一种D2D网络鲁棒功率控制方法、系统、设备及终端与流程

一种d2d网络鲁棒功率控制方法、系统、设备及终端
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，具体涉及蜂窝网络中的d2d通信技术领域，尤其涉及一种d2d网络鲁棒功率控制方法、系统、设备及终端。


背景技术：

2.目前，在d2d通信网络中，d2d链路信道状态信息需要经过多跳才能反馈到基站，因此d2d链路信道状态信息的反馈具有一定的时间延迟。除此之外，由于信道获取过程中的训练误差、量化差错、信道估计差错和反馈差错等因素的影响，基站获取的d2d链路信道状态信息通常具有一定的不确定性。这些信道状态的不确定性会严重影响d2d通信系统的性能，比如导致d2d通信链路的超可靠约束条件的违反概率上升，通信网络的中断等。基于以上考虑，设计一个面向d2d网络的鲁棒功率控制方法就变的非常重要。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
4.(1)在d2d通信网络中，由于d2d链路信道状态信息需要经过多跳才能反馈到基站，因此d2d链路信道状态信息的反馈具有一定的时间延迟。
5.(2)由于信道获取过程中的训练误差、量化差错、信道估计差错和反馈差错等因素影响，基站获取的d2d链路信道状态信息通常具有一定不确定性。
6.(3)信道状态的不确定性会严重影响d2d通信系统的性能，比如导致d2d通信链路的超可靠约束条件的违反概率上升，通信网络的中断等。
7.解决以上问题及缺陷的难度为：在d2d通信系统中，d2d链路和干扰链路的信道不确定性的分布是未知的，因此很难用一个准确的数学模型来描述其概率分布。这将导致一个含有不确定性变量的功率控制问题，最终很难求出d2d链路和蜂窝链路的发射功率。
8.解决以上问题及缺陷的意义为：通过d2d网络鲁棒功率控制，能够为d2d链路提供超高可靠的通信条件，来满足d2d之间紧急信息、预警信息和监控信息等可靠性需求比较高的业务的传输。除此之外，设计方案还能够广泛的用来解决车联网、工业互联网和无人机网络等场景中的高可靠通信问题。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种d2d网络鲁棒功率控制方法、系统、设备及终端，尤其涉及一种基于支持向量聚类算法的d2d网络鲁棒功率控制方法、系统、设备及终端，旨在解决基站在获取d2d链路的不确定信道状态信息条件下的功率控制问题。
10.本发明是这样实现的，一种d2d网络鲁棒功率控制方法，所述d2d网络鲁棒功率控制方法包括：基站对覆盖范围内的d2d链路和干扰链路的信道状态信息进行采样；使用支持向量聚类算法对收集到的信道状态信息进行学习，获得能够覆盖住所述不确定信道状态信息的最小凸集；根据对信道状态信息的训练结果来构建d2d链路高可靠约束条件的鲁棒对等表达式后，调用一个基于二分法的功率分配策略来求解最优的功率分配结果。
11.进一步，所述d2d网络鲁棒功率控制方法包括以下步骤：
12.步骤一，初始化，对d2d链路和干扰链路的不确定信道状态信息进行采样，为不确定信道状态信息的学习提供数据；
13.步骤二，对不确定信道采样集合进行分析，根据对不确定信道状态信息的采样，计算支持向量聚类核函数的权重矩阵；
14.步骤三，计算核函数的宽度参数；
15.步骤四，根据核函数的权重和宽度，计算支持向量聚类的核技巧函数；
16.步骤五，在得到准确核函数的基础上，建立关于标签的优化问题，并根据求解得到的信道采样标签对信道样本进行分类；
17.步骤六，根据信道样本的分类结果，设计d2d链路概率约束条件对应的鲁棒对等表达式；
18.步骤七，计算d2d链路和小区链路上的最优发射功率。
19.进一步，步骤一中，所述初始化，包括：
20.(1)用pc和pd分别表示蜂窝链路和d2d链路上面的发射功率；
21.(2)用gd、gc、g
cd
、gb来表示d2d链路，蜂窝链路、蜂窝与d2d之间干扰链路、d2d和基站之间干扰链路的信道增益；
22.(3)对不确定的信道状态g＝[gd,g
cd
]
t
进行n次采样，样本集合为d＝{ξ
(1)
,ξ
(2)
,
…
,ξ
(n)
}；
[0023]
(4)确立蜂窝链路和d2d链路的约束条件；其中，所述蜂窝链路和d2d链路的约束条件按照以下公式确立：
[0024][0025][0026]
进一步，步骤二中，所述计算支持向量聚类核函数的权重矩阵，包括：
[0027]
(1)计算信道采样的一阶矩：
[0028][0029]
(2)计算信道采样的协方差矩阵：
[0030][0031]
其中，
[0032]
(3)计算支持向量聚类核函数的权重矩阵：
[0033]
q＝σ-1/2
。
[0034]
进一步，步骤三中，所述支持向量聚类核函数的宽度参数的计算公式为：
[0035][0036]
其中，qk是矩阵q的列向量，k＝1,2。
[0037]
步骤四中，所述支持向量聚类的核技巧函数为：
[0038][0039]
步骤五中，所述计算获取不确定信道状态样本的标签，包括：
[0040]
(1)求解样本标签问题；
[0041]
根据计算得到的核技巧函数，构建如下优化问题：
[0042][0043]
通过调用cvx工具箱对优化问题进行求解，得出λ的值；
[0044]
(2)根据λ的值，构建支撑向量集合和边界向量集合
[0045]
进一步，步骤六中，所述获取d2d链路概率约束条件的鲁棒对等表达式，包括：
[0046]
根据得到的支撑向量集合和边界向量集合，将概率约束条件转化为如下的鲁棒对等表达式：
[0047][0048]
其中，ρ＝∑
i∈f
λi||q(ξ
l-ξi)||1,l∈bv；用鲁棒对等表达式对概率约束进行替换，得到可解的功率分配问题：
[0049][0050][0051][0052][0053][0054][0055]
[0056]
步骤七中，按照以下步骤计算发射功率和
[0057]
(1)初始化设置其中是d2d链路上的最大发射功率，设置精度参数；
[0058]
(2)判断若成立，则跳转到步骤(3)；若不成立，则跳转到步骤(9)；
[0059]
(3)计算
[0060]
(4)通过cvx工具包求解优化问题：
[0061][0062][0063][0064][0065][0066][0067][0068]
获得发射功率pc；
[0069]
(5)判断其中是蜂窝链路上的最大发射功率，若是，则跳转到步骤(6)，若不是则跳转到步骤(7)；
[0070]
(6)令跳转到步骤(2)；
[0071]
(7)判断若是，则跳转到步骤(8)，若不是则跳转到步骤(9)；
[0072]
(8)令跳转到步骤(2)；
[0073]
(9)设置
[0074]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的d2d网络鲁棒功率控制方法的d2d网络鲁棒功率控制系统，所述d2d网络鲁棒功率控制系统包括：
[0075]
初始化模块，用于对d2d链路和干扰链路的不确定信道状态信息进行采样；
[0076]
权重矩阵计算模块，用于根据对不确定信道状态信息的采样计算支持向量聚类核函数的权重矩阵；
[0077]
宽度参数计算模块，用于计算核函数的宽度参数；
[0078]
核技巧函数计算模块，用于根据核函数的权重和宽度，计算支持向量聚类的核技巧函数；
[0079]
标签优化问题构建模块，用于在得到准确核函数的基础上，建立关于标签的优化问题，并根据求解得到的信道采样标签对信道样本进行分类；
[0080]
鲁棒对等表达式设计模块，用于根据信道样本的分类结果，设计d2d链路概率约束
条件对应的鲁棒对等表达式；
[0081]
最优发射功率计算模块，用于计算d2d链路和小区链路上的最优发射功率。
[0082]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0083]
基站对覆盖范围内的d2d链路和干扰链路的信道状态信息进行采样；使用支持向量聚类算法对收集到的信道状态信息进行学习，获得能够覆盖住所述不确定信道状态信息的最小凸集；根据对信道状态信息的训练结果来构建d2d链路高可靠约束条件的鲁棒对等表达式后，调用一个基于二分法的功率分配策略来求解最优的功率分配结果。
[0084]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0085]
基站对覆盖范围内的d2d链路和干扰链路的信道状态信息进行采样；使用支持向量聚类算法对收集到的信道状态信息进行学习，获得能够覆盖住所述不确定信道状态信息的最小凸集；根据对信道状态信息的训练结果来构建d2d链路高可靠约束条件的鲁棒对等表达式后，调用一个基于二分法的功率分配策略来求解最优的功率分配结果。
[0086]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的d2d网络鲁棒功率控制系统。
[0087]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的d2d网络鲁棒功率控制方法，是一种面向不确定信道状态信息的d2d网络功率控制方法。本发明用于d2d网络中基站在获取d2d链路的不确定信道状态信息条件下的功率控制问题。本发明解决了d2d网络中基站如何基于不确定信道状态信息进行功率分配的问题，并且本发明能够明显提高d2d网络中通信链路的可靠性。
[0088]
本发明面向不确定的信道状态信息，解决了现有功率控制策略难以应对信道不确定的功率控制场景。使得本发明具有了能在信道不确定的场景(比如车联网、高铁和无人机等)中进行部署的意义。本发明中的鲁棒功率控制策略不需要获得不确定信道状态信息的任何先验知识，也可以处理任何分布形式的不确定信道状态，这使得本发明能够自适应不同的网络场景。
附图说明
[0089]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0090]
图1是本发明实施例提供的d2d网络鲁棒功率控制方法流程图。
[0091]
图2是本发明实施例提供的d2d网络鲁棒功率控制方法原理图。
[0092]
图3是本发明实施例提供的d2d网络鲁棒功率控制系统结构框图；
[0093]
图中：1、初始化模块；2、权重矩阵计算模块；3、宽度参数计算模块；4、核技巧函数计算模块；5、标签优化问题构建模块；6、鲁棒对等表达式设计模块；7、最优发射功率计算模块。
[0094]
图4是本发明实施例提供的应用场景示意图。
[0095]
图5是本发明实施例提供的功率分配过程的示意图。
[0096]
图6是本发明实施例提供的所实现的d2d链路sinr分布图。
具体实施方式
[0097]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0098]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种d2d网络鲁棒功率控制方法、系统、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0099]
如图1所示，本发明实施例提供的d2d网络鲁棒功率控制方法包括以下步骤：
[0100]
s101，初始化，对d2d链路和干扰链路的不确定信道状态信息进行采样；
[0101]
s102，根据对不确定信道状态信息的采样计算支持向量聚类核函数的权重矩阵；
[0102]
s103，计算核函数的宽度参数；
[0103]
s104，根据核函数的权重和宽度，计算支持向量聚类的核技巧函数；
[0104]
s105，在得到准确核函数的基础上，建立关于标签的优化问题，并根据求解得到的信道采样标签对信道样本进行分类；
[0105]
s106，根据信道样本的分类结果，设计d2d链路概率约束条件对应的鲁棒对等表达式；
[0106]
s107，计算d2d链路和小区链路上的最优发射功率。
[0107]
本发明实施例提供的d2d网络鲁棒功率控制方法原理图如图2所示。
[0108]
如图3所示，本发明实施例提供的d2d网络鲁棒功率控制系统包括：
[0109]
初始化模块1，用于对d2d链路和干扰链路的不确定信道状态信息进行采样；
[0110]
权重矩阵计算模块2，用于根据对不确定信道状态信息的采样计算支持向量聚类核函数的权重矩阵；
[0111]
宽度参数计算模块3，用于计算核函数的宽度参数；
[0112]
核技巧函数计算模块4，用于根据核函数的权重和宽度，计算支持向量聚类的核技巧函数；
[0113]
标签优化问题构建模块5，用于在得到准确核函数的基础上，建立关于标签的优化问题，并根据求解得到的信道采样标签对信道样本进行分类；
[0114]
鲁棒对等表达式设计模块6，用于根据信道样本的分类结果，设计d2d链路概率约束条件对应的鲁棒对等表达式；
[0115]
最优发射功率计算模块7，用于计算d2d链路和小区链路上的最优发射功率。
[0116]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0117]
1、实验内容
[0118]
本实例从一个蜂窝d2d出发，来说明本发明的实施过程。
[0119]
下面结合附图4对本发明进行详细说明：本实例使用的蜂窝网络包含有一个d2d链路，一个小区用户链路。d2d链路通过复用小区用户链路的频谱资源实现通信。一个d2d链路只能接入一个小区用户链路的频谱资源，并且一个小区用户链路的频谱资源只能被一个
d2d链路来复用。d2d链路和小区用户链路的sinr建模为：
[0120][0121][0122]
其中，α是模型为128.1 37.6log
10
d(km)的大尺度信道增益，本实例中节点之间的距离设置为dc＝42米，d
cd
＝50.16米，d
db
＝85米，dd＝44米。δ是信道误差系数，小尺度衰落为瑞利衰落，噪声功率为-134dbm。假设误差为高斯分布。参照图2，本发明的实现步骤如下：
[0123]
1)初始化步骤
[0124]
1a)用pc和pd分别表示蜂窝链路和d2d链路上面的发射功率；
[0125]
1b)用gd、gc、g
cd
、gb来表示d2d链路，蜂窝链路、蜂窝与d2d之间干扰链路、d2d和基站之间干扰链路的信道增益；
[0126]
1c)对不确定的信道状态g＝[gd,g
cd
]
t
进行n次采样，其样本集合为d＝{ξ
(1)
,ξ
(2)
,
…
,ξ
(n)
}；
[0127]
1d)确立蜂窝链路和d2d链路的约束条件和
[0128]
(2)计算核函数的权重矩阵；
[0129]
信道采样的一阶矩计算为：
[0130][0131]
按照以下公式计算信道的协方差矩阵：
[0132][0133]
其中，
[0134][0135]
随后核函数的权重矩阵可以计算为q＝σ-1/2
。
[0136]
(3)计算核函数的宽度参数其中qk是矩阵q的列向量，k＝1,2。
[0137]
(4)得到核技巧函数
[0138]
(5)计算获取信道采样的标签；
[0139]
5a)根据计算得到的核技巧函数，构建如下优化问题：
[0140]
[0141][0142][0143]
通过调用cvx工具箱对优化问题进行求解，得出λ的值；
[0144]
5b)根据λ的值，构建支撑向量集合和边界向量集合
[0145]
(6)根据得到的支撑向量集合和边界向量集合，概率约束条件可以转化为如下的鲁棒对等表达式：
[0146][0147]
其中，ρ＝∑
i∈f
λi||q(ξ
l-ξi)||1,l∈bv；用鲁棒对等表达式对概率约束进行替换，可以得到一个可解的功率分配问题：
[0148][0149][0150][0151][0152][0153][0154][0155]
本发明中功率分配过程的示意图见图5。
[0156]
(7)按照以下步骤计算发射功率和
[0157]
7a)初始化设置其中是d2d链路上的最大发射功率，设置精度参数
[0158]
7b)判断若成立，则跳转到步骤7c)，若不成立，则跳转到7i)；
[0159]
7c)计算
[0160]
7d)通过cvx工具包求解优化问题：
[0161][0162][0163][0164][0165][0166][0167][0168]
获得发射功率pc；
[0169]
7e)判断其中是蜂窝链路上的最大发射功率，若是，则跳转到7f)，若不是则跳转到7g)；
[0170]
7f)令跳转到7b)；
[0171]
7g)判断若是，则跳转到7h)，若不是则跳转到7i)；
[0172]
7h)令跳转到7b)；
[0173]
7i)设置
[0174]
2、仿真结果分析
[0175]
从图6可以看出，在非鲁棒的功率控制方案下，d2d链路约束条件的违反概率大概为0.5。采用了本发明中的鲁棒功率控制策略之后，d2d链路约束条件的违反概率能够降低到0附近。
[0176]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0177]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。