[发明专利]基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法

权利要求书

1.一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在D2D发射端采用基于功率分割的接收机架构以实现无线携能通信SWIPT，D2D发射端按照一定的功率分割比将接收到的信号进行分割，利用一部分信号进行能量收集以延长设备的生命周期，另一部分信号用于信息译码；

步骤2：建立蜂窝用户与步骤1所述D2D发射端之间的能量—频谱交易机制，以构建合作通信网络的系统模型，由于基站与蜂窝用户之间存在障碍物不能直接进行通信，D2D发射端则可以作为中继，消耗一部分收集到的能量来协助从基站到用户之间的蜂窝通信，作为回报，D2D发射端占用一部分蜂窝频谱资源发送自己的信息给D2D接收端以实现D2D通信；

步骤3：在步骤2所建立的合作通信网络模型中，考虑蜂窝用户和D2D用户数据率的公平性以进行资源分配，即联合功率分配、传输时间分配以及功率分割控制以构建系统加权和速率最大化问题，建立能量限制和传输时间限制相关的数学表达式；

步骤4：设计一种基于两阶段优化方法的联合资源分配算法以求解步骤3中所述的系统加权和速率最大化问题，首先进行变量替换，将原始问题进行等价变换，然后分为两个阶段对等价变换后的问题进行求解，第一阶段设定固定的功率分割比，采用拉格朗日对偶方法来求得此功率分割比下局部最优的功率和时间分配；第二阶段采用一维搜索的方法遍历功率分割比的可行域，以确定系统的最大加权和速率，以及全局最优的功率分割比以及相应的功率、时间分配；

所述步骤3考虑用户公平性的资源分配问题的构建，包括以下内容：

资源分配的目标为最大化系统加权和速率，即最大化蜂窝通信和D2D通信的加权和速率，表示为：r_weight＝w₁r_bc+w₂r_dd'，其中w₁＞0和w₂＞0分别代表系统控制器为蜂窝通信和D2D通信赋予的优先级权值，r_bc和r_dd'分别为蜂窝通信和D2D通信的可达速率；

优化问题的资源分配变量包括：①D2D发射端的功率分配{P_dc,P_dd'}；②各个通信阶段所占用的时间α；③D2D发射端的功率分割系数ρ；

优化问题的约束条件包括：

①D2D发射端协助蜂窝通信所消耗的能量以及用于D2D通信所消耗的能量不能超过利用SWIPT技术收集到的能量，即：P_dcα+P_dd'(1-2α)≤ηρP_bd|h_bd|²α；h_bd表示基站与D2D发射端之间的信道系数；0≤η≤1表示能量收集电路的收集效率；

②D2D发射端的发射功率约束：P_dc≥0,P_dd'≥0；

③传输时间约束：

④功率分割系数约束：0≤ρ≤1；

基于用户公平性的资源分配问题构建的数学优化问题可以表述为：

所述步骤4设计一种基于两阶段优化方法的联合资源分配算法，具体包括：

第一步：首先对问题进行变量替换，引入两个新的变量和以处理约束条件C1中α，P_dc以及P_dd'之间的耦合关系，相应地，r_dc和r_dd'可以分别写作

第二步：为了处理(6a)中max-min形式的目标函数，引入变量

第三步：结合上述表达式，将原始数学优化问题(1)转化为带有变量的问题为：