本發(fā)明涉及無線通信d2d能量捕獲領(lǐng)域，具體為一種能量捕獲d2d網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)模式選擇與能量分配方法。

背景技術(shù)：

近年來，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)與智能終端飛速發(fā)展，各類新業(yè)務(wù)與服務(wù)創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，隨之而來的是急速增長(zhǎng)的能量消耗。在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通常使用電池等固定的能量裝置作為供能來源，然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境過于復(fù)雜時(shí)，給節(jié)點(diǎn)更換電池或?yàn)殡姵爻潆姶嬖诶щy，因此能量限制成為影響無線網(wǎng)絡(luò)生命周期和性能的關(guān)鍵因素。在此情況下能夠通過物理或化學(xué)方式從自然環(huán)境中的風(fēng)能、太陽能、射頻能量等為較低功耗的節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行供能的能量捕獲(energyharvesting，eh)技術(shù)開始凸顯其優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，為降低空口資源的占用、提高系統(tǒng)吞吐率、減小通信延時(shí)、節(jié)省終端功率，局部范圍內(nèi)的短距離直接通信服務(wù)成為一種流行趨勢(shì)，其中設(shè)備對(duì)設(shè)備(devicetodevice,d2d)通信便是一種典型的短距離直接通信方式。根據(jù)d2d通信的短距特性，則其所需功率較小，因而采用能量捕獲對(duì)其進(jìn)行無線供電的方式是合理而具有實(shí)用價(jià)值的。

在d2d通信中最主要的研究問題為資源控制。由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)引入d2d通信將帶來通信鏈路之間的干擾，因此干擾協(xié)調(diào)是蜂窩網(wǎng)絡(luò)d2d通信中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，而資源控制則是進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)的重要方式。資源控制主要包括模式選擇、資源分配和功率控制三個(gè)方面：

1、模式選擇：d2d用戶對(duì)需要與傳統(tǒng)蜂窩用戶共享時(shí)頻資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)資源共享的方式，用戶可從以下兩種模式中進(jìn)行選擇：

(1)正交模式：d2d用戶對(duì)使用和傳統(tǒng)蜂窩用戶正交的資源在d2d直通鏈路上進(jìn)行通信。

(2)復(fù)用模式：d2d用戶對(duì)復(fù)用傳統(tǒng)蜂窩用戶的資源在d2d直通鏈路上進(jìn)行通信，在此情況下，資源利用效率較高，但d2d鏈路與蜂窩鏈路互為干擾。

2、資源分配：合理分配時(shí)頻資源，保證資源利用與干擾控制間的平衡，實(shí)現(xiàn)較好的性能增益。

3、功率控制：根據(jù)信道環(huán)境、用戶位置等的變化進(jìn)行功率調(diào)整，有效地降低鏈路間的相互干擾，提升系統(tǒng)性能。

目前有關(guān)于能量捕獲d2d網(wǎng)絡(luò)中資源控制問題的解決方案還較少，主要有jianfengding等人針對(duì)于上行鏈路蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基于能量捕獲的d2d通信，在保證蜂窩及d2d鏈路的qos的條件下最小化系統(tǒng)的總能量消耗成本對(duì)用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜帶寬分配；zhenyuzhou等在多對(duì)d2d與多個(gè)蜂窩用戶共存的網(wǎng)絡(luò)中，以最大化用戶能效為目標(biāo)將離線功率分配問題建模為在有限范圍上的非合作博弈，并通過非線性分?jǐn)?shù)規(guī)劃和拉格朗日對(duì)偶分解迭代求解低復(fù)雜度功率分配算法；shrutigupt等根據(jù)能量的因果性，在能量到達(dá)先驗(yàn)信息是否已知的兩種場(chǎng)景下，通過最大化滿足蜂窩用戶qos限制的d2d鏈路的速率進(jìn)行d2d用戶與蜂窩用戶的資源配對(duì)及功率控制，分別利用傳統(tǒng)拉格朗日乘子法及動(dòng)態(tài)規(guī)劃給出離線及在線兩種聯(lián)合優(yōu)化算法。據(jù)調(diào)研，目前還沒有針對(duì)能量捕獲d2d網(wǎng)絡(luò)中模式選擇的研究和探討。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種能量捕獲d2d網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)模式選擇與能量分配方法，根據(jù)不同信道條件及捕獲能量狀態(tài)，利用給定門限為用戶選擇不同的資源復(fù)用模式并結(jié)合過去已知信道信息構(gòu)造效用指標(biāo)，依據(jù)效用指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的能量分配和功率分配。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于能量捕獲的d2d模式選擇與能量分配方法，包括以下步驟：

步驟一，在每個(gè)傳輸階段開始前，基站隨機(jī)為小區(qū)內(nèi)的已建立連接的每一個(gè)d2d用戶對(duì)分配一個(gè)蜂窩用戶作為資源共享對(duì)象，配對(duì)后的一個(gè)d2d用戶對(duì)與一個(gè)蜂窩用戶共享相同資源，給定d2d用戶對(duì)選擇的信噪比門限值并將整個(gè)傳輸階段劃分為k個(gè)等長(zhǎng)的傳輸時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為τ；初始化時(shí)隙數(shù)i＝0；能量到達(dá)初始狀態(tài)e0＝0以及d2d用戶初始發(fā)送功率p0＝0；其中，k為正整數(shù)；

步驟二，令i＝i+1，d2d發(fā)送用戶計(jì)算當(dāng)前第i個(gè)時(shí)隙可用的最大能量值結(jié)合給定門限依據(jù)模式選擇準(zhǔn)則在復(fù)用和正交兩種模式中選擇當(dāng)前第i個(gè)傳輸時(shí)隙所采用的資源共享模式；

步驟三，在選定的模式下動(dòng)態(tài)地為當(dāng)前第i個(gè)時(shí)隙分配可用能量，并對(duì)用戶進(jìn)行功率控制；

步驟四，用戶利用步驟三所得功率控制結(jié)果進(jìn)行第i個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)發(fā)送；

步驟五，重復(fù)步驟二至四，直至i＞k，即k個(gè)時(shí)隙傳輸階段結(jié)束；完成一個(gè)d2d用戶對(duì)基于能量捕獲的d2d模式選擇，以及其所有時(shí)隙的能量分配；重復(fù)步驟一到五，依次為每個(gè)d2d用戶對(duì)完成能量分配。

優(yōu)選的，所述步驟二中，第i個(gè)時(shí)隙可用的最大能量值的具體計(jì)算方法如下：

其中，i＝1,2,3,…,k，ei(i＝1,2,…,k)表示第i個(gè)時(shí)隙開始時(shí)到達(dá)的能量，為第i-1個(gè)時(shí)隙d2d用戶發(fā)送功率。

優(yōu)選的，所述步驟二中，第i(i＝1,2,…,k)個(gè)時(shí)隙發(fā)送用戶的模式選擇準(zhǔn)則如下：

當(dāng)時(shí)，選擇復(fù)用模式；否則選擇正交模式；

其中，σ²為噪聲功率，表示第i個(gè)時(shí)隙d2d發(fā)送用戶和相應(yīng)接收用戶間的包含路徑損耗和小尺度衰落的信道系數(shù)。

優(yōu)選的，所述步驟二中，所述的給定門限通過下式給出，

其中，為每時(shí)隙d2d用戶對(duì)平均捕獲能量，分別為d2d用戶對(duì)間、蜂窩用戶與d2d接收用戶、d2d發(fā)送用戶與基站以及蜂窩用戶和基站間的信道系數(shù)模平方的統(tǒng)計(jì)分布平均值，為蜂窩鏈路最低傳輸速率。

優(yōu)選的，所述步驟三中，動(dòng)態(tài)能量分配的具體方法如下：

第一步，初始化用戶信道系數(shù)模平方的均值用于存儲(chǔ)每個(gè)時(shí)隙復(fù)用信道效用情況的向量用于存儲(chǔ)每個(gè)時(shí)隙正交信道效用情況的向量平均復(fù)用信道效用和平均正交信道效用

當(dāng)i＝1時(shí)，執(zhí)行第二步；

當(dāng)i≠1時(shí)，直接跳至第三步執(zhí)行；

第二步，計(jì)算第一個(gè)時(shí)隙的復(fù)用信道效用和正交信道效用并保存，若第一個(gè)時(shí)隙d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶選擇復(fù)用模式，則分配給第一個(gè)時(shí)隙的可用能量為

若第一個(gè)時(shí)隙用戶選擇正交模式，分配給第一個(gè)時(shí)隙的可用能量為

第三步，計(jì)算第i(i＝2,3,…k)個(gè)時(shí)隙復(fù)用信道效用和正交信道效用并保存，若第i個(gè)時(shí)隙d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶選擇復(fù)用模式，則分配給第i個(gè)時(shí)隙的可用能量為

其中表示前i-1個(gè)時(shí)隙復(fù)用信道效用的平均值；

若第i個(gè)時(shí)隙用戶選擇正交模式，則分配給第i個(gè)時(shí)隙的可用能量為

其中表示前i-1個(gè)時(shí)隙正交信道效用的平均值。

優(yōu)選的，所述步驟三中，用戶功率控制的具體方法如下：

所述用戶功率控制問題描述為：

0≤αi≤1(11)

其中，和表示蜂窩用戶和d2d用戶對(duì)在第i個(gè)時(shí)隙的傳輸速率，和為蜂窩用戶和d2d發(fā)送用戶在第i個(gè)時(shí)隙的發(fā)送功率，為蜂窩鏈路最低傳輸速率，為蜂窩用戶最大發(fā)送功率，αi為第i個(gè)時(shí)隙選擇正交模式時(shí)的資源分配比例；式(8)表示蜂窩鏈路在傳輸速率需滿足最低傳輸速率要求，式(9)和(10)分別表示蜂窩用戶和d2d用戶對(duì)的發(fā)送功率限制條件；

當(dāng)d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶選擇正交模式時(shí)，用戶發(fā)送功率及資源分配比例為，

當(dāng)d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶選擇復(fù)用模式時(shí)，用戶發(fā)送功率按照如下情況給出；

i.當(dāng)時(shí)，定義此時(shí)可行域范圍的兩個(gè)非零邊界點(diǎn)處的用戶傳輸速率和分別為，

則用戶發(fā)送功率為

ii.當(dāng)時(shí)，定義此時(shí)可行域范圍的三個(gè)非零邊界點(diǎn)處的用戶傳輸速率和分別為

和

則用戶發(fā)送功率為

優(yōu)選的，所述方法用于利用能量捕獲進(jìn)行供能的d2d與電池供電用戶共存的蜂窩系統(tǒng)；所述系統(tǒng)中基站為小區(qū)中的每個(gè)蜂窩用戶分配相互正交的子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，d2d用戶則通過與蜂窩用戶共享其上行鏈路資源實(shí)現(xiàn)通信，一對(duì)d2d用戶對(duì)只能夠分享一個(gè)蜂窩用戶的資源，同時(shí)一個(gè)蜂窩用戶的資源也只能夠被一對(duì)d2d用戶對(duì)復(fù)用。

進(jìn)一步，所述的能量捕獲為從環(huán)境中捕獲太陽能、風(fēng)能、熱電能量、機(jī)械運(yùn)動(dòng)能量以及電磁輻射能量。

優(yōu)選的，所述的蜂窩用戶包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)終端，以及與基站進(jìn)行通信的具有蜂窩用戶授權(quán)頻段使用權(quán)限的其他通信終端；d2d用戶包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)終端，以及依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻段進(jìn)行通信的物聯(lián)網(wǎng)和/或傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其他通信終端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供了一種能量捕獲的d2d網(wǎng)絡(luò)中用戶資源共享模式選擇和能量分配的方法，在僅知曉因果的，即當(dāng)前時(shí)刻及之前的能量到達(dá)與信道狀態(tài)信息的情況下，利用信噪比門限在不同的信道條件以及能量狀態(tài)下為用戶動(dòng)態(tài)地選擇資源復(fù)用模式，并結(jié)合當(dāng)前與過去已獲知的信道信息構(gòu)建效用指標(biāo)，依據(jù)效用指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行在線的能量分配及功率控制。本發(fā)明聯(lián)合考慮了能量波動(dòng)以及信道變化對(duì)于用戶傳輸速率的影響，結(jié)合過去已知的狀態(tài)信息，擇優(yōu)選取發(fā)送策略，較好地實(shí)現(xiàn)了能量的動(dòng)態(tài)使用，提升系統(tǒng)性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)例中所述能量捕獲d2d網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)例中所述網(wǎng)絡(luò)鏈路模型圖。

圖3為蜂窩用戶位置固定，隨著d2d用戶對(duì)移動(dòng)下本發(fā)明實(shí)例中所述方案與單模式及最大化當(dāng)前時(shí)隙速率方案的對(duì)比曲線圖。

圖4為蜂窩用戶與d2d用戶對(duì)位置均固定，隨著d2d用戶對(duì)間距離改變本發(fā)明實(shí)例中所述方案與單模式及最大化當(dāng)前時(shí)隙速率方案的對(duì)比曲線圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)例中所述方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明針對(duì)通過能量捕獲進(jìn)行供能的d2d與傳統(tǒng)的電池供電用戶共存的蜂窩系統(tǒng)，提出一種動(dòng)態(tài)的用戶資源復(fù)用模式選擇和能量分配的方法。該方法利用信噪比門限在不同的信道條件以及能量狀態(tài)下為用戶動(dòng)態(tài)地選擇資源復(fù)用模式，并結(jié)合當(dāng)前與過去已獲知的信道信息構(gòu)建效用指標(biāo)，依據(jù)效用指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行在線的能量分配及功率控制。本發(fā)明中所述的蜂窩用戶不僅局限于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)終端，還包括與基站進(jìn)行通信的具有蜂窩用戶授權(quán)頻段使用權(quán)限的其他通信終端，而d2d用戶則包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)終端以及依賴于蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻段進(jìn)行通信的物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其他通信終端。

本發(fā)明中考慮一個(gè)蜂窩用戶與d2d用戶共存的單小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，基站位于小區(qū)中心，多個(gè)蜂窩用戶隨機(jī)均勻分布在小區(qū)內(nèi)，d2d用戶則以成對(duì)的方式隨機(jī)均勻存在于小區(qū)中。假定基站為小區(qū)中的每個(gè)蜂窩用戶分配相互正交的子信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而d2d用戶對(duì)則通過與蜂窩用戶共享其上行鏈路資源實(shí)現(xiàn)通信，假設(shè)一個(gè)d2d用戶對(duì)只能夠分享一個(gè)蜂窩用戶的資源，同時(shí)一個(gè)蜂窩用戶的資源也只能夠被一個(gè)d2d用戶對(duì)復(fù)用，即各個(gè)蜂窩用戶與基站間的傳輸過程是相互獨(dú)立的，各d2d用戶對(duì)間的傳輸是相互獨(dú)立的。因而，干擾只存在于復(fù)用相同資源的蜂窩用戶和d2d用戶對(duì)間，而各蜂窩鏈路間不存在干擾，各d2d鏈路間也不存在干擾。因?yàn)閐2d對(duì)之間沒有相互干擾，因此本專利將功率分配模型簡(jiǎn)化為考慮需要共享相同資源的一個(gè)d2d用戶對(duì)和一個(gè)蜂窩用戶之間進(jìn)行，在多個(gè)d2d對(duì)時(shí)逐一進(jìn)行本專利所提出的能量分配方案。系統(tǒng)鏈路如圖2所示。此外，d2d用戶利用能量捕獲技術(shù)從環(huán)境中捕獲太陽能、風(fēng)能、熱電能量、機(jī)械運(yùn)動(dòng)能量以及電磁輻射能量等支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，d2d用戶本身具有一定供電能力以保證基本的電路消耗，但這部分能量不用于數(shù)據(jù)傳輸，而蜂窩用戶則依靠電池進(jìn)行供電。

考慮時(shí)隙化的傳輸方式，每個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)為τ，定義每k個(gè)時(shí)隙為一個(gè)傳輸階段，考慮傳輸階段內(nèi)的資源控制問題。

如圖5所示，本發(fā)明提供了一種能量捕獲d2d網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)模式選擇與能量分配方法，包括以下步驟：

步驟一，在每個(gè)傳輸階段開始前，基站隨機(jī)為小區(qū)內(nèi)的已建立連接的每一個(gè)d2d用戶對(duì)(due)分配一個(gè)蜂窩用戶(cue)作為資源共享對(duì)象，配對(duì)后的d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶共享相同資源，給定d2d用戶對(duì)模式選擇的信噪比門限值并將整個(gè)傳輸階段劃分為k個(gè)等長(zhǎng)的傳輸時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為τ。初始化時(shí)隙數(shù)i＝0；能量到達(dá)初始狀態(tài)e0＝0以及d2d發(fā)送用戶初始發(fā)送功率p0＝0；其中，k為正整數(shù)；

步驟二，令i＝i+1，d2d發(fā)送用戶計(jì)算當(dāng)前第i個(gè)時(shí)隙可用的最大能量值結(jié)合給定門限依據(jù)模式選擇準(zhǔn)則在復(fù)用和正交兩種模式中選擇當(dāng)前第i個(gè)傳輸時(shí)隙所采用的資源共享模式；

第i個(gè)時(shí)隙可用的最大能量值的具體計(jì)算方法如下：

其中，i＝1,2,3,…,k，ei(i＝1,2,…,k)表示第i個(gè)時(shí)隙開始時(shí)到達(dá)的能量，為第i-1個(gè)時(shí)隙d2d發(fā)送用戶發(fā)送功率。

根據(jù)結(jié)合給定門限依據(jù)模式選擇準(zhǔn)則在復(fù)用和正交兩種模式中選擇當(dāng)前第i個(gè)傳輸時(shí)隙所采用的資源共享模式。由于復(fù)用模式干擾的存在，為保證d2d鏈路傳輸性能，考慮當(dāng)d2d發(fā)送用戶當(dāng)前時(shí)隙所能實(shí)現(xiàn)的最大信噪比大于給定門限時(shí)，才允許d2d用戶對(duì)采用復(fù)用模式與蜂窩用戶共享資源，否則d2d用戶對(duì)將采用正交的資源共享模式與蜂窩用戶共享鏈路資源。

根據(jù)上述考量，第i(i＝1,2,…,k)個(gè)時(shí)隙發(fā)送用戶的模式選擇準(zhǔn)則如下：

當(dāng)時(shí)，選擇復(fù)用模式；否則選擇正交模式。

其中，σ²為噪聲功率，表示第i個(gè)時(shí)隙d2d發(fā)送用戶和相應(yīng)接收用戶間的包含路徑損耗和小尺度衰落的信道系數(shù)。實(shí)際中該模式選擇門限通過給出，該門限含義為滿足蜂窩用戶傳輸速率要求條件下d2d用戶對(duì)的平均信干噪比，其中為每時(shí)隙d2d用戶對(duì)平均捕獲能量，分別為d2d用戶對(duì)間、蜂窩用戶與d2d接收用戶、d2d發(fā)送用戶與基站以及蜂窩用戶和基站間的信道系數(shù)模平方的統(tǒng)計(jì)分布平均值，為蜂窩鏈路最低傳輸速率。

根據(jù)模式選擇準(zhǔn)則，用戶在第i個(gè)時(shí)隙的傳輸速率可表示為

其中，和表示蜂窩用戶和d2d用戶對(duì)在第i個(gè)時(shí)隙的傳輸速率，和為蜂窩用戶和d2d發(fā)送用戶在第i個(gè)時(shí)隙的發(fā)送功率，而αi為第i個(gè)時(shí)隙選擇正交模式時(shí)的資源分配比例，和分別表示蜂窩用戶與d2d接收用戶、d2d發(fā)送用戶與基站以及蜂窩用戶和基站間的信道系數(shù)。

步驟三，在選定的模式下動(dòng)態(tài)地為當(dāng)前第i個(gè)時(shí)隙分配可用能量，并對(duì)用戶進(jìn)行功率控制。由于信道的隨機(jī)性，為了使得整個(gè)k個(gè)時(shí)隙蜂窩用戶和d2d用戶對(duì)的傳輸速率和盡可能的大，在總能量有限的情況下，應(yīng)給信道較好的時(shí)隙分配較大的能量，而在信道較差的時(shí)隙少分些能量。但是由于能量到達(dá)及信道信息的因果性，我們無法輕易預(yù)知未來的狀態(tài)，因而考慮利用過去的狀態(tài)信息作為當(dāng)前時(shí)隙能量分配的參考。在本系統(tǒng)中蜂窩用戶是由電池供電而d2d用戶對(duì)是通過能量捕獲供能，因而不同時(shí)隙的能量分配主要是針對(duì)d2d用戶對(duì)而言的，根據(jù)式(2)和式(3)可知，當(dāng)較大、較小時(shí)，應(yīng)當(dāng)為當(dāng)前時(shí)隙多分一些能量以增大有用信號(hào)功率，而當(dāng)較大時(shí)，則需要少分一些能量以減少干擾。因而定義信道效用并以此作為指標(biāo)來進(jìn)行能量的動(dòng)態(tài)分配。當(dāng)前時(shí)隙的信道效用大于之前所有時(shí)隙信道效用的平均值時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前時(shí)隙狀態(tài)較好，可以多分些能量，否則認(rèn)為當(dāng)前時(shí)隙狀態(tài)不好，需要少分些能量。

基于上述出發(fā)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)能量分配的具體方法如下：

第一步，初始化平均用戶信道系數(shù)模平方的均值用于存儲(chǔ)每個(gè)時(shí)隙復(fù)用信道效用情況的向量用于存儲(chǔ)每個(gè)時(shí)隙正交信道效用情況的向量平均復(fù)用信道效用和平均正交信道效用

當(dāng)i＝1時(shí)，執(zhí)行第二步；

當(dāng)i≠1時(shí)，直接跳至第三步執(zhí)行；

第二步，計(jì)算第一個(gè)時(shí)隙的復(fù)用信道效用和正交信道效用并保存，若第一個(gè)時(shí)隙d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶選擇復(fù)用模式，則分配給第一個(gè)時(shí)隙的可用能量為

若第一個(gè)時(shí)隙用戶選擇正交模式，分配給第一個(gè)時(shí)隙的可用能量為

第三步，計(jì)算第i(i＝2,3,…k)個(gè)時(shí)隙復(fù)用信道效用和正交信道效用并保存，若第i個(gè)時(shí)隙d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶選擇復(fù)用模式，則分配給第i個(gè)時(shí)隙的可用能量為

其中表示前i-1個(gè)時(shí)隙復(fù)用信道效用的平均值。

若第i個(gè)時(shí)隙用戶選擇正交模式，則分配給第i個(gè)時(shí)隙的可用能量為

其中表示前i-1個(gè)時(shí)隙正交信道效用的平均值。

在確定當(dāng)前時(shí)隙可用能量后，由于d2d用戶對(duì)的引入，蜂窩鏈路傳輸受到影響，而為了保證蜂窩鏈路的最低傳輸速率要求，同時(shí)最大化d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶的傳輸速率和，還需對(duì)用戶進(jìn)行功率控制，所述用戶功率控制問題可描述為：

0≤αi≤1(11)

其中，為蜂窩鏈路最低傳輸速率，為蜂窩用戶最大發(fā)送功率。式(8)表示蜂窩鏈路在傳輸速率需滿足最低傳輸速率要求，式(9)和(10)分別表示蜂窩用戶和d2d發(fā)送用戶的發(fā)送功率限制條件。

當(dāng)d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶選擇正交模式，根據(jù)用戶傳輸速率表達(dá)式(2)和(3)問題p1可轉(zhuǎn)化為

s.t.(8)，(9)，(10)，(11)

由于p2中目標(biāo)函數(shù)對(duì)于和而言均為單調(diào)增函數(shù)，因而可以很容易求得p2的最優(yōu)解即正交模式下用戶發(fā)送功率及資源分配比例如下所示：

當(dāng)d2d用戶對(duì)與蜂窩用戶選擇復(fù)用模式，則問題p1可轉(zhuǎn)化為

s.t.(8)，(9)，(10)

利用求導(dǎo)分析可知，p3問題的最優(yōu)解一定存在于可行域范圍的邊界點(diǎn)上，則可分以下幾種情況求得p3的最優(yōu)解：

i.當(dāng)時(shí)，定義此時(shí)可行域范圍的兩個(gè)非零邊界點(diǎn)處的用戶傳輸速率和分別為，

則p3的最優(yōu)解即復(fù)用模式下用戶發(fā)送功率為

ii.當(dāng)時(shí)，定義此時(shí)可行域范圍的三個(gè)非零邊界點(diǎn)處的用戶傳輸速率和分別為，

和

則p3的最優(yōu)解即復(fù)用模式下用戶發(fā)送功率為

步驟四，用戶利用步驟三所得功率控制結(jié)果進(jìn)行第i個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)發(fā)送；

步驟五，重復(fù)步驟二至四，直至i＞k，即k個(gè)時(shí)隙傳輸階段結(jié)束；完成基于能量捕獲的d2d模式選擇，以及所有時(shí)隙的能量分配。

為了驗(yàn)證本發(fā)明的性能，我們將本發(fā)明與另外兩個(gè)方案做了對(duì)比；方案1)：用戶采用本發(fā)明中所述的動(dòng)態(tài)能量分配方案但不進(jìn)行模式選擇，在k個(gè)時(shí)隙內(nèi)僅采用單一的資源復(fù)用模式(復(fù)用或正交)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；方案2)：用戶按照本發(fā)明中的方法進(jìn)行模式選擇，但對(duì)于每個(gè)時(shí)隙的能量不進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，而是當(dāng)前時(shí)隙盡可能使用所有可用能量，在當(dāng)前最大可用能量限制下通過最大化當(dāng)前時(shí)隙用戶傳輸速率和進(jìn)行用戶功率控制。

仿真條件設(shè)置如下：小區(qū)半徑為500m，系統(tǒng)帶寬5mhz，噪聲功率密度-174dbm/hz，蜂窩用戶最大發(fā)送功率為23dbm，小尺度衰落服從瑞利分布，d2d鏈路路徑損耗為148+40×log10(l(km))，蜂窩鏈路路徑損耗為128.1+37.6×log10(l(km))，能量到達(dá)過程為一個(gè)大小均勻分布在[0,200]mj之間以λ＝100mj/s的泊松分布到達(dá)時(shí)間到達(dá)的過程，傳輸時(shí)隙數(shù)k＝10，蜂窩鏈路最小傳輸速率

圖3給出了當(dāng)蜂窩用戶位于距基站150m位置處，而d2d用戶對(duì)保持對(duì)間距離為25m沿著蜂窩用戶與基站連線進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，不同方案下系統(tǒng)傳輸速率隨d2d用戶對(duì)位置的變化曲線。由圖可知，本發(fā)明方案性能優(yōu)于對(duì)比方案。隨著d2d用戶對(duì)不斷靠近蜂窩用戶所在位置以及基站位置時(shí)，只采用復(fù)用模式系統(tǒng)性能會(huì)下降，正交模式則因?yàn)椴淮嬖谟脩糸g的相互干擾，因而不受用戶相對(duì)位置的改變而改變，在d2d用戶對(duì)移動(dòng)過程中兩種模式所能實(shí)現(xiàn)的性能有交叉，而本發(fā)明方案能夠根據(jù)能量及信道的狀態(tài)動(dòng)態(tài)選擇較好的模式進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)性能的提升。而相比于最大化當(dāng)前時(shí)隙速率的功率控制方案，本發(fā)明方案根據(jù)過去的狀態(tài)信息較好地實(shí)現(xiàn)了時(shí)隙間的動(dòng)態(tài)能量分配，在信道較好的時(shí)隙分配多的能量而給信道較差的時(shí)隙少分，從而提升了系統(tǒng)性能。

圖4給出了蜂窩用戶位于距基站150m位置處，而d2d發(fā)送用戶位于蜂窩用戶與基站連線的延長(zhǎng)線上距基站250m處，不同方案下系統(tǒng)傳輸速率隨d2d用戶對(duì)間距離的變化曲線。由圖可知，本方案性能優(yōu)于對(duì)比方案，且隨著d2d用戶對(duì)間的距離增大，d2d用戶間路徑損耗增大，因而四種方案下系統(tǒng)的傳輸速率均減小。

仿真結(jié)果能表明，本方法所得到的系統(tǒng)傳輸速率能夠在不同情況下實(shí)現(xiàn)較好的性能，且比單模式方案更具適用性，比在相同條件下采用最大化當(dāng)前時(shí)隙速率和的方案所能實(shí)現(xiàn)的傳輸速率大，因而方案具有較為良好的性能。