CN111465054A - 基于效用公平性的d2d通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于效用公平性的D2D通信资源分配方法，基于D2D用户效用最大化构建系统模型，在保证蜂窝用户的最低QoS要求和所有用户功率受限的情况下，使用分解法将主问题分为两个子问题，拉格朗日对偶法可以用来求解子问题，得到所有用户最优的传输功率，同时求出D2D用户最优的的信道分配策略，主问题采用次梯度方法迭代求解，从而实现蜂窝网络中的D2D通信。该方法联合优化所有用户的信道分配和功率控制，为系统中的蜂窝用户和D2D用户分配最优的传输功率，并将信道资源分给最优的D2D用户，从而可以降低蜂窝用户和D2D用户能量损耗，提高系统性能。由于效用函数的特性，该方法能够保证D2D用户容量的基础上，进一步提高D2D用户的公平性。

Description

基于效用公平性的D2D通信资源分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于效用公平性的D2D通信资源分配方法。

背景技术

随着移动通信的不断发展，越来越多的移动用户推动了对高数据速率邻近服务的需求，优先的频谱资源明显不够用，这就推动了高效资源分配的方法的产生，在这样的背景下，D2D通信逐渐发展起来。D2D通信技术与传统的蜂窝通信不同，D2D是共存于蜂窝网络中的设备，可以直接进行设备之间的通信而不通过基站的转发，由于D2D用户复用了蜂窝用户的信道资源，会节省有限的频谱资源，所以目前受到越来越广泛的关注。设备到设备(D2D)通信已成为一种有前途的技术，可用于优化未来蜂窝网络中的频谱效率，是第五代移动通信(5G)最主要的关键技术之一。

蜂窝网络中的D2D通信虽然由于其复用蜂窝网络的信道资源会对蜂窝用户产生干扰，但是其通信方式可以不通过基站，等于缓解了基站的压力，由于通过基站的转发存在时延，D2D通信不通过基站转发会减少部分的时延，相对于D2D带来的通信优势，其带来的干扰就变得可以接受了，只要采用合理的处理方法控制住干扰在可控的范围就可以了。传统的蜂窝用户独占一个正交的子信道，而D2D通信仅占用一半的频谱资源就能进行通信，这是先天的优势。D2D通信是在一个小区覆盖范围内进行的，属于近距离的通信方式，由于通信距离比较短，D2D只需要更低的传输功率，相当于增加了手机的续航时间。与蓝牙和WLAN等段距离的通信方法不同，前者是工作在未授权的频段，而D2D是与蜂窝用户复用信道资源，其最大的优势在于工作在授权频段，数据传输具有更高的可靠性。除此之外，D2D通信的接入方式也比蓝牙等便捷的多，可以为用户提供更好的体验。

在D2D异构蜂窝网络中，用户可以使用蜂窝模式、专用模式和复用模式三种通信模式进行通信。蜂窝模式就是由于D2D不能进行，而采用的传统的通过基站转发的通信方式；专用模式就是独立出来的蜂窝模式，像蜂窝模式一样，专门的分配一段频谱出来给D2D通信，这种方式没有相互间的干扰，通信质量最好，但是由于分配单独的频谱资源不能达到节省频谱资源的目的，所以目前复用模式因其更高的频谱效率而受到广泛关注，在复用模式中，D2D用户是复用蜂窝用户的信道资源来进行通信，由于D2D对资源的复用，带来干扰问题变得更加复杂，出现了很多的资源复用的高效方法和干扰处理手段。因此为用户分配合理的资源降低用户之间的干扰，提高系统整体性能是目前的一个主要的研究热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于效用公平性的D2D通信资源分配方法，通过优化蜂窝用户和D2D用户的发送功率，节约用户能量；为D2D用户分配合理的信道资源，降低用户之间复用信道资源的干扰，在同时考虑到速率和用户公平性的基础上，最大化效用函数，提高用户的满意程度，提高蜂窝网络中D2D通信的系统性能。

本发明提供一种基于效用公平性的D2D通信资源分配方法，所述分配方法包括以下步骤：

步骤一：假设有M个蜂窝用户和N个D2D对用户，分别用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示；假设有M个M个独立正交的信道，蜂窝用户对信道的占用假设已经分配好，不影响计算可以认为蜂窝用户k占用第k个信道资源；

步骤二：计算D2D用户i(1≤i≤N)和蜂窝用户k(1≤k≤M)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比，它们分别为

式

和

分别为C_k和D_i在信道k上的传输功率，用g_k,B、h_k,i、g_i,i和h_i.B表示C_k到基站、C_k到D_i的接收机、D_i的发射机到D_i的接收机和D_i的发射机到基站的信道增益，N₀表示噪声功率；

步骤三：根据所述步骤二中用户的信干噪比，计算蜂窝用户k(1≤k≤M)和D2D用户i(1≤i≤N)在信道k(1≤k≤K)上的速率分别为

式中W表示信道的带宽；

步骤四：根据蜂窝用户C_k的最低QoS要求

首先求出蜂窝用户设备的最优的传输功率

是用来表示蜂窝用户的Qos的最低要求；

步骤五：用拉格朗日法求解D2D用户的最优传输功率以及信道资源的占用策略，其最优传输功率为

式

其信道分配策略为

式中

ρ_i,k∈{0,1}为D2D用户信道占用的二元指示函数，若D_i复用C_k的信道资源，则ρ_i,k=1，若不复用，则ρ_i,k＝0；

步骤六：功率迭代因子l＝0和拉格朗日乘子

进行初始化的操作，同时对速率迭代因子t＝0和D2D用户的

也进行初始化的操作；

步骤七：根据所述步骤4)5)分别计算蜂窝用户传输功率

和D2D用户传输功率

值，并代入

求出来D2D用户的速率。并根据

给D2D用户对分配所占用的信道资源；

步骤八：置l＝l+1更新

其中l的含义是迭代次数，α_i(l)的含义是迭代步长。重复所述步骤七一直到D2D用户的传输功率满足限制条件；

步骤九：置t＝t+1，根据公式

更新

其中t表示迭代次数，β_i(t)为D2D用户i的迭代步长；重复步骤四、步骤五直至D2D用户的速率收敛；

步骤十：最后将资源分配的结果代入

得到蜂窝用户的发射功率。

进一步改进在于：所述方法求解的目标函数是基于D2D用户的速率定义的效用函数，并考虑到了用户间的公平性原则，效用函数的选择满足两个要求：一、D2D用户的效用函数应随传输速率递增；二、D2D用户的边际效用函数应随传输速率表现出递减的趋势，D2D用户的效用与传输速率之间构成递增凹函数的映射关系。

进一步改进在于：所述方法选用采用arctan函数作为映射关系，

作为目标函数，优化目标是优化总的效用函数。

进一步改进在于：所述步骤二中约束条件D2D用户的信道分配是整数约束，整个问题是非凸的，将其转化为凸优化方法如下：现将离散的变量ρ_i,k松弛为连续变量，目的是将目标函数的可行域变成凸集，即

通过

对

的二阶导数的求解得到：

这个导数值是不大于零的，并且效应函数是关于

递增的凹函数，所以目标函数是关于D2D用户对的发射功率

的凸函数。

本发明的有益效果：以D2D用户效用最大化为优化目标，对蜂窝用户和D2D用户的发送功率进行优化，与等功率分配方法相比，能量分配更加优化合理，避免蜂窝用户和D2D用户的能量浪费。联合优化信道分配和功率控制方法可以为用户分配最优资源，从而大大提高频谱利用率，也提高了网络性能。信道分配和功率控制方法在保障蜂窝用户的QoS条件下，可以提高不同蜂窝用户数下的D2D用户容量，降低用户的功耗和费用，从而为用户提供更好地服务。在保证D2D用户容量的同时，可以保证D2D用户之间的公平性。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是本发明的网络模型示意图。

图3是本发明在不同资源分配方案下的D2D用户效用比较图。

图4是本发明在不同资源分配方案下的D2D用户公平指数比较图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。如图1-4所示，本实施例提供一种基于效用公平性的D2D通信资源分配方法，所述分配方法包括以下步骤：

步骤一：假设有M个蜂窝用户和N个D2D对用户，分别用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示；假设有M个M个独立正交的信道，蜂窝用户对信道的占用假设已经分配好，不影响计算可以认为蜂窝用户k占用第k个信道资源；

步骤二：计算D2D用户i(1≤i≤N)和蜂窝用户k(1≤k≤M)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比，它们分别为

式

和

分别为C_k和D_i在信道k上的传输功率，用g_k,B、h_k,i、g_i,i和h_i.B表示C_k到基站、C_k到D_i的接收机、D_i的发射机到D_i的接收机和D_i的发射机到基站的信道增益，N₀表示噪声功率；

步骤三：根据所述步骤二中用户的信干噪比，计算蜂窝用户k(1≤k≤M)和D2D用户i(1≤i≤N)在信道k(1≤k≤K)上的速率分别为

式中W表示信道的带宽；

步骤四：根据蜂窝用户C_k的最低QoS要求

首先求出蜂窝用户设备的最优的传输功率

是用来表示蜂窝用户的Qos的最低要求；

步骤五：用拉格朗日法求解D2D用户的最优传输功率以及信道资源的占用策略，其最优传输功率为

式

其信道分配策略为

式中

ρ_i,k∈{0,1}为D2D用户信道占用的二元指示函数，若D_i复用C_k的信道资源，则ρ_i,k＝1，若不复用，则ρ_i,k＝0；

步骤六：功率迭代因子l＝0和拉格朗日乘子

进行初始化的操作，同时对速率迭代因子t＝0和D2D用户的

也进行初始化的操作；

步骤七：根据所述步骤4)5)分别计算蜂窝用户传输功率

和D2D用户传输功率

值，并代入

求出来D2D用户的速率。并根据

给D2D用户对分配所占用的信道资源；

步骤八：置l＝l+1更新

其中l的含义是迭代次数，α_i(l)的含义是迭代步长。重复所述步骤七一直到D2D用户的传输功率满足限制条件；

步骤九：置t＝t+1，根据公式

更新

其中t表示迭代次数，β_i(t)为D2D用户i的迭代步长；重复步骤四、步骤五直至D2D用户的速率收敛；

步骤十：最后将资源分配的结果代入

得到蜂窝用户的发射功率。

所述方法求解的目标函数是基于D2D用户的速率定义的效用函数，并考虑到了用户间的公平性原则，效用函数的选择满足两个要求：一、D2D用户的效用函数应随传输速率递增；二、D2D用户的边际效用函数应随传输速率表现出递减的趋势，D2D用户的效用与传输速率之间构成递增凹函数的映射关系。

所述方法选用采用arctan函数作为映射关系，

作为目标函数，优化目标是优化总的效用函数。

所述步骤二中约束条件D2D用户的信道分配是整数约束，整个问题是非凸的，将其转化为凸优化方法如下：现将离散的变量ρ_i,k松弛为连续变量，目的是将目标函数的可行域变成凸集，即

通过

对

的二阶导数的求解得到：

这个导数值是不大于零的，并且效应函数是关于

递增的凹函数，所以目标函数是关于D2D用户对的发射功率

的凸函数。

本实施例的研究系统模型如图2所示，本方法考虑为单小区的部署场景，小区是以基站为圆心一个半径为R的圆形区域，N对D2D用户和M个蜂窝用户在以基站为圆心的圆形区域随机分布，其中D2D用户复用蜂窝用户的上行链路资源。C是蜂窝用户的集合，C＝{C₁,C₂,…,C_k,…,C_M}，其中C_k表示蜂窝用户k；D表示D2D用户集合，D＝{D₁,D₂,…,D_i,…,D_N}，其中D_i表示D2D用户对i。

蜂窝用户和D2D用户的通信方式不同，蜂窝用户使用已经分配好的正交信道资源通过基站进行传统的通信方式，而D2D用户复用蜂窝用户的信道资源进行通信，由于D2D用户的复用，会对蜂窝用户产生不可避免的干扰。假设基站拥有完美的用户SCI。因为假设蜂窝用户的信道是已经分配好的，为了简单表示，可以认为蜂窝用户k使用第k个信道。同时要保证一个蜂窝用户的信道资源最多被一对D2D用户复用，所以干扰是D2D用户对蜂窝用户信道的复用而带来蜂窝用户和D2D用户之间的互相干扰问题。

若蜂窝用户k和D2D用户i共享信道k，则蜂窝用户k在基站处受到来自D_i的干扰，其接收SINR为：

D2D用户i受到来自C_k的干扰，其接收SINR为：

其中

和

分别为C_k和D_i在信道k上的发射功率，分别用g_k,B、h_k,i、g_i,i和h_i.B表示C_k到基站、C_k到D_i的接收机、D_i的发射机到D_i的接收机和D_i的发射机到基站的信道增益，N₀是收到的噪声功率。

蜂窝用户k在信道k上的速率(bit/s)为：

D2D用户i在信道k上的速率(bit/s)为：

其中，W表示正交子子信道的带宽。

D2D用户i的总速率为：

其中，ρ_i,k∈{0,1}是信道分配的二元变量，表明信道的占用具体情况，若D_i复用C_k的信道，则ρ_i,k=1，若其不复用蜂窝用户的信道，则ρ_i,k＝0。目标函数是基于D2D用户的速率定义的效用函数，并考虑到了用户间的公平性原则，效用函数的选择应该满足两个要求：一、D2D用户的效用函数应随传输速率递增，这是根据实际的用户对速率的要求而来；二、D2D用户的边际效用函数应随传输速率表现出递减的趋势，对于那些信道条件好的用户就可以避免分配更多的信道资源，这样就能考虑到D2D用户间的公平性，所以D2D用户的效用与传输速率之间应构成递增凹函数的映射关系。选用采用arctan函数作为映射关系，这里不使用ln对数函数作为效用函数的原因是其不能最大程度的保证用户的公平性，由于arctan函数的特点，所以比ln函数更加的注重公平性因素，即

作为目标函数，优化目标是优化总的效用函数，这样建立优化目标函数，是同时考虑到用户对速率的要求，以及用户之间的公平性，优化问题为：

公式(7)和(9)表示蜂窝用户和D2D用户的传输功率的限制，其中

表示蜂窝用户的最大传输功率值，

表示D2D用户的最大传输功率；公式(8)是蜂窝用户的最低的SINR要求，保证其Qos；公式(10)表示的是蜂窝用户的信道只能被一个D2D用户复用。

目标函数中D2D用户的效用函数随蜂窝用户传输功率的增加而降低，结合式(1)、(7)、(8)，有：

其中，[x]⁺＝max(0,x)，所以蜂窝用户的最优传输功率应为：

将(13)式带入(6)式，原优化问题(OP1)整理为：

s.t.(9)(10)(12)

其中

由于优化问题(OP2)是一个混合整数非线性规划问题，不好求解，最好的处理方法是将其转化为凸优化。主要是约束条件(10)的二元变量是离散的，、所以问题并不是凸优化问题。现将离散二元变量ρ_i,k松弛为连续变量，取值为0和1之间的连续值，即公式(10)变为：

这样(OP2)的可行域就变成了凸集。通过计算知

对

的二阶导数：

不大于零，并且效用函数是关于

的递增凹函数，所以整体求导之后是大于零的，即目标函数是关于

的凸函数，所以整数规划问题就转化为了更容易处理的凸优化问题。

凸优化问题的对偶间隔为零，即对偶问题与原始问题具有相等的解的性质，所以下面采用拉格朗日对偶方法求解上述凸优化问题，其拉格朗日方程为：

式中乘子λ_i和μ_k分别对应于D2D用户i的功率约束和信道资源分配的条件约束。其对偶函数为：

相应的对偶问题为：

使用对偶分解的方法，分解整个问题，对偶问题(19)可以分解为1个主问题和N个子问题，第i个子问题为：

根据KKT条件知其最优解的必要条件为：

通过令式(21)中的

为零可得D2D用户i使用子信道k时(ρ_i,k＝1)的最优发射功率为：

其中,

由式(22)知，若D2D用户i不复用蜂窝用户k的信道(ρ_i,k＝0)，则

若D2D用户i复用蜂窝用户k的信道(ρ_i,k＞0)，则

所以信道资源的分配方法为：

即D2D用户i占用信道k。

主问题的求解可通过次梯度法进行迭代求解：

其中l表示的是迭代的次数，α_i(l)表示的是迭代步长。

由式(23)和(24)可知，D2D用户功率的求解和信道资源的分配均与D2D用户速率

有关，同时

也是变量ρ_i,k和

的函数，因此也需要对D2D用户的速率

进行迭代更新，即：

其中t表示迭代次数，β_i(t)为D2D用户i的迭代步长。

本实施例基于效用公平性的D2D资源分配方法的具体流程如附图1所示。

综上所述，本发明在考虑蜂窝用户的QoS要求，蜂窝用户功率受限和D2D用户总功率受限的条件下，以最大化D2D用户效用为优化目标，对蜂窝用户和D2D用户的发送功率进行了优化，并为D2D用户分配合理的信道。如附图3所示是本发明提出的方法和与传统最大化D2D容量为目标函数的方法的D2D效用对比图。从图中可以看出本发明方法可以获得更好的系统性能，本发明D2D效用更高，用户满意度更高；如附图4所示是本发明提出的D2D用户的公平指数，并与其他资源分配方法相比较的效果图，从图中可以看出本方法具有更高的公平指数，能够保证D2D用户之间的公平性。

Claims (4)

1.一种基于效用公平性的D2D通信资源分配方法，其特征在于：所述分配方法包括以下步骤：

步骤一：假设有M个蜂窝用户和N个D2D对用户，分别用C＝{1,2,...,M}和D＝{1,2,...,N}表示；假设有M个M个独立正交的信道，蜂窝用户对信道的占用假设已经分配好，不影响计算可以认为蜂窝用户k占用第k个信道资源；

步骤二：计算D2D用户i(1≤i≤N)和蜂窝用户k(1≤k≤M)在信道k(1≤k≤K)上的信干噪比，它们分别为

式

和

分别为C_k和D_i在信道k上的传输功率，用g_k,B、h_k,i、g_i,i和h_i.B表示C_k到基站、C_k到D_i的接收机、D_i的发射机到D_i的接收机和D_i的发射机到基站的信道增益，N₀表示噪声功率；

步骤三：根据所述步骤二中用户的信干噪比，计算蜂窝用户k(1≤k≤M)和D2D用户i(1≤i≤N)在信道k(1≤k≤K)上的速率分别为

式中W表示信道的带宽；

步骤四：根据蜂窝用户C_k的最低QoS要求

首先求出蜂窝用户设备的最优的传输功率

是用来表示蜂窝用户的Qos的最低要求；

步骤五：用拉格朗日法求解D2D用户的最优传输功率以及信道资源的占用策略，其最优传输功率为

式

其信道分配策略为

式中

ρ_i,k∈{0,1}为D2D用户信道占用的二元指示函数，若D_i复用C_k的信道资源，则ρ_i,k＝1，若不复用，则ρ_i,k＝0；

步骤六：功率迭代因子l＝0和拉格朗日乘子λ_i(0)＞0,

进行初始化的操作，同时对速率迭代因子t＝0和D2D用户的

也进行初始化的操作；

步骤七：根据所述步骤4)5)分别计算蜂窝用户传输功率

和D2D用户传输功率

值，并代入

求出来D2D用户的速率。并根据

给D2D用户对分配所占用的信道资源；

步骤八：置l=l+1更新

其中l的含义是迭代次数，α_i(l)的含义是迭代步长。重复所述步骤七一直到D2D用户的传输功率满足限制条件；

步骤九：置t＝t+1，根据公式

更新

其中t表示迭代次数，β_i(t)为D2D用户i的迭代步长；重复步骤四、步骤五直至D2D用户的速率收敛；

步骤十：最后将资源分配的结果代入

得到蜂窝用户的发射功率。

2.如权利要求1所述的基于效用公平性的D2D通信资源分配方法，其特征在于：所述方法求解的目标函数是基于D2D用户的速率定义的效用函数，并考虑到了用户间的公平性原则，效用函数的选择满足两个要求：一、D2D用户的效用函数应随传输速率递增；二、D2D用户的边际效用函数应随传输速率表现出递减的趋势，D2D用户的效用与传输速率之间构成递增凹函数的映射关系。

3.如权利要求1所述的基于效用公平性的D2D通信资源分配方法，其特征在于：所述方法选用采用arctan函数作为映射关系，

作为目标函数，优化目标是优化总的效用函数。

4.如权利要求1所述的基于效用公平性的D2D通信资源分配方法，其特征在于：所述步骤二中约束条件D2D用户的信道分配是整数约束，整个问题是非凸的，将其转化为凸优化方法如下：现将离散的变量ρ_i,k松弛为连续变量，目的是将目标函数的可行域变成凸集，即

通过

对

的二阶导数的求解得到：

这个导数值是不大于零的，并且效应函数是关于

递增的凹函数，所以目标函数是关于D2D用户对的发射功率

的凸函数。

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