一种双向放大转发中继的通信资源分配方法、系统及应用技术方案

本发明专利技术属于通信数据处理技术领域，公开了一种双向放大转发中继的通信资源分配方法、系统及应用。所述方法包括：在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解，基于步骤S1、S2获取的最优发射功率与步骤S3获取的所述最优子载波分配与子载波成对，基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信。本发明专利技术通过联合优化功率分配、子载波分配与子载波成对来最大化系统的和速率。的和速率。的和速率。

【技术实现步骤摘要】
一种双向放大转发中继的通信资源分配方法、系统及应用


[0001]本专利技术属于通信数据处理
，尤其涉及一种双向放大转发中继的通信资源分配方法、系统及应用。

技术介绍

[0002]设备对设备(D2D，device to device)通信是5G蜂窝系统的一种特定应用场景。D2D通信可以扩展蜂窝覆盖范围,并促进新型无线对等服务。合理的无线资源管理机制可以提高蜂窝通信系统的频谱效率。当前的资源分配机制都假设D2D用户之间直接进行通信或者通过其他中继节点而非基站进行通信。对于小区内通信，这些假设并非一定成立。例如，在办公楼中，D2D用户希望通过基站高速交换信息。
[0003]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0004](1)传统的单向中继频谱效率较低。
[0005](2)现有技术中没有利用逐步分解的方法进行资源分配，使获得的最优发射功率不能提高系统的和速率。
[0006](3)现有技术未将基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信，未同时考虑传统用户与小区内D2D用户共存时的资源分配问题，未联合优化用户功率分配、子载波分配与子载波成对。

技术实现思路

[0007]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种双向放大转发中继的通信资源分配方法、系统及应用。具体涉及一种基站作为双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法。
[0008]所述技术方案如下：一种双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法包括以下步骤：
[0009]S1，在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；
[0010]S2，通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；
[0011]S3，通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解，基于步骤S1、S2获取的最优发射功率与步骤S3获取的所述最优子载波分配与子载波成对，基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信，使小区内传统用户与D2D用户的和速率最大化，基从而实现最大化系统和速率。
[0012]在本专利技术中，最大化系统和速率是指最大化小区内传统用户与D2D用户的频谱效率之和。或者称为最大化小区内传统用户与D2D用户的速率之和。也可以理解为：使小区内传统用户与D2D用户的频谱效率之和最大化。或者使小区内传统用户与D2D用户的和速率最大化。其中速率为频谱效率；和速率为频谱效率之和。
[0013]在本专利技术中，总共有G个小区，在每个小区中，Ψ
k
表示传统蜂窝用户集的集合，该
集合中元素的个数为|Ψ
k
|＝K
k
，其中k∈{1,2,...,G}。传统蜂窝用户可以与其他小区的蜂窝用户通信。Γ
k
代表与同一小区中的用户交换信息的小区内用户的集合，该集合中元素的个数为|Γ
k
|＝M
k
。小区中可用的无线电频谱资源被划分为N个正交的子载波。在小区k中，h
k,s,i
与h
k,s,j
分别代表用户s∈Ψ
k
∪Γ
k
上行链路和下行链路通信的子载波增益。p
k,s.i
代表蜂窝用户s在上行链路子载波i上的发射功率，p
k,s,j
代表基站在下行子载波j上的发射功率。N0表示加性高斯白噪声功率。如果上行链路子载波i与下行链路子载波j成对，并且该子载波对被分配给小区k中的用户s，则本专利技术考虑选择路径path(i,j,s,k)。本专利技术定义了一个指示函数
[0014][0015]在一个实施例中，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，基站作为双向放大转发中继的D2D通信中继节点；
[0016]对于传统用户s∈Ψ
k
，速率表示为
[0017][0018]对于小区内D2D通信用户，s，s'∈Γ
k
，速率表示为
[0019][0020]u
k,s,i,j
＝1+p
k,s,i
|h
k,s,i
|2+p
k,s',i
|h
k,s',i
|2。
[0021]在一个实施例中，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，在基站发射功率固定时，传统用户的速率仅取决于对应基站的信道增益，后面的叙述中，省略了小区指示符k，用户端的资源分配问题表示为：
[0022][0023]上式max代表最大化系统加权和速率，其中w
s
为小区中用户s的权重；任一上行子载波只能分配给一个用户：
[0024][0025]任一下行子载波只能分配给一个用户：
[0026]用户在每一子载波上的发射功率约束：
[0027]所有子载波上的总功率约束：
[0028]以及代表功率是非负的。
[0029]在一个实施例中，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，获取传统用户的最优发射功率包括：
[0030]对于s∈Ψ，若ρ
s,i,j
＝1，问题为
[0031][0032][0033][0034]该问题是一个凸问题，传统用户的功率最优解是
[0035]在一个实施例中，在步骤S2中得出小区内D2D用户的最优发射功率问题的等价形式，包括：
[0036]对于s∈Γ，若ρ
s,i,j
＝1，问题为
[0037][0038][0039][0040]问题仍属于非凸优化问题，表示为广义线性分式规划的形式：
[0041][0042]s.t.x∈D；
[0043]其中D属于R
n
，f1，f2，g1与g2是仿射函数，x＝(p
s,i
,p
s',i
)；
[0044]f1(p
s,i
,p
s',i
)＝(p
s,j
|h
s',j
|2+u
s,i.j
)N0；
[0045]g1(p
s,i
,p
s',i
)＝p
s,i
|h
s,i
|2p
s,j
|h
s',j
|2+(p
s,j
|h
s',j
|2+u
s,i,j
)N0；
[0046]f2(p
s,i
,p
s',i
)＝(p
s,j
|h
s,j
|2+u
s,i,j
)N0；
[0047]g2(p
s,i
,p
s',i
)＝p
s',i
|h
s',i
|2p
s,j
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，在给定载波分配与子载波成对的条件下，根据问题的凸性，得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式；S2，通过分支定界算法求解小区内D2D用户的最优发射功率；S3，通过匈牙利算法获得子载波分配与子载波成对问题的最优解，基于步骤S1、步骤S2获取的最优发射功率与步骤S3获取的最优子载波分配与子载波成对，基站作为双向放大转发中继节点辅助小区内D2D用户之间的通信，使小区内传统用户与D2D用户的和速率最大化。2.根据权利要求1所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，基站作为双向放大转发中继的D2D通信中继节点，对于传统用户s∈Ψ
k
，速率表示为：对于小区内D2D通信用户，s，s'∈Γ
k
，速率表示为：u
k,s,i,j
＝1+p
k,s,i
|h
k,s,i
|2+p
k,s',i
|h
k,s',i
|2；上式中，Ψ
k
表示传统蜂窝用户集的集合，该集合中元素的个数为|Ψ
k
|＝K
k
，其中k∈{1,2,...,G}，G代表小区个数；Γ
k
代表与同一小区中的用户交换信息的小区内用户的集合，该集合中元素的个数为|Γ
k
|＝M
k
；小区中能用的无线电频谱资源被划分为N个正交的子载波；在小区k中，h
k,s,i
与h
k,s,j
分别代表用户s∈Ψ
k
∪Γ
k
上行链路和下行链路通信的子载波增益；p
k,s.i
代表蜂窝用户s在上行链路子载波i上的发射功率，p
k,s,j
代表基站在下行子载波j上的发射功率；N0表示加性高斯白噪声功率；如果上行链路子载波i与下行链路子载波j成对，并且该子载波对被分配给小区k中的用户s，则选择路径path(i,j,s,k)，并定义指示函数为：3.根据权利要求1所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，在步骤S1得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，在基站发射功率固定时，传统用户的速率仅取决于对应基站的信道增益，省略小区指示符k，用户端的资源分配问题表示为：上式max代表最大化系统加权和速率，其中w
s
为小区中用户s的权重；任一上行子载波只能分配给一个用户：
任一下行子载波只能分配给一个用户：用户在每一子载波上的发射功率约束：所有子载波上的总功率约束：以及4.根据权利要求1所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，在步骤S1中得出传统蜂窝用户的最优发射功率表达式中，获取传统用户的最优发射功率包括：对于s∈Ψ，若ρ
s,i,j
＝1，问题为＝1，问题为＝1，问题为该问题是一个凸问题，传统用户的功率最优解是5.根据权利要求1所述的双向放大转发中继的D2D通信资源分配方法，其特征在于，将步骤S2中小区内D2D用户的最优发射功率问题表述成广义线性分式规划，包括以下步骤：对于s∈Γ，若ρ
s,i,j
＝1，问题为＝1，问题为＝1，问题为问题属于非凸优化问题，根据广义线性分式规划，将最大化问题表示为最小化问题s.t.x∈D；其中，D属于R
n
且满足功率约束，f1，f2，g1与g2是仿射函数，x＝(p
s,i
,p
s',i
)；f1(p
s,i
,p
s',i
)＝(p
s,j
|h
s',j
|2+u
s,i.j
)N0；g1(p
s,i
,p
s',i
)＝p
s,i
|h
s,i
|2p
s,j h
s',j
|2+(p
s,j h
s',j

【专利技术属性】
技术研发人员：杜宁，刘法胜，张晶，刘兰英，
申请(专利权)人：聊城大学东昌学院，
类型：发明
国别省市：