技术摘要：
本发明请求保护一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，包括以下步骤：(1)在D2D发射端采用功率分割接收机架构以实现无线携能通信；(2)基于蜂窝用户与D2D用户之间的能量—频谱交易机制以构建D2D协助的合作通信系统；(3)考虑用户速率公平性，建立  全部
背景技术：
近年来，移动通信技术不断发展与进步，给人类生活的各个方面带来了深刻的变 革。随着移动互联网的发展，移动通信信息交互量逐年增长，未来的移动通信网络将是一个 万物互联的网络，这对下一代移动通信在传输速率、端到端的连接等方面提出了新的目标。 除此之外，用户规模的日益增加也使得通信网络中的能耗问题变得更为突出。 一方面，随着用户的数量增加，通信网络中的数据量呈现爆炸式增长的态势，这使 得5G(Fifth  generation)网络中用户设备的连接以及信息传输速率面临着更为严峻的挑 战。在这样的背景下，学者们融合传统D2D通信技术以及中继通信技术而提出合作D2D通信。 合作D2D通信网络通过引入中继技术可以有效提高网络的覆盖范围和系统容量，而D2D通信 技术允许设备到设备之间的直接通信，有利于传输速率的提高。 另一方面，人们对信息服务的需求日益增加，负责信息收集和传输的设备承载的 信息量越发繁重，这给通信网络带来了更为严峻的能耗问题。此外，移动通信网络中的通信 设备一般是由容量受限的电池进行供电，有限的电池容量大大限制了网络应用的发展。近 年来，无线携能通信(Simultaneous  wireless  information  and  information  transfer, SWIPT)技术的出现和发展为解决能量瓶颈问题提供了一种有效的策略。SWIPT技术将射频 能量信号同时用作信息和能量的载体，旨在实现信息和能量的并行传输，在信息解码的同 时在接收端完成能量收集，从而提升终端设备的续航能量以延长能量受限的网络的生命周 期。 目前已有研究考虑在合作D2D通信网络中考虑应用SWIPT技术，如文献[L.Jiang , C.Qin,X.Zhang  and  H.Tian,Secure  beamforming  design  for  SWIPT  in  cooperative  D2D  communications(China  Communication) ,2017.]和文献[D.Zhao,Y.Cui,H.Tian  and  P.Zhang ,A  Novel  Information  and  Energy  Cooperation  Transmission  Scheme  in  Cognitive  Spectrum  Sharing-Based  D2D  Communication  Systems(IEEE  Access) ,2019] 中提出将SWIPT技术与合作D2D通信融合，在D2D发射端配备有功率分割接收机架构，使其可 以利用收集的能量协助蜂窝通信以及进行自己的数据传输。 但是现有研究未考虑在SWIPT技术与合作D2D通信技术融合的网络中研究系统的 加权和速率问题。在通信网络中，为了最大化系统的吞吐量，在进行资源分配方案设计时， 系统控制器会将大部分无线资源分配给信道条件较好的用户，但对于信道较差的用户可能 分配不到任何资源。而加权和速率问题通过为用户赋予不同的优先级而将用户设备的传输 速率公平性考虑在内，从而实现系统中用户的速率公平性。 5 CN 111586866 A 说　明　书 2/9 页
技术实现要素：
本发明旨在解决现有技术中的问题。提出了一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网 络中用户公平性资源分配方法，设计一种两阶段优化算法以联合功率、传输时间分配以及 功率分割控制，实现在能量限制和传输时间限制的情况下，最大化合作D2D通信网络中的加 权和速率。本发明的技术方案如下： 一种基于SWIPT技术的合作D2D通信网络中用户公平性资源分配方法，其包括以下 步骤： 步骤1：在D2D发射端采用基于功率分割的接收机架构以实现无线携能通信 (SWIPT，simultaneous  wireless  information  and  power  transfer)。D2D发射端可以按 照一定的功率分割比将接收到的信号进行分割，利用一部分信号进行能量收集以延长设备 的生命周期，另一部分信号用于信息译码。 步骤2：建立蜂窝用户与步骤1所述D2D发射端之间的能量—频谱交易机制，以构建 合作通信网络的系统模型。由于基站与蜂窝用户之间存在障碍物不能直接进行通信，D2D发 射端则可以作为中继，消耗一部分收集到的能量来协助从基站到用户之间的蜂窝通信。作 为回报，D2D发射端获得占用蜂窝频谱资源的机会以发送自己的信息给相应的D2D接收端以 实现D2D通信； 步骤3：在步骤2所建立的合作通信网络模型中，考虑蜂窝用户和D2D用户数据率的 公平性进行资源分配，即联合功率分配、传输时间分配以及功率分割控制以构建系统加权 和速率最大化问题，建立能量限制和传输时间限制相关的数学表达式； 步骤4：设计一种基于两阶段优化方法的联合资源分配算法以求解步骤3中所述的 系统加权和速率最大化问题。首先进行变量替换，将原始问题进行等价变换，然后分为两个 阶段对资源分配变量进行优化。第一阶段设定固定的功率分割比，采用拉格朗日对偶方法 来求得此功率分割比下局部最优的功率和时间分配；第二阶段采用一维搜索的方法遍历功 率分割比的可行域，以确定系统的最大加权和速率，以及全局最优的功率分割比以及相应 的功率、时间分配。 进一步的，所述步骤2建立的合作D2D通信系统的网络模型包括以下内容： 假设基站与蜂窝用户之间不存在直传链路，需要寻求距离基站较近的D2D发射端 的协助；D2D发射端作为中继接收来自基站的信号，并利用功率分割技术按照一定比例将接 收到的信号分割为两部分：对比例为ρ的部分进行能量收集，对比例为1-ρ的部分进行信息 译码；由于D2D发射端作为中继转发来自基站的蜂窝信号时会消耗一部分能量，作为能量消 耗的补偿，D2D用户进行通信时可以占用蜂窝频谱资源，即蜂窝用户和D2D用户之间存在能 量—频谱交易机制。所述合作通信网络按照三阶段传输协议进行：在传输时间为α的阶段1 中，基站发送信号给D2D发射端，D2D发射端将接收到的信号按照功率分割比例ρ:1-ρ分别进 行能量收集和信息译码；阶段2，D2D发射端采用译码转发的半双工中继方式，在传输时间α 内以发射功率Pdc将来自基站的信号转发给蜂窝用户；阶段3，作为协助蜂窝通信的回报，D2D 发射端可以获得1-2α的频谱占用时间以发射功率Pdd '将自己的信息发送给相应的D2D接收 端。 进一步的，所述步骤3考虑用户公平性的资源分配问题的构建，包括以下内容： 资源分配优化的目标为最大化系统加权和速率，即最大化蜂窝通信速率和D2D通 6 CN 111586866 A 说　明　书 3/9 页 信速率的加权值，表示为：rweight＝w1rbc w2rdd'，其中w1＞0和w2＞0分别代表系统控制器为蜂 窝通信和D2D通信赋予的优先级权值，rbc和rdd'分别为蜂窝通信和D2D通信的可达速率； 所述优化问题的资源分配变量包括：①D2D发射端的功率分配{Pdc,Pdd'}；②各个通 信阶段所占用的时间α；③D2D发射端的功率分割系数ρ； 所述优化问题的约束条件包括： ①D2D发射端协助蜂窝通信所消耗的能量以及用于D2D通信所消耗的能量不能超 过收集到的能量，即：Pdcα Pdd '(1-2α)≤ηρPbd|h |2bd α；hbd表示基站与D2D发射端之间的信道 系数；0≤η≤1表示能量收集电路的收集效率； ②发射功率约束：Pdc≥0,Pdd'≥0。 ③传输时间约束： ④功率分割系数约束：0≤ρ≤1； 基于用户公平性的资源分配问题构建的数学优化问题可以表述为： 进一步的，所述步骤4设计一种基于两阶段优化方法的资源分配算法，具体包括： 第一步：首先对问题 进行变量替换，引入两个新的变量 和 以处理α，Pdc以及Pdd '之间的耦合关系。相应地，rdc和rdd '可以分别写作 第二步：为了处理(6a)中max-min形式的目标函数，引入变量 第三步 ：结合上述表达式 ，将原始数学优化问题 (1 ) 转化为带有变量 的问题 为： 7 CN 111586866 A 说　明　书 4/9 页 进一步的，对于问题 提供两阶段的优化方法以得到最优的联合资源分配策略， 具体包括： 第一阶段的优化是在给定的功率分割比下，对功率和传输时间进行优化： s.t.C1,C5,C6,C7. 第二阶段的优化问题为功率分割系数的优化： s.t.C1,C4. 第四步：对于第一阶段的优化问题，在给定的功率分割系数ρ下，目标函数与约束 条件构成了一个标准凸优化问题，本发明提供拉格朗日对偶方法进行求解以得到局部最优 的功率分配和传输时间。 第五步：对于第二阶段的优化问题，本发明提供关于功率分割系数ρ的一维全搜索 以获得系统最大加权和速率值。可将ρ的可行域划分为相等的间隔，即ρ∈{ρ1 ,...,ρ1 iΔ ρ,...,ρN}，其中i＝0,....,N-1，Δρ为划分间隔，对于每个给定的ρ按照问题 求解相应 的最优功率及时间分配，从而确定最大的系统加权和速率以及对应的全局最优的功率、时 间分配以及功率分割比。 本发明的优点及有益效果如下： 本发明将SWIPT技术应用于合作D2D通信网络以用于延长合作通信的设备的生命 周期。进一步地，本发明提供功率分割控制的能量—频谱交易机制激励蜂窝用户与D2D用户 之间的合作，以实现蜂窝通信与D2D通信。考虑到此合作通信网络中蜂窝用户和D2D用户的 速率公平性问题，本发明提供基于两阶段优化方法的联合资源分配算法以最大化系统的加 权和速率。 附图说明 图1是本发明所述D2D协助的合作通信网络的系统模型示意图； 图2为本发明所述网络中的三阶段传输机制示意图； 图3为本发明所述基于两阶段优化方法的联合资源分配算法示意图； 图4为本发明所提所述联合资源分配算法的收敛性能图； 图5为本发明所提所述用户公平资源分配方案与其他方案的发射功率对比图； 图6为本发明所述用户公平资源分配方法保障用户公平性的性能图。