一种D2D通信联合模式选择和比例公平调度优化方法与流程

本发明涉及devicetodevice(d2d)通信干扰抑制领域，特别涉及一种d2d通信联合模式选择和比例公平资源调度优化方法。

背景技术：

作为一种新兴的技术，d2d通信具有高的频谱利用率和能量效率。d2d通信为未来未来5g网络对高的数据流量的需求提供了一种有效的解决途径。d2d通信属于近距离直接通信，这种通信方式使得终端用户之间进行直接通信而不需要经过基站转发。蜂窝网络中d2d通信是学者们研究的重点问题。这是因为，蜂窝网络资源可以收到基站的集中式管理。这种方式不仅可以减小用户终端的计算复杂度，同时通过基站的统筹管理能够抑制和减小终端之间的干扰。d2d通信通常有两种通信模式：专用模式和复用模式。专用模式下：d2d终端使用专用的频谱资源进行通信，和其他用户之间没有干扰；复用模式：d2d终端复用蜂窝资源进行通信，能够提高频谱利用率，但是也对蜂窝蜂窝引进了干扰问题。模式选择和资源分配在d2d通信中都非常重要。合适的模式选择和资源分配不仅可以抑制d2d使能的蜂窝网络中干扰问题，保证用户的通信质量(qualityofservice，qos)，还能提高网络频谱利用率和整体网络吞吐量。然而现有技术在研究蜂窝网络中d2d通信时，缺乏将d2d通信模式选择和比例公平调度联合优化的研究，这样就限制了系统在吞吐量和公平性方面性能的进一步提高。因此，对d2d通信模式选择和比例公平调度联合优化的研究在d2d通信中具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决了目前大部分文献局限于d2d通信模式选择或者资源调度的单一优化问题研究，以及大部分文献的研究集中在以吞吐量最大作为网络资源调度目标而忽略用户之间公平性的问题，提出了一种d2d通信联合模式选择和比例公平调度优化方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种d2d通信联合模式选择和比例公平调度优化方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一：算法开始；

步骤二：初始化第一个时隙内所有用户的平均传输速率：

随机产生蜂窝用户平均传输速率集合d2d用户平均传输速率集合

其中，为蜂窝用户1在第一个时隙内的平均传输速率，为蜂窝用户2在第一个时隙内的平均传输速率，为蜂窝用户nc在第一个时隙内的平均传输速率；为d2d用户1在第一个时隙内的平均传输速率，为d2d用户2在第一个时隙内的平均传输速率，为d2d用户nd在第一个时隙内的平均传输速率；

步骤三：判断时隙t是否满足t≤t,是转到步骤四，否到步骤十二；t表示用户最大传输时隙个数；

步骤四：计算第t个时隙，蜂窝用户ic与基站之间的信道增益d2d对之间的信道增益蜂窝用户ic与d2d对id接收端之间的干扰信道增益以及d2d对id到基站干扰链路的信道增益假设信道的高斯白噪声为其中，id为第i个d2d用户；ic为第i个蜂窝用户；

步骤五、

专用模式参数计算：

当蜂窝网络中存在空闲频谱资源时，d2d通信可以工作在专用模式；专用模式下，第t个时隙，d2d通信时d2d对id的信噪比瞬时速率和比例公平函数表达式如下：

其中，表示d2d对id的发射功率，表示d2d对id在第t个时隙的平均传输速率，表示d2d对id在前t-1时隙内的平均传输速率，t表示用户最大传输时隙个数；

复用模式参数计算：

当蜂窝网络中不存在空闲频谱资源时，d2d通信必须工作在复用模式；

复用模式下，d2d用户和蜂窝用户之间存在干扰，因此，第t个时隙，当d2d用户id复用蜂窝用户ic资源时，d2d用户的信干燥比瞬时数据速率和比例公平函数计算公式如下：

其中，为d2d对id的发射功率，为蜂窝用户ic的发射功率；表示d2d对id在第t个时隙的平均传输速率，表示d2d对id在前t-1时隙内的平均传输速率，t表示用户最大传输时隙个数；

同样蜂窝用户也会受到d2d发射端的干扰，因此，复用模式下，蜂窝用户ic在第t个时隙的信干燥比瞬时数据速率和比例公平函数如下：

其中，表示蜂窝用户ic在第t个时隙的平均传输速率，为前t-1时隙内蜂窝用户ic的平均传输速率；

当蜂窝用户数量大于复用模式下d2d对个数时，网络中会有一些蜂窝用户未被复用；此时，计算未被复用蜂窝用户在第t个时隙的信燥比瞬时数据速率和比例公平函数为：

其中，表示蜂窝用户ic在第t个时隙的平均传输速率，为前t-1时隙内蜂窝用户ic的平均传输速率，是蜂窝用户ic在第t个时隙内不被复用时，没有干扰情况下的发射功率；

步骤六、根据步骤五将d2d与蜂窝网络的混合网络模型的联合模式选择和比例公平控制问题进行数学建模，得到数学模型；

步骤七：根据步骤六的数学模型进行模式选择：

步骤七一：计算所有d2d用户在专用模式下的最大比例公平函数，获得所有d2d用户的最大比例公平函数集合

其中，为d2d用户1在第t个时隙内的比例公平函数，为d2d用户id在第t个时隙内的比例公平函数，为d2d用户nd在第t个时隙内的比例公平函数；为蜂窝用户ic的最大发射功率，为专用模式d2d用户最优控制功率；

步骤七二：将进行降序排列得到新的比例公平函数集合将k个空闲频谱分配给q^d′集合中前k个d2d用户，其余nc-k个d2d用户被分配到复用模式，转到步骤八；

其中，为降序排列后d2d用户1在第t个时隙内的比例公平函数，为降序排列后d2d用户id在第t个时隙内的比例公平函数，为降序排列后d2d用户nd在第t个时隙内的比例公平函数；

步骤八：复用模式资源分配；

步骤八一：判断复用模式d2d对个数id是否达到最大值nd-k，否转到步骤八二，是转到步骤九；

步骤八二：判断蜂窝用户个数ic是否达到最大值nc，否转到步骤八三，是转到步骤八六；

步骤八三：执行d2d用户的接入控制；执行步骤八四；

步骤八四：使用最优功率控制方法获得最优控制矩阵执行步骤八五；

步骤八五：蜂窝网络个数加1，ic＝ic+1，转到步骤八二；

步骤八六：d2d对个数加1，id＝id+1，转到步骤八一；

步骤九：对复用模式下多对d2d用户和蜂窝用户资源进行分配，得到复用模式d2d用户和蜂窝用户的比例公平矩阵q，通过经典的匈牙利算法进行求解使得所有复用d2d用户和蜂窝用户的比例公平函数之和最大；

步骤十：根据步骤九得到信道分配矩阵x的一个最优解，得到优化问题公式(17)的次优解，转置步骤十一；

步骤十一：时隙t＝t+1,转到步骤三；

步骤十二：算法结束。

发明效果

本发明能够通过联合模式选择和比例公平调度方法对d2d通信的蜂窝网络中的资源进行合理的分配和调度，不仅抑制了信道干扰问题保证了用户最小信干燥比的需求，而且提高了频谱利用率，从而，使系统总吞吐量和系统公平性之间达到很好的折中，能够在提高网络吞吐量的同时提高网络公平性；解决了目前大部分文献局限于d2d通信模式选择或者资源调度的单一优化问题研究，以及大部分文献的研究集中在以吞吐量最大作为网络资源调度目标而忽略用户之间公平性的问题。

本发明以混合网络中所有用户包含d2d用户和蜂窝用户，比例公平函数之和最大作为目标函数，以信道分配矩阵，用户最小信干燥比和最大发射功率作为约束条件，通过对多对d2d用户的模式选择，对信道资源进行了合理的分配；通过对一对d2d用户和其复用对象最优功率控制使得他们的吞吐量最大；以及通过使用低复杂度匈牙利算法对多对d2d用户和其复用对象的资源进行了最优的分配，从而得到了所研究问题的一个次优解。本发明所述的可实现混合网络中d2d用户可复用蜂窝用户上行链路资源进行通信，蜂窝用户之间的频谱资源相互正交，因此，网络中存在的干扰只有d2d用户和蜂窝用户之间的共信道干扰。当d2d用户复用正在通信的蜂窝用户上行链路资源是，基站接收的信号会受到d2d发送端的干扰信号，同时d2d接收端也会受到蜂窝用户发送端的干扰。考虑到蜂窝用户和d2d用户通信的最小信噪比需求和最大发射功率的约束，本发明在设计算法时分别将用户最小信噪比和最大发射功率为约束条件，通过对用户发射功率合理的控制，保证了用户通信质量。

如图2所示，d2d对个数为10，纯蜂窝网络蜂窝用户的个数为20时，系统总吞吐量为4.5；d2d对个数为10，文献【2】(s.wen,x.zhu,x.zhangandd.yang,“qos-awaremodeselectionandresourceallocationschemefordevice-to-device(d2d)communicationincellularnetworks,”incommunicationsworkshops(icc),2013ieeeinternationalconferenceon,jun.2013,pp.101-105)算法蜂窝用户的个数为20时，系统总吞吐量为10.8；d2d对个数为10，本发明方法蜂窝用户的个数为20时，系统总吞吐量为10.8；d2d对个数为25，纯蜂窝网络蜂窝用户的个数为20时，系统总吞吐量为4.5；d2d对个数为25，文献【2】算法蜂窝用户的个数为20，系统总吞吐量为16.4；d2d对个数为25，本发明方法蜂窝用户的个数为20时，系统总吞吐量为19.8；从图2中可以看出与纯蜂窝网络相比，本发明所提出的算法和文献[2]相比，在系统吞吐量方面有一个显著的增加。这是因为d2d作为近距离通信，其传输数据速率要大于传统的蜂窝用户，并且会带来很大的复用增益，所以系统总吞吐量会随着d2d数量的增大而增大。随着d2d对数的增加，本发明所提出算法的吞吐量明显高于文献[2]；

文献[2]为联合模式选择和资源分配算法算法；

如图3所示，d2d对个数为15，文献【2】算法蜂窝用户的个数为20时，系统公平性为0.688；d2d对个数为10，本发明方法蜂窝用户的个数为20时，系统总吞吐量为0.7；d2d对个数为25，文献【2】算法蜂窝用户的个数为20时，系统公平性为0.748；d2d对个数为25，本发明方法蜂窝用户的个数为20时，系统公平性为0.768；从图3可以看到随着d2d对个数的增加，系统的公平性有了显著的增加，这是因为d2d对数越多，所复用的蜂窝用户越多，复用的蜂窝用户和未被复用蜂窝用户之间的数据速率差距就会随之减小。可以明显看到本发明提出算法的系统公平性明显优于文献[2]。图4是本发明所述的混合网络的系统吞吐量随着d2d发射端与接收端之间距离r的变化趋势，单位是bit/s/hz。从图中看出本发明所提出算法的吞吐量明显高于文献[2]。并且系统吞吐量随着r的增大而减小。这是因为r越大，路径损耗越大，导致d2d数据速率减小，从而系统整体吞吐量减小。

图5是本发明所述的混合网络的系统公平性随着d2d发射端与接收端之间距离r的变化趋势，范围为0-1。随着r的增加，系统公平性增加。这是因为r越大，d2d通信路径损耗越大，导致d2d数据速率减小。因此，d2d和蜂窝用户之间的数据速率差距减小，网络整体公平性也会随之上升。同时可以明显看到，提出算法的系统公平性明显优于文献[2]。

本发明所述的可实现混合网络中d2d用户可复用蜂窝用户上行链路资源进行通信，蜂窝用户之间的频谱资源相互正交，因此，网络中存在的干扰只有d2d用户和蜂窝用户之间的共信道干扰。当d2d用户复用正在通信的蜂窝用户上行链路资源是，基站接收的信号会受到d2d发送端的干扰信号，同时d2d接收端也会受到蜂窝用户发送端的干扰。考虑到蜂窝用户和d2d用户通信的最小信噪比需求和最大发射功率的约束，本发明在设计算法时分别将用户最小信噪比和最大发射功率为约束条件，通过对用户发射功率合理的控制，保证了用户通信质量。

附图说明

图1为具体实施方式四中蜂窝网络中d2d通信网络系统模型示意图，dur1为d2d对1所对应的接收端，duri为d2d对i所对应的接收端，durnd为d2d对nd所对应的接收端，dut1为d2d对1所对应的发射端，duti为为d2d对i所对应的发射端，dutnd为d2d对nd所对应的发射端，cu1为蜂窝用户1，cu2为蜂窝用户2，cuj为蜂窝用户j，cunc为蜂窝用户nc；

图2是实施例提出的混合网络的系统吞吐量随着d2d对数量的变化趋势示意图，提出算法为本发明方法；

图3是实施例提出的混合网络的系统公平性随着d2d对数量的变化趋势示意图；

图4是实施例提出的混合网络的系统吞吐量随着d2d发射端与接收端之间距离r的变化趋势示意图；

图5为实施例提出的混合网络的系统公平性随着d2d发射端与接收端之间距离r的变化趋势示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2说明本实施方式，本实施方式的一种d2d通信联合模式选择和比例公平调度优化方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一：算法开始；

步骤二：初始化第一个时隙内所有用户的平均传输速率：

随机产生蜂窝用户平均传输速率集合d2d用户平均传输速率集合

其中，为蜂窝用户1在第一个时隙内的平均传输速率，为蜂窝用户2在第一个时隙内的平均传输速率，为蜂窝用户nc在第一个时隙内的平均传输速率；为d2d用户1在第一个时隙内的平均传输速率，为蜂窝用户2在第一个时隙内的平均传输速率，为d2d用户nd在第一个时隙内的平均传输速率；

步骤三：判断时隙t是否满足t≤t,是转到步骤四，否到步骤十二；t表示用户最大传输时隙个数；

步骤四：计算第t个时隙，蜂窝用户ic与基站之间的信道增益d2d对之间的信道增益蜂窝用户ic与d2d对id接收端之间的干扰信道增益以及d2d对id到基站干扰链路的信道增益假设信道的高斯白噪声为其中，id为第i个d2d用户；ic为第i个蜂窝用户；

步骤五、：参数计算，由于用户的平均传输速率是从第一个时隙开始计算的，而用户的比例公平函数与前t-1个时隙的平均传输速率有关，所以不考虑用户在第一个时隙内的比例公平函数，所有参数计算时时隙t的范围都是1＜t≤t；

专用模式参数计算：

当蜂窝网络中存在空闲频谱资源时，d2d通信可以工作在专用模式；专用模式下，第t个时隙，d2d通信时d2d对id的信噪比瞬时速率和比例公平函数表达式如下：

其中，表示d2d对id的发射功率，表示d2d对id在第t个时隙的平均传输速率，表示d2d对id在前t-1时隙内的平均传输速率，t表示用户最大传输时隙个数；

复用模式参数计算：

当蜂窝网络中不存在空闲频谱资源时，d2d通信必须工作在复用模式；

复用模式下，d2d用户和蜂窝用户之间存在干扰，因此，第t个时隙，当d2d用户id复用蜂窝用户ic资源时，d2d用户的信干燥比瞬时数据速率和比例公平函数计算公式如下：

其中，为d2d对id的发射功率，为蜂窝用户ic的发射功率；表示d2d对id在第t个时隙的平均传输速率，表示d2d对id在前t-1时隙内的平均传输速率，t表示用户最大传输时隙个数；

同样蜂窝用户也会受到d2d发射端的干扰，因此，复用模式下，蜂窝用户ic在第t个时隙的信干燥比瞬时数据速率和比例公平函数如下：

其中，表示蜂窝用户ic在第t个时隙的平均传输速率，为前t-1时隙内蜂窝用户ic的平均传输速率；

当蜂窝用户数量大于复用模式下d2d对个数时，网络中会有一些蜂窝用户未被复用；此时，计算未被复用蜂窝用户在第t个时隙的信燥比瞬时数据速率和比例公平函数为：

其中，表示蜂窝用户ic在第t个时隙的平均传输速率，为前t-1时隙内蜂窝用户ic的平均传输速率，是蜂窝用户ic在第t个时隙内不被复用时，没有干扰情况下的发射功率；

步骤六、根据步骤五将d2d与蜂窝网络的混合网络模型的联合模式选择和比例公平控制问题进行数学建模，得到数学模型；

步骤七：根据步骤六的数学模型进行模式选择：

步骤七一：计算所有d2d用户在专用模式下的最大比例公平函数，获得所有d2d用户的最大比例公平函数集合

其中，为d2d用户1在第t个时隙内的比例公平函数，为d2d用户id在第t个时隙内的比例公平函数，为d2d用户nd在第t个时隙内的比例公平函数；为蜂窝用户ic的最大发射功率，为专用模式d2d用户最优控制功率；

步骤七二：将进行降序排列得到新的比例公平函数集合将k个空闲频谱分配给q^d′集合中前k个d2d用户，其余nc-k个d2d用户被分配到复用模式，转到步骤八；

其中，为降序排列后d2d用户1在第t个时隙内的比例公平函数，为降序排列后d2d用户id在第t个时隙内的比例公平函数，为降序排列后d2d用户nd在第t个时隙内的比例公平函数；

步骤八：复用模式资源分配；

步骤八一：判断复用模式d2d对个数id是否达到最大值nd-k，否转到步骤八二，是转到步骤九；

步骤八二：判断蜂窝用户个数ic是否达到最大值nc，否转到步骤八三，是转到步骤八六；

步骤八三：执行d2d用户的接入控制；执行步骤八四；

步骤八四：使用最优功率控制方法获得最优控制矩阵执行步骤八五；

步骤八五：蜂窝网络个数加1，ic＝ic+1，转到步骤八二；

步骤八六：d2d对个数加1，id＝id+1，转到步骤八一；

步骤九：对复用模式下多对d2d用户和蜂窝用户资源进行分配，得到复用模式d2d用户和蜂窝用户的比例公平矩阵q，通过经典的匈牙利算法进行求解使得所有复用d2d用户和蜂窝用户的比例公平函数之和最大；

步骤十：根据步骤九得到信道分配矩阵x的一个最优解，得到优化问题公式(17)的次优解，转置步骤十一；

步骤十一：时隙t＝t+1,转到步骤三；

步骤十二：算法结束。

本实施方式效果：

本发明所研究d2d与蜂窝网络共存混合网络中的联合优化模式选择和比例公平调度算法，综合考虑了网络整体优化概念以及网络整体吞吐量和公平性问题，能够通过联合优化d2d通信的模式选择和比例公平调度算法，同时提高网络吞吐量和公平性。

本发明以混合网络中所有用户包含d2d用户和蜂窝用户，比例公平函数之和最大作为目标函数，以信道分配矩阵，用户最小信干燥比和最大发射功率作为约束条件，通过对多对d2d用户的模式选择，对信道资源进行了合理的分配；通过对一对d2d用户和其复用对象最优功率控制使得他们和吞吐量最大；以及通过使用低复杂度匈牙利算法对多对d2d用户和其复用对象的资源进行了最优的分配，从而得到了所研究问题的一个次优解。

本发明的目的是为了解决了目前大部分文献缺少对d2d通信模式选择和资源分配的综合研究，以及研究点多集中在以吞吐量最大作为目标而忽略用户之间公平性的问题，提出了一种联合模式选择和比例公平调度方法，该算方法能够在保证用户最小信干燥比的需求下，使系统总吞吐量和系统公平性之间达到很好的折中，从而解决了目前大部分文献缺乏整体优化概念和忽略用户之间公平性的问题。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤四中计算第t个时隙，蜂窝用户ic与基站之间的信道增益d2d对之间的信道增益蜂窝用户ic与d2d对id接收端之间的干扰信道增益以及d2d对id到基站干扰链路的信道增益具体过程为：

所述步骤四中d2d与蜂窝网络的混合网络中d2d通信复用蜂窝用户上行链路资源的网络系统模型包含一个基站1，nc个蜂窝用户2和nd个d2d发送端3和nd个d2d接收端4，终端用户可以是传统的手机用户5也可以是车载用户6，d2d终端可以选择专用模式通信7，也可以选择复用模式通信8(如图1)；

d2d与蜂窝网络的混合网络模型中所有蜂窝用户cu和d2d发送端dut均匀分布在以基站为圆心，半径为r的圆内，d2d接收端dur均匀分布在以dut为圆心半径为r的圆内；基站分配给蜂窝用户的信道之间完全正交，蜂窝用户之间不存在干扰；每个蜂窝用户被分配一个正交信道，一个正交信道至多分给一个蜂窝用户；且d2d用户只能复用一个蜂窝用户的资源，一个蜂窝用户的资源至多被一个d2d用户进行复用；所在蜂窝网络下，d2d用户只能够对蜂窝用户的上行链路资源进行复用，因为上行链路的干扰比下行链路资源更可控；所有用户包括蜂窝用户和d2d用户，蜂窝用户和d2d用户都有最小的sinr需求；基站能够通过控制信道获取所有通信链路的完美信道信息；所有链路经历了多径效应引起的快速衰落，阴影效应引起的慢衰落和长距离传输所带来的路径损耗。

第t个时隙，蜂窝用户ic与基站bs之间的信道增益的数学表达式为：

其中，g是路径损耗常数，为蜂窝用户到基站的服从指数分布的快速衰落，为蜂窝用户到基站服从对数正态分布的慢衰落因子，α是路径损耗因子，是蜂窝用户ic和基站之间的距离；ic为第i个蜂窝用户；蜂窝与d2d用户共存的混合网络中，所有用户的瞬时信道增益由多径效应，阴影效应和路径损耗构成；

第t个时隙，d2d对之间的信道增益(d2d对id发射端到d2d对id接收端之间的信道增益)的数学表达式为：

其中，为d2d对id发射端到d2d对id接收端的服从指数分布的快速衰落，为d2d对id发射端到d2d对id接收端服从对数正态分布的慢衰落因子，α是路径损耗因子，是d2d对id发射端到d2d对id之间的距离；

第t个时隙，蜂窝用户ic到d2d对id接收端之间的信道增益的数学表达式为：

其中，为蜂窝用户ic到d2d对id接收端的服从指数分布的快速衰落，为蜂窝用户ic到d2d对id接收端服从对数正态分布的慢衰落因子，α是路径损耗因子，是蜂窝用户ic到d2d对id接收端之间的距离；

第t个时隙，d2d对id到基站干扰链路的信道增益(d2d对id发射端到基站之间的信道增益)的数学表达式为：

其中，为d2d对id发射端到基站之间的服从指数分布的快速衰落，为d2d对id发射端到基站之间服从对数正态分布的慢衰落因子，α是路径损耗因子，是d2d对id发射端到基站之间之间的距离。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤六中根据步骤五将d2d与蜂窝网络的混合网络模型的联合模式选择和比例公平控制问题进行数学建模，得到数学模型；具体过程为：

以第t个时隙内所有用户比例公平函数之和最大为目标函数即得到数学模型：

其中，x^*是公式(17)达到最大值时对应的模式选择和信道分配矩阵x的最优解，p^*是公式(17)达到最大值时对应的功率矩阵即p的最优解；nc为蜂窝用户的个数，取值为正整数；nd为d2d对的个数，取值为正整数；x＝{x⁽¹⁾,x⁽²⁾}，其中x⁽¹⁾是模式选择矩阵，当d2d对id选择工作在专用模式下否则x⁽²⁾是信道分配矩阵，当d2d对id复用蜂窝用户ic的信道资源时否则和分别是d2d对id和蜂窝用户ic的最小信噪比；c＝{1，...,nc}是蜂窝用户的集合；d＝{1，...,nd}是d2d用户的集合；和分别是d2d对id和蜂窝用户ic的最大发射功率；k表示网络中空闲频谱的数量；

限制条件(17a)限制了第t个时隙d2d用户只能选择一种通信模式；(17b)表示专用模式d2d对的个数小于空闲频谱数量；(17c)和(17d)限制了d2d对和蜂窝用户之间的一对一复用关系；(17e)和(17f)限制了d2d对和蜂窝用户通信必须满足各自的最小信噪比需求；(17g)和(17h)限制了d2d对和蜂窝用户的最大发射功率。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤八三中执行d2d用户的接入控制；具体过程为：

复用模式d2d用户必须复用蜂窝用户资源进行通信；为了求解公式(19)中的优化问题，首先基站需要对d2d用户能否接入蜂窝网络资源进行决策；这是可行的，因为基站可以通过控制信道获取用户的位置信息，通过d2d用户和蜂窝用户之间的距离判断d2d用户能否复用蜂窝用户资源；这一步可以通过文献1(d.feng,l.lu,yiyw,gyli,gfeng,sli,"device-to-devicecommunicationsunderlayingcellularnetworks,"ieeetrans.commun.,vol.61,no.8,pp.3541-3551,aug.2013.)中的接入控制实现；

通过限制条件(17e)、(17f)、(17g)和(17h)获得d2d用户接收端id到蜂窝用户发送端ic的最小通信距离

式中，为用户ic到用户id的服从指数分布的快速衰落，为用户ic到用户id服从对数正态分布的慢衰落因子，为蜂窝用户ic与基站之间的信道增益，为d2d用户id与基站之间的信道增益；为d2d对之间的信道增益；

计算每个d2d对接收端与所有蜂窝用户之间的距离假设d2d对id接收端位置为蜂窝用户ic位置为则d2d用户id接收端到蜂窝用户ic发送端的距离为：

如果复用因子则d2d用户id可以复用蜂窝用户ic的资源；否则d2d用户id不能复用蜂窝用户ic的资源。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤八四中利用最优功率控制算法获得最优控制矩阵具体过程为：

步骤八四一：判断是转到步骤八四二，否转到步骤步骤八四三；

步骤八四二、当时，进行蜂窝用户ic和d2d用户id的功率控制；

当d2d用户复用蜂窝用户上行链路资源时，d2d接收端会接收到来自蜂窝用户的干扰信号，而基站会收到来自d2d发送端的干扰信号；可通过对d2d用户和其复用蜂窝用户功率的合理控制，抑制复用带来的共信道干扰问题，同时使得复用情况下，d2d用户和复用对象的比例公平函数之和最大；由于网络中d2d用户和复用蜂窝用户之间是一一对应关系，因此本发明只考虑一对d2d用户复用一个蜂窝用户时的功率控制问题；

复用模式下d2d网络与蜂窝网络共同组成的混合网络的功率控制问题是指通过合理控制用户的发送功率来抑制网络中的干扰，同时使得复用模式d2d对和其复用对象的速率之和达到最大；

在第t个时隙内，使得d2d用户id复用蜂窝用户ic时的速率之和达到最大时的最优功率控制问题建模为：

式中，为在第t个时隙内，d2d用户id复用蜂窝用户ic时的速率之和达到最大时蜂窝用户ic的瞬时速率，为为在第t个时隙内，d2d用户id复用蜂窝用户ic时的速率之和达到最大时d2d用户id的瞬时速率，为在第t个时隙内，d2d用户id复用蜂窝用户ic时的速率之和达到最大时蜂窝用户ic的发射功率，为在第t个时隙内，d2d用户id复用蜂窝用户ic时的速率之和达到最大时d2d用户id的发射功率，为在第t个时隙内，d2d用户id和复用蜂窝用户ic的比例公平函数之和；

其中，为的最优解即最优控制功率，该问题可通过文献1(d.feng,l.lu,yiyw,gyli,gfeng,sli,"device-to-devicecommunicationsunderlayingcellularnetworks,"ieeetrans.commun.,vol.61,no.8,pp.3541-3551,aug.2013.)的最优功率控制算法进行求解；

步骤八四三、当时，进行蜂窝用户ic的功率控制；对于未被复用蜂窝网络中的蜂窝用户，由于蜂窝用户之间的频谱资源相互正交，不存在干扰，因此未被复用蜂窝用户的最大比例公平函数所对应的发射功率为蜂窝用户的最大发送功率即：

式中，为未被复用蜂窝用户ic的最大比例公平函数所对应的发射功率，为未被复用蜂窝用户ic的最大比例公平函数所对应的瞬时速率；

所述对于即没有分配到专用模式也没有分配到复用模式的d2d用户，即在本时隙没有分配到任何资源的d2d用户，在下个时隙优先考虑分配资源；这种情况下，求得d2d对id的平均传输速率，计算如下：

得到公式(17)中的最优控制矩阵

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤九中对复用模式下多对d2d用户和蜂窝用户资源分配，得到复用模式d2d用户和蜂窝用户的比例公平矩阵q，通过经典的匈牙利算法进行求解使得所有复用d2d用户和蜂窝用户的比例公平函数之和最大；具体过程为：

对复用模式下多对d2d用户和蜂窝用户资源分配的具体过程为：

将步骤八计算得到的代入到公式(17)，优化问题转化为以下资源分配问题：

其中是专用模式d2d用户最优控制功率所对应的数据速率；

是复用模式d2d用户最优控制功率所对应的数据速率；

是复用模式d2d用户最优控制功率所对应的数据速率；

是未被复用蜂窝用户最优控制功率所对应的数据速率；

根据步骤七将公式(34)先进行d2d通信模式选择，之后公式(34)进一步转化为复用模式下d2d通信的比例公平调度问题：

公式(35)描述的是复用模式下多对d2d对和蜂窝用户的资源分配问题；通过功率控制得到每对d2d用户复用蜂窝用户的比例公平函数之和复用d2d用户和复用蜂窝用户的(多对复用对象对应的)比例公平函数矩阵q为：

其中

式中，为第t个时隙，复用模式下，每对d2d用户id和其复用蜂窝用ic户的比例公平函数之和。

公式(35)的最优解为从比例公平函数矩阵q中选取nd个元素，通过经典的匈牙利算法进行求解使得所有复用d2d用户和蜂窝用户的比例公平函数之和最大；在匈牙利算法计算过程中，对于行数大于nd或者列数大于nc的元素，本发明引入虚拟元素0进行填充。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

对仿真实验的描述：

a.网络框架及仿真参数

本发明仿真参数见表1

表1仿真参数

b.仿真结果与分析

本方面的仿真结果分别从网络总吞吐量，整个网络公平性两方面分析所提出算法对网络整体性能的提升。网络总体吞吐量定义为所有d2d用户和蜂窝用户的吞吐量之和。整体网络公平性利用jain’s公平性指标进行度量，jain’s表达式为：

其中f为jain’s公平性因子，ri为第i个用户当前时隙内的平均传输速率，n为用户个数。当f＝1时系统是最公平的，当f＝0时系统是最不公平的。jain’s公平性指标f越大，系统公平性越高。

图2是本发明所述的混合网络的系统吞吐量随着d2d对数量的变化趋势，单位是bit/s/hz。从图2中可以看出与纯蜂窝网络相比，本发明所提出的算法和文献[2]联合模式选择和资源分配算法(s.wen,x.zhu,x.zhangandd.yang,“qos-awaremodeselectionandresourceallocationschemefordevice-to-device(d2d)communicationincellularnetworks,”incommunicationsworkshops(icc),2013ieeeinternationalconferenceon,jun.2013,pp.101-105)，在系统吞吐量方面有一个显著的增加。这是因为d2d作为近距离通信，其传输数据速率要大于传统的蜂窝用户，并且会带来很大的复用增益，所以系统总吞吐量会随着d2d数量的增大而增大。随着d2d对数的增加，本发明所提出算法的吞吐量明显高于文献[2]。

图3是本发明所述的混合网络的系统公平性随着d2d对数量的变化趋势，范围为0-1。1表示系统完全公平，0表示系统完全不公平。从图中可以看到随着d2d对个数的增加，系统的公平性有了显著的增加，这是因为d2d对数越多，所复用的蜂窝用户越多，复用的蜂窝用户和未被复用蜂窝用户之间的数据速率差距就会随之减小。可以明显看到提出算法的系统公平性明显优于文献[2]。

图4是本发明所述的混合网络的系统吞吐量随着d2d发射端与接收端之间距离r的变化趋势，单位是bit/s/hz。从图中看出本发明所提出算法的吞吐量明显高于文献[2]。并且系统吞吐量随着r的增大而减小。这是因为r越大，路径损耗越大，导致d2d数据速率减小，从而系统整体吞吐量减小。

图5是本发明所述的混合网络的系统公平性随着d2d发射端与接收端之间距离r的变化趋势，范围为0-1。随着r的增加，系统公平性增加。这是因为r越大，d2d通信路径损耗越大，导致d2d数据速率减小。因此，d2d和蜂窝用户之间的数据速率差距减小，网络整体公平性也会随之上升。同时可以明显看到，提出算法的系统公平性明显优于文献[2]。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。