［余翔 張海波 柯文韜］

混合D2D蜂窩中基于負(fù)載均衡的資源分配方法*

［余翔 張海波 柯文韜］

D2D通信是指發(fā)送終端與接收終端之間數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā)的近距離直通通信方式，在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中引入D2D通信可以通過(guò)提升復(fù)用增益，進(jìn)而提升系統(tǒng)的總吞吐量和頻譜資源的利用率。通過(guò)拉格朗日乘數(shù)法結(jié)合圖論中的匈牙利匹配算法，針對(duì)密集D2D場(chǎng)景中提出一種均衡化的輪詢匹配的資源分配方案，以最大化子信道的復(fù)用增益為前提條件，每條蜂窩子信道在每一輪匹配完成后將接入一條D2D鏈路，直到所有的D2D鏈路均接入網(wǎng)絡(luò)位止。經(jīng)仿真證明，該算法對(duì)于密集D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)中具有提高接入率和吞吐量的效果，且該算法同樣適用于稀疏D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

D2D通信 循環(huán)匹配 資源分配 拉格朗日乘子法 吞吐量 接入率

余翔

重慶郵電大學(xué)，碩士，副教授，主要研究通信網(wǎng)信令、交換技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息安全。

張海波

重慶郵電大學(xué)，在讀研究生，主要研究D2D通信的資源分配與功率控制。

柯文韜

重慶郵電大學(xué)，在讀研究生，主要研究全雙工D2D通信

引言

隨著現(xiàn)代化通信發(fā)展節(jié)奏的加快，人們對(duì)于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率的要求不斷提高，而頻譜資源的局限性使得傳統(tǒng)蜂窩模式通信已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足系統(tǒng)所要承載的系統(tǒng)容量，D2D通信可以通過(guò)復(fù)用蜂窩資源進(jìn)行短距離的通信，具有時(shí)延小、速率高的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是該通信模式可以不用像蜂窩模式那樣必須經(jīng)過(guò)基站轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)減小基站的負(fù)載量具有很大的幫助。目前，對(duì)于如何提高引入D2D通信的混合網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量以及系統(tǒng)的公平性成為業(yè)界研究的一大重點(diǎn)。

文獻(xiàn)［1］中提出了一種基于干擾感知的無(wú)線資源分配方案，但是該方案只允許一對(duì) D2D 用戶復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶的資源。文獻(xiàn)［2］中提出了一種基于不同QoS 需求的資源分配方案，通過(guò)該方案可以實(shí)現(xiàn)一對(duì) D2D 用戶復(fù)用多個(gè)RB，但是該方案不能夠?qū)⑾到y(tǒng)內(nèi)可復(fù)用的RB進(jìn)行最優(yōu)的分配。文獻(xiàn)［3-4］研究了D2D通信技術(shù)引入 LTE-A系統(tǒng)后，D2D對(duì)的發(fā)現(xiàn)、 連接和通信過(guò)程，以及 D2D對(duì)之間的距離對(duì)吞吐量的影響。D2D 用戶在復(fù)用模式下，選擇復(fù)用資源的過(guò)程，實(shí)際上是 D2D 用戶和蜂窩用戶的匹配問(wèn)題。由于用戶之間的干擾和它們之間的距離是密切相關(guān)的，因此針對(duì)此問(wèn)題，一些文獻(xiàn)首先提出了基于地理位置信息的資源分配算法。

本文通過(guò)拉格朗日乘數(shù)法結(jié)合圖論中的匈牙利匹配算法，提出一種循環(huán)匹配的資源分配方案，以最大化蜂窩信道的復(fù)用增益為前提條件，每一輪匹配完成時(shí)，每條蜂窩信道將接入一條D2D鏈路。為了防止算法最后沒(méi)有足夠的D2D鏈路與蜂窩信道匹配，本文在系統(tǒng)中加入虛擬D2D用戶，使系統(tǒng)D2D用戶數(shù)N與蜂窩用戶數(shù)M呈整數(shù)倍關(guān)系，每條蜂窩信道可以被N/M條D2D鏈路復(fù)用。該方法不但適用于稀疏D2D網(wǎng)絡(luò)，更適用于密集D2D網(wǎng)絡(luò)，而且在接入D2D鏈路對(duì)時(shí)同時(shí)使系統(tǒng)的負(fù)載均衡化，提升系統(tǒng)公平性。

1 系統(tǒng)場(chǎng)景

如圖1所示，在一個(gè)小區(qū)中存在M個(gè)蜂窩用戶、N條D2D鏈路和M條正交子帶寬，蜂窩用戶滿載，D2D鏈路只能通過(guò)復(fù)用蜂窩上行信道接入網(wǎng)絡(luò)中。蜂窩用戶的集合為，D2D鏈路的集合為。設(shè)定以基站為中心，半徑的R的區(qū)域?yàn)镈2D限制區(qū)域以保護(hù)蜂窩用戶的QoS，即此區(qū)域內(nèi)不得存在D2D用戶。

假設(shè)小區(qū)通信環(huán)境穩(wěn)定，在資源調(diào)度周期內(nèi)，小區(qū)的CSI不會(huì)發(fā)生改變，所有用戶以及信道資源通過(guò)基站的控制在資源調(diào)度周期內(nèi)進(jìn)行分配。

圖1 D2D通信場(chǎng)景

2 數(shù)據(jù)分析

則D2Dj與蜂窩信道可以進(jìn)行匹配的條件為：

D2Dj接入蜂窩信道的功率限制條件為：

3 負(fù)載均衡化的循環(huán)匹配算法

在初始狀態(tài)時(shí)，規(guī)定所有的蜂窩用戶均以最大功率接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可得各個(gè)蜂窩信道上吞吐量為:

使用拉格朗日算法求出滿足匹配條件的蜂窩用戶與D2D用戶共用信道時(shí)達(dá)到最大傳輸速率的功率解：

圖2 加權(quán)匹配

KM匹配算法步驟如下：（1）由以上拉格朗日乘數(shù)法求出滿足接入條件的D2D用戶接入各個(gè)蜂窩信道的復(fù)用增益，此一步完成權(quán)值的初始化過(guò)程；（2）根據(jù)匈牙利匹配算法尋找蜂窩信道的一個(gè)完備匹配；（3）修改頂標(biāo)繼續(xù)尋找完備匹配；（4）重復(fù)（2）（3）操作，直到所有蜂窩信道均匹配到一條D2D鏈路為止。本算法將整個(gè)匹配周期分為多個(gè)匹配時(shí)隙，每一個(gè)時(shí)隙完成一輪匹配過(guò)程，每一輪匹配結(jié)束后，每條蜂窩子信道接入一條D2D鏈路。對(duì)于稀疏D2D蜂窩網(wǎng)，第一輪匹配結(jié)束即可完成整個(gè)系統(tǒng)的資源分配與功率分配過(guò)程，但是，對(duì)于密集D2D網(wǎng)絡(luò)，蜂窩用戶數(shù)小于D2D數(shù)目，則需要進(jìn)行多輪匹配，由于第一輪匹配已經(jīng)接入了M個(gè)D2D用戶，所以此時(shí)令：

重復(fù)以上算法步驟，只是在以后的匹配過(guò)程中必須考慮前面幾次匹配過(guò)程已經(jīng)接入的D2D鏈路所帶來(lái)的干擾，直到所有D2D用戶均接入系統(tǒng)為止。假定在第q輪匹配時(shí)，最大吞吐量求解如下：

整體算法流程如圖3所示。

圖3 算法流程

4 公平性分析

其中，Nd表示系統(tǒng)總共有Nd個(gè)用戶，?d（Δt ）表示用戶在時(shí)間間隔Δt內(nèi)實(shí)際的吞吐量，公平性因子越高，整個(gè)系統(tǒng)的公平性就越好。本文將D2D鏈路均勻分配到每一條子信道上，使每條蜂窩子信道上的負(fù)載均衡化，相比于傳統(tǒng)匈牙利匹配算法可以有效提升系統(tǒng)的公平性。

5 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證以上理論所述，本文在LTE-TDD 蜂窩系統(tǒng)小區(qū)場(chǎng)景下，使用維也納仿真平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。仿真參數(shù)如表1所示。

表1

本文采用循環(huán)匹配算法進(jìn)行資源分配，其目的一是解決傳統(tǒng)匹配算法的局限性；二是使蜂窩信道上可以接入多條滿足接入條件的D2D對(duì)，使頻譜資源得到充分利用。由圖4可知系統(tǒng)頻譜資源利用率相對(duì)于文獻(xiàn)［9］所使用的匈牙利算法以及文獻(xiàn)［11］所使用的根據(jù)信道狀況隨機(jī)選擇滿足接入條件的D2D對(duì)接入的算法具有部分提升。圖5是系統(tǒng)總吞吐量的累積分布狀況，由圖可知本文算法與文獻(xiàn)［9］在蜂窩吞吐量對(duì)比而言，當(dāng)系統(tǒng)D2D數(shù)目較少時(shí)，兩種算法為蜂窩小區(qū)帶來(lái)的吞吐量不相伯仲，但是，對(duì)于密集D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言，本文算法則具有一定的優(yōu)越性，這是由于本算法將系統(tǒng)內(nèi)所有D2D終端平均的分配到每一條子信道上，使每條子信道的信道容量盡可能最大化而不是單獨(dú)使鏈路上的數(shù)據(jù)率最大化，所以該算法可以有效提升系統(tǒng)的總吞吐量，尤其對(duì)于密集D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言。

圖4 頻譜資源利用率

6 結(jié)束語(yǔ)

圖5 系統(tǒng)吞吐量累積分布

圖6

本文針對(duì)傳統(tǒng)匹配算法只適用于稀疏D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源分配的局限性，通過(guò)拉格朗日乘數(shù)法結(jié)合圖論中的匈牙利匹配算法，提出一種循環(huán)匹配的資源分配方案。首先在系統(tǒng)中加入若干虛擬D2D用戶，使系統(tǒng)D2D用戶數(shù)N與蜂窩用戶數(shù)M呈整數(shù)倍關(guān)系，每條蜂窩信道可以被N/M條D2D鏈路復(fù)用，即保證每一輪匹配為完備匹配過(guò)程。以最大化蜂窩信道的復(fù)用增益為前提條件，選取合適的D2D鏈路接入對(duì)應(yīng)的蜂窩信道，每一輪匹配完成時(shí)，每條蜂窩信道將接入一條D2D鏈路，直到所有的D2D鏈路接入完畢為止，虛擬D2D對(duì)只參與匹配過(guò)程，無(wú)功率分配過(guò)程，且只參與最后一輪匹配。經(jīng)仿真驗(yàn)證該算法解決了傳統(tǒng)匹配算法的局限性，同時(shí)也為蜂窩系統(tǒng)帶來(lái)一定的吞吐量增益。

1JANISP，KOIVUNENV，IBEIOC，et al.Interferenceaware resource allocation for D2D radio underlaying cellular networks［C］//Proc of Vehicular Technology Conference.［S.1］ IEEE Press，2014: 1-5

2ZHU Xiao-yue，WEN Si，CAO Gen，et al.QoS-based resource allocation scheme for device-to-device （ D2D）radio underlaying cellular networks［C］//Proc of the 19th International Conference on Telecommunications ［S.1］: IEEE Press，2012: 1-6

3DOPPLER K，RINNE M，WIJTING C，et al.Device-toDevice communication as an under-lay to LTE-advanced networks［J］.IEEE Communications Magazine.2009，47 （12）:42-49

4FODOR G，DAHLMAN E，MILDH G，et al.Designaspects of network assisted device-to-device communications［J］.IEEE Communications Magazine，2012，50（ 3）: 170-177

5ODUOLA W O，LI Xiangfang，QIAN Lijun，et al.Power control for device-to-device communications as an underlay to cellular system［C］//IEEE International Conference on Communication（ICC）.Piscataway；IEEE.Sydney，Australia.2014；5257-5262

6榮濤，吳斌，糜正琨.一種 LTE 網(wǎng)絡(luò) D2D 通信資源共享算法 ［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2013

7CHIAHAO Y，OLAV T，KLAUS D，et al.Power optimization of Device-to-Device communication underlaying cellular communication［C］//IEEE International Conference on Communications，2009：1-5

8Zulhasnine M，Huang C，Srinivasan A.Efficient resource allocation for device-to-device communication underlaying LTE network［C］//Proc of the 6th Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications..2010: 368-375

9Hungarian Method Based Joint Transmission Mode and Relay Selection in Device-to-Device Communication.R.Chithra； Robert Bestak； Sarat Kumar Patra 2013 8th IFIP Wireless and Mobile Networking Conference （WMNC）

10WANG H，CHU X.Distance-constrained resource-sharing criteria for Device-to-Device communications underlaying cellular networks ［J］.Electronics Letters，2012，48（9）:528-530

11ZULHASNINE M，HUANG C C，SRINIVASAN A.Efficient resource allocation for Device-to-Device communication underlaying LTE Network［C］//IEEE 6th International Conference

圖4 K=2048時(shí)2種頻偏估計(jì)方法比較

表1 2種算法的的仿真時(shí)間

4 結(jié)束語(yǔ)

頻偏估計(jì)在信號(hào)解析、多用戶檢測(cè)中有著重要的作用，是能否正確解析信號(hào)，進(jìn)行多用戶檢測(cè)的關(guān)鍵。

本文首先對(duì)FFT載波頻偏估計(jì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，減少了分裂基FFT算法中需要計(jì)算的旋轉(zhuǎn)因子數(shù)。然后本文提出了基于前向?qū)ьl信道的頻偏估計(jì)的高效方法。對(duì)FFT載波頻偏估計(jì)算法和基于前向?qū)ьl信道的頻偏估計(jì)法進(jìn)行了詳細(xì)比較，先從理論上剖析了兩種算法的原理，針對(duì)算法性能和運(yùn)算復(fù)雜度兩方面又進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

結(jié)果表明，在相同頻偏估計(jì)性能的情況下，導(dǎo)頻頻偏估計(jì)算法的運(yùn)算復(fù)雜度要遠(yuǎn)低于FFT載波頻偏估計(jì)算法，但導(dǎo)頻頻偏估計(jì)算法的抗噪性能較差。除此之外，F(xiàn)FT載波頻偏估計(jì)算法可以通過(guò)提高分辨率來(lái)提高頻偏估計(jì)的精度。

1da Silva M M，Correia A.Joint multi-user detection and intersymbol interference cancellation for WCDMA satellite UMTS［J］.International journal of satellite communications and networking，2003，21（1）: 93-117

2Moon J，Lee Y H.Cell search robust to initial frequency offset in WCDMA systems［C］//Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2002.The 13th IEEE International Symposium on.IEEE，2002，5: 2039-2043

3譚曉衡，張毛.一種高精度的改進(jìn) FFT 頻偏估計(jì)算法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)，2010 （7）: 71-75

4程款.WCDMA 中的頻偏估計(jì)算法研究與仿真 ［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010

5Duhamel P.Algorithms meeting the lower bounds on the multiplicative complexity of length-2 n DFTs and their connection with practical algorithms［J］.IEEE transactions on acoustics，speech，and signal processing，1990，38（9）: 1504-1511

6何方白，張德民，陽(yáng)莉，等 數(shù)字信號(hào)處理［M］.北京：高等教育出版社，2009:152-162

73GPP.TS 25.213（v13.0.0），Spreading and modulation （FDD）（Release 13），2015

8Schmidl T M，Sriram S.Joint position and carrier frequency estimation method of initial frequency acquisition for a WCDMA mobile terminal: U.S.Patent 6，597，729［P］.2003-7-22

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.012

TD-LTE專網(wǎng)寬帶多媒體集群系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)及規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用驗(yàn)證（國(guó)家科技重大專項(xiàng)2015ZX03004004）

（2016-09-19）