基于不完美CSI的D2D通信網(wǎng)絡(luò)魯棒能效資源分配算法

徐勇軍 谷博文 楊 洋* 吳翠先 陳前斌 盧光躍

①(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)

②(西安郵電大學(xué)陜西省信息通信網(wǎng)絡(luò)及安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710121)

1 引言

設(shè)備與設(shè)備(Device-to-Device,D2D)通信技術(shù)通過復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源已成為一種新的分布式、協(xié)作通信方式[1–3]。該通信技術(shù)可以允許終端設(shè)備在沒有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的情況下，利用宏蜂窩小區(qū)頻譜資源完成終端之間直接通信任務(wù)，是一種有效提高頻譜效率、減小網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)的新技術(shù)。D2D技術(shù)的引入，使得原本基于頻譜共享的認(rèn)知無線電動(dòng)態(tài)資源分配變得更加復(fù)雜。另外，D2D技術(shù)的引入同時(shí)也導(dǎo)致同頻干擾與用戶間干擾增加。因此，如何設(shè)計(jì)有效的資源分配算法對提升D2D網(wǎng)絡(luò)通信性能至關(guān)重要[4,5]。

目前，關(guān)于動(dòng)態(tài)資源分配的研究主要集中在速率、能效提升兩個(gè)方面。具體來講，認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)技術(shù)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測頻譜利用情況，并通過頻譜共享方式機(jī)會(huì)式接入到主用戶頻譜，從而極大提高了無線頻譜資源的利用率[6,7]。因此，認(rèn)知無線電與D2D通信結(jié)合成為基于認(rèn)知協(xié)作的新型通信方式，可以有效地復(fù)用蜂窩用戶頻譜，獲得較好的信道復(fù)用增益，是未來第5代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[8]利用博弈論研究了全負(fù)載多復(fù)用D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)下功率分配問題。文獻(xiàn)[9]利用幾何注水方法研究了D2D用戶總速率最大的資源分配問題，來降低算法計(jì)算復(fù)雜度。針對能量收集輔助的認(rèn)知D2D網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[10]通過聯(lián)合優(yōu)化功率分配、信道分配、用戶配對來實(shí)現(xiàn)D2D用戶總吞吐量最大。針對認(rèn)知多播D2D網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[11]研究了總系統(tǒng)容量最大的聯(lián)合信道分配和功率控制策略，來減小蜂窩網(wǎng)絡(luò)對D2D用戶分簇組的干擾。考慮基站和D2D協(xié)同接入模式下，文獻(xiàn)[12]利用了進(jìn)化論的方法來實(shí)現(xiàn)D2D用戶的資源分配，使得總用戶數(shù)據(jù)速率最大。針對認(rèn)知D2D全雙工通信網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[13]提出了D2D用戶速率最大化的功率分配算法，提高了傳輸速率和頻譜效率。針對多天線基站的認(rèn)知D2D融合網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[14]利用序列分式規(guī)劃方法研究了能效最大的資源分配問題。針對相同的優(yōu)化目標(biāo)，文獻(xiàn)[15]利用博弈論和匹配理論來聯(lián)合優(yōu)化傳輸功率和用戶信道復(fù)用模式。

但上述工作沒有考慮實(shí)際場景的參數(shù)不確定性對資源分配與系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)也缺少兼顧子信道分配及用戶服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)的需求。由于感知誤差、量化誤差、信道時(shí)延的影響，假設(shè)系統(tǒng)參數(shù)信息完美已知是不切實(shí)際的。因此，傳統(tǒng)資源分配算法無法保障系統(tǒng)的魯棒性和用戶的QoS。因此本文在已有研究基礎(chǔ)上，提出了一種基于用戶QoS保護(hù)的D2D網(wǎng)絡(luò)魯棒資源分配算法。具體內(nèi)容為：

(1)考慮每個(gè)D2D用戶的最小速率需求約束，蜂窩用戶最大容忍干擾功率約束，資源塊分配約束，建立D2D用戶總能效最大的聯(lián)合功率控制和子信道分配的資源分配模型。基于有界信道不確定性，獲得對應(yīng)的魯棒資源分配模型。該模型是一個(gè)含有整數(shù)規(guī)劃的非凸優(yōu)化問題，很難直接獲得解析解。(2)基于最壞準(zhǔn)則方法，將魯棒最小速率約束和最大干擾約束轉(zhuǎn)換為凸約束條件。并結(jié)合變量松弛方法將原問題轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題。利用拉格朗日對偶理論求得資源分配的解析解。(3)仿真結(jié)果表明，本文提出的算法可以有效保障用戶的QoS，具有較好的魯棒性和能效。

2 系統(tǒng)模型

為了提高頻譜利用率，本文考慮下墊式頻譜共享模式，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中含有1個(gè)蜂窩基站，M個(gè)蜂窩用戶和N對D2D用戶對進(jìn)行通信，其中D2D用戶集合定義為n ∈{1,2,···,N}。為了減小用戶間的共道干擾，采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的方式共享頻譜資源?；窘o每個(gè)蜂窩用戶分配1個(gè)正交的子信道，定義子信道集合為m∈{1,2,···,M}。

圖1 多用戶D2D通信網(wǎng)絡(luò)

假設(shè)每個(gè)子信道由1個(gè)蜂窩用戶占用，若D2D用戶對n占用第m個(gè)子信道，則第n個(gè)D2D用戶接收機(jī)的信干噪比為

為了使得D2D用戶接入到網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)頻譜共享的同時(shí)，不影響蜂窩用戶的正常通信質(zhì)量，需要滿足如式(3)的干擾功率約束

因此，考慮每個(gè)D2D用戶的基本通信質(zhì)量前提條件下的能效最大化優(yōu)化問題為

3 魯棒資源分配算法

3.1 魯棒問題描述

由于無線通信系統(tǒng)固有的隨機(jī)性和信道反饋時(shí)延，完美的信道狀態(tài)信息難以獲得。因此，實(shí)際信道增益可以用式(5)的加性不確定性模型[16]描述

3.2 凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化

根據(jù)最壞情況準(zhǔn)則與信道不確定性集合式(6)的定義，可以得到

3.3 閉式解求解過程

由于問題式(17)目標(biāo)函數(shù)為分式形式，該問題仍然是一個(gè)非凸問題。因此，基于Dinkelbach法[20]，該分式規(guī)劃問題可轉(zhuǎn)換為

3.4 計(jì)算復(fù)雜度和魯棒性分析

算法1 基于次梯度的魯棒資源分配算法

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 本文算法性能分析

圖2 D2D用戶傳輸功率收斂性能

圖3 不同信道估計(jì)誤差下，蜂窩用戶接收的實(shí)際干擾功率

圖4 D2D用戶總速率與D2D用戶數(shù)量的關(guān)系

圖5 D2D用戶總能效與信道不確定性的關(guān)系

4.2 算法對比性能分析

本節(jié)將通過與現(xiàn)有算法比較，以驗(yàn)證本文所提算法的性能。為方便仿真展示，將本文提出的魯棒資源分配算法描述為“本文算法”。將文獻(xiàn)[9]中基于完美信道狀態(tài)信息，同時(shí)考慮了傳輸功率約束、干擾功率約束和最小速率約束的速率最大化算法描述為“文獻(xiàn)[9]算法”。將文獻(xiàn)[23]中考慮了傳輸功率和干擾約束的最壞情況準(zhǔn)則魯棒資源分配算法描述為“文獻(xiàn)[23]算法”。將文獻(xiàn)[24]中基于完美信道狀態(tài)信息，考慮了傳輸功率約束、最小速率約束的能效最大化算法描述為“文獻(xiàn)[24]算法”。最小速率低于最小速率門限，在實(shí)際通信系統(tǒng)中可能會(huì)引起通信中斷。由于本文算法在考慮了最小速率約束并對其引入了魯棒性設(shè)計(jì)，保證了D2D用戶的服務(wù)質(zhì)量。能夠滿足干擾功率約束，以保障蜂窩用戶的服務(wù)質(zhì)量。

圖6 D2D用戶總速率與最大傳輸功率的關(guān)系

圖7 D2D用戶總能效與最大傳輸功率的關(guān)系

圖8 D2D用戶最小速率與信道不確定性上界 的關(guān)系

圖9 蜂窩用戶干擾功率與信道不確定性上界的關(guān)系

5 結(jié)論

本文針對D2D網(wǎng)絡(luò)多用戶復(fù)用蜂窩用戶時(shí)無法克服信道不確定性影響的問題，研究了下墊式頻譜共享模式下的魯棒能效最大化資源分配問題。首先，考慮了共道干擾與用戶服務(wù)質(zhì)量約束，建立了多用戶D2D網(wǎng)絡(luò)能效最大化資源分配模型?？紤]D2D鏈路和蜂窩用戶與D2D用戶鏈路之間有界信道增益不確定性的影響，將多變量耦合的、不確定的魯棒資源分配問題轉(zhuǎn)換為確定性的、凸優(yōu)化問題求解。利用拉格朗日對偶原理獲得資源分配的解析解。最后，該方案能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。