[发明专利]一种面向D2D中继网络的低复杂度在线资源分配优化算法

说明书

本发明涉及一种面向D2D中继网络的低复杂度在线资源分配优化算法，从长期优化的角度跨层优化网络层的到达速率和物理层的传输速率，在保障网络稳定性的同时，提高了D2D用户的满意度。通过李雅普诺夫优化算法将长期的优化问题转化成一系列短期的问题，将最初的优化目标解耦成互相独立的速率控制和功率分配子问题。由于速率控制问题的凸优化性质，可以用KKT(Karush‑Kuhn‑Tucher)条件求解最优的到达速率。同时，随着网络中D2D对的动态增长和功率变量的耦合性质，传统的功率分配方法求解最优功率面临较高的计算复杂度。因此，本发明采用了交替方向乘子法迭代地更新初始变量和对偶变量，通过解耦协调的方式以较低复杂度获得最优功率分配。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及应用在一种面向D2D中继网络的低复杂度在线资源分配优化算法，通过利用李雅普诺夫优化将长期的网络优化问题转化为短期优化问题，通过跨层优化速率控制和功率分配子问题，制定由有效的在线资源分配方案；采用交替方向乘子法求解网络中设备的耦合功率变量，通过迭代地更新初始变量和拉格朗日乘子，以解耦协调的方式以较低复杂度求得最优解。

背景技术：

随着移动应用的爆炸性增长，预计到2020年大约有500亿台设备连接到网络，因此一些设备处于网络的边缘。由于设备和基站之间的长距离数据传输和时变信道状态，小区边缘设备的服务质量和体验质量将无法得到保障。基于终端直通技术(D2D)的中继协作通信技术，D2D发送端可以作为中继节点以增强小区覆盖范围，缩短基站到D2D接收端之间通信距离，从而改善数据传输质量。因此，接收端向基站请求的数据首先从基站发送到附近的发送端，并存储在发送端的队列缓冲器中。与传统的多跳中继网络相比，基于D2D的中继网络能够部署在传统的蜂窝网络中，以便能够进行集中的资源管理和协调。

尽管基于D2D的中继网络具有上述优点，但其广泛部署仍然面临一些挑战。首先，缺乏新颖的跨层资源管理方案来保证动态网络的可靠性以及满足各种应用的低延迟要求。D2D接收端的到达速率和D2D对间的信道状态随着时间不断地变化，而传统的针对物理层的优化方案忽略了对网络层传输速率的优化，将导致传输速率和到达速率的不平衡。由于发送端存在有限的数据缓存能力，容易造成网络拥塞和数据丢包，造成网络的不稳定和不可容忍的时延。其次，缺乏一种从长期优化角度进行网络性能优化的在线资源分配方案。传统的短期优化方案不能满足长期的优化目标和约束条件，因此基于短期优化的资源分配会引起性能的严重下降。此外，由于成本问题，很难在实际应用中获得准确的未来信息。最后，传统资源分配算法的计算复杂度随着D2D对的数量的增加而动态增加，给算法运行带来巨大的困难。因此，本发明针对这三个方面的挑战进行了研究。

发明内容：

本发明首先采用了基于D2D的中继协作通信网络，以最大化长期的用户满意度为目标，提出了一种跨层资源分配的联合速率控制和功率分配方案。该方案同时考虑了用户满意度与网络稳定性，通过李雅普诺夫优化算法将长期的优化目标与约束条件转化成短期的优化问题，并将优化目标转化为两个相互独立的速率控制和功率分配子问题。通过KKT条件和交替方向乘子法分别求解速率控制和功率分配问题，同时降低了计算复杂度。具体过程如下：

1)图1为基于D2D中继网络系统模型图，由一个基站和M个D2D 对组成。因为许多学者已经研究过中继选择问题，因此假设中继选择已经结束且不在本发明的考虑范围内。基站以时隙的方式运行，并且在每个时隙内收集队列状态信息和信道状态信息。定义时隙集合为以D2D对m 为例，接收端请求的数据首先从基站发送到接收端，发送端将传输数据临时存储在缓冲队列中，然后将其发送到接收端。假设在每个时隙内A_m(t)兆比特数据从基站到达D2D对m的发送端，数据到达速率在每个时隙内独立同部分并且最大数据到达速率不超过A_m,max。

为了降低网络的功率损耗，任意D2D对m的长期时间平均功率定义如下：

每个时隙内D2D对的瞬时功率定义如下：