[发明专利]一种基于能量收集的终端直通通信资源管理方案

权利要求书

1.一种应用在基于蜂窝网络的Device-to-Device D2D通信系统中，结合无线信息与能量同时传输SWIPT技术与匹配理论的资源分配方法，其特征在于：

1)考虑SWIPT技术的应用，使接收端用户设备能够从无线电频率信号中获取能量；

2)将用户的喜好及满意度纳入考虑，提出基于GS算法的能效稳定匹配法，优化D2D用户的能效和蜂窝用户收集到的能量，完成D2D用户与蜂窝用户之间的匹配；

其中步骤1)所述的考虑SWIPT技术的应用，使接收端用户设备能够从无线电频率信号中获取能量，包括：接收端用户设备能够从接收到的信号、干扰、噪声中收集能量，使信号能量能够再循环，同时，干扰和噪声有害噪声能够变为有益增益，具体步骤如下:

11)系统中存在K个资源块，记为对应的K个蜂窝用户记为N个D2D用户对表示为对于信道模型，瑞利衰落模拟小尺度衰落，自由空间传播路径损耗模拟大尺度衰落；当D2D用户对i之间的通信链路复用资源块时，D2D接收端用户受到了基站的干扰而蜂窝用户k受到了D2D发射端用户的干扰；每一个移动接收端用户设备由传统的信号处理单元和能量收集单元两个单元组成，接收端用户设备能够将收到的无线信号分为两部分，分别用于信号解调和能量收集，接收端用户能够从信号，干扰和噪声中获取能量；设定接收端用户能够从接收到的信号中分离出的用于信号解调的信号比例为δ_I，用户能量收集的信号比例为δ_E，并且δ_I+δ_E＝1；当D2D对i复用资源块时，D2D用户对i之间的通信链路的频谱效率以及基站与用户k之间的通信链路的频谱效率分别为：

和分别表示D2D对i中发射端用户的发射功率与基站向蜂窝用户k发射功率；h_i和h_k分别表示D2D通信链路和蜂窝通信链路的信道响应；h_ki和h_ik分别表示基站与D2D对i的接收端用户之间的干扰链路和D2D对i的发射端用户与基站之间的干扰链路的信道响应；α为自由空间路径损耗因子；N₀为天线产生的加性高斯白噪声AWGN，N_s为接收端用户设备处理信号的过程中产生的AWGN；

D2D对i消耗的总功率为

蜂窝用户k收集到的总能量为

η是发射端用户设备的功率放大器的放大效率，0η1；P_cir为用户设备消耗的电路功率；η_E为接收端用户设备将无线电信号转化为电能时的能量转换效率；

D2D对i的能效函数为：

其中步骤2)所述的考虑用户的喜好及满意度的基于GS算法的能效稳定匹配算法，其特征在于，既考虑D2D用户对蜂窝用户的喜好又考虑蜂窝用户对D2D对用户的喜好，在建立双方喜好列表的基础上，利用GS算法对双方进行匹配；定义两维度矩阵X表示D2D对与蜂窝用户之间的匹配策略，其中的元素x_i,k是一个二元变量，即x_i,k∈{0,1}，代表D2D对i与蜂窝用户k之间的匹配情况；x_i,k＝1代表D2D对i与蜂窝用户k匹配，即D2D对i复用已分配给蜂窝用户k的资源块x_i,k＝0代表D2D对i与蜂窝用户k不匹配；x_i＝{x_i,1,…,x_i,k,…,x_i,K}为D2D对i的二元匹配策略集合，y_k＝{x_1,k,…,x_i,k,…,x_N,k}为蜂窝用户k的二元匹配策略集合；包括以下三个步骤：

21)建立D2D用户对蜂窝用户的喜好列表：对D2D对i来说，需要通过设计匹配策略变量x_i,k和功率变量来最大化自身的能效；因此D2D对i对蜂窝用户k的喜好可以描述为，在Ψ(i^D)＝k时，D2D对i能够实现的最大的能效，i^D为D2D对i，Ψ(i^D)为D2D对i的匹配对象，k为蜂窝用户，D2D对i的匹配对象已经固定，只需要优化功率变量即可得到D2D对i对蜂窝用户k的喜好；描述如下：

为限定条件，限定了D2D对中发射端用户的发射功率的范围，保证发射功率不超过最大发射功率P_max，为限定条件，保证了D2D通信链路的QoS，P_max为D2D发射端用户最大发射功率，U_SE,min为通信链路要求的最小传输速率；对所得最大能效降序，对应的蜂窝用户的顺序即为D2D对i对蜂窝用户的喜好顺序；

22)建立蜂窝用户对D2D用户的喜好列表：对于蜂窝用户k，需要通过设计匹配策略变量x_i,k来最大化自身收集到的能量；因此蜂窝用户k对D2D对i的喜好可以描述为，在Ψ(k^c)＝i时，Ψ(k^c)为蜂窝用户k的匹配对象，蜂窝用户k能够收集到的最多的能量，蜂窝用户k的匹配对象已经固定，在D2D用户对i已经确定功率分配策略的情况下，可得到蜂窝用户k收集到的能量，即蜂窝用户k对D2D对i的喜好；描述如下：

为限定条件，其保证了蜂窝通信链路的QoS，对于蜂窝用户k，对所得能量降序，对应的D2D对用户的顺序为蜂窝用户k对D2D用户的喜好顺序；

23)以建立好的喜好列表为基础，利用GS算法使D2D对用户与蜂窝用户之间的匹配达到稳定状态；首先，D2D对i将会向其最喜爱的蜂窝用户k请求匹配，对于收到请求的蜂窝用户k，如果与其现有的匹配D2D对j能够达到更好的效果，则拒绝i，保留与j的匹配；如果k与i匹配达到的效果比与j匹配更好，则k接受i的请求；被拒绝的D2D对用户向其还未请求过的蜂窝用户中最喜爱的发送请求，如果D2D对i被所有的蜂窝用户拒绝，则其放弃请求；整个过程在每个D2D用户找到匹配对象或者已被所有的蜂窝用户拒绝之后结束；D2D对与蜂窝用户之间的匹配达到稳定状态，即完成了D2D用户与蜂窝用户之间的资源分配。