本發(fā)明屬于移動通信領(lǐng)域，尤其涉及移動通信中的D2D通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來移動數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長，全球移動通信網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備總量將達到千億規(guī)模。為此，第五代移動通信(5G)系統(tǒng)應(yīng)運而生。5G系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括：用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、流量密度、移動性以及用戶峰值速率等。此外，頻譜效率、能耗和成本構(gòu)成了的三大效率指標(biāo)，是移動通信網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

對互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的分析研究表明，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的本地化特征越來越明顯。如今，越來越多的服務(wù)和應(yīng)用都在距離比較近的用戶之間展開，使得地理上鄰近的用戶之間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量越來越大。在這種場景下，傳統(tǒng)的以基站為中心的通信模式往往缺乏足夠的靈活性，難以完全滿足不同業(yè)務(wù)在實時性和可靠性方面的獨特需求。終端直通技術(shù)(Device-to-Device,D2D)就是在這一背景下產(chǎn)生的。

D2D通信是指鄰近的終端可以在基站的控制下，通過直連鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，而無需通過中心節(jié)點(基站)的轉(zhuǎn)發(fā)。這種通信過程的建立、維持和結(jié)束是受控于基站的，主要過程包括：用戶向基站請求資源、基站進行資源調(diào)度并維持直連通信業(yè)務(wù)、基站最終收回資源等。從數(shù)據(jù)和信令的角度看，用戶與基站之間維持著信令鏈路，由基站維持用戶數(shù)據(jù)鏈路、進行無線資源分配以及進行計費、鑒權(quán)、識別、移動性管理等傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)所具備的基本職責(zé)。不同之處在于，用戶之間數(shù)據(jù)鏈路不需要基站中轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)了，而是直接在用戶之間建立數(shù)據(jù)通道。

D2D技術(shù)本身的短距離通信特點和直接通信方式使其具有如下優(yōu)勢:第一，近距離優(yōu)勢。由于傳輸距離短，路損較小，因而可獲得更高的傳輸速率、更低的時延和更小的發(fā)射功率。第二，復(fù)用增益。用戶可通過復(fù)用方式共享蜂窩用戶的資源，從而提高頻譜利用率。第三，跳數(shù)優(yōu)勢。通信采用終端直連的方式，變兩跳為一跳，節(jié)省了頻率資源。此外，通信還可以拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和接入方法。

在現(xiàn)有的研究中研究D2D協(xié)作傳輸技術(shù)的人還比較少，而且?guī)缀鹾苌儆腥搜芯炕诏B加編碼的D2D協(xié)作傳輸方案，這是因為基于疊加編碼的協(xié)作傳輸中，優(yōu)化表達式中總是有非凸約束條件，因此，通常建模出的優(yōu)化問題是一個非凸問題。而本發(fā)明專利提出了一種 解決基于疊加編碼的最小化功率消耗的傳輸方案，我們通過對非凸優(yōu)化問題的分解，把原始的一個非凸優(yōu)化問題分解為幾個凸優(yōu)化問題，分解得到的子問題能夠獲得解析解，從而解決了原始的非凸優(yōu)化問題。同時，為了使得我們的算法能夠在實際的多用戶蜂窩網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)，我們又設(shè)計了一種同時滿足宏蜂窩用戶和D2D用戶QoS，基于系統(tǒng)功耗最小化的聯(lián)合信道分配方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種宏蜂窩上行鏈路中，基于疊加編碼的D2D協(xié)作傳輸方案，并且設(shè)計了一種基于疊加編碼的聯(lián)合資源分配方案，解決了多用戶同時使用疊加編碼協(xié)作傳輸?shù)膯栴}。在本發(fā)明中，我們可以得到D2D用戶和宏蜂窩用戶最優(yōu)傳輸功率的閉式解，并且我們給出了多用戶宏蜂窩系統(tǒng)如何做聯(lián)合信道資源分配的具體方法。

為了方便的描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先對本發(fā)明所使用的術(shù)語和模型進行介紹：

定義1基站(BS，Base Station)：宏蜂窩基站。

定義2宏蜂窩用戶(CU,Cellular User)：由基站服務(wù)的宏蜂窩用戶。

定義3終端直通用戶(D2D，Device-to-Device)：終端不經(jīng)過基站，他們之間直接進行通信的用戶。

定義4D2D發(fā)射用戶(D-Tx，Device-Transmission-Signal)：進行通信的兩個D2D用戶中，負責(zé)發(fā)射信號的用戶。

定義5D2D接收用戶(D-Rx，Device-Received-Signal)：進行通信的兩個D2D用戶中，負責(zé)接收信號的用戶

定義6信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)：信號功率與噪聲功率的比值。

定義7解碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF，decode-and-forward)：中繼節(jié)點對接收到的信號，解碼之后，再轉(zhuǎn)發(fā)給其他接收機。

定義8半雙工(HD，Half-Duplex)：上、下行通信分別采用相同頻率信道的不同時隙進行工作。

本發(fā)明所使用的系統(tǒng)為：

如圖1所示，在該模型中，一對D2D用戶和一個宏蜂窩用戶共用同一個上行信道資 源，D2D用戶作為中繼，輔助CU用戶與基站之間的通信，通信將分為兩個時隙進行，示意圖如附圖2所示:

1)第一時隙：CU用戶以廣播的形式向基站和D2D用戶發(fā)送自己的信號，D‐Tx和D‐Rx都只接收CU用戶的信號，相互之間不進行通信，然后D‐Tx對接收到的CU的信號進行解碼。

2)第二時隙：D‐Tx把解碼得到的CU信號和自己要發(fā)送的信號，按照疊加碼進行線性疊加，然后以廣播的形式同時向基站和D‐Rx發(fā)送，基站和D‐Rx對兩個時隙接收到的信號進行最大比合并，最后解碼得到想要的信號。

假定兩個時隙為等時隙劃分。在本發(fā)明中，我們針對在滿足D2D用戶和宏蜂窩用戶各自的QoS要求的條件下，設(shè)計了一種基于疊加編碼的D2D協(xié)作傳輸方法，具體就是用D2D輔助宏蜂窩用戶與基站進行通信，同時我們還設(shè)計了一種基于上述協(xié)作傳輸方案的聯(lián)合信道分配方法，最后達到最小化系統(tǒng)整體功率消耗的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

在本發(fā)明中，首先把一對D2D用戶和一個宏蜂窩用戶之間進行最小化功率傳輸問題建模為一個最優(yōu)化問題，由于這個優(yōu)化問題是一個非凸優(yōu)化問題，因此擬采用問題分解的方法，把原始問題分解為多個子問題，而對于每個子問題都有一個唯一的解析解，組合這些子問題的解就可以得到原始問題的解。而上述得到的發(fā)射功率以及疊加編碼功率分配因子，只是在系統(tǒng)中只有一對D2D用戶和一個宏蜂窩用戶時的結(jié)果，但實際系統(tǒng)中中可能存在多對D2D用戶以及多個宏蜂窩用戶共存，此時，為了達到系統(tǒng)總的功耗最小，我們還需要對D2D和宏蜂窩用戶之間的配對進行優(yōu)化，也就是一個D2D用戶要復(fù)用哪一個宏蜂窩用戶的信道，最終我們用0-1整數(shù)規(guī)劃的方法進行優(yōu)化，以使得系統(tǒng)整體的功耗最小。

有益效果:

本發(fā)明可以在同時保證D2D用戶和宏蜂窩用戶QoS的情況下，通過基于疊加編碼的協(xié)作傳輸策略，以及多用戶聯(lián)合信道分配策略，可以使得系統(tǒng)總的發(fā)射功率最小。相比于傳統(tǒng)的方法，本發(fā)明的方法可以大幅度降低系統(tǒng)的功耗，同時降低通信過程中的中斷概率，提高了通信鏈路的可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)模型圖。

圖2疊加編碼等時隙劃分示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實例和附圖，詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，系統(tǒng)根據(jù)下面的聯(lián)合信道分配策略，

x_ij∈{0,1}；

得到一對共享信道資源的D2D用戶和宏蜂窩用戶CU，然后這一對D2D用戶和CU根據(jù)基站發(fā)送過來的協(xié)作策略，確定各自的發(fā)射功率或者功率分配因子。

具體地：

1)若是采用協(xié)作傳輸策略，則各自的發(fā)射功率和疊加編碼功率分配因子為：

分配因子的確定步驟如下：

i.若

●當(dāng)δ≥0，則α＝max(β₁,0)

●當(dāng)δ＜0，則α＝0

ii.若

●當(dāng)δ＞0，則

●當(dāng)δ＝0，則

●當(dāng)δ＜0，則

2)若是采用非協(xié)作傳輸策略，也就是不采用疊加編碼策略時，則各自的發(fā)射功率：