基于NOMA的无线携能D2D通信鲁棒能效优化算法

徐勇军; 刘子腱; 李国权; 陈前斌; 林金朝

doi:10.11999/JEIT200175

基于NOMA的无线携能D2D通信鲁棒能效优化算法

doi: 10.11999/JEIT200175

徐勇军^{1, 2, ,},
刘子腱¹,
李国权¹,
陈前斌¹,
林金朝¹

1.
重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆 400065
2.
西安邮电大学陕西省信息通信网络及安全重点实验室西安 710121

基金项目: 国家自然科学基金(61601071)，重庆市自然科学基金(cstc2019jcyj-xfkxX0002)，陕西省信息通信网络及安全重点实验室(ICNS201904)

详细信息

作者简介:
徐勇军：男，1986年生，副教授，硕士生导师，研究方向为D2D通信、能量收集、异构无线网络资源分配

刘子腱：男，1995年生，硕士生，研究方向为D2D通信、鲁棒资源分配

李国权：男，1980年生，副教授，硕士生导师，研究方向为多蜂窝网络性能分析

陈前斌：男，1967年生，教授，博士生导师，研究方向为下一代移动通信

林金朝：男，1966年生，教授，博士生导师，研究方向为无线传输技术、BAN网络与信道处理技术

通讯作者:
徐勇军　xuyj@cqupt.edu.cn

中图分类号: TN929.5
计量
- 文章访问数: 2082
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- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2020-03-17
- 修回日期: 2020-07-24
- 网络出版日期: 2020-08-22
- 刊出日期: 2021-05-18

Robust Energy Efficiency Optimization Algorithm for NOMA-based D2D Communication With Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

1.
School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
2.
Shaanxi Key Laboratory of Information Communication Network and Security, Xi’an University of Posts & Telecommunications, Xi’an 710121, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61601071), The National Natural Science Foundation of Chongqing (cstc2019jcyj-xfkxX0002), The Shaanxi Key Laboratory of Information Communication Network and Security (ICNS201904)

摘要

摘要: 针对频谱短缺、基站负荷过高、通信系统功耗较大等问题，考虑不完美的信道状态信息，该文提出一种基于非正交多址接入的无线携能(SWIPT)D2D网络鲁棒能效(EE)最大化资源分配算法(SREA)。考虑用户的服务质量约束以及最大发射功率约束，基于随机信道不确定性建立鲁棒能效最大化资源分配模型。利用Dinkelbach和变量替换方法，将原NP-hard问题转换为确定性的凸优化问题，通过拉格朗日对偶理论求得解析解。仿真结果表明，所提算法在保证蜂窝用户通信质量的同时，能够有效提高D2D用户的能效性和鲁棒性能。
- 非正交多址接入 /
- 无线信息与功率同传 /
- 终端直通 /
- 鲁棒资源分配 /
- 随机不确定性模型
Abstract: In order to resolve the problems of spectrum shortage, large power consumption, and excessive load at base stations, a Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT)-based Robust Energy Efficiency (EE) Algorithm (SREA) with imperfect channel state information is proposed to maximize the total EE in Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) assisted Device-to-Device (D2D) networks. Considering the users' Quality of Service (QoS) constraints and maximum transmit power constraints, a robust EE maximization-based resource allocation model is established based on random channel uncertainties. Moreover, the original NP-hard problem is transformed into a deterministic convex optimization problem by using Dinkelbach’s method and the variable substitution method. And the analytical solutions are obtained through Lagrange dual theory. Simulation results demonstrated that the proposed algorithm can effectively improve the system EE and the robustness of D2D users while ensuring the communication quality of cellular users.
- Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) /
- Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) /
- Device-to-Device (D2D) /
- Robust resource allocation /
- Stochastic uncertainty model

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图 1 基于下行NOMA的无线携能D2D通信网络

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图 2 总能效在不同信道距离下的收敛性能

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图 3 总能效与D2D发射机最大发射功率的关系

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图 4 总能效与D2D用户数量在不同中断概率门限下的关系

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图 5 总能效与D2D用户数量在不同算法下的关系

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图 6 总能效在不同信道估计误差的方差下的收敛性能

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图 7 中断概率与信道估计误差的方差的关系

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表 1 系统参数

参数	含义
$N$	D2D用户数量
$\theta$	能量收集效率系数
$P_{}^{\max }$	基站的最大发射功率
${M_k}$	资源块 $k$ 上的蜂窝用户数量
$P_n^{\max }$	D2D用户 $n$ 的最大发射功率
$h_n^k$	D2D用户 $n$ 在资源块 $k$ 上的信道增益
$q_n^k$	D2D用户 $n$ 在资源块 $k$ 上的发射功率
$h_i^{k,C}$	基站到蜂窝用户 $i$ 在资源块 $k$ 上的信道增益
$g_n^{k,B}$	基站到D2D用户 $n$ 在资源块 $k$ 上的信道增益
$K$	资源块数量
$\tau$	中断概率门限
$M$	蜂窝用户总数量
${\sigma ^2}$	接收机的背景噪声功率
$P_c^D$	D2D用户的电路功率消耗
$R_i^{k,\min }$	蜂窝用户 $i$ 的最小数据速率
$p_i^k$	基站通过资源块 $k$ 分配给蜂窝用户 $i$ 的发射功率
$g_{n,i}^k$	D2D用户 $n$ 到蜂窝用户 $i$ 在资源块 $k$ 上的信道增益
$g_{d,n}^k$	D2D用户 $d$ 到D2D用户 $n$ 在资源块 $k$ 上的信道增益

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表 2 鲁棒资源分配算法

初始化系统参数 $N$ , ${M_k}$ , $M$ , $K$ , $P_c^D$ , ${\sigma ^2}$ , $\theta$ , $\tau$ , $R_n^{\min }$ , $R_i^{k,\min }$ , $P_n^{\max }$ , $P_{}^{\max }$ , $d$ ；给定 $p_n^k$ , $x_n^k$ , $\eta$ , $\rho _{n,1}^k$ , $\rho _{n,2}^k$ ；外层迭代次数 $t = 0$ ；定义算法　收敛精度 $\varpi$ 和 $\varsigma$ ，外层最大迭代次数 $T$ ；
(1) While $\left\| {\dfrac{ {\tilde R(t)} }{ {\tilde P(t)} } - \eta (t - 1)} \right\| > \varpi$ 和 $t < T$ , do
(2)　初始化迭代步长和拉格朗日乘子，定义内层最大迭代次数 $L$ ，初始化 $l = 0$ ；
(3)　　While $\left\| {q_n^k(l) - q_n^k(l - 1)} \right\| > \varsigma$ 和 $l < L$ ，do
(4)　　　For $m = 1:1:M$
(5)　　　　For $n = 1:1:N$
(6)　　　　　For $k = 1:1:K$
(7)　　　　　根据式(26)计算 $T_n^k$ ,更新 $x_n^k$ ；
(8)　　　　　根据式(29)计算 $\alpha _n^k$ ；
(9)　　　　　计算 $\rho _{n,1}^k$ , $\rho _{n,2}^k$ , $q_n^k$ 的最优值；
(10)　　　　　根据式(30)—式(34)更新拉格朗日乘子；
(11)　　　　　End For
(12)　　　　End For
(13)　　　End For
(14)　　　更新 $l = l + 1$ ；
(15)　End While 　(16) 更新 $\eta (t) = \dfrac{ {\tilde R(t)} }{ {\tilde P(t)} }$ , $t = t + 1$ ；
(17) End While

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参考文献(19)

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