黃雅，邵世祥，孫君（南京郵電大學(xué)，江蘇南京210003）

基于相對距離的D2D通信模式選擇方案

黃雅，邵世祥，孫君
（南京郵電大學(xué)，江蘇南京210003）

D2D（Device-to-Device）通信技術(shù)是一種能夠降低基站負(fù)載率和提高系統(tǒng)資源利用率的新型近場通信技術(shù)。本文根據(jù)D2D接收端與蜂窩端的相對距離關(guān)系，分別討論了傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)以及引入中繼技術(shù)后的模式選擇問題，給出了一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關(guān)系的模式選擇方案。仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了D2D系統(tǒng)采用復(fù)用模式的概率與設(shè)定的系統(tǒng)信干噪比閾值成反比關(guān)系，表明引入中繼技術(shù)后的D2D系統(tǒng)采用復(fù)用模式的概率大大增加，意味著在混合網(wǎng)絡(luò)中加入中繼節(jié)點(diǎn)能夠有效地提高系統(tǒng)的頻譜利用率。

D2D通信；混合網(wǎng)絡(luò)；模式選擇；信干噪比；中繼技術(shù)

0 引言

伴隨移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)，帶寬需求不斷加大，頻譜資源分配日益緊張[1]。由于移動用戶不斷增加，同時可用于無線通信的頻譜資源有限，所以可分配的帶寬已經(jīng)難以滿足實(shí)際系統(tǒng)的需求。為縮小帶寬供給和帶寬需求之間的差異，更加高效地利用已有帶寬十分必要。D2D通信[2-3]與傳統(tǒng)蜂窩通信技術(shù)不同，D2D用戶之間傳輸信息不需經(jīng)基站轉(zhuǎn)發(fā)，地理位置相近的D2D用戶之間通過復(fù)用蜂窩用戶的無線頻譜資源直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，基站只需通過鏈路信息控制D2D用戶的通信，不需要與D2D通信用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此，D2D技術(shù)不僅降低了基站負(fù)載，還有效提升了系統(tǒng)頻譜資源利用率。

D2D用戶根據(jù)復(fù)用蜂窩資源的情況，有兩種工作模式[4-5]：正交模式（overlay）和復(fù)用模式（underlay）。其中，正交模式又稱為專用模式，指D2D用戶利用專用無線資源進(jìn)行通信，此時，小區(qū)內(nèi)的蜂窩用戶與D2D用戶利用相互正交的無線資源進(jìn)行通信；復(fù)用模式又稱為共用模式，是指D2D用戶共享小區(qū)內(nèi)某蜂窩用戶的頻譜資源進(jìn)行通信。

D2D系統(tǒng)采取正交模式通信時不會對原蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的通信產(chǎn)生影響。但若D2D通信被分配到非正交的信道資源，即工作在復(fù)用模式下時，D2D通信將會對蜂窩鏈路的接收端產(chǎn)生干擾。因此，如果網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載較小，可以為D2D系統(tǒng)分配多余的正交資源，這樣顯然能獲得更佳的網(wǎng)絡(luò)總體性能。但是，由于分配給蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源有限，考慮到通信業(yè)務(wù)對帶寬的要求越來越高，而采用非正交資源共享的方式可以使網(wǎng)絡(luò)獲得更高的資源利用率。這也是在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用D2D技術(shù)的主要目的。

復(fù)用模式下，當(dāng)基站選擇相距D2D用戶距離較近的蜂窩資源進(jìn)行復(fù)用時，它們之間容易產(chǎn)生干擾[6]。當(dāng)基站選擇距離D2D用戶較遠(yuǎn)的蜂窩用戶的資源來進(jìn)行資源復(fù)用時，由于D2D用戶的發(fā)射功率較小，對蜂窩用戶產(chǎn)生的有害干擾相對也較小甚至可以忽略，這樣就保證了它們之間干擾盡可能地小。本文將混合系統(tǒng)中的干擾問題考慮其中，基站能夠通過功率控制[7]和資源分配[8-10]的方式來協(xié)調(diào)蜂窩和D2D系統(tǒng)的干擾問題。首先介紹傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中引入D2D技術(shù)后面臨的模式選擇問題，給出一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關(guān)系的模式選擇方案。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)有的一些中繼傳輸技術(shù)方案，在混合系統(tǒng)中引入中繼節(jié)點(diǎn)，并分析了D2D用戶采用復(fù)用模式通信的概率與系統(tǒng)信干噪比門限值之間的關(guān)系。

1 D2D模式選擇方案

1.1 無中繼場景

本文將分別分析在無中繼和有中繼兩種場景下，D2D用戶進(jìn)行模式選擇的條件。首先，以傳統(tǒng)無中繼情況的蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)為背景，設(shè)定場景如圖1。

圖1 混合網(wǎng)絡(luò)無中繼的系統(tǒng)模型

場景中包括一個蜂窩用戶和2個D2D用戶，它們是一對正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄2D通信對，D2D鏈路距離為R，D2D接收機(jī)（D2D Rx）位于以D2D發(fā)射機(jī)（D2D Tx）為中心，R為半徑的圓周上，并假設(shè)D2D用戶對采用固定的發(fā)射功率PD。

為便于分析，以基站BS為極點(diǎn)建立一個極坐標(biāo)系。D2D Rx坐標(biāo)為（x，θD），蜂窩用戶坐標(biāo)為（y，θC），得出它們之間所處地理位置的夾角θ=|θD-θC|，由余弦定理可得到D2D Rx與蜂窩用戶端的距離為：

在基站上行鏈路中，假設(shè)蜂窩用戶到D2D Rx的距離為dCD，D2D Rx與D2D Tx之間的距離為r，噪聲功率密度為N0。蜂窩用戶采用路徑損耗補(bǔ)償?shù)姆椒▉砭S持一個恒定的接收信噪比SNRBS。上式變換得到蜂窩用戶的發(fā)送功率為：

D2D Rx的信干噪比SINRD為：

由式（4）可以看出干擾項受參數(shù)dCD的影響，即蜂窩用戶與D2D接收機(jī)的具體地理位置關(guān)系很大程度上決定了干擾強(qiáng)弱，從而影響了D2D接收機(jī)端的信干噪比。

在實(shí)際通信過程中，D2D工作模式由D2D Rx的信干噪比SINRD決定。為SINRD設(shè)定一個門限值Vf，則模式選擇的條件關(guān)系為：

因此，由underlay模式時的條件SINRD≥Vf可得：

由式（10）可以看出，Q值決定了判決式△的取值，下面將分區(qū)間討論Q值范圍。

情況1：Q＞1

若Q＞1，則△＞0與K＜0同時成立，則：即為：

根據(jù)上述對Q值的討論可知，模式選擇的影響因素為參數(shù)θ與X的取值情況。由θ=|θD-θC|，θ值反映了D2D用戶與蜂窩用戶之間的夾角，并且，當(dāng)D2D用戶處于蜂窩小區(qū)邊緣時，模式選擇結(jié)果受θ值影響較小，因此僅由X的值決定；當(dāng)D2D用戶位于小區(qū)中心地帶時，則X與θ值同時影響D2D模式選擇結(jié)果。

綜合以上討論情況，得出如下結(jié)論：在蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)無中繼場景下，D2D用戶采用固定發(fā)送功率時，采用underlay通信模式需滿足的條件是其中，X表示D2D Rx與蜂窩用戶端分別到基站的距離的比值，Q為常數(shù)，其取值由混合系統(tǒng)參數(shù)決定。

1.2 有中繼場景

當(dāng)在蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中設(shè)置中繼站Rn時，蜂窩用戶有兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即利用BS直接通信或通過Rn轉(zhuǎn)發(fā)通信。在蜂窩用戶與中繼節(jié)點(diǎn)距離較近時，獲得等鏈路容量所需要的發(fā)射功率較低，這種情況可以考慮采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式。

圖2為單小區(qū)混合系統(tǒng)中設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)時的場景圖，假設(shè)基站BS位于小區(qū)的中央位置，以基站為中心，將小區(qū)平均劃分成3個扇區(qū)，每個扇區(qū)中分別設(shè)有一個中繼站，即Rn1，Rn2，Rn3，且其中任意中繼節(jié)點(diǎn)Rn i（i= 1，2，3）到BS的距離都為D。

圖2 混合網(wǎng)絡(luò)有中繼的系統(tǒng)模型

采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式可以使蜂窩用戶以更小的發(fā)送功率獲得更高的系統(tǒng)容量，但缺點(diǎn)會成倍消耗資源，因此為了達(dá)到相同的系統(tǒng)容量，需要更高的信噪比，來達(dá)到與無中繼情況下的信噪比等效的效果。

為便于下文分析，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)Rn i到BS的回傳鏈路可靠。并且蜂窩用戶到Rn的鏈路容量決定兩跳鏈路總?cè)萘?，滿足下述公式：

式（18）表示，當(dāng)蜂窩用戶到BS鏈路的容量為蜂窩用戶到Rn i的容量的一半時，中繼通信的系統(tǒng)容量與蜂窩通信系統(tǒng)容量達(dá)到一致。對式（18）進(jìn)行變換得到中繼站Rn i的信噪比公式如下：

下面的分析與無中繼場景類似，首先以BS為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，由于對稱性，此處僅分析圖2中Rn1所在的扇區(qū)，為使公式表達(dá)簡潔，將中繼節(jié)點(diǎn)Rn1設(shè)在橫坐標(biāo)軸上，其坐標(biāo)為（D，0），蜂窩用戶坐標(biāo)為（y，θc），PCB與PCR分別代表蜂窩用戶和中繼站的發(fā)送功率，dCB表示蜂窩用戶與BS之間的距離，dCR表示蜂窩用戶到中繼節(jié)點(diǎn)的距離，可知：

當(dāng)蜂窩用戶與BS進(jìn)行通信與蜂窩用戶采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行通信時的容量達(dá)到一致時，分別消耗的功率如下：

將式（19）與式（21）分別代入式（23）可得：

與無中繼情況類似，利用信干噪比SINR的閾值Vf對D2D用戶采取何種通信模式進(jìn)行判斷。D2D接收端的信干噪比以及滿足的閾值條件為：

其中，dCD代表蜂窩用戶與D2D接收機(jī)Rx的距離；dCR代表蜂窩用戶到中繼Rn的距離；PCi取值為PCB與PCR值中的較小者，即PCi=min{PCB，PCR}。

由式（30）與式（31）變形可得：

在有中繼節(jié)點(diǎn)的蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中，蜂窩用戶依據(jù)其到中繼節(jié)點(diǎn)Rn的距離信息來決定是否采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；D2D用戶端則依據(jù)如下準(zhǔn)則來選擇用overlay模式或underlay模式進(jìn)行通信。

準(zhǔn)則：在有中繼節(jié)點(diǎn)的蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中，若蜂窩用戶決定采取中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行通信，則D2D用戶模式選擇公式如下：

上式中，dCD代表蜂窩用戶與D2D接收機(jī)Rx的距離；dCR代表蜂窩用戶到中繼Rn的距離。

若蜂窩用戶在中繼區(qū)域外，工作在非中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式下，則D2D用戶模式選擇公式如下：

■

上式中，dCB代表基站BS與蜂窩用戶之間的距離。上述準(zhǔn)則的所有距離值及相關(guān)參數(shù)值都可以在網(wǎng)絡(luò)中獲得，并且通過公式可以分析得出蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶端在不同模式通信時所適用的位置區(qū)域。

2 仿真

假設(shè)小區(qū)半徑為1（真實(shí)仿真中設(shè)為500 m），D2D接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間距離R設(shè)為0.1，中繼節(jié)點(diǎn)Rn與BS距離設(shè)為0.7，將D2D Rx與BS的距離dDB分別設(shè)為0.8，0.5及0.3。

實(shí)際生活中，采取D2D通信方式的用戶彼此之間距離較近，并且相對處于靜態(tài)，因此仿真過程中，將D2D用戶的位置固定不變，同時蜂窩用戶遍歷該小區(qū)的所有位置信息，即文中所有距離參數(shù)都能夠通過蜂窩用戶遍歷得知。本小節(jié)將根據(jù)推導(dǎo)的公式來對D2D用戶選擇underlay模式通信的概率值進(jìn)行仿真。圖3為仿真結(jié)果。

圖3 D2D用戶選擇underlay模式通信的概率隨Vf的變化情況

仿真圖的虛線部分表示了在混合網(wǎng)絡(luò)無中繼場景下，當(dāng)D2D用戶與BS的距離分別為0.8，0.5及0.3時，D2D用戶選擇underlay模式通信的概率隨D2D用戶端信干噪比的門限值的變化曲線。可以看出，在無中繼場景下，D2D用戶選用underlay模式的概率隨選用underlay模式的SINR閾值Vf的升高而降低，并且D2D端與BS距離dDB值影響該概率值。由于D2D Rx位置固定，并且為防止D2D用戶通信時對蜂窩用戶產(chǎn)生有害干擾，因此蜂窩用戶不會出現(xiàn)在以D2D Tx為圓心、到D2D Rx的距離為通信半徑的圓形區(qū)域內(nèi)。在此前提下，dDB越小，即D2D端與BS相距越近，則蜂窩用戶比D2D用戶出現(xiàn)在小區(qū)邊緣區(qū)域的概率越大。然而，蜂窩用戶的發(fā)送功率與其離BS距離的遠(yuǎn)近成正比，即蜂窩用戶離BS越遠(yuǎn)，發(fā)送功率越大，對D2D用戶端的相對干擾越強(qiáng)，因此，D2D用戶端的信干噪比SINRD超過閾值Vf的比率越小。

圖3的實(shí)線部分表示在混合網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置中繼站的場景下，同樣將D2D用戶與BS的距離分別設(shè)為0.8，0.5及0.3時的D2D用戶選擇underlay模式通信的概率曲線。與無中繼情況的曲線走勢類似，D2D用戶選擇underlay模式的概率與閾值Vf成反比。

對比可知，在dDB取值相同時，有中繼時D2D端選擇underlay模式的概率比無中繼情況的概率有較大提高。當(dāng)混合系統(tǒng)中引入中繼后，從D2D角度來看，復(fù)用蜂窩資源的幾率將大大提高，傳輸效率得到提升。

3 結(jié)論

本文研究了一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關(guān)系的模式選擇策略，并引入中繼節(jié)點(diǎn)，分析D2D用戶采用underlay模式通信的概率與系統(tǒng)信干噪比門限值之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，引入中繼后的D2D系統(tǒng)將更有機(jī)會復(fù)用上行鏈路資源。從蜂窩用戶角度來看，當(dāng)蜂窩端與中繼距離較近時，獲得等鏈路容量所需發(fā)射功率較低，可考慮采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式；從D2D角度來看，其復(fù)用蜂窩資源的幾率將提高，傳輸效率得到提升。本文僅研究單小區(qū)單中繼情況，在未來的研究中，將考慮多小區(qū)以及多中繼的系統(tǒng)模型。

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A relative distance-based mode selection scheme for D2D communication

Huang Ya，Shao Shixiang，Sun Jun
（Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

Device-to-Device（D2D）communication is proposed as a transmission approach to improve resource efficiency and lighten the load of base station（BS）in heterogeneous networks.In this paper，two scenarios that the heterogeneous system contains relay node or not are considered，and the research focuses on the relative distance from D2D receiver to cellular user.The simulation results demonstrate that the probability of choosing underlay mode is inversely proportional to the system threshold value of Signal to Interference plus Noise Ratio（SINR），which is determined by system parameters.Moreover，the introduction of relay node can increase the probability of selecting underlay mode，as well as increase the spectrum efficiency.

D2D communication；heterogeneous network；mode selection；SINR；relay technology

TN929.5

A

1674-7720（2015）17-0052-05

黃雅，邵世祥，孫君.基于相對距離的D2D通信模式選擇方案[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（17）：52-56.

2015-04-08）

黃雅（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：LTE系統(tǒng)中的D2D模式選擇技術(shù)。