[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

说明书

本发明请求保护一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，包括以下步骤：(1)在D2D发射端采用功率分割接收机架构以实现无线携能通信；(2)基于蜂窝用户与D2D用户之间的能量—频谱交易机制以构建D2D协助的合作通信系统；(3)考虑用户速率公平性，建立系统加权和速率最大化问题，联合考虑功率分配、传输时间分配以及功率分割控制；(4)设计基于两阶段优化方法的联合资源分配算法以求解加权和速率最大化问题。本发明创新性的提出基于功率分割控制的能量—频谱交易机制以建立用户之间的合作关系，并基于用户速率公平性建立系统加权和速率最大化问题，应用两阶段优化方法设计联合资源分配方案。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，属于合作通信的范畴。

背景技术

近年来，移动通信技术不断发展与进步，给人类生活的各个方面带来了深刻的变革。随着移动互联网的发展，移动通信信息交互量逐年增长，未来的移动通信网络将是一个万物互联的网络，这对下一代移动通信在传输速率、端到端的连接等方面提出了新的目标。除此之外，用户规模的日益增加也使得通信网络中的能耗问题变得更为突出。

一方面，随着用户的数量增加，通信网络中的数据量呈现爆炸式增长的态势，这使得5G(Fifth generation)网络中用户设备的连接以及信息传输速率面临着更为严峻的挑战。在这样的背景下，学者们融合传统D2D通信技术以及中继通信技术而提出合作D2D通信。合作D2D通信网络通过引入中继技术可以有效提高网络的覆盖范围和系统容量，而D2D通信技术允许设备到设备之间的直接通信，有利于传输速率的提高。

另一方面，人们对信息服务的需求日益增加，负责信息收集和传输的设备承载的信息量越发繁重，这给通信网络带来了更为严峻的能耗问题。此外，移动通信网络中的通信设备一般是由容量受限的电池进行供电，有限的电池容量大大限制了网络应用的发展。近年来，无线携能通信(Simultaneous wireless information and information transfer,SWIPT)技术的出现和发展为解决能量瓶颈问题提供了一种有效的策略。SWIPT技术将射频能量信号同时用作信息和能量的载体，旨在实现信息和能量的并行传输，在信息解码的同时在接收端完成能量收集，从而提升终端设备的续航能量以延长能量受限的网络的生命周期。

目前已有研究考虑在合作D2D通信网络中考虑应用SWIPT技术，如文献[L.Jiang,C.Qin,X.Zhang and H.Tian,Secure beamforming design for SWIPT in cooperativeD2D communications(China Communication),2017.]和文献[D.Zhao,Y.Cui,H.Tian andP.Zhang,A Novel Information and Energy Cooperation Transmission Scheme inCognitive Spectrum Sharing-Based D2D Communication Systems(IEEE Access),2019]中提出将SWIPT技术与合作D2D通信融合，在D2D发射端配备有功率分割接收机架构，使其可以利用收集的能量协助蜂窝通信以及进行自己的数据传输。

但是现有研究未考虑在SWIPT技术与合作D2D通信技术融合的网络中研究系统的加权和速率问题。在通信网络中，为了最大化系统的吞吐量，在进行资源分配方案设计时，系统控制器会将大部分无线资源分配给信道条件较好的用户，但对于信道较差的用户可能分配不到任何资源。而加权和速率问题通过为用户赋予不同的优先级而将用户设备的传输速率公平性考虑在内，从而实现系统中用户的速率公平性。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的问题。提出了一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，设计一种两阶段优化算法以联合功率、传输时间分配以及功率分割控制，实现在能量限制和传输时间限制的情况下，最大化合作D2D通信网络中的加权和速率。本发明的技术方案如下：