中得到的D2D用户j(1≤j≤N)的发送功率将代入公式中，得到蜂窝用户i(1≤i≤M)的发送功率；7)根据公式计算D2D用户j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的容量，并将信道k分配给值最大的D2D用户j*，再将信道k归入D2D用户复用信道集合S；8)根据公式和t＝t+1分别迭代更新λ(t)和t，θ(t)为步长序列，且θ(t)的常用表达式为或式中η为常量；9)根据所述步骤8)中得到的λ(t)，重复执行所述步骤5)至8)，直到满足条件|λ(t+1)‑λ(t)|≤exp，其中exp为一数值很小的常量，且取值为exp＝10‑8。...
【技术特征摘要】
1.D2D网络中一种基于QoS的信道分配和功率控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)分别用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示蜂窝用户集和D2D用户集，M为蜂窝用户数，N为D2D对用户数；2)计算D2D用户j(1≤j≤N)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比式中Ptot为D2D用户总发送功率，gj为D2D用户对j的信道增益，N0表示噪声功率，表示蜂窝用户的最大发送功率，hi,j表示蜂窝用户i和D2D用户j之间的信道增益，K表示可用信道数；3)根据D2D用户j的最小信干噪比要求将满足要求的信道k归入集合Ω中，其中Ω为D2D用户的候选信道集，表示D2D用户的信干噪比阈值；4)初始化t＝1，当t＝1时λ(t)＝2，其中t为迭代次数，λ为拉格朗日乘子；5)根据公式计算D2D用户j(1≤j≤...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱琦，于宝舟，朱洪波，杨龙祥，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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