周明昕，許 晨，楊 坤，余 揚(yáng)，趙凱飛，宋令陽

（北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 北京 100871）

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展導(dǎo)致許多新型的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)。如圖1所示，以TDMA為多址接入主要技術(shù)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）已經(jīng)成熟，以CDMA為物理層核心技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng) （3G）已經(jīng)全面部署，以O(shè)FDMA為多址接入的主要技術(shù)，以LTE及LTE-Advanced為代表的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）發(fā)展在穩(wěn)步推進(jìn)[1]。顯而易見，多網(wǎng)共存的局面已經(jīng)基本形成。各種新型增值數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如高速數(shù)據(jù)、流媒體等需求的不斷增長，給無線通信的發(fā)展帶來了機(jī)遇，也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。人們逐步認(rèn)識(shí)到，已有的和即將推出的系統(tǒng)在無線資源綜合優(yōu)化利用等方面存在局限性，不能很好地解決有限的頻譜資源與迅速增長的業(yè)務(wù)需求之間的矛盾，由此產(chǎn)生的無線通信瓶頸問題日益突出。

圖1 無線通信發(fā)展歷程

盡管以無線IEEE 802協(xié)議為基礎(chǔ)的無線局域自組織網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的發(fā)展，信息局部高效率流通問題得以解決，但是由于其使用非授權(quán)頻譜，因此無法保證用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS）[2]。簡而言之，未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將會(huì)遇到兩個(gè)顯著的瓶頸問題:

·數(shù)據(jù)流量需求大規(guī)模提升，但是無線網(wǎng)絡(luò)帶寬無法滿足這種需求；

·移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)興起，信息流向會(huì)呈現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域的局域化特點(diǎn)，但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法保證服務(wù)質(zhì)量。

導(dǎo)致“瓶頸”問題的主要原因是當(dāng)今的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要是以固定基礎(chǔ)設(shè)施（例如基站）為“通信核心”，即接入點(diǎn)與終端間通信。如圖2所示，根據(jù)香農(nóng)定理，由于“固定基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量以及接入信道”的限制，進(jìn)一步開展容量提升研究的空間微乎其微，從而造成了網(wǎng)絡(luò)容量的局限性，難以支持井噴式增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。但是，一方面，終端數(shù)量是巨大的，傳統(tǒng)通信方式忽略了終端側(cè)的充分連接，為滿足不斷增長的數(shù)據(jù)流量需求，解決無線通信瓶頸問題，異構(gòu)層疊網(wǎng)絡(luò)研究需要進(jìn)一步突破原有的通信體系架構(gòu)，提高無線頻譜資源利用的有效性；另一方面，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)

圖2 網(wǎng)絡(luò)容量

首席科學(xué)家

宋令陽 男，北京大學(xué)“百人計(jì)劃”研究員、博士生導(dǎo)師，英國約克大學(xué)博士、挪威奧斯陸大學(xué)和美國哈佛大學(xué)博士后，2008-2009年任英國飛利浦研究院高級(jí)研究員，2013年國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）青年科學(xué)家專題項(xiàng)目（首屆青年專題項(xiàng)目）首席科學(xué)家，獲得IEEE通信學(xué)會(huì)亞太區(qū)杰出青年研究獎(jiǎng)、國家自然基金委員會(huì)優(yōu)秀青年科學(xué)基金（首屆）、北京市科技新星稱號(hào)、北京市五四青年獎(jiǎng)?wù)?。主要研究方向?yàn)槎嗵炀€、協(xié)作通信以及同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

近5年，共發(fā)表SCI收錄文章50余篇，授權(quán)國際專利5項(xiàng)，申請國內(nèi)專利22項(xiàng)，出版4部英文著作，論文成果引用累計(jì)近1000次，獲得5個(gè)國際學(xué)術(shù)會(huì)議的最佳論文獎(jiǎng)，擔(dān)任3個(gè)頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊編委。其中，"小區(qū)內(nèi)多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)"轉(zhuǎn)化為國際專利，并成為第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容。界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)可以大大提升無線頻譜利用率。近年來，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)層疊的概念已經(jīng)在基站側(cè)得到了廣泛的應(yīng)用，例如宏小區(qū)、微小區(qū)、家庭基站等網(wǎng)絡(luò)的同頻融合的實(shí)現(xiàn)，成為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的有效手段[1,3]。關(guān)于終端通信方面，2009年諾基亞公司提出了兩個(gè)D2D（device-to-device）的方法，為面向多終端層疊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了參考依據(jù)[5,6]，而2011年高通公司提出將D2D技術(shù)在3GPP會(huì)議中立項(xiàng)也彰顯了此研究工作的重要性[7]。

另外，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，資源協(xié)同的概念已經(jīng)深入滲透到無線通信的新技術(shù)研究中，如空時(shí)頻編碼探索了空間、時(shí)間、頻率三域協(xié)同，取得了有意義的理論成果；MIMO-OFDM融合了多天線和OFDM抗多徑能力，成為無線環(huán)境下提高頻譜效率的有效手段[4]。MIMO-OFDMA系統(tǒng)中資源協(xié)同和跨層優(yōu)化已經(jīng)廣泛采用，基于多載波/多天線寬帶無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)向著多射頻多信道的復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)展[4]，其突出特征就是無線資源的多域性，即無線網(wǎng)絡(luò)資源可分別從時(shí)間域（時(shí)隙）、頻率域（子載波）、空間域（天線）、功率域（功率）、用戶域（多用戶）及網(wǎng)絡(luò)域（多網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行調(diào)度與控制的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多域協(xié)同優(yōu)化。

可以看出，上述傳統(tǒng)的多域協(xié)同優(yōu)化忽略了終端側(cè)的充分連接，通過在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信，將其作為蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的下層進(jìn)行工作，可與宏小區(qū)、微小區(qū)、家庭基站等異構(gòu)層疊蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用相同的頻譜資源，以提高系統(tǒng)吞吐量[3,8,9]。采用蜂窩網(wǎng)頻段，從通信發(fā)起時(shí)到連接建立后，D2D設(shè)備間通信始終受基站控制，以保持處于網(wǎng)絡(luò)受控的狀態(tài)，隨時(shí)可進(jìn)入蜂窩通信模式?；咀鳛榉涓C鏈路和D2D鏈路的資源控制中心，可同時(shí)對D2D發(fā)射端的傳輸參數(shù)（例如發(fā)射功率和通信時(shí)長）設(shè)置約束，限制其對蜂窩接收端造成的同頻干擾。

然而，現(xiàn)有關(guān)于D2D的層疊網(wǎng)絡(luò)研究都剛剛起步，并沒有考慮局域網(wǎng)的架構(gòu)，大多基于無線資源的簡單分割，或者是技術(shù)方案的簡單疊加，對于如何有效地加入現(xiàn)有移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，提高頻譜資源利用的有效性和網(wǎng)絡(luò)無縫性仍然是當(dāng)前寬帶無線通信發(fā)展所迫切需要解決的問題。

本文主要介紹本項(xiàng)目在協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面的相關(guān)研究成果。

2 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論

為了實(shí)現(xiàn)D2D-LAN（device to device local area network）技術(shù)的核心目標(biāo)，即采取網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、信息處理等手段，填補(bǔ)從物理層、媒體訪問控制（media access control，MAC）層、網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的理論與實(shí)際之間的空白，設(shè)計(jì)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和協(xié)議，解決數(shù)據(jù)流量激增問題?，F(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)了關(guān)于D2D-LAN的基礎(chǔ)理論研究成果。

2.1 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)

以動(dòng)態(tài)層疊為特點(diǎn)的未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵問題，可以為面向多用戶、多業(yè)務(wù)、高數(shù)據(jù)流量的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)空間、頻率、時(shí)間、功率、終端等資源綜合利用，增加基于授權(quán)頻譜通信的D2D通信，構(gòu)建支持高效動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、資源協(xié)同利用及網(wǎng)絡(luò)無縫配合的蜂窩局域?qū)盈B通信體系框架，研究信息容量限、自由度等網(wǎng)絡(luò)要素之間的相互關(guān)系，支持并推動(dòng)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用的發(fā)展等需求提供辦法。如圖3所示為D2D-LAN系統(tǒng)的主要架構(gòu)。在 TDD（time division duplex，時(shí)分雙工）系統(tǒng)中，D2D用戶發(fā)送和接收信號(hào)時(shí)在不同的時(shí)隙均使用相同的頻段?，F(xiàn)有研究主要針對以下幾個(gè)方面:D2D和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)組網(wǎng)、運(yùn)營商控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的方法以及模式轉(zhuǎn)換、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、同步、移動(dòng)管理、安全等[9,10]。

項(xiàng)目簡介

協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題為:新型的異構(gòu)動(dòng)態(tài)拓?fù)鋵盈B網(wǎng)絡(luò)體系框架理論；高效無線網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)理與抗干擾理論；網(wǎng)絡(luò)資源跨層優(yōu)化機(jī)理與節(jié)能方法。

“973”計(jì)劃“協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目面向國家在信息領(lǐng)域方面的重大需求，主要針對“智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)理論研究”方向中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源認(rèn)知和協(xié)同調(diào)度方法、動(dòng)態(tài)適配機(jī)制以及跨網(wǎng)資源高效利用等方面開展深入研究，通過引入終端直通層，創(chuàng)建新型的異構(gòu)蜂窩層疊通信體系框架，通過合理地利用包括空間、頻率、時(shí)間、信號(hào)、功率、終端、網(wǎng)絡(luò)等資源最大限度地提高頻譜效率和資源共享系統(tǒng)容量，重點(diǎn)研究逼近性能容量限的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)理與干擾應(yīng)對策略以及跨層資源高效共享機(jī)理和節(jié)能方法，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建適應(yīng)未來高數(shù)據(jù)流量的無線通信基礎(chǔ)理論與技術(shù)新體系。

圖3 D2D-LAN的系統(tǒng)模型和配置

普遍認(rèn)為，無線網(wǎng)絡(luò)編碼是一種有效提升網(wǎng)絡(luò)性能（主要是頻譜效率）的方法。在對傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)不構(gòu)成嚴(yán)重干擾的前提下，如何實(shí)現(xiàn)D2D網(wǎng)絡(luò)中有效的數(shù)據(jù)傳播成為實(shí)現(xiàn)D2D通信技術(shù)的阻礙之一。在新的場景中，功率控制、合作傳輸、多址接入等技術(shù)都需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

D2D通信的引入使得正交頻分多址接入（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題變得更為復(fù)雜。由于多對D2D用戶可與蜂窩用戶同時(shí)存在，在這樣的情況下，如何有效協(xié)調(diào)空間、時(shí)間、頻率、功率和設(shè)備之間的關(guān)系顯得尤為重要。此外，D2D通信面臨的其他挑戰(zhàn)還包括:有效服務(wù)的識(shí)別、D2D鏈路的無限資源分配和管理、自組織D2D鏈路、基于位置靠近的網(wǎng)絡(luò)卸載以及D2D通信的容量和性能評估等。最后，無線社交網(wǎng)絡(luò)、車載自組網(wǎng)甚或機(jī)器類型通信等許多基于D2D技術(shù)的應(yīng)用也有深入研究的價(jià)值。

2.2 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)信道和干擾建模

任何通信系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)都需要精確且易于使用的信道模型，新興的D2D-LAN通信系統(tǒng)也不例外。然而不同于傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)，D2D-LAN通信系統(tǒng)的收發(fā)端高度都比較低，而且通信距離比較短，一般是在干擾受限的情況下工作。因而，現(xiàn)有的很多信道模型，甚至建模方法都不能直接應(yīng)用于D2D信道建模。新穎的D2D信道建模方法和模型，受到越來越多的重視，也成為D2D通信系統(tǒng)快速和成功設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步和基石。

作為新興的通信模式，D2D的信道測量和建模還處在非常初級(jí)的階段。目前來說，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界公認(rèn)的觀點(diǎn)是，D2D的信道模型可以通過選取合適的通信場景，將以前給出的針對蜂窩通信系統(tǒng)的經(jīng)典模型，結(jié)合D2D通信

學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)

“973”計(jì)劃“協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目由北京大學(xué)牽頭，主要承擔(dān)單位包括深圳大學(xué)、香港中文大學(xué)深圳研究院。圍繞3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，本項(xiàng)目分為以下6個(gè)子課題。

課題一:異構(gòu)層疊網(wǎng)絡(luò)體系框架理論。承擔(dān)單位為北京大學(xué)，負(fù)責(zé)人為宋令陽。主要研究內(nèi)容包括:蜂窩異構(gòu)層疊網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；滿足層疊結(jié)構(gòu)的協(xié)議原型設(shè)計(jì)；基于認(rèn)知的動(dòng)態(tài)無縫自組織網(wǎng)絡(luò)研究。

課題二:層疊網(wǎng)絡(luò)信道特性及干擾建模。承擔(dān)單位為北京大學(xué)，負(fù)責(zé)人為程翔。主要研究內(nèi)容包括:直通信道的非平穩(wěn)特性以及深衰落研究；協(xié)同直通信道之間的空間相關(guān)特性研究；層疊網(wǎng)絡(luò)干擾建模研究。

程翔，博士，英國赫瑞-瓦特大學(xué)和愛丁堡大學(xué)博士后，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)闊o線信道的建模及仿真、車載通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、綠色通信技術(shù)、協(xié)同MIMO通信技術(shù)、第四代（4G）及超四代(B4G)移動(dòng)通信技術(shù)等。的特點(diǎn)，稍作修改后得到。比如，利用經(jīng)典的Rayleigh模型、SCM模型和WinnerⅡ模型等，稍作修改便應(yīng)用到D2D的通信信道建模中。作為D2D通信系統(tǒng)研究的初期階段，為了盡快得到較為精確的信道模型，方便D2D通信系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)和對比，上述觀點(diǎn)和方法是正確的。但是，隨著D2D通信系統(tǒng)的深入研究和設(shè)計(jì)，如何合理且全面地挖掘D2D通信信道的特性，結(jié)合D2D通信的特點(diǎn)進(jìn)行更合理的建模，便成為一個(gè)急需攻克的難題。

由于D2D通信不同的研究方向，所需要的模型要求不同，例如理論分析需要盡量簡單且易于分析的模型，而對于實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)出參數(shù)較多、更能反映實(shí)際情況的D2D信道模型，所以考慮了以下3種D2D信道模型。

（1）經(jīng)典的抽頭延遲線（TDL）建模方法生成了基于TDL的D2D信道模型，如圖4所示，主要為了支持D2D通信系統(tǒng)資源配置和管理方面的工作。

（2）基于幾何的統(tǒng)計(jì)建模方法生成了基于幾何統(tǒng)計(jì)的D2D信道模型，如圖5所示，主要為了支持D2D通信系統(tǒng)容量分析和物理層設(shè)計(jì)方面的工作。

（3）基于參數(shù)的統(tǒng)計(jì)建模方法，如圖6所示，生成了基于參數(shù)統(tǒng)計(jì)的D2D信道模型，主要為了支持D2D通信系統(tǒng)平臺(tái)搭建和性能分析方面的工作。

基于上面的工作，在全面梳理和分析現(xiàn)有建模方法和模型的基礎(chǔ)之上，發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)有建模方法和模型生成的D2D信道模型都無法很好地呈現(xiàn)出D2D通信系統(tǒng)的特有性質(zhì)?？紤]到D2D通信系統(tǒng)收發(fā)端高度比較低、通信距離較近等特點(diǎn)以及D2D通信系統(tǒng)的復(fù)雜移動(dòng)環(huán)境和協(xié)同設(shè)備 （蜂窩網(wǎng)中的基站）周圍環(huán)境所呈現(xiàn)出的互異性（non-homogeneous），D2D通信信道往往呈現(xiàn)出較明顯的非線性。嘗試提出一種新穎的信道建模方法，可以很好地捕捉到上述特性。為此，參考文獻(xiàn)[11]引入α-μ分布來建模呈現(xiàn)非線性傳播環(huán)境的直通信道的深衰落特性，以幾何統(tǒng)計(jì)建模方法為主，結(jié)合參數(shù)統(tǒng)計(jì)建模參數(shù)化和系統(tǒng)化的優(yōu)點(diǎn)，直接針對散射體建模，并考慮散射體和收發(fā)端移動(dòng)軌跡，可以得到一種新穎的幾何—參數(shù)統(tǒng)計(jì)建模方法[11]。

圖4 基于TDL的D2D信道模型

2.3 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量研究

無線自組織網(wǎng)絡(luò)的容量一直是人們關(guān)心的重要問題，2000年，美國UIUC的Kumar教授開創(chuàng)了大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)容量研究的先河，提出了網(wǎng)絡(luò)信息論的研究框架，為更好地研究大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)的容量提供了基礎(chǔ)。針對不同的應(yīng)用場景和物理層假設(shè)，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的容量有待人們的深入分析。

以前的無線自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量研究主要集中在對于理想傳輸模型的研究上，即假設(shè)當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)的信干噪比（SINR）大于某一界限時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)可以無錯(cuò)地接收信號(hào)。參考文獻(xiàn)[12]考慮了更為實(shí)際的傳輸模型，考慮了非零的錯(cuò)誤概率，分析了具有傳輸不確定性的無線自組織網(wǎng)絡(luò)多播容量。通過考慮節(jié)點(diǎn)多跳傳輸時(shí)接收（中繼）節(jié)點(diǎn)的接收錯(cuò)誤概率，分析其對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的多播吞吐量的影響。從理論上可以證明，非零的接收概率對網(wǎng)絡(luò)的吞吐量具有積累效果，從而會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的總體容量，進(jìn)而，給出了一種新的調(diào)度策略克服這一影響，提高網(wǎng)絡(luò)的多播吞吐量容量。

學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)

課題三:異構(gòu)層疊網(wǎng)絡(luò)的信息論容量域。承擔(dān)單位為香港中文大學(xué)深圳研究院，負(fù)責(zé)人為陳名華。主要研究內(nèi)容包括:蜂窩異構(gòu)層疊網(wǎng)絡(luò)的信息論容量區(qū)間；多用戶協(xié)議以及有限反饋的容量；基于物理層抽象的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)容量以及傳輸時(shí)延機(jī)理。

陳名華，博士，美國微軟研究院博士后，香港中文大學(xué)深圳研究院研究員、香港中文大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)信息理論、網(wǎng)絡(luò)編碼和數(shù)據(jù)挖掘。

課題四:網(wǎng)絡(luò)適配的信號(hào)傳輸機(jī)理與處理方法。承擔(dān)單位為深圳大學(xué)，負(fù)責(zé)人為張勝利。主要研究內(nèi)容包括:發(fā)送機(jī)協(xié)同傳輸理論與方法；面向動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由優(yōu)化算法以及數(shù)據(jù)傳播；基于物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的干擾利用理論與方法。

張勝利，博士，深圳大學(xué)副教授，2009年獲深圳市高層次專業(yè)人才、地方級(jí)領(lǐng)軍人物稱號(hào)，主要研究方向?yàn)槲锢韺泳W(wǎng)絡(luò)編碼、信息論、信道編碼、無線局域網(wǎng)、協(xié)作通信等。

課題五:異構(gòu)層疊網(wǎng)絡(luò)跨層資源管理和優(yōu)化機(jī)制。承擔(dān)單位為香港中文大學(xué)深圳研究院，負(fù)責(zé)人為張穎珺。主要研究內(nèi)容包括:支持層疊網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同資源分配和用戶調(diào)度；面向多播和廣播服務(wù)的有效資源分配研究；節(jié)能雙跳蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)資源分配研究。

張穎珺，博士，香港中文大學(xué)深圳研究院研究員、香港中文大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)橘Y源分配和認(rèn)知無線電。

圖5 基于幾何統(tǒng)計(jì)的D2D信道模型

圖6 基于參數(shù)統(tǒng)計(jì)的D2D信道模型

2.4 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的連接性問題

在多跳環(huán)境下，任意兩個(gè)D2D用戶間存在一條可用于通信的多跳路徑的概率是一個(gè)值得深入研究的問題。此項(xiàng)研究有利于了解在蜂窩系統(tǒng)中采用多跳D2D網(wǎng)絡(luò)的可行性，同時(shí)亦對于維持網(wǎng)絡(luò)連接性的功率控制提供了理論基礎(chǔ)。

考慮圖7中蜂窩系統(tǒng)和D2D網(wǎng)絡(luò)共存的場景。圓心為蜂窩網(wǎng)基站，a是小區(qū)半徑。介于D2D傳輸對蜂窩系統(tǒng)造成的干擾，靠近基站的灰色區(qū)域內(nèi)不能有D2D用戶活躍。此區(qū)域半徑b取決于基站的抗干擾能力和D2D用戶的傳輸功率。另外，D2D傳輸功率還直接決定了D2D用戶的傳輸范圍。

圖7 D2D網(wǎng)絡(luò)連接性問題

研究表明[13]，D2D網(wǎng)絡(luò)連接性和用戶密度以及（a-b）/ro存在直接關(guān)系。圖8顯示，當(dāng)（a-b）/ro>2時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連接性較強(qiáng)，并且主要由用戶密度λ決定，與（a-b）/ro的具體取值關(guān)系不大；相反，當(dāng)（a-b）/ro<2時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連接性較弱，并且隨著（a-b）/ro取值的下降急速變差。

圖8 D2D網(wǎng)絡(luò)連接性與用戶密度的關(guān)系

3 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

為了確保和已存在的蜂窩網(wǎng)絡(luò)達(dá)成互通性，D2D-LAN將面臨亟待解決的重要問題，比如D2D用戶和蜂窩用戶之間的干擾管理、頻譜資源分配等問題。下面給出這些重要問題的一些關(guān)鍵技術(shù)手段。

3.1 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的干擾管理

3.1.1 干擾分析

在D2D-LAN系統(tǒng)中，由于有頻率復(fù)用和設(shè)備聚集的情況，D2D網(wǎng)絡(luò)在向用戶提供覆蓋服務(wù)的同時(shí)，也輻射到鄰近的移動(dòng)用戶，帶來不可避免的信號(hào)干擾。因此，干擾信號(hào)的處理與協(xié)調(diào)是D2D系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問題。根據(jù)系統(tǒng)中的具體干擾信號(hào)的特點(diǎn)，可以將干擾分為3種:相對干擾、已知干擾和其他干擾，如圖9所示。存在3種相應(yīng)的干擾處理方案:干擾利用、干擾消除與干擾抑制。由基站實(shí)時(shí)監(jiān)測這3種情況，并協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用相應(yīng)的傳輸方式與干擾處理方案。

圖9 D2D系統(tǒng)的干擾分類

3.1.2 干擾管理

（1）干擾利用

2018年高考，筆者所執(zhí)教的班級(jí)又取得了理想的成績，關(guān)鍵是學(xué)生的語文素養(yǎng)得到了明顯的提升。細(xì)細(xì)想來，這與筆者一直以來挖掘文言文教學(xué)這座富礦息息相關(guān)。多年前，筆者曾就文言文教學(xué)寫了一篇《以言為本，一石三鳥——文言文教學(xué)成效初探》的文章；多年后，筆者想就文言文教學(xué)成效進(jìn)行再探——文言為根，開枝散葉。

如圖10所示，如果節(jié)點(diǎn)A、B、C處于非常接近的位置，并且A、C希望通過B傳輸信號(hào)。在此情況下，基站可以控制節(jié)點(diǎn)A、B、C采用物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的傳輸方法，利用干擾信號(hào)的疊加，提高頻譜效率。

針對此情況，參考文獻(xiàn)[14]提出一種新的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼算法——信道采樣物理層網(wǎng)絡(luò)編碼。該算法實(shí)現(xiàn)簡單，僅需要符號(hào)級(jí)時(shí)間同步和接收端信道信息，算法復(fù)雜度與VBLAST算法相同。如果中繼有K根天線，兩端有1根天線，該算法可以得到理論上的最大分級(jí)增益K，并且該算法具有天然的安全性。

（2）干擾消除

對于非雙向傳輸，干擾利用算法就不再適用。但是D2D系統(tǒng)中有一個(gè)特點(diǎn)，就是節(jié)點(diǎn)聚集，只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)非常接近的時(shí)候，才適合用D2D。此時(shí)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臅r(shí)候，信號(hào)通常會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到，當(dāng)此信號(hào)再次被發(fā)送時(shí)，即成為一支干擾。但是由于節(jié)點(diǎn)聚集，干擾的功率通常很大，普通的干擾消除算法不適用。因此可以從中抽象出已知干擾信道，并對此信道做深入研究。

圖10 雙向中繼中的相對干擾

已知干擾信道模型如圖11所示，即干擾數(shù)據(jù)已知，干擾信道未知的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸信道。對該類信道，傳統(tǒng)的做法是利用已知干擾信號(hào)估計(jì)信道系數(shù)，然后將此干擾減掉再檢測目標(biāo)信號(hào)。從信息論的角度，首先得到一個(gè)已知干擾信道的信道容量上界（1-1/K）log（），其中，c是一個(gè)給定常數(shù)，K是數(shù)據(jù)分組的長度。而最近參考文獻(xiàn)[15]提出了一種已知干擾消除算法BKIC（blind known interference cancellation），該算法可以達(dá)到的傳輸速率為（1-1/K）log（）。在高信噪比區(qū)間或者大數(shù)據(jù)分組長度的時(shí)候，該可達(dá)速率無限接近上界。

圖11 已知干擾信道

圖12給出了不同信號(hào)功率下，傳統(tǒng)算法和BKIC算法的可達(dá)容量?？梢钥吹?，傳統(tǒng)算法的可達(dá)容量由于殘留干擾的原因，很快就飽和了；而BKIC算法，其可達(dá)容量隨著發(fā)送功率會(huì)一直增加。

圖12 傳統(tǒng)算法和BKIC算法的可達(dá)容量

（3）干擾抑制

對于D2D系統(tǒng)中不能利用也不是已知的干擾，通常只能采取功率控制的方法。由基站計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，從而保證整個(gè)小區(qū)所有節(jié)點(diǎn)都可以正確傳輸。

針對兩條D2D鏈路情況，考慮這兩條鏈路之間互相干擾及對基站的干擾，應(yīng)用基站的功率控制算法。D2D接收端可以使用高級(jí)干擾處理算法，比如串行干擾消除（SIC）等來提高性能，從而得出新的干擾控制結(jié)果。在D2D通信中，可以證明該算法可以接近理論上系統(tǒng)最大效用的上界。

3.2 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的資源分配

3.2.1 頻譜分配方式

頻譜分配主要分為機(jī)會(huì)式 （overlay）和覆蓋式（underlay）兩種方式。

在機(jī)會(huì)式頻譜分配下，注冊頻譜的一部分被蜂窩用戶占用，另一部分由D2D網(wǎng)絡(luò)使用。D2D用戶占用與蜂窩用戶正交的頻段進(jìn)行通信，這種方式雖然能夠完全避免D2D用戶與蜂窩用戶之間的干擾，卻對提高頻譜復(fù)用率無效。

覆蓋式頻譜分配允許多個(gè)D2D用戶和蜂窩用戶在同一頻段上工作，以此提高頻譜效率。對于運(yùn)營商來說，D2D用戶和蜂窩用戶的同頻分配更有利、更高效；但是從技術(shù)的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)起來也更為復(fù)雜?？偟膩碚f，覆蓋式頻譜分配可以獲得更好的系統(tǒng)性能，但是要求也更加復(fù)雜。

覆蓋式方法需要有一個(gè)中央實(shí)體負(fù)責(zé)智能地通知每個(gè)通信單元 （包括蜂窩用戶和D2D用戶）使用哪些子信道。但是，由于大量D2D用戶的存在和有多個(gè)D2D用戶和蜂窩用戶共享相同頻譜的情況，導(dǎo)致了優(yōu)化問題的復(fù)雜化；此外，用戶和中央控制實(shí)體進(jìn)行通信也會(huì)導(dǎo)致時(shí)延問題。在這種情形下，分布式而非集中式的資源分配方法（在這種方法中，D2D用戶可以管理自己的子信道）更加適用。

分布式的資源分配可以采用非合作和合作兩種解決方案。在非合作解決方案（即自組織方法）中，每個(gè)D2D用戶僅以最大化自身吞吐量和QoS為目標(biāo)自行選擇子信道。但是，由于忽視分配結(jié)果對同頻D2D和蜂窩用戶產(chǎn)生的影響，可能受到由此帶來的干擾的影響。而在合作的解決方案（即網(wǎng)絡(luò)輔助式方法）中，D2D用戶不僅考慮自身的吞吐量和QoS等目標(biāo)，還能夠通過收集到的子信道占用情況的部分信息，評估自身對其他同頻用戶造成的干擾情況，進(jìn)而合理選擇子信道。通過合作的解決方案，蜂窩用戶和D2D用戶的平均吞吐量、QoS及其整體性能均得到了優(yōu)化。

比較而言，機(jī)會(huì)式頻譜分配比較容易實(shí)現(xiàn)，但頻譜效率較低。覆蓋式頻譜分配要求相對復(fù)雜，但可以獲得更好的系統(tǒng)性能。采取合作的分布式資源分配無疑能獲得最好的優(yōu)化效果。

3.2.2 利用博弈論的資源分配算法實(shí)例

合理地選擇資源分配方案對于減小同頻干擾對D2D-LAN性能的影響有著重要作用?；诓┺恼撝蟹聪虻M合拍賣而產(chǎn)生的頻譜資源分配算法或許能夠作為頻譜分配問題的一個(gè)良好解決方案[16]。基于組合拍賣的資源分配機(jī)制通過允許競拍者一次性收購若干資源組合包，以此激勵(lì)競拍者充分表達(dá)喜好，從而提升系統(tǒng)效率和拍賣收益。組合拍賣中存在的獲勝者確定問題（winner determination problem，WDP）導(dǎo)致的NP難問題，通過采用迭代組合拍賣（iterative combinatorial auction，ICA）機(jī)制可以解決。ICA的設(shè)計(jì)，特別是集中式的ICA設(shè)計(jì)，通常基于要價(jià)機(jī)制。在ICA機(jī)制中，競拍者被允許多次迭代提交競標(biāo)，拍賣者則計(jì)算臨時(shí)分配結(jié)果，并在每一輪競拍中要價(jià)。在反向迭代組合拍賣中，價(jià)格通過貪婪模式不斷地進(jìn)行更新:如果有競拍者對競購物品提交申請競購，對應(yīng)競購物品的價(jià)格就固定；如果沒有，則對應(yīng)物品就會(huì)降價(jià)。

將反向迭代組合拍賣應(yīng)用于頻譜分配，其目標(biāo)是解決任意數(shù)量的D2D通信鏈接復(fù)用同一蜂窩頻段的問題。在這里，“物品包”指多個(gè)D2D用戶對的組合 ；“競拍者”是蜂窩信道在被D2D占用后可獲得的額外的信道速率增益 ；D2D通信需要耗費(fèi)信令傳輸代價(jià)和同頻干擾代價(jià)，被抽象為“代價(jià)”。為了避免來自D2D鏈路的干擾，蜂窩信道需要在D2D接入之前確保蜂窩系統(tǒng)的性能。因此，只有在代價(jià)不至影響本身性能的前提下，“競購”才能夠進(jìn)行。這一過程迭代進(jìn)行，直到所有的D2D通信鏈路均被“拍賣”，或者所有蜂窩信道都贏得了一個(gè)“物品包”，“拍賣”才算結(jié)束。

系統(tǒng)和速率隨著資源量的增加而上升，不同D2D用戶對數(shù)量的系統(tǒng)和速率如圖13所示。在幾種不同分配算法中，R-ICA（reverse ICA）代表反向迭代組合拍賣算法；窮舉搜索最優(yōu)選擇（exhaustive optimal）算法給出了和速率的上界；簡化R-ICA（reduced reverse ICA）算法限制了共享同一蜂窩信道的D2D用戶對數(shù)量。從圖13可以看出，R-ICA算法的性能遠(yuǎn)高于隨機(jī)分配 （random allocation）；R-ICA算法相比最優(yōu)選擇而言，后者雖然能給出最高的系統(tǒng)和速率，但是當(dāng)蜂窩資源量增大的時(shí)候，這種優(yōu)勢就微不足道了。

圖13 不同分配算法得到的系統(tǒng)和速率

3.3 協(xié)同異構(gòu)蜂窩層疊網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)頻譜檢測

D2D-LAN系統(tǒng)可以允許用戶以自組織的方式接入:D2D用戶自發(fā)性地通過發(fā)現(xiàn)頻譜空洞進(jìn)行自組織方式的通信。這種配置方式類似于認(rèn)知無線電，它允許D2D用戶感知周圍環(huán)境，獲取CSI、干擾以及蜂窩系統(tǒng)信息。這種分布式的方法能有效防止控制信令過載和時(shí)延，但自組織的通信形式可能會(huì)造成通信混亂。D2D的主要應(yīng)用場景之一是室內(nèi)通信，因而研究如何在室內(nèi)使用空白頻譜意義重大。

針對這一問題，香港中文大學(xué)聯(lián)合美國微軟公司研發(fā)了WISER系統(tǒng)[17]，能有效而低成本地檢測室內(nèi)的空白頻譜，具體部署如圖14所示，主要貢獻(xiàn)如下。

圖14 WISER架構(gòu)示意

·提出了室內(nèi)電視白頻譜檢測系統(tǒng)，稱為WISER，能夠有效地檢測室內(nèi)額外的白頻譜。這是世界上首個(gè)可以在不干擾現(xiàn)有頻譜使用的情況下，成功檢測到最多白頻譜的系統(tǒng)。該白頻譜檢測系統(tǒng)可以用于任何建筑物內(nèi)以檢測電視白頻譜，從而為更好的無線應(yīng)用提供可能。

·提出了基于信道和位置信息的聚合算法，能夠顯著減少WISER系統(tǒng)中傳感器的使用數(shù)量，從而降低WISER的搭建成本，為將來的大規(guī)模應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

·利用研發(fā)設(shè)計(jì)的WISER原型機(jī)，在中國香港的室內(nèi)和室外進(jìn)行了大量的測量，測量結(jié)果表明，室外和室內(nèi)各有大于50%和70%的電視頻譜是白頻譜。另外，室內(nèi)白頻譜分別呈現(xiàn)出關(guān)于地理位置的相關(guān)性和關(guān)于信道的相關(guān)性特點(diǎn)，這一分析結(jié)果提供了發(fā)掘和利用室內(nèi)白頻譜的切入點(diǎn)。

4 結(jié)束語

當(dāng)今投入使用的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要是以基站為通信核心的具有固定設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，而忽略了終端側(cè)的充分連接。在協(xié)同異構(gòu)層疊網(wǎng)絡(luò)下引入D2D通信技術(shù)，將其作為蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的下層進(jìn)行工作，可與宏小區(qū)、微小區(qū)、家庭基站等異構(gòu)層疊蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用相同的頻譜資源，在原有無線通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大頻譜利用效率、提升系統(tǒng)容量。目前的研究表明，D2D-LAN技術(shù)將發(fā)展成為下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持的關(guān)鍵技術(shù)。D2D-LAN也將應(yīng)用近年來無線通信中的先進(jìn)技術(shù)以保證網(wǎng)絡(luò)性能，這些技術(shù)包括無線網(wǎng)絡(luò)編碼、效用優(yōu)化、擁塞和接入控制、博弈理論、物理層安全等，D2D通信技術(shù)表現(xiàn)出能夠獲得系統(tǒng)高容量和充分利用無線資源的巨大潛力。

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