异构蜂窝网络中基于SWIPT的D2D资源分配算法研究_李陶深.pdf

：文章编号：（）异构蜂窝网络中基于 的 资源分配算法研究李陶深，漆治君，杜利俊，黄翊芯（广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁 ；南宁学院 中国东盟综合交通国际联合实验室，广西 南宁 ）摘要：为了解决异构蜂窝网络中 （）通信干扰导致系统能量效率下降的问题，提出一种基于 的 通信资源分配策略，以实现 链路的能量效率最大化。该策略对系统中多种干扰进行建模，构建干扰图和伙伴候选集合；将优化问题转化为功率控制和信道分配两个子问题，运用 条件和拉格朗日乘子法，求解 链路复用候选集中子信道的最优发射功率和功率分割比。仿真结果表明，所提出的分配策略能明显提升系统的能量效率，在保证服务质量的前提下能有效提高 用户接入率。关键词：终端直连（）通信；无线携能通信；功率控制；资源分配；异构蜂窝网络中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，（），：（）；引言随着通信技术的不断发展，多样化的业务需求和无线智能设备的数量急剧增长，蜂窝频谱资源的稀缺问题和无线通信系统的功耗问题日益严峻，成为亟待解决的重要问题。为满足频谱使用需求和缓解 资 源 紧 张 问 题，终 端 直 连 通 信（，）技术通过复用蜂窝信道资源，可降低基站的运行负载，提高系统的吞吐量、频谱利用率和设备数量，但也给蜂窝网络带来了同频干扰问题。无线携能通信（，）以射频（，）信号为载体，能够同时对信号实现信息解码和能量收集，可以将干扰、噪声转化为可用的能量，为 通信技术存在的干扰和能量受限问题提供了一个新的解收稿日期：；修订日期：；通信联系人，：基金项目：国家自然科学基金项目（）；广西科技计划项目（桂科 ）作者简介：李陶深（），男，广西南宁人，教授，博士，博士生导师，主要从事无线网络、云计算与大数据、网络与信息安全研究。信阳师范学院学报（自然科学版）第 卷第期 年月 决思路。目前，有关 通信资源分配的研究成果较多，但将 应用于 通信中的研究不多。文献 研究了基于非线性能量收集模型优化资源和功率分配，从 电路灵敏度的角度提出了一种预匹配算法和两层迭代算法，以实现 链路的 最大化。文献 考虑了干扰信道不确定的情况，提出了一种两阶段迭代算法，以实现能源效率（，）和频谱效率的多目标优化。文献 提出了一种基于随机几何的资源分配方案，以实现 链路复用多个蜂窝信道资源。文献 引入非正交多址技术和能量收集技术，在保证蜂窝用户服务质量的前提下最大化 链路的能量效率。文献 运用博弈论和 技术解决多蜂窝小区下的资源分配问题和 通信的干扰问题。文献 研究不同 模式的能量收益，设计了一种节能的模式选择机制。文献 提出一种时域切换的 方案，以最大化 链路的传输速率。文献 考虑存在多个随机窃听者场景 下 的资 源分 配 安全 问题，提 出 了一种 基于 的迭代算法来优化 用户的安全感知能量效率。在将 通信和 集成的研究中，多数研究的场景是单个基站服务的单蜂窝小区，对异构蜂窝网络的系统能效优化问题关注较少；一些研究虽然考虑了多蜂窝场景，但未结合 技术。针对以上研究的不足，本文考虑由宏基站和微基站组成的异构蜂窝网络，以最大化 链路层能量效率为优化目标，提出一种基于 技术的 通信资源分配策略，以缓解系统中存在的干扰，实现 链路的能量效率最大化。最后通过仿真实验，说明该策略的可行性和有效性。系统模型及问题描述系统模型系统模型如图所示，模型中的基站由单个宏基站和一组微基站组成，宏基站位于小区中心，微基站的位置由密度为的齐次泊松点过程表征。宏基站与所有微基站共享相同的频谱资源，满负载情况下宏基站用户数与微基站用户总数相同。模型中的用户由宏基站用户、微基站用户和 用户组成。宏基站用户在宏小区随机分布，微基站用户在微基站通信范围内随机分布。用户由 发射端和 接收端组成，基站设置一个 通信限制区域，设备的位置在限制区域外部，通过强度为的泊松点过程来表征，链路复用蜂窝上行链路进行通信。图系统模型 假设小区使用正交频分多址技术，不同信道的用户之间不存在干扰。假设系统有个正交资源块，小区内三类设备用户的索引集分别由集合，、，、，表示。考虑 密集分布的通信场景，即。为了提高 用户的接入率，在保证蜂窝用户服务质量（，）的前提下，允许多个 链路复用同一个子信道资源，但 链路只能复用一个子信道资源，以此实现多对一的信道复用。假设系统的所有链路在同一时隙内，信道状态保持静态，且都经历了由多径衰落引起的快衰落和阴影衰落引起的慢衰落，信道增益具体公式为：，（）其中：为路径损耗常数，为指数分布的快衰落增益，为对数正态分布的慢衰落增益，为路径损耗指数，为设备之间的距离。假设系统为满负载状态，对等发现和链接建立已经完成，等待基站分配子信道以及基站是完美信道状态信息。本文中的 使用 模式，将接收到的 信号分为两个信号流：一个用于能量收集，一个用于信息解码。定义二进制变量，用户复用宏蜂窝用户的信道时，变量值为，未复用则为。宏蜂窝用户的信噪比（）为 ，（）其中：为宏蜂窝用户的发射功率，为微蜂第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月窝用户的发射功率，为 用户发射端的功率，为宏蜂窝用户到宏基站的信道增益，为微蜂窝用户到宏基站的信道增益，为 用户的发射端到宏基站的信道增益，为加性高斯白噪声功率，为 频带到基带的转换产生的噪声功率。微蜂窝用户的 为 ，（）其中：，为微蜂窝用户到所属微基站的信道增益，为宏蜂窝用户到微基站的信道增益，为 用户发射端到微基站的信道增益。用户的 为 （），（），（），其中：，为 用户发射端到其接收端的信道增益，为宏蜂窝用户到 用户接收端的信道增益，为微蜂窝用户到 用户接收端的 信 道 增 益，为 复 用 相 同 信 道 资 源 的 用户 发射端到用户接收端的信道增益，为 中能量收集的信号流所占的比例系数。由香农公式可知，系统中各用户的上行链路的吞吐量分别为 （），（）（），（）（）。（）开启 后，用户接收端能量收集的可用能量功率为（，），（）链路的总能耗为 ，（）其中：，为能量收集单元的转化效率，是 设备的电路功耗。问题描述研究的问题是：在异构蜂窝网络场景下，系统的蜂窝用户处于全负载，并且宏蜂窝用户和微蜂窝用户的信道已完成分配，在保证蜂窝用户 的约束下，通过将问题解耦为信道分配和功率控制两个相关联的子问题，以此实现系统中 链路层能量效率最大化。将 定义为吞吐量与设备总功耗之比。为了优化 链路层的能量效率，需要最大化单个 用户接入系统时所能实现的能量效率。优化问题 可表达为：，（），（），（），（），（），（），（），（）其中：式（）表示 链路发射功率的约束，是功率上限；式（）表示 功率分割系数范围；式（）、（）、（）表示各用户的速率约束，保证系统中的用户基本 ；式（）和式（）表示信道分配为规划问题，以及一对多的资源复用约束。显然，问题是一个混合整数非线性规划问题，计算所有可能的遍历结果会导致系统开销过大。求解思路是：将原问题拆解成子信道分配和功率控制两个子问题，功率控制通过调整 设备、的大小，以此影响 链路的 和能耗。信道分配则决定 用户所受到的干扰大小，功率控制的求解结果作为信道分配的依据。功率控制的优化问题本小节将处理 中的功率控制问题，通过联合优化与，求解优化问题，并将求解结果作为分配依据。针对 是一个难以求解的非凸分式规划问题，利用非线性分式规划方法，将问题 转化为非分式问题，其中约束条件（式（）和式（）通过信道分配策略提前满足，细节内容在节中论述。具体优化问题：，（）（）（）其中：。基于文献，可通过定理解决问题。定理当且仅当 时，实现最优，即 ，。定理将问题 与 联系起来，求解 即李陶深，漆治君，杜利俊，等 异构蜂窝网络中基于 的 资源分配算法研究可求解。将的初值设为较小的正值。有关定理的证明请参考文献。本文 使 用 拉 格 朗 日 对 偶 分 解 法 和 （）条件求解问题 。问题 所对应的拉格朗日表达式为：（，）（）（）（），（）其中：、为约束（）（）的拉格朗日乘子。由问题 及其拉格朗日表达式，可推得拉格朗日对偶优化问题：，（，）。（）命题当把视为固定值时，式（）对于变量来说是凸函数；当把视为固定值时，式（）对于变量来说同样是凸函数。证明为了证明命题，即拉格朗日表达式（）对变量、的凸性，需要根据拉格朗日函数式（，），分别求解关于、的二阶偏导，结果由式（）、（）所示。（）（）（）（），（）（）（）（），（）其中：，（）（）（），（），（）。由式（）和式（）可以看出，（），（）。当固定时，优化问题对于变量来说是凸函数；固定时，优化问题对于变量同样是凸函数，由此命题得证。证毕。基于命题，运用连续凸逼近方法（，）进行迭代求解，即固定，求解 局 部最 优，具 体 表达式 为式（）；然后将最优固定，求解局部最优，具体表达式为式（）；最后使用 条件求解方程式（）和（），以获得各自解的表达式。（，）。（）由方程式（），可得最优解的表达式为槡，（）其中：，（），（），（），（）（），（，）。（）由方程式（），可得最优解的表达式为（），（）其中：（），（，）。使用梯度算法实现拉格朗日乘子值的迭代，具体如下：（），（）（），（）（），（）其中：、是相关约束条件的迭代步长，拉格朗日乘子的迭代步长设为。综上所述，下面给出功率控制问题的最优发射功率和功率分割系数算法的具体步骤。算法：功率控制问题的最优发射功率和功率分割系数算法输入：伙伴集输出：，）初始化：，（），（），（），（），）将，（）代入式（），计算得到，（）将，（）代入式（），得到，（）将，（）代入式（），得到，（），（），（），（），（），（）第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月），（），（），（），（），（），（），（），（）根据式（）（）更新拉格朗日乘子），（），（），（）基于干扰图和功率控制的资源分配本文系统小区中，与 链路相关的干扰有以下三类：一是 发射端对宏基站和微小区基站的 干 扰；二是蜂 窝用 户对 复 用其上 行 资 源的 用户接收端造成干扰；三是复用同一子信道的 链路之间存在干扰。下面针对这三类干扰，建立相应的干扰管理策略。建立干扰图根据 用户与其他用户间的干扰关系，构建一个干扰图，作为信道分配的依据，以此减少系统内的干扰。干扰图可表示为（，），顶点集表示 链路和子信道，为 用户与信道之间的干扰边集合，用的矩阵来表示：，熿燀燄燅，（）矩阵中元素，表示 链路可以复用该信道；，则表示该 链路不满足条件，不能复用该信道。，的值由三种干扰确定，即，。三者皆是二进制变量，若不满足限制条件，则值为，反之则为；表示 用户对基站的干扰；表 示 蜂 窝 用 户 对 用 户 的 干 扰；表示同一信道中 用户间的相互干扰。当、的值皆为时，；其他情况则，。用户对基站的干扰 用户复用上行链路资源，会对基站的造成干扰，影响蜂窝用户的通信质量，为保证蜂窝用户的正常通信，本文设置 通信限制距离，即 链路复用信道资源时，不能让该信道内的蜂窝用户无法进行正常通信，故 发射端需要与各基站保持一定的安全距离，以此降低 链路造成的负面影响，保证蜂窝用户的服务质量。宏基站的通信限制距离由式（）和约束条件（）推导得到，微基站的通信限制距离同理可得，分别由式（）和式（）所示。，槡，（），槡，（），。因为不 同 信 道 内 的 蜂 窝 用 户 是 不 同 的，故和会根据信道的不同而不同，链路的发射端到基站的距离同时大于式（）和式（）定义的安全距离时，即当，并且，时，；反之。用户之间的干扰当多个 用户复用同一子信道时，相互之间会造成干扰，本文规定了同一信道 用户之间的距离阈值和 用户对信道内已存在的 用户造成的干扰阈值，以缓解 用户间的干扰，保证 用户的 。当信道已经存在对 用户时，用户想要复用该信道，用户与信道中的 用户间的距离阈值可由式（）求得，由式（）和式（）推导可得。（），（），（），（，）（，），（），槡，（），（），其中：，表示 用户复用信道。为保证信李陶深，漆治君，杜利俊，等 异构蜂窝网络中基于 的 资源分配算法研究道内的已经存在 用户的 ，用户所造成的同频干扰阈值为 ，（）（，）（）。（）当 用户对信道内的 用户造成的干扰小于阈值以及其接收端到信道内 发射端的距 离 大于距 离阈 值时，即，并且 ，时，满足复用条件。蜂窝用户对 用户的干扰为了避免蜂窝用户对 用户造成严重的同频干扰，本文的算法设定了蜂窝用户对将要复用其信道的 接收端造成干扰的阈值，以保证 用户的 。蜂窝用户造成的干扰阈值为，（），（）其中：为信道中已经存在的 用户造成的干扰。当蜂窝用户对想要复用该信道的 用户造成的干扰小于阈值时，说明蜂窝用户造成的同频干扰在合理范围，故，反之。综上所述，当 用户同时满足三种干扰的限制条件，用户才具备复用该子信道的条件，可以将该信道加入伙伴集。基于干扰图和功率控制的资源分配策略假设 用户访问系统请求分配资源的顺序是随机的，然后将信道分配问题转变为 用户的信道选择问题，即请求分配资源的 用户，根据当前系统状况，从候选集中选择能量效率最大的子信道进行复用。具体过程如下：初始化干扰图参数和三种干扰条件。将干扰图初始化为的零矩阵，根据蜂窝用户的信道增益、发射功率和信道复用情况等信息初始化干扰条件的阈值。：生成 用户的伙伴集 并计算。当 用户遍历所有信道，根据干扰图的三种干扰条件，判断 用户是否符合复用当前信道的条件。若符合，则将该信道加入 用户的伙伴集 中，并根据算法，计算复用该信道时，所能实现的。假如伙伴集 为空，则表示该 用户接入蜂窝系统失败。：用户的信道选择。用户选择其伙伴集中 最大的信道，若该信道已存在其他 用户，则跳转 ；否则将该信道作为复用的信道，更新干扰图，返回 ，继续为下一位 用户分配资源，直至所用 用户完成分配。：一对多优化。若信道中已存在的 用户，且用户满足复用条件，根据用户的发射功率，更新信道内 设备的干扰信息，然后信道中的 设备，根据新的干扰信息，使用算法重新计算发射功率和功率分割系数，最后更新干扰图，返回 ，继续为下一位 用户分配资源。仿真实验与结果分析根据现有仿真实验的研究方法，采用 作为仿真平台，使用蒙特卡洛法反复实验 次，实验结果取平均值，验证所提出算法的优越性和可靠性。实验参数如下：蜂窝小区半径为 ，宏蜂窝用户数和微蜂窝用户数各为 个，用户数为 对，蜂窝用户发射功率为 ，用户最大发射功率为 ，蜂窝用户最低信干噪比为，用户最低信干噪比为，用户最大通信距离为，路径损耗常数，路径损耗指数，快衰落设置为均值为的指数分布，慢衰落设置为标准差为 的对数正态分布，。为了验证本文策略的优越性和可靠性，实验模拟了不同资源分配算法下，每个 链路取得最大能 量 效 率 的 累 积 分 布 函 数（，）。该实验将本文算法与随机算法、未使用 功率控制的本文算法进行比较，实验结果如图所示，其中能量转化率设置为。由图可知，相较于随机算法，本文算法的能量效率的最大值提升了 ，均值提升了 ，而且基于 的功率控制能够有效提升 链路层的能量效率，数值提升了 。为了分析 用户数量对算法的影响，第二个实验通过设置不同的 用户数，对比各算法所能实现最优能量效率之和，以及 链路的系统接入率对比实验。实验结果如图图所示。从图可看出，随着系统中 用户数量的增加，三种算法间的差距逐渐加大。当 用户数为 时，与随机算法相比较，本文算法的能量效率提高很大，因为功率控制可帮助信道分配算法进一步提升 链路的能量效率。第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月图不同方案下的最优能量效率 图不同 用户数下的 链路能量效率之和 图不同 用户数下的各算法接入率对比 图显示了不同 用户下，各算法 系统接入率的实验结果。由图可知，用户数量的增多对本文算法影响并不是很大，仅出现轻微的波动，系统接入率一直保持较高水平。从图中可看到，提高 发射功率可提升链路的系统接入率。这是因为发射功率较小时，链路造成的干扰远小于干扰阈值，故提高最大发射功率可提升接入率。但是实验结果也表明，增加发射功率对于 链路接入率的提升是有限的。综合以上的实验结果分析，本文算法适用于多对一的复用方式，能够在保证移动设备 的同时，提高 链路的能量效率和系统接入率。图不同发射功率限制下 链路最小吞吐量限制对接入率的影响 第三个实验用于观察和分析不同大小的信道增益对 链路是否启用 产生的影响，即启用 的 链路的信道增益存不存在共同特性，实验结果如图、图所示。实验中，链路的信道增益值的区间为 ，蜂窝设备到 接收端的信道增益值的区间为 。图 启用 与其链路信道增益的关系 李陶深，漆治君，杜利俊，等 异构蜂窝网络中基于 的 资源分配算法研究图不同信道增益区间中 用户对的数量图 从实验结果来看，链路启用 后，其发射端到接收端需要较好的信道增益，且比其他设备对其接收端造成干扰的信道增益至少要大 个的数量级。当能量收集的收益较低时，只需要调整 设备的发射功率，就可以提高能量效率。结束语针对蜂窝系统中 通信带来的干扰问题，提出了一种基于 的 通信的干扰管理和资源分配策略。首先，该策略根据系统中的信道信息建立一个由三种干扰条件决定的干扰图；然后，用户采用基于 的功率控制算法求解复用该信道时所能实现的最大能量效率；最后，选取能实现最大能量效率的信道，并根据功率控制算法调整发射端的发射功率和功率分割系数，更新干扰图信息。仿真结果证明，本文策略能有效扩充系统用户容量，明显提高了 用户接入率、链路以及链路整体的能量效率。参考文献：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：责任编辑：郭红建第 卷第期信阳师范学院学报（自然科学版）：年月