本發(fā)明屬于無線通信技術領域，尤其涉及一種基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法。

背景技術：

為了保證本地服務的通信質量與安全，第三代合作伙伴計劃(thethird Generation PartnerProject，3GPP)將終端直通通信(Device-to-Device,D2D)技術作為底層網絡應用到蜂窩網絡中，國際電信聯盟無線通信委員會(International Telecommunications Union-Radio CommunicationsSector，ITU-R)將D2D列為未來無線通信的關鍵技術之一，以增加系統(tǒng)的頻譜利用效率、減輕基站的負荷、降低終端和基站的發(fā)射功率、提升整體信道容量。然而當D2D用戶間的信道發(fā)生深度衰落或空間距離突然變得很遠時，靜態(tài)蜂窩用戶作為中繼節(jié)點協作D2D通信，可以在不增加無線通信網絡基站數目的前提下，以較低的成本解決網絡覆蓋和服務質量問題。另一方面，網絡編碼允許中間節(jié)點對信息進行處理，徹底顛覆了一直以來人們對干擾信號的認識，允許多路無線通信的同時進行，進而提高傳輸速率以及信道容量。因此將網絡編碼應用在D2D通信中，對于分析和解決混合網絡中的干擾協調等問題具有很重要的應用意義。在原蜂窩網絡中引入D2D用戶及其相關技術，在改善系統(tǒng)性能的同時，也必然將導致更復雜的相互干擾問題。因此，如何合理地將中繼技術和網絡編碼應用到D2D通信中，對干擾進行有效管理，設計切實可行的傳輸方案，使D2D通信性能進一步的提高是亟待解決的問題。針對蜂窩用戶作為雙向中繼節(jié)點的系統(tǒng)場景，目前現有技術并沒有在綜合考慮蜂窩鏈路與D2D鏈路的通信質量要求的前提下，將D2D通信、中繼傳輸技術和網絡編碼相結合，設計完整的功率分配和中繼選擇方法，以進一步有效地拓展D2D通信優(yōu)勢。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法。

本發(fā)明是這樣實現的，一種基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法，所述基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法實現最大化D2D通信鏈路的信道容量的目標數學模型為：

s.t.2|h_bd|²p_d≤I₀；

|h_bk|²p_k≤I₀；

2p_d+p_k＝P；

0<p_d,p_k<P；

其中，p_d表示D2D用戶的發(fā)送功率，p_k表示中繼節(jié)點的發(fā)送功率，p_n表示蜂窩用戶的發(fā)送功率，h表示D2D用戶與中繼節(jié)點之間的信道信息，h_ck、h_cd分別表示蜂窩用戶與中繼節(jié)點、D2D用戶之間的信道信息，h_bd、h_bk分別表示基站與D2D用戶、中繼節(jié)點之間的信道信息，P表示D2D用戶和中繼節(jié)點的發(fā)射總功率，I₀表示基站可容忍的干擾門限值，N₀為噪聲功率。

所述基于網絡編碼的D2D通信功率分配表示為；

其中p_k＝P-2p_d，s₁＝|h_ck|²p_n+N₀>0，s₂＝|h_cd|²p_n+N₀>0。

所述基于網絡編碼的D2D通信的中繼選擇的目標函數為：

其中對應的k*(1≤k^*≤L)即為選擇的最佳中繼節(jié)點，h^*,h_ck^*,h_cd^*,h_bd^*,h_bk^*即為對應最佳中繼節(jié)點的信道系數。

進一步，所述基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法具體包括以下步驟：

步驟一，基站獲取此時信道信息，確定發(fā)射總功率P，基站可容忍的干擾門限值I₀，將可選中繼節(jié)點k初始化為1；

步驟二，計算s₁＝|h_ck|²p_n+N₀，s₂＝|h_cd|²p_n+N₀，

步驟三，判斷p_d'(k)的取值，若則選擇第k個中繼節(jié)點時，D2D用戶對應的最優(yōu)發(fā)送功率為p_d^*(k)＝p_d'(k)，執(zhí)行步驟五；否則，執(zhí)行步驟四；

步驟四，分別計算若否則

步驟五，將取得的p_d^*(k)代入計算得出D2D對在中繼節(jié)點k處的信干燥比的最大值r_d(k)；

步驟六，更新k＝k+1，直到k小于中繼節(jié)點數目L，執(zhí)行下一步，否則執(zhí)行步驟二繼續(xù)迭代；

步驟七，比較步驟五中得出的所有r_d(k)(1≤k^*≤L)，選出其中最大值r_d(k^*)，其對應的k^*即為最優(yōu)中繼節(jié)點，p_d^*(k)即為D2D用戶應分配的最佳功率值。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用所述基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法的終端直通通信系統(tǒng)。

本發(fā)明的優(yōu)點及積極效果為：將D2D通信、中繼傳輸技術和網絡編碼相結合，設計了完整的功率分配和中繼選擇方法，以較低的成本提高了D2D通信的信道容量；針對蜂窩用戶作為雙向中繼節(jié)點的系統(tǒng)場景，在終端直通鏈路發(fā)射總功率一定的前提下，對終端直通鏈路上的節(jié)點進行了最優(yōu)功率分配，選出了最佳中繼節(jié)點。與其他技術相比，本發(fā)明提供的技術方案可以使終端直通鏈路信道容量達到最大。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的基于網絡編碼的D2D通信的功率分配和中繼選擇方法具體實現流程圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)模型圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的D2D鏈路信道容量與發(fā)射總功率的關系圖。

圖5是本發(fā)明實施例提供的D2D鏈路信道容量與可選中繼數目的關系圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法包括以下步驟：

S101：對于每一個備選中繼節(jié)點進行最優(yōu)功率分配；

S102：選出其中可以使D2D鏈路信道容量最大的中繼節(jié)點作為最佳中繼節(jié)點。

下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作進一步的描述。

如圖2所示，本發(fā)明實施例提供的基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法為實現最大化D2D通信鏈路的信道容量的目標，給出數學模型：

s.t.2|h_bd|²p_d≤I₀

|h_bk|²p_k≤I₀；

2p_d+p_k＝P

0<p_d,p_k<P

其中，p_d表示D2D用戶的發(fā)送功率，p_k表示中繼節(jié)點的發(fā)送功率，p_n表示蜂窩用戶的發(fā)送功率，h表示D2D用戶與中繼節(jié)點之間的信道信息，h_ck、h_cd分別表示蜂窩用戶與中繼節(jié)點、D2D用戶之間的信道信息，h_bd、h_bk分別表示基站與D2D用戶、中繼節(jié)點之間的信道信息，P表示D2D用戶和中繼節(jié)點的發(fā)射總功率，I₀表示基站可容忍的干擾門限值，N₀為噪聲功率。

最優(yōu)功率分配包括：

(1)將最優(yōu)功率分配子問題的目標函數簡化為：

為求解上述非線性約束規(guī)劃問題，令：

其中p_k＝P-2p_d，s₁＝|h_ck|²p_n+N₀>0，s₂＝|h_cd|²p_n+N₀>0。

假設此子信道滿足D2D通信的要求，即最優(yōu)功率分配子問題可以轉化為：

(2)目標函數f(p_d)的一階導數、二階導數分別為：

因此在p_d∈(0,0.5P)時，f(p_d)是下凹函數，問題有唯一的全局最優(yōu)點，且是f(p_d)在p_d∈(0,0.5P)上的極小值點，令解得極小值點為：

考慮約束條件p_d≠0，p_d≠0.5P，所以：

i)若則p_d取得最優(yōu)解為p_d^*＝p_d'。

ii)若則p_d在邊界值中取得最優(yōu)解，令并令：

當r_d¹_≥r_d²時，否則

綜上，當p_d＝p_d^*時，問題取得最優(yōu)解，D2D對在中繼節(jié)點k處取得最大信道容量為：

最優(yōu)中繼選擇包括：

由于選擇中繼節(jié)點的不同，各節(jié)點間的信道系數也不相同，將每個中繼節(jié)點進行最優(yōu)的功率分配之后，選出可以使D2D鏈路信道容量最大的中繼節(jié)點，此節(jié)點即為最佳中繼節(jié)點。

最佳中繼選擇的目標函數為：

其中對應的k^*(1≤k^*≤L)即為選擇的最佳中繼節(jié)點，h^*,h_ck^*,h_cd^*,h_bd^*,h_bk^*即為對應最佳中繼節(jié)點的信道系數，此時D2D對在中繼節(jié)點k*處取得最大信道容量為：

本發(fā)明實施例提供的基于網絡編碼的D2D通信功率分配和中繼選擇方法具體包括以下步驟：

步驟一，基站獲取此時信道信息，確定發(fā)射總功率P，基站可容忍的干擾門限值I₀，將可選中繼節(jié)點k初始化為1；

步驟二，計算s₁＝|h_ck|²p_n+N₀，s₂＝|h_cd|²p_n+N₀，

步驟三，判斷p_d'(k)的取值，若則選擇第k個中繼節(jié)點時，D2D用戶對應的最優(yōu)發(fā)送功率為p_d^*(k)＝p_d'(k)，執(zhí)行步驟五；否則，執(zhí)行步驟四；

步驟四，分別計算若否則

步驟五，將取得的p_d^*(k)代入計算得出D2D對在中繼節(jié)點k處的信干燥比的最大值r_d(k)；

步驟六，更新k＝k+1，直到k小于中繼節(jié)點數目L，執(zhí)行下一步，否則執(zhí)行步驟二繼續(xù)迭代。

步驟七，比較步驟五中得出的所有r_d(k)(1≤k^*≤L)，選出其中最大值r_d(k^*)，其對應的k^*即為最優(yōu)中繼節(jié)點，p_d^*(k)即為D2D用戶應分配的最佳功率值。

如圖3所示，由基站集中控制的單蜂窩系統(tǒng)場景，各節(jié)點均勻分布在小區(qū)中，其中L個靜態(tài)蜂窩用戶為備選中繼節(jié)點。假設上行系統(tǒng)被分為多個正交子信道，且每個子信道只單獨分給一個處于激活狀態(tài)的蜂窩用戶，每個子信道的上行頻譜資源最多可被一個D2D用戶對復用。假設D2D用戶之間不存在直達鏈路，D2D用戶i和D2D用戶j采用物理層網絡編碼的方式，分兩個時隙通過一個中繼節(jié)點實現雙向通信，此D2D對復用蜂窩用戶n(1≤n≤N)的上行鏈路頻譜資源。

第一時隙為多址接入階段，D2D用戶i和j同時向中繼節(jié)點發(fā)送信號x₁和x₂，蜂窩用戶c向基站發(fā)送信號x_n，第k個中繼節(jié)點接收到的疊加信號表達式：

第二時隙為廣播階段，中繼節(jié)點將接收到的信號放大轉發(fā)。D2D用戶i和j接收到的信號y_i'和y_j'分別表示為：

y_i'＝βh_iky_k+h_cix_n+n₀y_j'＝βh_jky_k+h_cjx_n+n₀；

其中為中繼節(jié)點的放大系數。

D2D用戶i和j根據自身發(fā)送的信號信息將其在第二時隙中接收到的自干擾去除后的表達式為：

y_i＝βh²x₂+βhh_ckx_n+βhn₀+h_cix_n+n₀ y_j＝βh²x₁+βhh_ckx_n+βhn₀+h_cjx_n+n₀；

假設信道為對稱信道，對應的信干噪比(SINR)為：

假設D2D用戶i和j的發(fā)送功率相同，當第k個中繼節(jié)點被選中時，對應的D2D鏈路的信道容量可以表示為：

另一方面，D2D對復用蜂窩用戶n的上行頻譜資源會對基站造成干擾，為了保證蜂窩用戶的正常通信，D2D用戶對于基站的干擾應小于基站容忍的干擾門限值I₀，即：

I_bn1＝|h_bi|²p₁+|h_bj|²p₂≤I₀ I_bn2＝|h_bk|²p_k≤I₀；

其中I_bn1表示第一時隙D2D用戶對基站產生的干擾，I_bn2表示第二時隙D2D用戶對基站產生的干擾。

下面結合仿真對本發(fā)明的應用效果作詳細的描述。

本發(fā)明的仿真使用Matlab7.10.0仿真軟件，仿真參數設置如下：

各信道系數和加性高斯白噪聲相互獨立，且n₀～N(0，1)，蜂窩用戶的發(fā)送功率為p_n＝50dB，蜂窩網絡所能容忍的來自D2D鏈路的干擾功率上限I₀＝30dB。所有的仿真結果都是經歷1*10⁶次信道實現后的平均值。

將提出的方法與其它三種方法進行仿真對比，其中，最優(yōu)功率分配和隨機中繼選擇(Optimal PowerAllocation and Random Relay Selection，OPRR)方法是指先對每個中繼節(jié)點進行最優(yōu)功率分配，然后從中隨機選取一個中繼節(jié)點；隨機功率分配和最佳中繼選擇(Random PowerAllocation and Optimal Relay Selection，RPOR)方法是指對每個中繼節(jié)點先進行隨機功率分配，然后選出使信道容量最大化的中繼節(jié)點；隨機功率分配和隨機中繼選擇(Random Power Allocation and Random RelaySelection，RPRR)方法是指對每個中繼節(jié)點先進行隨機功率分配，然后從中隨機選取一個中繼節(jié)點。

圖4給出了D2D鏈路信道容量隨發(fā)射總功率的變化曲線。假設中繼節(jié)點數為L＝20。由圖可以看出，四種方法對應的D2D鏈路的信道容量都隨著D2D鏈路發(fā)射總功率的增大而增大，但本發(fā)明提出的OPOR方法對應的D2D鏈路最大信道容量明顯高于其它方法，而且隨著鏈路發(fā)射總功率的增加，優(yōu)勢更為明顯。例如當D2D發(fā)射總功率為120dB時，本發(fā)明所提方法對應的D2D鏈路信道容量約是OPRR方法的1.25倍，約是RPOR方法的7.33倍，約是RPRR方法的8.80倍。這說明本發(fā)明所提的方法要明顯優(yōu)于其它三個方法。

圖5給出了D2D鏈路信道容量隨可選中繼數目的變化曲線。仿真中假設D2D鏈路的發(fā)射總功率為P＝80dB。由圖可以看出：i)對于本發(fā)明所提OPOR方法和RPOR方法來說，由于增加可選中繼節(jié)點的數目可以增加中繼節(jié)點的選擇性從而提高D2D鏈路的信道容量，因此隨著中繼節(jié)點數目的增加，這兩種方法所對應的D2D鏈路最大信道容量也持續(xù)增加，但本發(fā)明所提方法的性能優(yōu)勢隨著L的增加更為明顯。ii)對于其它兩種方法，因為是隨機中繼選擇方法，其D2D鏈路的信道容量不會隨著中繼節(jié)點數目的增加而增加。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。