本發(fā)明涉及移動通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種聯(lián)合中繼選擇和功率分配的全雙工D2D的能效優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

移動通信的迅猛發(fā)展為人們的生活提供了便利，但是通信行業(yè)產(chǎn)生的能耗也呈現(xiàn)了爆炸式的增長。據(jù)相關(guān)研究表明，通信行業(yè)的能耗大概占全球2％的二氧化碳排放量。在這個提倡節(jié)能減排的社會，衡量無線通信系統(tǒng)可持續(xù)運行能力的能量效率成為了業(yè)界的研究熱點。

為了在下一代移動通信系統(tǒng)中實現(xiàn)能量效率的提高，標準化組織和網(wǎng)絡(luò)運營商不斷探索未來新技術(shù)。其中，D2D(Device-to-Device，終端直通)和全雙工技術(shù)被認為是下一代移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。D2D是移動通信中兩個近距離的移動終端共享基站的頻帶并以較低的發(fā)射功率直接進行通信而不需要基站轉(zhuǎn)發(fā)信號的新技術(shù)。它不但可以提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)、分擔基站流量，從而提高蜂窩通信系統(tǒng)的頻譜利用率、吞吐量，還可以降低終端的傳輸功率，延長用戶的電池續(xù)航，從而提高系統(tǒng)的能量效率。但是D2D復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源會帶來更加復(fù)雜的信道干擾，因此可以把中繼技術(shù)引入D2D通信中以降低干擾的影響。作為提高能量效率的傳統(tǒng)通信方式，雙向中繼通信已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了移動通信網(wǎng)絡(luò)中?，F(xiàn)有的研究也表明雙向中繼與D2D的結(jié)合可以帶來顯著的能量效率增益。

全雙工通信允許收發(fā)機同時同頻的發(fā)送與接收信號，可以帶來比半雙工更高的能效增益，是下一代通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。但是全雙工技術(shù)的實施會帶來強烈的自干擾，因此自干擾的消除成為了學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的研究共識。得益于自干擾消除技術(shù)的發(fā)展，并隨著被動消除技術(shù)、模擬消除技術(shù)以及數(shù)字消除技術(shù)的高效結(jié)合，全雙工逐漸得以實現(xiàn)。但是目前的通信方法大都工作在半雙工狀態(tài)，很少有人考慮更加高效的全雙工模式。因此，在適當?shù)淖愿蓴_消除技術(shù)下，全雙工雙向中繼輔助的D2D通信將進一步提高移動通信系統(tǒng)的能量效率。

然而，傳統(tǒng)的研究往往只限定于一個D2D用戶組和一個中繼用戶的固定通信模型下，并對它們進行功率分配以最大化能量效率。但是在實際通信中，會存在大量的D2D用戶組，以及與之配對的大量中繼用戶。用戶數(shù)量的增多會帶來更加復(fù)雜的干擾，使功率分配更加困難。同時無序的中繼選擇甚至可能會降低系統(tǒng)的能量效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明解決的技術(shù)問題是滿足多用戶D2D用戶組和多用戶中繼用戶的固定通信模型下進行功率分配以最大化能量效率的需要，提高系統(tǒng)的能量效率。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種聯(lián)合中繼選擇和功率分配的全雙工D2D的能效優(yōu)化方法，根據(jù)全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶的分布來進行最優(yōu)的功率分配和中繼選擇，從而有效降低了總能耗，在頻譜效率和用戶功耗的限制條件下，最大化能量效率，包括如下步驟：

(1)初始化所有全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶的位置；

(2)篩選出需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組；

(3)建立能量效率最大化的基本模型；

(4)求出在第m(m∈[1,M])個全雙工D2D用戶組與第n(n∈[1,N])個全雙工雙向中繼用戶配對時，能夠使能量效率最大化的最優(yōu)功率分配；

(5)根據(jù)步驟(2)中得出的需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M，若小于一個預(yù)定義的數(shù)量門限值M_T，則采用枚舉法得出最優(yōu)中繼選擇；

(6)根據(jù)步驟(2)中得出的需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M，若大于一個預(yù)定義的數(shù)量門限值M_T，則采用改進的匈牙利算法求出最優(yōu)中繼選擇方案；

通過以上步驟，根據(jù)全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶的位置分布，結(jié)合頻譜效率最低要求和最大允許傳輸功率的限制條件，在能量效率最大化的基本模型下，利用最優(yōu)的迭代算法求得功率分配模型以調(diào)節(jié)各用戶的傳輸功率，最后采用枚舉法和改進的匈牙利算法來進行最優(yōu)的中繼選擇，從而在保證最低頻譜效率和最大允許傳輸功率的限制條件下最大化系統(tǒng)總能量效率。

步驟(1)中，初始全雙工D2D用戶組中兩個全雙工D2D用戶的坐標分別為初始全雙工雙向中繼用戶的坐標為其中，K是全雙工D2D用戶組的個數(shù)，N是全雙工雙向中繼用戶的個數(shù)，且N＞K。

步驟(2)中，根據(jù)所有全雙工D2D用戶組的位置，計算每個全雙工D2D用戶組中兩個用戶之間的距離，即：

式中，k表示第k個用戶組，若d_k大于預(yù)定義的距離門限值d_T，則篩選出此需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組，否則，此用戶組不需要中繼輔助而直接進行傳輸。從而可以確定需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M以及可以為全雙工D2D用戶組服務(wù)的中繼用戶數(shù)N，且M＜N。

步驟(3)中，在一個小區(qū)內(nèi)，全雙工雙向中繼輔助的D2D通信系統(tǒng)由M個全雙工D2D用戶組和N個全雙工雙向中繼用戶組成。每個全雙工D2D用戶組使用不同的頻帶，并且只能選擇一個全雙工雙向中繼用戶為之服務(wù)。同樣，每個全雙工雙向中繼用戶也只能為一個全雙工D2D用戶組服務(wù)。由于整個系統(tǒng)中的用戶都工作在全雙工狀態(tài)，同時同頻的傳輸信號，從而產(chǎn)生自干擾。為了有效隔離自干擾以降低對性能的影響，所有全雙工用戶都分別裝有一根發(fā)射天線和一根接收天線。此外，頻譜效率定義為吞吐量與帶寬之比，能量效率定義為吞吐量與功耗之比，每個全雙工D2D用戶組所用的帶寬均為W。

在第n(n∈[1,N])個全雙工雙向中繼輔助傳輸下的第m(m∈[1,M])個全雙工D2D用戶組的頻譜效率為

式中，和分別是在第n個全雙工雙向中繼輔助傳輸下的第m個全雙工D2D用戶組中兩個全雙工用戶的吞吐量；

在第n個全雙工雙向中繼輔助傳輸下的第m個全雙工D2D用戶組的能量效率為

式中，是在第n個全雙工雙向中繼輔助傳輸下的第m個全雙工D2D用戶組完成傳輸?shù)目偣?；ξ是功放系?shù)，和是第m個全雙工D2D用戶組中兩個全雙工用戶的發(fā)射功率，是與第m個全雙工D2D用戶組配對的第n個全雙工雙向中繼用戶的發(fā)射功率，P_DC是全雙工用戶自干擾消除所產(chǎn)生的功耗，P_c是靜態(tài)功耗。

則系統(tǒng)的總頻譜效率為

系統(tǒng)的總能量效率為：

其中，是選擇變量，時，第m個全雙工D2D用戶組選擇第n個全雙工雙向中繼用戶作為中繼。

基于上述條件，能量效率最大化的基本模型為：

式中，是全雙工雙向中繼輔助的D2D用戶組的最低頻譜效率要求；P_s,max和P_d,max是全雙工D2D用戶組中兩個全雙工用戶的最大允許傳輸功率；P_r,max是全雙工雙向中繼用戶的最大允許傳輸功率。

步驟(4)中，需要求解的問題為步驟(3)中的③，即

由于該優(yōu)化問題是非凸的，不能用一般的凸優(yōu)化方法來解決，因此我們把優(yōu)化問題⑦分解成全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶兩個能量效率子優(yōu)化問題來求解，包括如下步驟：

1)首先固定全雙工雙向中繼用戶的發(fā)射功率，然后優(yōu)化全雙工D2D用戶組中兩個全雙工D2D用戶的傳輸功率，因此問題⑦的子優(yōu)化問題1建立為：

此兩變量子優(yōu)化問題1也是一個非凸優(yōu)化問題，首先使用分式規(guī)劃技術(shù)把此非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，再利用拉格朗日方法解此凸優(yōu)化問題，最后使用狄利克雷方法求得能夠使全雙工雙向中繼輔助的D2D用戶組的能量效率最大化的全雙工D2D用戶的最優(yōu)傳輸功率；

2)固定全雙工D2D用戶組中用戶的傳輸功率，優(yōu)化全雙工雙向中繼用戶的傳輸功率，建立子優(yōu)化問題2：

此子優(yōu)化問題2是一般的單變量凸優(yōu)化問題，利用二分法等數(shù)值方法，來解此子優(yōu)化問題，從而求得能夠使全雙工雙向中繼輔助的D2D用戶組的能量效率最大化的全雙工雙向中繼用戶的最優(yōu)傳輸功率；

3)交替迭代子優(yōu)化問題1和子優(yōu)化問題2的最優(yōu)解，直到全雙工雙向中繼輔助的D2D用戶組的能量效率最大值收斂，從而聯(lián)合求得在第m個全雙工D2D用戶組與第n個全雙工雙向中繼用戶配對時，全雙工D2D用戶的最優(yōu)傳輸功率和全雙工雙向中繼用戶的最優(yōu)傳輸功率。

步驟(5)中，當需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M比較少且小于一個預(yù)定義的數(shù)量門限值M_T時，計算復(fù)雜度較低，根據(jù)步驟(4)得出的D2D用戶組與中繼用戶之間的最大能量效率關(guān)系，使用枚舉法一一列舉出各種可能的組合，然后進行比較，選擇能夠使整個系統(tǒng)能量效率最大的組合即得出最優(yōu)的中繼選擇方案。

步驟(6)中，當需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M比較多且大于一個預(yù)定義的數(shù)量門限值M_T時，計算復(fù)雜度很高，使用枚舉法效率低下，可以采用高效的改進匈牙利算法求出最優(yōu)中繼選擇方案，包括如下步驟：

1)列出根據(jù)步驟(4)得出的D2D用戶組與中繼用戶之間的最大能量效率分配矩陣C，即

2)添加N-M個虛擬的全雙工D2D用戶組，并賦予各虛擬的全雙工D2D用戶組選擇各個全雙工雙向中繼時的能量效率為0，即在分配矩陣C中補上N-M行0元素，從而構(gòu)造出新的N×N能量效率分配矩陣C′；然后將矩陣C′的每行中的每個元素減去本行中的最小元素，再從每列中的每個元素減去本列的最小元素；

3)作最少的直線覆蓋所有的0元素，以確定該矩陣中能找到最多的獨立0元素，如果直線數(shù)量等于矩陣C′的階數(shù)，則轉(zhuǎn)到步驟5)；

4)找出沒有被直線覆蓋的所有元素中的最小元素，然后將沒有被直線覆蓋的所有元素都減去這個最小元素，同時在每個線的交叉處加上這個最小元素，以保證0元素不變；

5)將矩陣中所有0元素變?yōu)?，而其他元素變?yōu)?，則得到的新矩陣即為原中繼分配問題的解矩陣，根據(jù)解矩陣中1元素所在的行和列，確定全雙工D2D用戶組的中繼選擇情況；去除添加的虛擬全雙工D2D用戶組，則我們可獲得最優(yōu)中繼分配，最大的總能量效率即為每行位置為1處的能量效率之和。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案能夠根據(jù)全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶的位置分布，對全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶進行最優(yōu)的中繼選擇和功率分配，從而最大化系統(tǒng)總能量效率，還可以擴展到多小區(qū)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)場景中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的操作流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明，但不是對本發(fā)明的限定。

圖1示出了一種聯(lián)合中繼選擇和功率分配的全雙工D2D的能效優(yōu)化方法，根據(jù)全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶的分布來進行最優(yōu)的功率分配和中繼選擇，從而有效降低了總能耗，在頻譜效率和用戶功耗的限制條件下，最大化能量效率，包括如下步驟：

(1)初始化所有全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶的位置；

(2)篩選出需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組；

(3)建立能量效率最大化的基本模型；

(4)求出在第m(m∈[1,M])個全雙工D2D用戶組與第n(n∈[1,N])個全雙工雙向中繼用戶配對時，能夠使能量效率最大化的最優(yōu)功率分配；

(5)根據(jù)步驟(2)中得出的需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M，若小于一個預(yù)定義的數(shù)量門限值M_T，則采用枚舉法得出最優(yōu)中繼選擇；

(6)根據(jù)步驟(2)中得出的需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M，若大于一個預(yù)定義的數(shù)量門限值M_T，則采用改進的匈牙利算法求出最優(yōu)中繼選擇方案；

通過以上步驟，根據(jù)全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶的位置分布，結(jié)合頻譜效率最低要求和最大允許傳輸功率的限制條件，在能量效率最大化的基本模型下，利用最優(yōu)的迭代算法求得功率分配模型以調(diào)節(jié)各用戶的傳輸功率，最后采用枚舉法和改進的匈牙利算法來進行最優(yōu)的中繼選擇，從而在保證最低頻譜效率和最大允許傳輸功率的限制條件下最大化系統(tǒng)總能量效率。

步驟(1)中，初始全雙工D2D用戶組中兩個全雙工D2D用戶的坐標分別為初始全雙工雙向中繼用戶的坐標為其中，K是全雙工D2D用戶組的個數(shù)，N是全雙工雙向中繼用戶的個數(shù)，且N＞K。

步驟(2)中，根據(jù)所有全雙工D2D用戶組的位置，計算每個全雙工D2D用戶組中兩個用戶之間的距離，即：

式中，k表示第k個用戶組，若d_k大于預(yù)定義的距離門限值d_T，則篩選出此需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組，否則，此用戶組不需要中繼輔助而直接進行傳輸。從而可以確定需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M以及可以為全雙工D2D用戶組服務(wù)的中繼用戶數(shù)N，且M＜N。

步驟(3)中，在一個小區(qū)內(nèi)，全雙工雙向中繼輔助的D2D通信系統(tǒng)由M個全雙工D2D用戶組和N個全雙工雙向中繼用戶組成。每個全雙工D2D用戶組使用不同的頻帶，并且只能選擇一個全雙工雙向中繼用戶為之服務(wù)。同樣，每個全雙工雙向中繼用戶也只能為一個全雙工D2D用戶組服務(wù)。由于整個系統(tǒng)中的用戶都工作在全雙工狀態(tài)，同時同頻的傳輸信號，從而產(chǎn)生自干擾。為了有效隔離自干擾以降低對性能的影響，所有全雙工用戶都分別裝有一根發(fā)射天線和一根接收天線。此外，頻譜效率定義為吞吐量與帶寬之比，能量效率定義為吞吐量與功耗之比，每個全雙工D2D用戶組所用的帶寬均為W。

在第n(n∈[1,N])個全雙工雙向中繼輔助傳輸下的第m(m∈[1,M])個全雙工D2D用戶組的頻譜效率為

式中，和分別是在第n個全雙工雙向中繼輔助傳輸下的第m個全雙工D2D用戶組中兩個全雙工用戶的吞吐量；

在第n個全雙工雙向中繼輔助傳輸下的第m個全雙工D2D用戶組的能量效率為

式中，是在第n個全雙工雙向中繼輔助傳輸下的第m個全雙工D2D用戶組完成傳輸?shù)目偣?；ξ是功放系?shù)，和是第m個全雙工D2D用戶組中兩個全雙工用戶的發(fā)射功率，是與第m個全雙工D2D用戶組配對的第n個全雙工雙向中繼用戶的發(fā)射功率，P_DC是全雙工用戶自干擾消除所產(chǎn)生的功耗，P_c是靜態(tài)功耗。

則系統(tǒng)的總頻譜效率為

系統(tǒng)的總能量效率為：

其中，是選擇變量，時，第m個全雙工D2D用戶組選擇第n個全雙工雙向中繼用戶作為中繼。

基于上述條件，能量效率最大化的基本模型為：

式中，是全雙工雙向中繼輔助的D2D用戶組的最低頻譜效率要求；P_s,max和P_d,max是全雙工D2D用戶組中兩個全雙工用戶的最大允許傳輸功率；P_r,max是全雙工雙向中繼用戶的最大允許傳輸功率。

步驟(4)中，需要求解的問題為步驟(3)中的③，即

由于該優(yōu)化問題是非凸的，不能用一般的凸優(yōu)化方法來解決，因此我們把優(yōu)化問題⑦分解成全雙工D2D用戶組和全雙工雙向中繼用戶兩個能量效率子優(yōu)化問題來求解，包括如下步驟：

1)首先固定全雙工雙向中繼用戶的發(fā)射功率，然后優(yōu)化全雙工D2D用戶組中兩個全雙工D2D用戶的傳輸功率，因此問題⑦的子優(yōu)化問題1建立為：

此兩變量子優(yōu)化問題1也是一個非凸優(yōu)化問題，首先使用分式規(guī)劃技術(shù)把此非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，再利用拉格朗日方法解此凸優(yōu)化問題，最后使用狄利克雷方法求得能夠使全雙工雙向中繼輔助的D2D用戶組的能量效率最大化的全雙工D2D用戶的最優(yōu)傳輸功率；

2)固定全雙工D2D用戶組中用戶的傳輸功率，優(yōu)化全雙工雙向中繼用戶的傳輸功率，建立子優(yōu)化問題2：

此子優(yōu)化問題2是一般的單變量凸優(yōu)化問題，利用二分法等數(shù)值方法，來解此子優(yōu)化問題，從而求得能夠使全雙工雙向中繼輔助的D2D用戶組的能量效率最大化的全雙工雙向中繼用戶的最優(yōu)傳輸功率；

3)交替迭代子優(yōu)化問題1和子優(yōu)化問題2的最優(yōu)解，直到全雙工雙向中繼輔助的D2D用戶組的能量效率最大值收斂，從而聯(lián)合求得在第m個全雙工D2D用戶組與第n個全雙工雙向中繼用戶配對時，全雙工D2D用戶的最優(yōu)傳輸功率和全雙工雙向中繼用戶的最優(yōu)傳輸功率。

步驟(5)中，當需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M比較少且小于一個預(yù)定義的數(shù)量門限值M_T時，計算復(fù)雜度較低，根據(jù)步驟(4)得出的D2D用戶組與中繼用戶之間的最大能量效率關(guān)系，使用枚舉法一一列舉出各種可能的組合，然后進行比較，選擇能夠使整個系統(tǒng)能量效率最大的組合即得出最優(yōu)的中繼選擇方案。

步驟(6)中，當需要中繼輔助傳輸?shù)娜p工D2D用戶組數(shù)M比較多且大于一個預(yù)定義的數(shù)量門限值M_T時，計算復(fù)雜度很高，使用枚舉法效率低下，可以采用高效的改進匈牙利算法求出最優(yōu)中繼選擇方案，包括如下步驟：

1)列出根據(jù)步驟(4)得出的D2D用戶組與中繼用戶之間的最大能量效率分配矩陣C，即

2)添加N-M個虛擬的全雙工D2D用戶組，并賦予各虛擬的全雙工D2D用戶組選擇各個全雙工雙向中繼時的能量效率為0，即在分配矩陣C中補上N-M行0元素，從而構(gòu)造出新的N×N能量效率分配矩陣C′；然后將矩陣C′的每行中的每個元素減去本行中的最小元素，再從每列中的每個元素減去本列的最小元素；

3)作最少的直線覆蓋所有的0元素，以確定該矩陣中能找到最多的獨立0元素，如果直線數(shù)量等于矩陣C′的階數(shù)，則轉(zhuǎn)到步驟5)；

4)找出沒有被直線覆蓋的所有元素中的最小元素，然后將沒有被直線覆蓋的所有元素都減去這個最小元素，同時在每個線的交叉處加上這個最小元素，以保證0元素不變；

5)將矩陣中所有0元素變?yōu)?，而其他元素變?yōu)?，則得到的新矩陣即為原中繼分配問題的解矩陣，根據(jù)解矩陣中1元素所在的行和列，確定全雙工D2D用戶組的中繼選擇情況；去除添加的虛擬全雙工D2D用戶組，則我們可獲得最優(yōu)中繼分配，最大的總能量效率即為每行位置為1處的能量效率之和。