面向高铁D2D用户传输速率需求的发射功率控制方法

面向高铁d2d用户传输速率需求的发射功率控制方法
技术领域
1.本发明属于移动通信技术领域，具体涉及在蜂窝网络终端直连中面向高铁用户提高d2d通信以及蜂窝通信的通信性能，在保障高铁d2d用户基本传输速率的前提下，控制用户发射功率，进一步分配剩余蜂窝资源以提升d2d用户服务体验。


背景技术：

2.终端直连(device todevice，d2d)技术是5g的重要组成部分，指的是不需要基站进行转发，设备和设备之间就可以直接进行通信的技术，在整个通信过程中，基站主要起控制作用。因此，d2d技术能够提高数据传输速率、降低基站负载以及提高系统的容量。同时，d2d技术在设备与设备之间建立了直接的通信链路，减少了传输路径的数量，因此可以降低通信延迟，这对蜂窝网络来说尤为重要。在当前的无线通信网络中，频谱资源日趋紧张。虽然d2d通信可以利用终端直通进行通信，在一定程度上提高了频谱资源的利用率。但是在复用频谱资源的过程中，会对其他用户的正常通信产生干扰，降低服务质量。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的主要技术问题是：高铁列车车体多采用不锈钢、合金等金属全封闭式的结构，而无论是gsm-r还是lte-r，均为传统的车内用户直接与车外基站直接通信的架构，使得外部无线信号在车体中的穿透损耗较大，令信号的覆盖成为问题。在蜂窝网络中，假设cu数量远大于d2d用户数量，也就是说，在信号质量不佳的情况下，如果用合理的资源分配算法调度，网络中的蜂窝用户资源是有条件满足d2d用户基本速率需求的。
4.为了解决这个问题，提出了面向高铁d2d用户传输速率需求的发射功率控制方法，可以动态调整蜂窝用户处、d2d用户处的功率分配，减少d2d链路和蜂窝链路之间的干扰，进一步提升d2d链路和蜂窝上下行链路的系统可达和速率，提升高铁用户信号不佳情况下的通信服务质量。本发明所提供的技术方案，包括如下内容：
5.考虑一个带有d2d模式的蜂窝系统有一辆高铁正在通行，有一个基站b，m个蜂窝用户c，n对d2d用户，基站的背景噪声功率为σ2，假设它为一个常值。
6.根据高铁d2d用户基本速率需求和d2d接受端的信干噪比建立效益函数：
[0007][0008]
其中，pi表示d2d用户的发射功率，γi为d2d用户i的实际信干比，μi为d2d用户基本速率需求。
[0009]
d2d用户的接收信干噪比γi可表示为：
[0010][0011]
其中pb表示基站的发射功率，d2d用户表示为i，蜂窝用户表示为j，h
ij
为设备i到设备j之间的信道系数，d
ij
为设备i到设备j的距离，α为路径的损耗系数，g
ij
为相应的设备i到
j的信道增益g
ij
＝d
ij-α
ln|h
ij-ζ|，ζ为信道损耗系数，g
bi
为基站到d2d用户i的信道增益。
[0012]
在蜂窝网络中，传输速率对用户服务体验起着至关重要的作用。然而，在蜂窝和d2d通信并存的网络中，资源分配通常以优化d2d用户和速率或系统整体吞吐量为首要目标，而忽视了单一用户的速率增益与其传输速率需求的关系。目前为数不多的基于速率需求资源分配算法也仅仅是按基本业务类型划分用户的传输速率需求等级，以这种固定的速率需求分级方式为基础的资源分配算法，仍难以实时自适应为d2d用户分配资源，用户满意度无法保证。因此，获取不同用户的差异化传输速率需求是d2d资源分配提升整体用户体验的重要前提，其定义为：
[0013][0014]
其中si表示发送数据得大小，v表示高铁当前行驶速度，l
i,t
、l
i,r
分别为d2d用户的发射端和接收端到基站的距离，θ
i,t
、θ
i,r
分别表示发射端和接受端与基站的夹角。
[0015]
那么，满足d2d用户基本速率需求所需的最少资源块数量ni需要满足如下条件，
[0016][0017]
其中,wi是d2d用户的发射频率。
[0018]
为提高d2d用户在其通信过程中的用户体验质量，将d2d用户通信性能的速率作为其用户体验质量的衡量标准，由此可建立d2d用户i的收益函数，则可表示为：
[0019][0020]
其中，l为高铁火车全长，l表示为l
i,t
、l
i,r
之和。
[0021]
考虑到蜂窝网络中对根据d2d用户的数据流量传输速率进行计费的情况，各d2d用户的使用带宽b都一致，则d2d用户的代价函数表示如下：
[0022][0023]
其中,λ、β为权重系数。
[0024]
在蜂窝网络中，每个d2d用户相应的调整自己的发射功率来最大化其效益，本模型即可以让每个d2d用户在高铁通信质量不好的情况下，以最低的发射功率维持自己的基本速率。结合其效益函数和代价函数得到效用函数模型，其数学模型满足为：
[0025][0026]
整理可得
[0027][0028]
其特征方程为
[0029]
r2 pr q＝0
[0030]
其中
[0031][0032][0033]
利用公式可求得特征方程的解为
[0034][0035]
得到其效用函数的表达式为：
[0036][0037]
其中，c1、c2不全为0的常数，为简化模型，取c1＝c2＝1，u
*
(pi,μi)为特解且
[0038]
其效用函数的表达式为：
[0039][0040]
在这个通信模型中，存在着非合作博弈，每个发射设备都希望通过改变发射功率从而使得自己的效用函数最大，为了使效用最大，优化函数为：
[0041][0042]
s.t.pi∈[p
i min
,p
i max
]
[0043]
其中，p
i min
是最小用户发射功率，p
i max
是最大用户发射功率。
[0044]
在这个存在着非合作博弈的通信模型中，每个发射设备的发射功率都会达到纳什均衡状态，上式中的优化问题可以通过寻找纳什均衡点来解决，用效用函数对pi求一阶导数等于零，可得：
[0045][0046]
其中，
[0047]
可解得
[0048][0049]
此时pi的值为纳什均衡点，模型到达纳什均衡状态，任何通信设备都无法通过改变自己的功率策略来增大自己的收益，即其中p*为第i对d2d用户发射设备的纳什均衡功率，表示除第i对d2d用户发射设备的其他所有发射设备的发射功率。
[0050]
随着高铁速度的提升，环境也会随之快速变化，当从一个通信质量好的环境转换为一个通信质量差的环境时，车厢里的每个通信设备可以通过改变发射功率在保证自身的基本传输速率需求的前提下来提高效用，但每个通信设备盲目增大发射功率时，同时也会增大对其他设备的干扰，不仅不能提高效用，还会造成能源的浪费。在这个存在着非合作博弈的通信模型中，每个发射设备的发射功率都会达到纳什均衡状态，纳什均衡点即使发射功率的优化值，可以通过以下迭代过程求得：
[0051]
①
初始化每个发射设备的发射功率；
[0052]
②
利用式(1)求出第i对d2d用户所需的基本传输速率；
[0053]
③
利用式(2)求出满足第i对d2d用户基本速率需求所需的最少资源块数量ni；
[0054]
④
利用式(3)更新第i对d2d用户发射设备的发射功率，获取基本速率需求所需的最少资源块数量ni，直到满足所有d2d用户所需的基本传输速率为止，基站通过ni进行资源分配。
[0055]
5若迭代j 1次时，||p
*
(j 1),p
*
(j)≤ξ||，其中ξ为迭代过程中设置的门限，如果迭代前后发射功率的差值小于门限值，则中止迭代过程，得到的结果可视为发射功率的纳什均衡点，否则继续执行ii，不断迭代计算直至发射功率收敛。
附图说明
[0056]
图1：用户基本传输速率与发射功率的变化曲线
[0057]
图2：效用函数与发射功率的变化曲线
[0058]
图3：发射功率与迭代次数的变化曲线
具体实施方式
[0059]
在一个包含10个d2d用户对和90个蜂窝用户的单节高速列车和一个基站的复用通信模型中，背景噪声功率σ2＝4
×
10-16
mw，设定权重因子α＝0.4，β＝0.6，λ＝0.5，发射信号的波长λ＝0.3m，所有设备的最大发射功率都为800w,最小发射功率都为0.1w，设置门限10w。
[0060]
如图1所示为发送数据得大小si为500m,高铁当前行驶速度v为280km/h，d2d用户的发射端和接收端到基站的距离l
i,t
、l
i,r
都为50km，发射端和接受端与基站的夹角θ
i,t
、θ
i,r
都为60
°
情况下，用户基本速率与发射功率的变化曲线，图中可知，当发射功率过大时，有可能会大幅降低用户的基本速率。
[0061]
为了测试非合作博弈方法的性能，从图2的曲线可以看出，pi从0.1w增大到500w过程中，效用函数不断增大，从图3可知，在纳什均衡点pi＝500w时的效用函数最大，所有d2d用户和蜂窝用户基本到达纳什均衡状态，任何用户都无法通过增大发射功率来提高效用函数，同时保障了基本传输速率，解决了本发明提出的技术问题，到达本发明的目的。