面向全双工D2D通信的电力设备发送功率优化方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化方法，还涉及一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化装置。

背景技术

随着无线移动通信的快速发展，人们对于宽带资源的需求日益增长，然而，无线电频谱作为一种不可再生的稀缺资源，其供给非常有限且频谱资源的利用率不高，在此背景下，设备到设备(D2D)通信技术应运而生。

设备到设备(D2D)技术允许相邻的设备直接通信，而不依赖基站的参与，具有速率快、延迟小、覆盖广等特点，对泛在电力物联网等智能电网应用的发展将至关重要。

在现有的D2D传输方案中，电力设备采用最大功率来发送信号，尽管这样会有更低的传输时延，但由于同频传输技术的特性，当基站范围内的设备较多时，将会对蜂窝用户造成较大影响，同时对能量的消耗也较大。而且当蜂窝用户与两个电力设备的距离差较大时，全双工D2D传输和上行链路同时同频传输产生的同频干扰，会严重影响电力设备的时延对称性，进而影响到智能电网的运行效率和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化方法，要解决的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案。

第一方面，本发明提供了一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化方法，所述全双工D2D通信系统包括基站BS、蜂窝用户U、以及电力设备

获取用户U到电力设备

考虑电力设备

可选地，所述计算电力设备

电力设备

其中，

根据公式（1），电力设备

其中，

电力设备

其中，

根据公式（4），电力设备

其中，

因此， 根据公式（3）和公式（6）知电力设备

则电力设备

其中，

可选地，所述考虑电力设备

电力设备

其中，

基于信道小尺度衰落的随机性，考虑将信道的统计特性作为约束：

其中，E{}代表均值，即统计特性；公式（13）、（14）是经过公式（9）-（12）推导得到的；

由于D2D通信频段与蜂窝通信频段相同，基站BS接收信号

其中，

根据公式（15），基站BS处的接收信干噪比SINR可表示为：

为了不影响蜂窝通信质量，限定基站BS处的接收信干噪比应不小于阈值

即：

基于信道小尺度衰落的随机性，考虑将信道的统计特性作为约束：

另外，由于电力设备发送功率限制，限制条件

其中，

基于上述考虑，构造面向全双工D2D通信时延对称的功率优化问题如下：

其中，

可选地，所述求解目标获得电力设备

将优化目标改写为

对两个子优化函数，分别采用一维搜索获取初始可行解；

根据初始可行解利用CVX工具包进行迭代，对两个子问题独立求解；

比较两个子优化函数迭代后的目标函数最优值，并取其中较小者为整体最优解，此目标函数最优值对应的电力设备

可选地，所述两个子优化问题分别为：

当

鉴于目标函数是典型的双凸优化问题，将使用一阶泰勒展开公式将非凸问题转为凸问题；具体地，将

其中，

当

以上两个优化函数即为两个子优化问题。

第二方面，本发明还提供了一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化装置，所述全双工D2D通信系统包括基站BS、蜂窝用户U、以及电力设备

通信时延计算模块，用于获取用户U到电力设备

发送功率优化模块，用于考虑电力设备

此装置中各模块的具体实现方案与上述方法的各步骤处理过程相同，此处不再重复描述。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：基于全双工D2D传输和上行链路同时同频传输产生同频干扰的条件下，通过优化电力设备的发送信号功率，显著减小了全双工D2D传输数据时延差。

附图说明

图1为本发明实施例的一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化方法的系统模型图；

图2为本发明实施例的一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化方法的流程示意图；

图3为全双工D2D信息交互D

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，在本发明实例的系统模型中，全双工D2D通信系统包括基站(BaseStation, BS)、蜂窝用户U、以及电力设备

本发明实施例提供了一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化方法，如图2所示，该优化方法包括以下步骤：

步骤A：获取用户U到基站BS、获取用户U到电力设备

对于电力设备间的全双工D2D信息交互链路以及蜂窝用户与电力设备间的信息干扰链路，本发明考虑由路径损耗和小尺度衰落作为信道参数的信道模型，即两个设备间的信道参数通用表达式为

例如，

电力设备

其中，

根据公式（1），电力设备

其中，

电力设备

其中，

根据公式（4），电力设备

其中，

因此， 根据公式（3）和公式（6）知电力设备

则电力设备

其中，

步骤B：考虑电力设备

考虑到智能电网业务对信息传输时延有较高的要求，基于此，对电力设备

其中，

基于信道小尺度衰落的随机性，考虑将信道的统计特性作为约束：

其中，E{}代表均值，即统计特性；公式（13）（14）是经过公式（9）（10）（11）（12）推导得到的；

由于D2D通信频段与蜂窝通信频段相同，基站BS接收信号

其中，

根据公式（15），基站BS处的接收信干噪比SINR可表示为：

为了不影响蜂窝通信质量，限定基站BS处的接收信干噪比应不小于阈值

即：

基于信道小尺度衰落的随机性，考虑将信道的统计特性作为约束：

另外，由于电力设备发送功率限制，限制条件

其中，

基于上述考虑，构造面向全双工D2D通信时延对称的功率优化问题如下：

其中，

步骤C：设计一种优化算法，通过优化电力设备

对于限制条件

可得：

考虑到问题的复杂性，将优化问题改写为两个子优化问题。这两个子问题代表在两种不同的限制条件（

两个子优化问题分别为：

当

下面以第一个子优化问题为例（即

其中，

当

以上两个优化函数即为两个子优化问题。对于此问题，设计一种迭代优化算法并利用CVX软件包对凸问题（两个子问题）进行求解，求解得到最优时延差。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

本实施例通过MATLAB仿真实现，在仿真中设定无线信道相互独立，信道服从瑞利衰落。设置D2D通信的设备间距离为[100,300]米，设备任务量大小

本实施例的方法流程如图2所示：

1）获取各设备间的信道增益，基于系统模型建立D2D通信设备时延差的优化函数；

2）考虑到优化函数的复杂性，将优化函数分解为两个子优化函数，并分别采用一维搜索（遍历整个可行域，找到一个可行解即停止遍历）获取初始可行解；

3）根据初始可行解利用CVX工具包进行迭代，两个子问题独立求解；

4）若满足收敛准则，则迭代结束。否则使用求得的

5）比较两个子优化函数迭代后的目标函数最优值，并取其中较小者为整体最优解，此目标函数最优值对应的电力设备的功率为最优发送功率。

本发明的有益效果为：通过对电力设备的发送功率进行优化，显著提升了电力设备间进行D2D信息交互的时延对称性。

实施例2

基于与实施例1同样的发明构思，本发明的一种面向全双工D2D通信时延对称的电力设备发送功率优化装置，所述全双工D2D通信系统包括基站BS、蜂窝用户U、以及电力设备

通信时延计算模块，用于获取用户U到电力设备

发送功率优化模块，用于考虑电力设备

可选的，所述通信时延计算模块中，所述计算电力设备

电力设备

其中，

根据公式（1），电力设备

其中，

电力设备

其中，

根据公式（4），电力设备

其中，

因此， 根据公式（3）和公式（6）知电力设备

则电力设备

其中，

可选的，所述发送功率优化模块中，所述考虑电力设备

电力设备

其中，

基于信道小尺度衰落的随机性，考虑将信道的统计特性作为约束：

其中，E{}代表均值，即统计特性；公式（13）（14）是经过公式（9）（10）（11）（12）推导得到的；

由于D2D通信频段与蜂窝通信频段相同，基站BS接收信号

其中，

根据公式（15），基站BS处的接收信干噪比SINR可表示为：

为了不影响蜂窝通信质量，限定基站BS处的接收信干噪比应不小于阈值

即：

基于信道小尺度衰落的随机性，考虑将信道的统计特性作为约束：

另外，由于电力设备发送功率限制，限制条件

其中，

基于上述考虑，构造面向全双工D2D通信时延对称的功率优化问题如下：

其中，

可选地，所述发送功率优化模块中，所述求解目标获得电力设备

将优化目标改写为

对两个子优化函数，分别采用一维搜索获取初始可行解；

根据初始可行解利用CVX工具包进行迭代，对两个子问题独立求解；

比较两个子优化函数迭代后的目标函数最优值，并取其中较小者为整体最优解，此目标函数最优值对应的电力设备

所述两个子优化问题分别为：

当

鉴于目标函数是典型的双凸优化问题，将使用一阶泰勒展开公式将非凸问题转为凸问题；具体地，将

其中，

当

以上两个优化函数即为两个子优化问题。

本发明装置的各模块实现方案参见上述实施例1方法的各步骤处理过程。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。