［凌亞 張勇 莊園］

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基于分區(qū)和干擾限制區(qū)域的多小區(qū)D2D資源分配策略*

［凌亞 張勇 莊園］

摘要

在蜂窩網(wǎng)絡與D2D(Device-to-Device，終端與終端直接的信息傳輸)網(wǎng)絡構成的混合網(wǎng)絡中，針對多小區(qū)建立D2D通信鏈路后，存在由于距離較遠等其他因素導致通信鏈路質(zhì)量不佳的情況，建立新的D2D中繼兩跳鏈路，針對引入中繼后小區(qū)內(nèi)與小區(qū)間的干擾問題，提出一種新穎的資源分配策略，首先對小區(qū)進行分區(qū)，選擇合適的可復用區(qū)域，然后對分區(qū)后可能存在的幾種情況進一步分析，提出基站協(xié)作機制和干擾受限區(qū)域?qū)ζ溥M行解決。仿真結果表明，引入中繼后可提高通信鏈路的速率，且提出的資源分配策略有效提高了系統(tǒng)吞吐量，提升了系統(tǒng)性能。

關鍵詞：干擾 資源分配 分區(qū) 干擾限制區(qū)域

凌亞

重慶郵電大學 通信新技術應用研究中心。

張勇

重慶郵電大學 通信新技術應用研究中心，重慶信科設計有限公司。

莊園

重慶郵電大學 通信新技術應用研究中心。

0 引言

隨著各種移動通信系統(tǒng)的演進，分配的帶寬資源或許將無法滿足無線通信發(fā)展的需求。為了提升蜂窩網(wǎng)絡的性能，滿足用戶對速率的要求，提高頻譜利用率的相關技術成為近幾年研究的熱點，而可直接在現(xiàn)網(wǎng)中升級而來的D2D技術更是受到大家的關注。但是由于D2D終端直接通信可能會因為距離等其他因素而導致通信鏈路質(zhì)量不佳的問題，有些學者提出的D2D中繼技術可以很好地解決這一問題。

然而引入中繼后也會引起更為復雜的干擾問題。如何對復用模式下的D2D通信鏈路選擇合適的復用資源成為研究的一大難點，既要能保證蜂窩通信鏈路的正常通信，又要保證D2D通信鏈路受到的干擾在可接受的范圍。尤其是對于多小區(qū)場景下，不僅要考慮小區(qū)內(nèi)干擾，還要顧及小區(qū)間干擾。針對這些分析，本文提出了一種合理的資源分配方法來減小各種干擾，從而保證系統(tǒng)內(nèi)鏈路的正常通信。

現(xiàn)有的關于D2D通信鏈路資源分配的研究多是考慮在單小區(qū)場景下。文獻[1]提出了基于系統(tǒng)最大吞吐量的貪婪算法，從D2D通信用戶復用蜂窩用戶上、下行資源兩方面提出優(yōu)化策略，把D2D用戶使用小區(qū)無線資源的分配問題總結為混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。這是此文獻的一個難點。文獻[2]提出一種解決D2D用戶組間干擾的新方案。通過在用戶組間干擾最小化和頻率復用因子最大化建立一種平衡，從而達到減小干擾和小區(qū)阻塞率的目的。文獻[3]結合模式選擇與資源分配算法，對單蜂窩場景下的通信場景做出研究，提出并驗證D2D通信鏈路并非復用最大的蜂窩用戶資源才能獲得最佳性能。

借助中繼后的資源分配的研究如今仍是研究的熱點，但也多考慮單小區(qū)場景。文獻[4]研究了單小區(qū)場景下有中繼協(xié)作的D2D通信系統(tǒng)中的最優(yōu)中繼選擇和功率分配問題。在滿足D2D發(fā)射端對蜂窩鏈路干擾可控的前提下，最大化D2D鏈路的吞吐量。文獻[5]提出了一種帕累托最佳功率分配方法使得系統(tǒng)內(nèi)D2D鏈路和蜂窩鏈路獲得的總速率最大。文獻[6]從節(jié)能的想法出發(fā)，提出一種啟發(fā)式的綠色中繼分配算法，達到在中繼節(jié)點處以最小的數(shù)據(jù)傳輸速率得到最大容量的綠色中繼方案。

考慮單小區(qū)場景時，通常把其他小區(qū)對其的干擾直接當作噪聲或者直接忽略了。

然而現(xiàn)有的D2D中繼都是考慮單小區(qū)場景，也就是說把其他小區(qū)對其的干擾直接當作噪聲或者直接忽略了，由文獻[7]可推出一種新的場景，即在跨小區(qū)或者多小區(qū)存在D2D通信鏈路時可能也會需要借助中繼來改善通信鏈路質(zhì)量。

本文就以上分析，研究了多小區(qū)場景下跨小區(qū)D2D通信鏈路的資源分配問題。針對多小區(qū)復雜場景下的干擾問題，提出了一種有效的減少干擾的資源分配方法。

本文將分以下幾個部分進行研究：第一部分描述了一個新的存在中繼的D2D通信的混合網(wǎng)絡場景；第二部分對新場景的干擾問題提出一種能夠有效減少干擾的資源分配方法；第三部分給出了幾種算法的比較并進行分析；第四部分對本文進行總結。

1 系統(tǒng)模型

一個多小區(qū)D2D通信的無線混合系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)采用全頻率復用方式進行通信，每個蜂窩用戶分配的資源是正交的，且每個小區(qū)一個蜂窩用戶的資源只能被一條D2D鏈路復用。設小區(qū)數(shù)量為K，每個小區(qū)蜂窩數(shù)量為C ，總D2D鏈路為D ，資源塊數(shù)目為N。本文針對多小區(qū)場景復雜的干擾問題，提出了一種減小干擾的資源分配方法。

圖1 多小區(qū)D2D中繼通信模型圖

如圖1所示，DTx3-DRx3是一條D2D直連鏈路，DTx1-R1-DRx1與DTx2-R2-DRx2是兩條D2D中繼通信鏈路。本文考慮選擇信道較好的空閑蜂窩用戶做中繼。當D2D鏈路復用蜂窩用戶上行鏈路的資源進行通信時，D2D發(fā)射端會對本小區(qū)和鄰小區(qū)的基站造成干擾，而中繼節(jié)點和D2D中繼兩跳鏈路的接收端則都會受到來自使用相同資源的蜂窩用戶的干擾。

2 基于分區(qū)的資源分配方法

對系統(tǒng)內(nèi)的每個小區(qū)進行等大小的分區(qū)，并對其進行編號，由于邊緣區(qū)域蜂窩用戶普遍來說沒有中心用戶的信道質(zhì)量好，所以本文考慮邊緣區(qū)域的D2D中繼鏈路復用中心區(qū)域蜂窩用戶的資源。如圖2所示，每個小區(qū)中小六邊形內(nèi)的是中心區(qū)域，小六邊形與大六邊形之間的是邊緣區(qū)域。

圖2 多小區(qū)分區(qū)示意圖

當D2D中繼鏈路上的3個終端如DTx1、R1、DRx1所示的位置時，則Cell1（小區(qū)1）內(nèi)A2、A3和Cell2內(nèi)B5中3個區(qū)域內(nèi)的資源不能被復用，即用戶所在位置相鄰的所劃分的中心區(qū)域不能被此用戶所在的鏈路復用。若用戶處于劃分線上時，如DTx2所在位置，則Cell1內(nèi)的A1和A6區(qū)域都不能被DTx2所在的區(qū)域復用。以DTx1-R1

-DRx1通信鏈路為例，Cell1中可復用的區(qū)域為:

Cell2中可復用的區(qū)域為:

由于DTx1-R1-DRx1通信鏈路上的任何用戶都不在Cell3內(nèi)，所有Cell3的中心區(qū)域都是可復用區(qū)域，設為?3。則DTx1-R1-DRx1通信鏈路的總可復用區(qū)域為：

2.1 小區(qū)基站間的協(xié)作機制

以此類推分析，會發(fā)現(xiàn)可能存在兩種情況：

第一種情況：當多條鏈路的可復用區(qū)域有重疊區(qū)域時，即可能多條D2D通信鏈路復用相同的資源塊時，會增大干擾。若復用相同資源塊的兩條鏈路較遠，則鏈路間的干擾可通過對發(fā)射端的發(fā)射功率控制；若復用相同資源塊的兩條鏈路較近，則鏈路間的干擾也需要解決。

針對這種情況，本文考慮借助小區(qū)基站間的協(xié)作機制，具體步驟如下：

（1）小區(qū)基站對小區(qū)內(nèi)的所有信息都已知，且對小區(qū)內(nèi)的資源分配和復用資源情況進行監(jiān)控；

（2）當確定每條D2D通信鏈路的可復用區(qū)域后，監(jiān)控在可復用區(qū)域內(nèi)是否有相同的資源塊，如果沒有，則確定了各條鏈路的可復用區(qū)域，可暫時放棄監(jiān)控；如果有，則對相同的資源塊進行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)有資源塊被D2D通信鏈路復用，則被標記，其他的D2D通信鏈路不能再復用此資源塊，以避免相互間干擾。

2.2 發(fā)射端與接收端干擾受限區(qū)域

第二種情況：當通信鏈路DTx1-R1 -DRx1選定的Cell1中可復用的區(qū)域?1內(nèi)的蜂窩用戶資源可能位于Cell2中不可復用的區(qū)域，此時也會增大干擾。

針對這種情況，本文考慮借助干擾受限區(qū)域來解決[8]，給每條鏈路的發(fā)射端和接收端都設定一個干擾限制區(qū)域。以DTx1-R1- DRx1通信鏈路為例。

如圖3所示，此通信鏈路上DTx1和R1分別是兩跳中繼的第一個時隙和第二個時隙的發(fā)射端。為了保證蜂窩鏈路的正常通信，減小D2D通信鏈路對基站的干擾，給兩個發(fā)射端設定如圖3所示的干擾限制區(qū)域。

圖3 D2D通信鏈路發(fā)射端干擾受限示意圖

設定基站BS1，BS2的干擾門限值都為Ith0，則其接收到的干擾滿足：

聯(lián)合(4)-(9)可得：

由式(10)(11)可知，干擾限制區(qū)域只與終端的最大發(fā)射功率和衰減系數(shù)α1有關。

如圖4所示，設定接收端的干擾受限區(qū)域，選擇區(qū)域外的蜂窩用戶資源復用，也能減少鏈路上的干擾。設D2D中繼鏈路上中繼與接收端在數(shù)據(jù)傳輸時所能承受的來自蜂窩用戶的干擾的門限值都為Ith1。

圖4 D2D通信鏈路接收端干擾受限示意圖

中繼與D2D鏈路接收端的SINR 應滿足：

當SINR最小時，D2D鏈路受到的干擾最大。

又D2D通信鏈路的干擾門限設為dδ，且

聯(lián)合(12)-(16)，得：

式(11)(17)均為中繼R1的受限區(qū)域，由于其作為D2D通信鏈路第二跳的發(fā)射端時，發(fā)射功率相比于作為蜂窩用戶時的功率要小，所以對基站的干擾沒有作為接收端時的干擾大，所以中繼R1的受限區(qū)域半徑為:

3 仿真分析

為了驗證所提策略的性能，本文基于Matlab環(huán)境進行仿真實現(xiàn)。考慮考慮一個3小區(qū)的D2D通信混合網(wǎng)絡場景。仿真參數(shù)設置如下：系統(tǒng)帶寬為10MHz，小區(qū)的站間距為500m，各小區(qū)內(nèi)隨機分布10個蜂窩用戶，小區(qū)相鄰區(qū)域有3條跨小區(qū)D2D中繼鏈路。蜂窩用戶的最大發(fā)射功率為23dBm，D2D用戶最大發(fā)射功率為10dBm；系統(tǒng)的熱噪聲密度為-174dBm/Hz。蜂窩鏈路的路損模型為：128.1+37.6log10(d)；D2D鏈路的路損模型為：148+40log10(d)。

圖5描述的是D2D用戶速率隨著D2D發(fā)射功率的變化趨勢。隨著D2D通信鏈路發(fā)射功率的增大，D2D用戶速率也隨之增大，而引入中繼后的速率明顯高于無中繼時D2D通信鏈路的速率。該仿真表明在此場景下，D2D通信鏈路質(zhì)量不佳時，引入中繼確實能改善鏈路的信道質(zhì)量，提升用戶速率。

圖5 D2D用戶速率隨發(fā)射功率變化趨勢

圖6描述的是采用3種不同資源分配的方法時，系統(tǒng)總吞吐量隨D2D發(fā)射功率的變化趨勢。由圖可知，當發(fā)射功率一定時，本文所提方案優(yōu)于隨機資源分配方案和單一的分區(qū)資源分配方案。隨著D2D發(fā)射功率的增大，吞吐量的增長越來越緩慢，這是由于D2D發(fā)射功率越大，其對基站的干擾就越大，對使用相同資源塊的蜂窩鏈路的影響也就越大，因此系統(tǒng)吞吐量的增長趨勢漸于平緩。由于分區(qū)考慮的情況較單一，對于本文所提的后兩種情況沒有深入考慮，所以分區(qū)之后受到特殊情況下的干擾對鏈路吞吐量仍有影響。

圖6 吞吐量隨D2D發(fā)射功率變化趨勢

4 總結

隨著D2D通信在5G技術領域越來越深入的研究，其干擾問題仍是人們研究的重點?，F(xiàn)有的研究仍多是對單小區(qū)內(nèi)存在的問題進行研究，本文考慮了一個新的多小區(qū)D2D混合網(wǎng)絡場景，針對跨小區(qū)D2D直連鏈路可能存在通信質(zhì)量不佳的問題，建立一個D2D中繼兩跳鏈路改善信道質(zhì)量。對系統(tǒng)內(nèi)的干擾問題提出合理分區(qū)選擇的策略避免干擾，進一步分析分區(qū)策略可能存在的問題，提出借助基站協(xié)助機制和干擾限制區(qū)域?qū)ζ溥M行解決。仿真結果表明，本文所提兩跳中繼鏈路能夠提高通信鏈路速率，且所提分配策略能夠有效減少系統(tǒng)內(nèi)干擾，提高系統(tǒng)吞吐量，提升系統(tǒng)性能。

參考文獻

1Mohammad Zulhasnine, Changcheng Huang,An and Srinivasan. Efficient Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network. [C]. IEEE 6th International Conference on Wireless and Mobile Computing Networking and mmunications. 2010,pp. 368-375

2員陳軍, 王曉湘, 王冬宇. 基于用戶分組的D2D通信資源分配方案[J]. 成都信息工程學院學報, 2012, 27(6): 594-598

3林楠. 蜂窩網(wǎng)絡下D2D通信重用多用戶資源研究[J]. 軟件, 2012, 33(12): 242- 245

4李方健. D2D通信系統(tǒng)中的最優(yōu)中繼選擇及功率分配策略研究[J]. 重慶郵電大學學報(自然科學版), 2014,(05), pp.605-610

5Ni Y, Jin S, Zhu H, et al. Pareto-optimal power allocation of device-to-device communication with two-way decodeand-forward helping relay[C]// Wireless Communications & Signal Processing (WCSP), 2013 International Conference on. IEEE, 2013:1-6

6Han T, Ansari N. Heuristic relay assignments for green relay assisted device to device communications[C]// Global Communications Conference (GLOBECOM), 2013 IEEE. IEEE, 2013:468-473

7Xu S, Wang H, Chen T. Effective Interference Cancellation Mechanisms for D2D Communication in Multi-Cell Cellular Networks[C]// Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2012 IEEE 75th. IEEE, 2012:1-5

8Min H, Lee J, Park S, et al. Capacity Enhancement Using an Interference Limited Area for Device-to-Device Uplink Underlaying Cellular Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2011, 10(12):3995-4000

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.011

收稿日期：（2016-01-15）

基金項目：重慶市自然科學基金資助項目(cstc2012jjA40054)。