劉　輝，任兆俊

(1.重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心，重慶 400065；2.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 400065)

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異構(gòu)網(wǎng)中D2D通信模式選擇和資源分配研究

劉輝1,2，任兆俊1

(1.重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心，重慶 400065；2.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶 400065)

摘要:將D2D(Device to Device)和家庭小區(qū)技術(shù)引入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是未來第五代蜂窩移動通信(5G)的趨勢之一。主要研究由宏基站(MBS)和家庭基站(FBS)組成的異構(gòu)網(wǎng)中的D2D(Device to Device)通信的干擾問題，并提出了一種新穎的模式選擇算法和資源分配算法來減少系統(tǒng)間干擾。仿真結(jié)果顯示，文中提出的算法可以有效減少干擾，提高D2D用戶的速率，增加系統(tǒng)吞吐量。

關(guān)鍵詞:D2D；家庭小區(qū)；異構(gòu)網(wǎng)；吞吐量

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量獲得了爆炸性的增長。根據(jù)Cisco visual networking index[1]，移動數(shù)據(jù)流量在2010—2011年增長了一倍，據(jù)此增速推測，在未來的10年，即2010—2020年，數(shù)據(jù)流量將會增加1 000倍。為滿足這些需求，未來的5G網(wǎng)將會是一個宏基站MBS、家庭基站FBS、D2D通信共存的混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。由FBS和MBS組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以顯著地增加網(wǎng)絡(luò)的容量、頻譜效率等，但是如何減少網(wǎng)絡(luò)中的跨層干擾是目前研究的難點和熱點。

此外，D2D(Device to Device)通信又稱終端直通技術(shù)，是指允許設(shè)備之間進(jìn)行直接通信，而不需要基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[2]。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù)可以增加通信系統(tǒng)容量，提高系統(tǒng)頻譜效率，提升數(shù)據(jù)傳輸速率，降低基站負(fù)載等。D2D通信根據(jù)其是否使用授權(quán)頻段可以分為帶外D2D通信和帶內(nèi)D2D通信。與帶外D2D通信相比，帶內(nèi)D2D通信可以有效地控制干擾從而為用戶提供更好的服務(wù)。因此本文針對帶內(nèi)D2D通信進(jìn)行研究。帶內(nèi)D2D通信又存在3種通信模式，分別是蜂窩模式、專用模式、復(fù)用模式。因此，如何進(jìn)行D2D通信模式的選擇是一個重要的問題。其次，當(dāng)D2D對復(fù)用蜂窩下行鏈路進(jìn)行通信時，會與使用相同信道的用戶產(chǎn)生相互干擾，這些干擾會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。因此，如何有效地管理這些干擾也是D2D通信的研究重點之一。

在模式選擇方面，文獻(xiàn)[3]提出了基于D2D對間距離的模式選擇機(jī)制，文獻(xiàn)[4]提出了基于D2D距離和蜂窩鏈路距離即蜂窩用戶和基站間距離的模式選擇機(jī)制，文獻(xiàn)[5-6]分別提出了限定基站保護(hù)區(qū)域的模式選擇算法和限定D2D用戶復(fù)用區(qū)域的資源分配算法。但是文獻(xiàn)[3，4，6]并不能很好地使D2D鏈路免受干擾，而文獻(xiàn)[5]對于D2D對間的通信距離沒有進(jìn)行考慮。同時,文獻(xiàn)[6]提出的D2D用戶復(fù)用限制區(qū)域只是用來決定是否可以進(jìn)行資源復(fù)用，而不是一個具體的模式選擇機(jī)制。

當(dāng)D2D模式選擇完成之后，系統(tǒng)必須解決對應(yīng)模式的資源分配問題[7]。其中，因為采用專用模式和蜂窩模式的D2D對不會或較小受到干擾，所以本文重點關(guān)注D2D復(fù)用模式的資源分配問題。文獻(xiàn)[8-9]針對宏小區(qū)中D2D通信的3種模式，提出了各自的資源分配方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的功率優(yōu)化，仿真結(jié)果表明通過選擇合適資源和功率可以有效地提高系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[10]提出了一種貪婪啟發(fā)式算法來進(jìn)行D2D的資源分配。文獻(xiàn)[11]將部分頻率復(fù)用技術(shù)應(yīng)用到D2D的資源分配中。通過合適的資源分配算法，可以有效地減少宏小區(qū)和D2D用戶間的干擾，從而提高系統(tǒng)的性能。然而文獻(xiàn)[8-11]只是針對宏小區(qū)和D2D共存的通信系統(tǒng)，并沒有考慮到宏小區(qū)、家庭小區(qū)、D2D共存的情況。文獻(xiàn)[12]針對這種復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)中的D2D通信，提出了一種網(wǎng)絡(luò)輔助設(shè)備控制的D2D智能資源管理方法，但是只考慮了復(fù)用蜂窩上行鏈路的狀況。

本文提出了一種基于D2D間距離和干擾區(qū)域的模式選擇機(jī)制，并對D2D復(fù)用下行蜂窩鏈路的D2D用戶的資源選擇和功率分配進(jìn)行了優(yōu)化來減少干擾。仿真結(jié)果顯示，本文提出的模式選擇算法可以有效地提高D2D的速率，彌補基于單一距離或干擾區(qū)域的模式選擇算法的缺陷。其次，本文把針對復(fù)用模式提出的資源分配算法與隨機(jī)資源分配算法進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，本文提出的算法可以獲得較高的系統(tǒng)吞吐量。

1系統(tǒng)模型

1.1場景描述

圖1　系統(tǒng)模型

1.2信道模型

(1)

式中：pt是發(fā)射功率；d是發(fā)送端與接收端的距離； α是路徑損耗指數(shù)；p(d)是接收功率。

1.3D2D通信模式描述

蜂窩模式：D2D對以基站為中繼進(jìn)行通信，但是當(dāng)FUE與D2D對使用相同信道進(jìn)行通信的時候，相互間會產(chǎn)生一定的干擾。

專用模式：D2D對間直接進(jìn)行通信，使用MBS為其分配的專用信道，該信道不能被其他用戶使用。

復(fù)用模式：D2D對復(fù)用CUE的資源直接進(jìn)行通信，與使用該信道的用戶相互干擾。

2模式選擇機(jī)制

本文提出的模式選擇算法的流程圖如圖2所示。

圖2　D2D用戶模式選擇方法流程圖

具體描述如下：

1)MBS首先確定用戶是否可以使用D2D模式。MBS可以根據(jù)通信用戶雙方的ID判斷他們是否在同一個小區(qū)中。若不在同一個小區(qū)中，則使用傳統(tǒng)的蜂窩通信模式，若在同一個小區(qū)中，則可以考慮使用D2D通信。

2)若DTx和DRx間的距離d不滿足允許D2D通信的最大距離dmax，即d>dmax，和DRx的位置在干擾區(qū)域內(nèi)，則D2D對使用蜂窩模式進(jìn)行通信。此時DTx可以使用最大發(fā)射功率，MBS為其分配相應(yīng)的信道。

3)若d≤dmax且DRx位于干擾區(qū)域外，則考慮使用D2D專用模式或D2D復(fù)用模式。若網(wǎng)絡(luò)中有充足的頻譜資源，則使用D2D專用模式。若網(wǎng)絡(luò)中沒有充足的頻譜資源，則使用D2D復(fù)用模式。雖然僅依靠是否有足夠的資源決定使用D2D專用模式還是D2D復(fù)用模式并不能使D2D用戶得到最好的性能體驗，但是可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度，從而提升整個系統(tǒng)的性能。

本文提出的模式選擇機(jī)制是根據(jù)D2D用戶間的距離和DRx是否位于干擾區(qū)域來進(jìn)行選擇。雖然僅根據(jù)距離或者干擾區(qū)域就可以進(jìn)行模式選擇，但是這些方法都有一定的缺陷。

例如：假設(shè)當(dāng)DTx和DRx間距d≤dmax，但是DRx位于干擾區(qū)域內(nèi)，會受到嚴(yán)重的干擾，所以僅根據(jù)距離進(jìn)行模式選擇很可能會導(dǎo)致錯誤的模式。反之，若滿足干擾區(qū)域要求，但是不滿足距離要求，也會導(dǎo)致同樣的錯誤。

為了更進(jìn)一步分析，假設(shè)D2D選擇復(fù)用模式進(jìn)行通信，此時，D2D復(fù)用模式相較于其他兩種模式具有更加惡劣的干擾條件，因此可以得到一個比較保守的估計結(jié)果。通常D2D靠近基站的時候采取蜂窩模式進(jìn)行通信比采用復(fù)用模式的具有更好的SINR，即

(2)

式中：HT,M，HM,R，HT,R，HF,M，HF,R分別是指DTx到MBS，MBS到DRx，DTx到DRx，F(xiàn)BS到MBS，F(xiàn)BS到DRx的信道增益；N0表示該網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點接收端的加性高斯白噪聲功率。

假設(shè)當(dāng)D2D對間距滿足要求，但是DRx位于干擾區(qū)域。從式(2)可以得到，如果所遭受的干擾大于某值，則

(3)

其中

(4)

使用D2D復(fù)用模式會導(dǎo)致較低的速率。

假設(shè)當(dāng)DRx位于干擾區(qū)域外，但是其間距不滿足D2D通信距離要求。根據(jù)式(2)可以得到其間距

(5)

也會導(dǎo)致較低的D2D用戶速率。

因此，同時考慮距離和干擾區(qū)域的機(jī)制要比單一的基于距離或者干擾區(qū)域的機(jī)制更加優(yōu)越。

3D2D通信模式的資源分配

當(dāng)D2D通信選擇專用模式的時候，MBS為其分配專用的下行信道，其他用戶不能使用該信道，因此不會受到任何干擾，所以DTX可以使用最大的發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

當(dāng)D2D通信選擇蜂窩模式的時候，MBS為其分配上下行信道，若D2D使用的信道與FUE使用相同信道的時候可能會受到一定的干擾，但是由于FBS具有較小的發(fā)射功率且可以自適應(yīng)地調(diào)整其使用的資源，所以也可以使用最大的發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

當(dāng)D2D通信選擇復(fù)用模式的時候，D2D復(fù)用CUE的頻譜資源，但是可能會與使用相同信道的CUE和FUE產(chǎn)生相互干擾。因此為保證網(wǎng)絡(luò)中所有用戶的服務(wù)質(zhì)量和系統(tǒng)吞吐量，本文提出了一個復(fù)用模式下D2D的資源分配算法。

本文是基于LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，LTE網(wǎng)絡(luò)中使用OFDMA技術(shù)，在一個資源塊RB中包含多個子載波。假設(shè)MBS,FBS和D2D在下行子載波l上的CINR分別為γc,l，γf,l，γR,l。對于CUE，干擾可能來自于FBS和DTx。對于FUE，干擾可能來自MBS和DTx。對于DRx，干擾可能來自FBS和MBS。因此，可得到

(6)

(7)

(8)

式中：HM,l,C，HM,l,f，HM,l,R，為MBS分別到CUE、FUE、DRx的在子載波l上的信道增益；相應(yīng)的HF,l,C，HF,l,f，HF,l,R，為FBS到CUE、FUE、DRx的在子載波l上的信道增益；HT,l,f，HT,l,C，HT,l,R，為DTx到FUE、CUE、DRx的在子載波l上的信道增益。

(9)

其中β為選擇的調(diào)制與編碼策略(MCS)的校正因子[13]。當(dāng)獲得該RB的有效SINR時，可以決定相應(yīng)的MCS，并計算出相應(yīng)的理想頻譜效率。

假設(shè)MBS和FBS可以為D2D用戶提供每一個RB的最大可容忍干擾值信息(MIT)?；诿總€RB的MIT信息，D2D對可以確定最大的允許傳輸功率。另一方面，D2D對可以估計在每個RB上進(jìn)行可靠傳輸?shù)淖钚」β?。通過選擇RB和調(diào)整RB上的發(fā)射功率，D2D對可以在保證自己進(jìn)行可靠傳輸?shù)那闆r下，有效地避免對CUE和FUE的干擾。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中不存在D2D對時，為了在下行資源塊n上進(jìn)行可靠傳輸，則有效SINR值γeff,C,n和γeff,f,n應(yīng)該大于預(yù)定義的有效SINR值γth，可以表示為

(10)

(11)

當(dāng)D2D用戶存在的時候，為了保證CUE和FUE的鏈路可靠性，假設(shè)CUE和FUE的有效SINR至少應(yīng)該等于預(yù)定義的γth，則可以得到

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

為了使得D2D用戶進(jìn)行可靠傳輸，在資源塊n上進(jìn)行傳輸?shù)腟INR值至少應(yīng)該等于預(yù)定義的SINR值γth，因此可得

(19)

其中

Z=PMHM,l,R+PFHF,l,R+N0

(20)

(21)

綜上所述，復(fù)用模式D2D資源分配算法可以描述如下：

步驟1，D2D對從MBS，F(xiàn)BS收集MIT信息。

4仿真驗證

4.1仿真參數(shù)

為了驗證本文提出的模式選擇和資源分配算法的有效性，可以考慮在LTE-FDD蜂窩系統(tǒng)中，使用Matlab進(jìn)行仿真驗證。主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1仿真的主要參數(shù)

參數(shù)參數(shù)值宏小區(qū)半徑1000m家庭小區(qū)半徑50m系統(tǒng)帶寬20MHzRB帶寬180kHz蜂窩用戶數(shù)50D2D對數(shù)1,2,…,20宏基站發(fā)射功率43dBm家庭基站發(fā)射功率21dBmD2D發(fā)射功率23dBmFBS坐標(biāo)(200,500)FUE坐標(biāo)(210,500)預(yù)定義的有效SINR0dB噪聲功率密度-174dBm/Hz路損系數(shù)4

4.2仿真結(jié)果

如圖3描述了在不同D2D間距d和不同的干擾區(qū)域，D2D的速率增益變化。其中D2D速率增益是指在相同的干擾條件下，D2D速率和蜂窩速率的比值。從圖中可以看出，隨著D2D對間距d的增大和MBS到DRx距離dM,R減少，D2D速率增益在不斷的減少。這與前文討論的結(jié)果類似，當(dāng)DRx越接近MBS，則遭受到的干擾越嚴(yán)重，此時使用蜂窩模式可以提供較高的速率增益；當(dāng)D2D間距d逐漸增大時，采用蜂窩模式會逐漸獲得較高的速率增益。因此，單獨依靠D2D間的距離或者干擾區(qū)域進(jìn)行模式選擇并不能滿足所有狀況的模式選擇。

圖3　D2D速率增益與d和MBS到DRx距離dM,R的關(guān)系

圖4描述了在不同dM,R下，當(dāng)d=30 m，D2D對采用文中提出的模式選擇算法和僅依靠距離的模式算法時的D2D速率變化。可以看出，當(dāng)MBS距DRx較近的時候，采用基于距離的模式選擇算法的D2D用戶具有較低的速率，而文中提出的算法可以較好地彌補這些缺陷。

圖4　D2D速率與dM,R關(guān)系

圖5描述了當(dāng)D2D采用復(fù)用模式進(jìn)行通信時，系統(tǒng)的吞吐量圖。從圖中可以看出，采用文中提出的算法比采用隨機(jī)分配算法可以獲得更高的系統(tǒng)吞吐量。這是因為隨著D2D對數(shù)的增加，小區(qū)中被復(fù)用的蜂窩用戶數(shù)也在增加，文中提出的算法可以有效避免D2D對對其他用戶的干擾，從而減少中斷，獲得較大的系統(tǒng)吞吐量，而隨機(jī)分配算法很可能對小區(qū)中其他用戶造成較大的干擾。圖中還對比了采用不同D2D對間距時，系統(tǒng)的吞吐量差異?？梢钥闯觯^小的D2D對間距可以獲得較大的系統(tǒng)吞吐量。

圖5　系統(tǒng)吞吐量

5結(jié)束語

將D2D通信和家庭基站引入蜂窩小區(qū)，可以提高系統(tǒng)吞吐量、頻譜效率等。但是也會帶來復(fù)雜的干擾。文中為減少在分層異構(gòu)網(wǎng)中進(jìn)行D2D通信時的干擾，提出了一種模式選擇算法和針對復(fù)用模式提出了一種資源分配算法，來減少干擾，提高D2D用戶的速率和系統(tǒng)的吞吐量。仿真結(jié)果表明，文中提出的算法可以有效增加D2D速率，提高系統(tǒng)吞吐量。

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責(zé)任編輯：許盈

Research on mode selection and resource allocation algorithm for D2D communication in HetNet

LIU Hui1,2,REN Zhaojun1

(1.ResearchCentreforApplicationofNewCommunicationTechnologies,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China;2.ChongqingInformationTechnologyDesigningCo.,Ltd.,Chongqing400065,China)

Abstract:The technology of D2D (Device to Device) communication and femtocell in cellular networks is one of the trend of the fifth generation of cellular mobile communication(5G) in the future. So, the D2D communication in HetNet is researched,which is composed of macrocell and femtocell, and a algorithm of mode selection and resource allocation is put forward.Simulation results show that the proposed method caneffectively eliminate interference, the data rate of D2D user and the system throughput are improved.

Key words:D2D; femtocell; HetNet; throughput

中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.008

基金項目：重慶市自然科學(xué)基金計劃項目(CSTC2012JJA40054)

作者簡介：

劉輝(1966— )，教授級高級工程師，碩士生導(dǎo)師，中國通信學(xué)會會員，主要研究方向為通信新技術(shù)應(yīng)用；

任兆俊(1992— )，碩士生，主要研究方向為通信新技術(shù)應(yīng)用。

收稿日期：2015-11-21

文獻(xiàn)引用格式：劉輝，任兆俊. 異構(gòu)網(wǎng)中D2D通信模式選擇和資源分配研究[J].電視技術(shù)，2016，40(5)：30-35.

LIU H，REN Z J. Research on mode selection and resource allocation algorithm for D2D communication in HetNet [J].Video engineering，2016，40(5)：30-35.