[发明专利]蜂窝网络中D2D中继通信的功率控制与中继选择方法

说明书

本发明公开了一种蜂窝网络中D2D中继通信的功率控制与中继选择方法，先建立系统模型，在保证D2D用户和蜂窝用户最小传输速率的情况下，将功率控制与中继选择问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为对D2D发射端、中继和蜂窝用户的功率控制以及D2D用户的中继选择两个子问题进行求解；随后分别求出给定某个中继下，D2D发射端、中继和蜂窝用户的最优传输功率；最后采用Q学习解决中继选择问题，在保证第一跳以及第二跳D2D链路的能效条件下，为D2D用户分配合适的中继以最大化系统总能效。解决D2D中继通信的功率控制和中继选择问题，实现了系统总能效的最大化。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是涉及一种蜂窝网络中D2D中继通信的功率控制与中继选择方法。

背景技术

作为5G的关键技术之一D2D(Device-to-Device)通信技术是指通信网络中邻近设备不通过基站直接交换信息的技术。当D2D用户之间距离较远或者链路质量差时，引入中继不仅可以提高用户的信道增益，还能提升网络频谱效率，扩大小区覆盖范围，保证信息的有效传输。但是，随着用户设备的大量增长以及终端设备有限的电池容量限制，怎样有效提高能量效率，实现绿色通信，是未来无线通信发展的关键。

在D2D中继通信中，仅仅考虑功率的控制而忽略中继的选择对于能效的提高是微乎其微的。并且，选择合适的中继也有利于增加系统的吞吐量。一般地，中继可采用的模式有放大转发(Amplify and Forward)和解码转发(Decode and Forward)，放大转发模式的优点是复杂度低于解码转发方式，解码转发模式的优点是可以保证通信链路的质量。通常，D2D通信可选用的中继有多个，基于提高系统能效的目的，如何选择合适的中继最大化能效是值得考虑的。随着中继数目的增加，计算复杂度也是成倍地增加，如何限制备选中继的数量以及选用合适的算法也是需要考虑的。

在D2D通信中引入中继的同时，也给系统内原有蜂窝用户的通信质量造成了干扰，降低了用户的服务质量，增大了功率的消耗，如何为D2D中继通信设定最优的传输功率，选择最合适的中继是实现绿色通信的关键。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种蜂窝网络中D2D中继通信的功率控制与中继选择方法，在多个备选中继的情况下，解决D2D中继通信的功率控制与中继选择问题，实现了系统能效的最大化。

本发明所采用的技术方案是，蜂窝网络中D2D中继通信的功率控制与中继选择方法，按照以下步骤进行：

步骤S1，建立系统模型，系统内N个D2D用户对与K个蜂窝用户共存，D2D用户对用集合I＝{1,2,...,N}表示，D2D发射端、D2D接收端以及蜂窝用户分别用集合S＝{1,2,...,N}，D＝{1,2,...,N}和C＝{1,2,...,K}表示；假设系统中存在M个理想用户作为中继，用集合表示为R＝{1,2,...,M}；

若一个D2D用户对m＝(s,d)通过某一中继r进行通信，其中m∈I,s∈S,d∈D，r∈R，D2D通信第一跳链路中继以及基站的信干噪比为和第二跳链路中D2D接收端及基站的信干噪比为和D2D发射端到D2D接收端的能效为EE(P_s,P_r,P_c,)，P_s、P_r、P_c分别表示D2D发射端、中继、蜂窝用户的传输功率；

步骤S2，在保证蜂窝网络中D2D用户和蜂窝用户的最小传输速率条件下，首先将D2D中继通信的功率控制与中继选择问题转化为混合整数非线性规划问题，并将其拆分为D2D发射端、中继以及蜂窝用户的功率控制与D2D中继选择两个子问题逐步进行求解；