［楊雄 馬忍 張樂］

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LTE-A網(wǎng)絡(luò)中支持全雙工D2D通信的干擾管理研究*

［楊雄 馬忍 張樂］

摘要

LTE-A網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信，不僅提高了系統(tǒng)容量，也降低了基站的負(fù)擔(dān)，然而帶來(lái)了一定同頻干擾。為了減小同頻干擾，提出一種基于全雙工D2D通信的資源復(fù)用方法。首先，基站利用干擾受限區(qū)域（ISA）的方法將蜂窩用戶的資源進(jìn)行分類，其次，基站分配受限區(qū)域外的用戶資源給D2D用戶來(lái)減小同頻干擾，最后通過(guò)調(diào)整參數(shù)討論受限區(qū)域半徑對(duì)系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果表明：存在最佳半徑使得系統(tǒng)吞吐量最大，同時(shí)在自干擾消除為110dB時(shí)，全雙工通信模式下的D2D鏈路吞吐量接近傳統(tǒng)半雙工D2D通信的兩倍。

關(guān)鍵詞：D2D通信 全雙工 干擾受限區(qū)域

楊雄

重慶郵電大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)，D2D通信技術(shù)。

馬忍

重慶郵電大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)，圖像處理。

張樂

重慶郵電大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)。

1 引言

隨著第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的大量部署以及各種智能終端設(shè)備的迅速普及，日常生活中人們對(duì)高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越高。在這種情況下，傳統(tǒng)的LTE-A系統(tǒng)已經(jīng)開始滿足不了人們的通信質(zhì)量需求，特別是本地?cái)?shù)據(jù)高速傳輸需求。因此，開始將Device-to-Device(D2D)[1]通信技術(shù)引入到傳統(tǒng)LTE-A系統(tǒng)中。在LTE-A系統(tǒng)中引入D2D通信之后不僅能夠提升小區(qū)容量、提高頻譜資源利用率，還能夠擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋以滿足小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量需求。但是D2D通信與LTE融合之后也帶來(lái)了一些新的問題，例如小區(qū)內(nèi)的同頻干擾。因此，D2D通信系統(tǒng)中干擾協(xié)調(diào)便成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有的干擾協(xié)調(diào)方式包括D2D模式選擇[2]、資源分配[3]與功率控制。D2D用戶有3種模式與蜂窩用戶共享資源：①蜂窩模式：D2D用戶通過(guò)基站轉(zhuǎn)接通信，所有通信鏈路分配獨(dú)立正交的信道資源，不相互干擾；②專用資源模式：D2D用戶占用一部分獨(dú)立資源在全雙工下進(jìn)行端到端的直接通信，剩余資源用于蜂窩通信。由于各部分資源相互正交 ，D2D通信與蜂窩通信之間不會(huì)產(chǎn)生干擾；③復(fù)用模式：D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源，D2D用戶對(duì)與蜂窩用戶之間產(chǎn)生同頻干擾。

從現(xiàn)有資源分配方面的研究來(lái)看，文獻(xiàn)[4]分析了D2D鏈路的中斷概率，揭示了D2D接收機(jī)和與其配對(duì)的蜂窩用戶之間存在最優(yōu)距離，提出了基于距離約束的資源共享準(zhǔn)則，為D2D鏈路選擇對(duì)應(yīng)的蜂窩用戶，減小了蜂窩傳輸對(duì) D2D鏈路的干擾。文獻(xiàn)[5]提出了一種復(fù)用下行資源的方法，將時(shí)間資源分為共享時(shí)間點(diǎn)和蜂窩專用時(shí)間點(diǎn)，將蜂窩用戶分為遠(yuǎn)近效應(yīng)危險(xiǎn)蜂窩用戶和非遠(yuǎn)近效應(yīng)危險(xiǎn)蜂窩用戶，蜂窩專用時(shí)間點(diǎn)資源被分配給遠(yuǎn)近效應(yīng)危險(xiǎn)蜂窩用戶，D2D用戶復(fù)用非遠(yuǎn)近效應(yīng)危險(xiǎn)蜂窩用戶的共享時(shí)間點(diǎn)資源，這樣有效的減少了D2D用戶的干擾。

從功率控制的研究來(lái)看：文獻(xiàn)[6]以最大化總速率為目標(biāo)，提出一種基于單小區(qū)的功率優(yōu)化方案，在保證蜂窩用戶的最小傳輸速率給予蜂窩通信優(yōu)先權(quán)的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理控制蜂窩用戶和D2D用戶的發(fā)射功率減少蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾，有效地提高了系統(tǒng)的總速率。文獻(xiàn)[7]提出了一種分布式功率控制算法，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)用戶的SINR優(yōu)化目標(biāo)值，并分配傳輸功率使系統(tǒng)所消耗的功率最小化。為了控制蜂窩和D2D用戶之間的干擾，提高混合系統(tǒng)的性能。

然而現(xiàn)有的資源分配和功率控制方法主要集中半雙工D2D通信方式的場(chǎng)景下，為充分利用頻譜資源，在全雙工（Full duplex,FD）通信場(chǎng)景下，本文提出一種復(fù)用下行資源的D2D通信的資源調(diào)度方法驗(yàn)證系統(tǒng)性能。

2 系統(tǒng)模型

圖1 D2D用戶復(fù)用下行資源的系統(tǒng)模型

第i 個(gè)蜂窩用戶收到的信號(hào)表示為：

pBS, i是基站發(fā)送信號(hào)給第i個(gè)蜂窩用戶時(shí)的發(fā)射功率，pDz , i( z∈{ 1,2 } )是D2D用戶的發(fā)送功率，即

pBS, i , r表示基站發(fā)送信號(hào)給第i 個(gè)蜂窩用戶時(shí)在第r個(gè)資源單元的發(fā)射功率。pDz , i , r為第z 個(gè)D2D用戶在第r個(gè)資源單元的發(fā)射功率。RBi表示第i 個(gè)資源塊序列，RD表示D1和D2通信的資源塊。dBS, i為基站到第i個(gè)蜂窩用戶之間的距離，α為路徑損耗因子，dDz , i表示D2D用戶Dz到第i 個(gè)蜂窩用戶之間的距離，hBS, i表示為基站與第i 蜂窩用戶之間的信道系數(shù)，xi表示第i個(gè)蜂窩用戶的發(fā)送信號(hào)，xDz表示D2D用戶的發(fā)送信號(hào)，ni表示第i 個(gè)蜂窩用戶收到的高斯白噪聲。那么可以得到第i個(gè)蜂窩用戶的信號(hào)噪聲加干擾比SINRCi為：

N0表示噪聲功率。

D2D用戶接收到的信號(hào)表達(dá)式為：

pDz是D2D用戶的發(fā)送功率，pBS, D z是基站發(fā)送信號(hào)給Dz時(shí)的發(fā)射功率，即

pDz , i , r為D2D用戶在第r 個(gè)資源單元的發(fā)射功率。dD1, D 2為D2D用戶對(duì)之間的距離，dBS, D z表示基站到D2D用戶D1之間的距離，hBS, D z表示為基站與用戶Dz之間的信道系數(shù)，hD表示D2D用戶對(duì)之間的信道系數(shù)。SIDz為Dz用戶的自干擾。那么可以得到D2D用戶在第i個(gè)資源塊上的信號(hào)噪聲加干擾比SINRDz為：

同理

為保證D2D用戶的正常通信，接收到的信噪比必須滿足一定門限值γD1，即

那么D2D用戶的發(fā)射功率pD2必須滿足：

同理可得

3 干擾管理和資源調(diào)度

在LTE-A網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信的模式下，D2D用戶與蜂窩用戶共享整個(gè)信道資源，為保證蜂窩用戶通信的優(yōu)先權(quán)，基站必須保證蜂窩用戶的有效通信而協(xié)調(diào)蜂窩用戶與D2D用戶之間的干擾。

假設(shè)本文采用集中式方法，基站負(fù)責(zé)用戶的發(fā)射功率和D2D用戶的信道資源分配。在某個(gè)區(qū)域調(diào)度資源的過(guò)程中，檢測(cè)到D2D用戶對(duì)此蜂窩用戶產(chǎn)生干擾十分嚴(yán)重情況下，然而降低D2D用戶的發(fā)射功率對(duì)于蜂窩用戶來(lái)說(shuō)解決產(chǎn)生的干擾是有限的。此時(shí)可以給D2D用戶和蜂窩用戶分配正交的頻譜資源，這樣蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾大大減少，為此我們提出一種干擾受限區(qū)域的方法來(lái)協(xié)調(diào)干擾。假設(shè)PC0為蜂窩用戶接收到D2D用戶的干擾功率，假設(shè)干擾受限區(qū)域的半徑為RDz，那么表達(dá)式可表示為

d表示D2D用戶到蜂窩用戶的距離，假設(shè)蜂窩用戶接收到的干擾功率為最大容忍干擾值Pths時(shí)，那么干擾受限區(qū)域的半徑表示如下：

可以看出在基于蜂窩用戶用戶能正常通信的情況下，受限區(qū)域半徑主要由D2D的發(fā)射功率和蜂窩用戶受限功率門限值決定。從上可以得到發(fā)射功率越大，那么D2D用戶對(duì)蜂窩用戶的干擾隨之增大，相應(yīng)地，根據(jù)以上的推導(dǎo)式子可以得出RDz隨之增大。為了減小D2D用戶對(duì)受限區(qū)域內(nèi)的蜂窩用戶的干擾，基站應(yīng)當(dāng)合理分配信道資源給D2D用戶和蜂窩用戶，即受限區(qū)域內(nèi)的蜂窩用戶分配與D2D用戶相互正交的信道資源，而D2D用戶共享受限區(qū)域外的蜂窩用戶的信道資源。

資源調(diào)度的步驟進(jìn)行：（1）基站建立一條專供D2D通信的信令信道，D2D發(fā)送一個(gè)標(biāo)識(shí)符給廣播信道表示D2D用戶之間準(zhǔn)備建立通信；（2）小區(qū)內(nèi)所有蜂窩用戶CUE監(jiān)測(cè)該信道，當(dāng)蜂窩用戶接收到的功率比受限區(qū)域的門限功率Pths大，即表明蜂窩用戶被D2D通信嚴(yán)重干擾，則判斷此蜂窩用戶處于受限小區(qū)內(nèi)，并且將此信息反饋給基站；（3）基站收到反饋信息后，基站通過(guò)公共控制信道發(fā)送信號(hào)給D2D用戶，并告知這些蜂窩用戶的資源分配信息；（4）D2D用戶如果沒有蜂窩用戶處于受限小區(qū)ISA內(nèi)，則D2D用戶通信可以共享整個(gè)信道資源；如果有一些蜂窩用戶處于受限小區(qū)ISA內(nèi)，則D2D用戶不允許共享這些蜂窩用戶的資源；如果所有蜂窩用戶都處于受限小區(qū)ISA內(nèi)，則D2D用戶通信沒有共享資源，進(jìn)入等待模式。

因此，將存在一個(gè)最優(yōu)的受限區(qū)域半徑，使得系統(tǒng)的吞吐量最大，為了簡(jiǎn)單表述上述問題，假設(shè)整個(gè)資源塊的數(shù)量與蜂窩用戶的數(shù)量相等，并且優(yōu)先分配資源給蜂窩用戶，則整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量表達(dá)式如下：

Lin代表在受限區(qū)域內(nèi)的蜂窩用戶的數(shù)量，Lout表示在受限區(qū)域外蜂窩用戶的數(shù)量，可以知道當(dāng)Pths改變時(shí)，受限區(qū)域內(nèi)蜂窩用戶的數(shù)量也隨之改變，整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量隨之變化。下面我們將通過(guò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。

4 仿真分析

為了便于實(shí)現(xiàn)，我們?cè)趩涡^(qū)場(chǎng)景下對(duì)所提的算法進(jìn)行仿真，表1列出系統(tǒng)的仿真參數(shù)和算法初始值，蜂窩用戶均勻分布在小區(qū)內(nèi)，D2D用戶對(duì)隨機(jī)部署在小區(qū)內(nèi)。本文將全雙工ISA分配方法，復(fù)用單用戶方法作為參考，同時(shí)對(duì)比半雙工（Half Duplex，HD）模式，通過(guò)對(duì)比，驗(yàn)證本方法的性能和全雙工D2D通信的優(yōu)勢(shì)。仿真系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)值如表1所示。

表1

圖2驗(yàn)證了全雙工模式下的D2D用戶對(duì)，蜂窩用戶和系統(tǒng)各自的吞吐量隨門限值Pths變化而變化。從圖中可以看出，隨著門限值到達(dá)一定值時(shí)，蜂窩用戶和系統(tǒng)的吞吐量急劇下降，隨后接近平穩(wěn)狀態(tài)。那是因?yàn)殚T限值增大，受限區(qū)域半徑RDz減小，處于受限區(qū)域外的蜂窩用戶數(shù)增多，那么D2D用戶對(duì)可復(fù)用的資源數(shù)增加，從而對(duì)蜂窩用戶的干擾增大，當(dāng)門限值Pths到達(dá)一定值時(shí)，區(qū)域半徑RDz減小，所處受限區(qū)域內(nèi)的蜂窩用戶數(shù)接近為0，D2D用戶對(duì)共享整個(gè)蜂窩用戶的的資源。同時(shí)從圖中看出接近系統(tǒng)吞吐量的峰值時(shí)，可找到最佳半徑。

圖2 吞吐量隨門限值Pths變化的對(duì)比

圖3所示，當(dāng)Pths∈[? 110 d B ,? 95 d B ]時(shí)，可復(fù)用的資源數(shù)為0，但隨著門限值Pths的增大，可復(fù)用的資源數(shù)增加，D2D用戶的吞吐量增大，隨后達(dá)到平穩(wěn)期。同時(shí)可以看出在自干擾消除達(dá)到一定程度時(shí)，全雙工通信模式優(yōu)于半雙工模式，而且，當(dāng)自干擾消除值達(dá)到110dB時(shí)，幾乎接近半雙工（HD）D2D吞吐量的兩倍。

圖3 D2D的吞吐量隨門限值Pths的對(duì)比

圖4所示，驗(yàn)證全雙工模式下D2D用戶對(duì)與一個(gè)蜂窩用戶共享資源和多個(gè)蜂窩用戶共享資源的對(duì)比。在SI∈[?∞ ,60dB ]時(shí)，由于自干擾很大，導(dǎo)致D2D用戶對(duì)信噪比小于門限值不能正常通信，但隨著自干擾消除值增大，滿足使得可復(fù)用的資源數(shù)增多，D2D用戶的吞吐量隨之增大，同時(shí)可以看出，相比于參考方法，新的方法顯著提升了D2D用戶的吞吐量，同時(shí)提高了系統(tǒng)的資源利用概率。

圖4 D2D用戶的吞吐量隨SI值變化的對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種干擾受限區(qū)域的干擾管理方法，該方法既保證了蜂窩用戶的通信質(zhì)量和D2D用戶的可靠性要求，仿真結(jié)果表明：存在系統(tǒng)的最佳半徑，同時(shí)在自干擾消除到達(dá)一定值時(shí)，全雙工優(yōu)于半雙工模式。

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.018

收稿日期：（2015-11-28）

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助，課題編號(hào)2012AA01A507；國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題（No.2013ZX03006003-002）。Foundation Items:National High Teachology Research and Development Program(863 Program) funded,project number 2012AA01A507;National Science and Technology Major Projects Subject(No.2013ZX03006003-002)。