劉振國(guó)，王旭文

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中干擾協(xié)調(diào)算法研究

劉振國(guó)，王旭文

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

在蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中， D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的資源會(huì)給混合網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)不能避免的干擾，這些干擾嚴(yán)重影響了系統(tǒng)性能。文章在資源分配與功率控制研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于聯(lián)合資源分配與功率控制的干擾協(xié)調(diào)方案。資源分配時(shí)，首先對(duì)用戶進(jìn)行分簇，分簇的結(jié)果是使簇與簇間的總干擾最大，然后以最大化系統(tǒng)容量為目標(biāo)，采用一種迭代分配方案，對(duì)已經(jīng)分好的簇進(jìn)行資源塊的劃分。功率控制時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的干擾門(mén)限值，以及D2D用戶與蜂窩用戶、基站之間的信道增益估計(jì)值，對(duì)D2D用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)的功率調(diào)整。通過(guò)仿真驗(yàn)證該算法能夠提高混合網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量。

D2D通信;干擾協(xié)調(diào);資源分配;功率控制

0 引言

隨著4G的大規(guī)模商用，以及智能設(shè)備和便攜式應(yīng)用設(shè)計(jì)提供的多媒體服務(wù)的日益普及，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高，對(duì)于未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)，必須能夠支持更高速率和更大帶寬的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

為了適應(yīng)未來(lái)高速率移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，ITU制定了IMT-Advanced計(jì)劃，該計(jì)劃要求高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，較大的網(wǎng)絡(luò)容量以及多種多樣的多媒體業(yè)務(wù)，因此，IMT-Advanced在頻率資源上面臨極大的挑戰(zhàn)[1]。當(dāng)D2D通信作為一種比較先進(jìn)的近場(chǎng)通信技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，就得到了人們的密切關(guān)注。D2D的特點(diǎn)是當(dāng)兩個(gè)相距比較近并且具備D2D通信功能的用戶(終端)進(jìn)行通信時(shí)，數(shù)據(jù)可以繞過(guò)基站或者接入點(diǎn)直接通過(guò)D2D鏈路進(jìn)行傳輸[2]。D2D通信可以提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，分擔(dān)蜂窩小區(qū)基站的負(fù)荷，具有很好的用戶體驗(yàn)。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)與D2D技術(shù)混合可以對(duì)通信系統(tǒng)帶來(lái)許多好處，但也帶來(lái)了干擾問(wèn)題。在大部分情況下，D2D用戶通過(guò)復(fù)用蜂窩用戶的資源完成通信，此時(shí)系統(tǒng)中就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，如果不加以控制，干擾造成的損失甚至?xí)^(guò)D2D產(chǎn)生的增益，因此需要通過(guò)適當(dāng)?shù)母蓴_協(xié)調(diào)技術(shù)來(lái)減小干擾，更好地保障混合網(wǎng)絡(luò)的可控性、穩(wěn)定性以及魯棒性，從而進(jìn)一步地提高系統(tǒng)吞吐量與頻譜利用率。

D2D的無(wú)線資源包括三方面：模式選擇、資源分配與功率控制，這些也是蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)干擾協(xié)調(diào)的主要技術(shù)。

(1)模式選擇

當(dāng)基站收到D2D發(fā)送端的連接建立請(qǐng)求時(shí)，需要為D2D用戶選擇合適的通信模式來(lái)建立通信鏈路。模式選擇就是保證用戶在D2D通信與蜂窩通信之間進(jìn)行軟切換，以便充分地利用信道資源。D2D的通信模式有三類：蜂窩模式、專用模式與復(fù)用模式[3]。由于頻譜資源比較寶貴，大部分系統(tǒng)都會(huì)采用復(fù)用模式，復(fù)用模式根據(jù)上下行鏈路又可分為上行復(fù)用和下行復(fù)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)上行鏈路的數(shù)據(jù)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于下行鏈路，上行鏈路的資源利用率還有很大提升空間，因此，目前很多關(guān)于D2D通信的研究都是基于上行資源復(fù)用。

(2)資源分配

D2D通信進(jìn)行資源分配的標(biāo)準(zhǔn)是在不打亂蜂窩網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的前提下，以提高頻譜利用率和系統(tǒng)容量為目的，對(duì)資源進(jìn)行分配。D2D的資源分配可以分為集中式和分布式[4]。按照資源的正交性又可分為兩類：正交資源分配和復(fù)用資源分配，前者一般用在蜂窩模式和專用模式下，后者用在復(fù)用模式下。在資源分配的研究中，最簡(jiǎn)單的方式是隨機(jī)資源分配，但這種方式系統(tǒng)頻譜利用率不高。最優(yōu)的方式需要考慮的因素較多，基站負(fù)載大，但系統(tǒng)整體性能優(yōu)良[5-6]。

(3)功率控制

在蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中，如果D2D通信有專屬的資源，并不與蜂窩通信復(fù)用，這兩種通信系統(tǒng)間不會(huì)產(chǎn)生干擾， D2D用戶就可以以最大發(fā)射功率來(lái)獲得高傳輸速率。當(dāng)D2D用戶采用復(fù)用資源分配方式時(shí)，兩種類型的用戶就會(huì)相互干擾，如果基站仍隨意為用戶分配功率而不加以有效控制，干擾甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)性能的嚴(yán)重下降。因此，需要通過(guò)合理的方案對(duì)混合網(wǎng)絡(luò)中的用戶的發(fā)射功率進(jìn)行限制，以便減小系統(tǒng)中的干擾。D2D通信能夠借鑒LTE系統(tǒng)中的功率控制方案，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的功率控制[7]。

1 系統(tǒng)模型

本文研究的系統(tǒng)模型如圖1所示，M個(gè)蜂窩用戶、N對(duì)D2D用戶隨機(jī)分布在系統(tǒng)中，且系統(tǒng)中有L個(gè)無(wú)線資源塊，分別用集合C={1,2,…M}，D={1,2,…N}，RB={1,2,…L}表示，其中，Cm表示第m個(gè)蜂窩用戶，Dtn和Drn表示進(jìn)行通信的第n個(gè)D2D用戶的發(fā)送端以及接收端，RBk表示第k個(gè)資源塊。

圖1 系統(tǒng)模型

為了便于分析，只考慮單小區(qū)上行通信鏈路，并且規(guī)定D2D用戶可以復(fù)用任一蜂窩用戶的資源，D2D用戶之間也可以復(fù)用資源，但蜂窩用戶之間不可以復(fù)用資源。同時(shí)，為了保證通信鏈路的公平性，規(guī)定每條鏈路在每次進(jìn)行通信時(shí)只能分配一個(gè)資源塊。

假設(shè)蜂窩用戶Cm分配了資源塊RBk，D2D用戶對(duì)Dn復(fù)用了該資源塊，則D2D用戶對(duì)應(yīng)的接收端Drn在資源塊RBk上的信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio, SINR)為：

(1)

蜂窩用戶Cm在資源塊RBk上的SINR為：

(2)

(3)

假設(shè)用P=(PC,PD)表示蜂窩和D2D用戶的功率矩陣，用βk,m、ρk,n表示蜂窩和D2D用戶的資源分配，并且βk,m、ρk,n∈[0,1],k∈L,m∈M,n∈N。當(dāng)βk,m=0時(shí)表示用戶Cm沒(méi)有使用資源塊RBk，βk,m=1表示RBk只分配給了用戶Cm，同理，ρk,n=0表示D2D用戶Dn沒(méi)有使用資源塊RBk，ρk,n=1表示資源塊RBk只分配給了D2D用戶Dn，結(jié)合香農(nóng)容量，得出系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)及其約束條件為：

(4)

2 資源分配

在本文中，所提到的算法引入了多對(duì)D2D用戶，資源分配也比較復(fù)雜，因此，在為每一個(gè)用戶分配資源時(shí)，采用分步策略，首先利用簡(jiǎn)略的干擾圖對(duì)用戶進(jìn)行分簇，將干擾較大的用戶隔離開(kāi)，然后再對(duì)每個(gè)用戶分配資源塊，這樣既可以減小干擾，也可以減輕資源分配的復(fù)雜度。

2.1用戶分簇

根據(jù)圖論中關(guān)于圖的定義，可以簡(jiǎn)要地構(gòu)建出如圖2所示的用戶干擾圖Q=(V,E)，其中V表示用戶的集合，E表示邊的集合。每一條邊受到的干擾用Ixy表示，在干擾圖中也稱為權(quán)重，Ixy越大，表示干擾越大。

圖2 用戶干擾圖

由于同一個(gè)小區(qū)內(nèi)任意兩個(gè)蜂窩用戶是沒(méi)有資源復(fù)用的，所以兩個(gè)蜂窩用戶之間的邊的權(quán)重是極大的，假設(shè)基站可以獲取全部的鏈路狀態(tài)信息，則權(quán)重的計(jì)算規(guī)則如下式所示：

(5)

計(jì)算出每條邊的權(quán)重后，根據(jù)權(quán)重的大小進(jìn)行分簇，分簇的目的是將可能產(chǎn)生較大干擾的用戶分離開(kāi)，使得簇與簇間的總權(quán)重達(dá)到最大，這樣就能減少系統(tǒng)中的總干擾，提高系統(tǒng)容量。在干擾圖Q中，就是要將集合V分配到L個(gè)不相交的簇中，簇用集合R={R1,R2,…Rl}表示，其中Rk表示第k個(gè)簇，Rk中權(quán)重和用Wk表示，且

(6)

下面開(kāi)始進(jìn)行分簇：

如果系統(tǒng)資源充足，即M+N

如果系統(tǒng)資源不充足，即M≤L≤M+N時(shí)，需要按照以下步驟進(jìn)行分配：

首先，將M個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配到L個(gè)簇中，剩下的N個(gè)節(jié)點(diǎn)按照度的大小進(jìn)行降序排列，用集合U表示，從U中取出度數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)i，判斷是否存在空簇，如果存在，就分配給該節(jié)點(diǎn)，如果不存在，就按

(7)

計(jì)算出將節(jié)點(diǎn)i分配到L個(gè)簇中每個(gè)簇所增加的權(quán)重。然后，找出權(quán)重增加量最小的簇，驗(yàn)證是否滿足式(3)中的SINR約束條件，若滿足就將節(jié)點(diǎn)i分配到該簇中，若滿足條件的簇不止一個(gè)，就將節(jié)點(diǎn)i隨機(jī)分配到這些簇中。最后，重新計(jì)算每個(gè)簇的權(quán)重Wk=Wk+ΔWk，并更新節(jié)點(diǎn)集合U，再次取出度數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)，按照上述步驟進(jìn)行操作，直到集合U為空，分簇完成。

對(duì)于M>L這種情況，因其無(wú)法將蜂窩用戶分配到不同的簇中以保證蜂窩用戶之間資源的正交性，所以不考慮。

2.2資源塊分配

分簇完成后，資源塊以簇為單元進(jìn)行分配，決定哪個(gè)資源塊分配給哪個(gè)簇，可以獲得最大的吞吐量。在本節(jié)中，假定基站可以獲取全部的鏈路狀態(tài)信息,如果采用窮舉搜索的方法為L(zhǎng)個(gè)簇分配資源塊，需要L！次才能搜索出容量最大的分配方法，這種方法對(duì)基站的計(jì)算處理能力是極大的考驗(yàn)。因此，本文采用一種迭代算法，可以在降低計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)保證系統(tǒng)容量。

首先，將L個(gè)簇按照從小到大的順序進(jìn)行排列，排列完成后，按順序取出一個(gè)簇Rk，對(duì)Rk中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行以下計(jì)算：

(8)

3 功率控制

本文提出一種基于用戶位置的動(dòng)態(tài)功率算法。該算法是根據(jù)蜂窩用戶能夠承受的最大干擾值來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整D2D用戶功率。假設(shè)D2D用戶一直監(jiān)控著其復(fù)用資源的蜂窩用戶，并將監(jiān)聽(tīng)到的信息發(fā)送給基站，基站分析這些信息得到D2D用戶和蜂窩用戶的位置，然后根據(jù)位置信息對(duì)D2D用戶進(jìn)行功率調(diào)整。具體步驟如下：

(1)D2D用戶Dtn與Drn根據(jù)監(jiān)聽(tīng)到的蜂窩用戶Cm的位置信息對(duì)他們之間的通信鏈路進(jìn)行信道增益的估計(jì)，信道增益包括路徑損耗與衰落，用公式表示如下：

(9)

其中，ICmDtn和ICmDrn就是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)到的位置信息，然后按照式(5)進(jìn)行計(jì)算得到的干擾值。假設(shè)預(yù)先設(shè)定的蜂窩用戶能夠承受的干擾的最大值為ICm，則用戶Dtn與Drn對(duì)蜂窩用戶的干擾必須滿足：

PDtnhCmDtn≤ICm,PDtnhCmDtn≤ICm

(10)

(2)基站通過(guò)處理監(jiān)聽(tīng)到的來(lái)自Dtn與Drn的信息，直接對(duì)自己和Dtn與Drn之間進(jìn)行信道增益估計(jì)，其值為hDtnB和hDrnB，假設(shè)基站能夠承受的干擾的最大值為IBm，那么用戶Dtn與Drn對(duì)基站的干擾必須滿足：

PDtnhDtnB≤IBm,PDrnhDrnB≤IBm

(11)

(3)由步驟(1)和(2)分別得到Dtn與Drn和蜂窩用戶、基站之間的信道增益估計(jì)值，根據(jù)這些估計(jì)值，基站可以對(duì)D2D用戶的功率按下式進(jìn)行設(shè)定：

(12)

4 仿真及結(jié)果分析

4.1參數(shù)設(shè)置

本文所實(shí)現(xiàn)的基于資源分配和功率控制的干擾協(xié)調(diào)算法仿真的參數(shù)設(shè)置如表1所示，仿真場(chǎng)景是半徑為500 m 的單小區(qū)，D2D用戶對(duì)之間的通信距離最大值為25 m，每個(gè)用戶都配備有全向單天線，D2D用戶復(fù)用的是蜂窩用戶的上行資源。仿真中將本文所提資源分配與功率分配算法和隨機(jī)分配算法以及固定功率下資源分配算法進(jìn)行對(duì)比。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2結(jié)果分析

圖3反映的是不同數(shù)量下的D2D用戶與系統(tǒng)容量的關(guān)系。設(shè)定蜂窩用戶數(shù)量M=8，資源塊數(shù)量L=10，從圖中可以看出，在一定范圍內(nèi)，一方面，本文所提的資源分配算法在固定功率和動(dòng)態(tài)功率下都比隨機(jī)資源分配算法在系統(tǒng)容量上要大很多，并且所提的動(dòng)態(tài)功率控制下的系統(tǒng)容量比固定功率下系統(tǒng)容量高；另一方面，在蜂窩用戶和資源塊數(shù)量固定的前提下，隨著進(jìn)行通信的D2D用戶對(duì)數(shù)量的增加，系統(tǒng)容量也隨之增加，并沒(méi)有因?yàn)橥ㄐ庞脩粼龆喔蓴_增多而下降。

圖3 系統(tǒng)容量隨D2D用戶數(shù)量的變化

圖4反映的是不同資源塊數(shù)量與系統(tǒng)容量的關(guān)系。設(shè)定蜂窩用戶數(shù)量M=8，D2D用戶數(shù)量N=8，從圖中可以看出，在蜂窩和D2D用戶數(shù)量固定的前提下，隨著資源塊數(shù)量的增加，系統(tǒng)容量也在上升，這是因?yàn)橘Y源塊的增加使得D2D用戶復(fù)用蜂窩資源的概率減小，用戶之間的干擾也會(huì)降低，增加了系統(tǒng)容量。

圖4 系統(tǒng)容量隨資源塊數(shù)量的變化

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于資源分配與功率控制的干擾協(xié)調(diào)算法，采用單小區(qū)內(nèi)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源的場(chǎng)景，以提高系統(tǒng)容量為目的，解決最優(yōu)資源分配矩陣和功率矩陣的問(wèn)題。在求解資源分配矩陣時(shí)，首先根據(jù)用戶干擾圖對(duì)用戶進(jìn)行分簇，將產(chǎn)生較大干擾的用戶分離開(kāi)，然后采用一種迭代算法對(duì)簇進(jìn)行資源塊的分配；在求解功率矩陣時(shí)，蜂窩用戶使用固定功率，D2D用戶采用一種基于位置的動(dòng)態(tài)功率控制方案，根據(jù)D2D用戶和蜂窩用戶以及基站之間的信道增益估計(jì)值，周期性地調(diào)整D2D用戶的發(fā)射功率。仿真結(jié)果表明，該算法能夠獲得較好的系統(tǒng)容量性能。

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Research on interference coordination algorithm in cellular and D2D hybrid networks

Liu Zhenguo, Wang Xuwen

(College of Communication & Information Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210003, China)

In the cellular and D2D hybrid network, D2D users reuse the resources of the cellular user will bring unavoidable interference to the hybrid network, which seriously affects the system performance. Based on the study of resource allocation and power control, this paper proposes a scheme based on joint resource allocation and power control to improve system throughput. When the resource is allocated, the users are clustered firstly, the result of clustering is that the total interference between the clusters is the largest. And then the partition has been divided into a large number of resource blocks to maximize the system capacity as the goal, using an iterative distribution scheme. On the power control, we adjust the power of the D2D users dynamically according to the preset interference threshold and the channel gain estimate between the D2D user and the cellular user and the base station. The simulation results show that the proposed algorithm can improve the overall throughput of the hybrid network.

D2D communication; interference coordination; resource allocation; power control

TN911.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.19.021

劉振國(guó)，王旭文.蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中干擾協(xié)調(diào)算法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(19)：74-77,80.

2017-04-13)

劉振國(guó)(1992-)，男，碩士，主要研究方向：通信與信號(hào)處理。王旭文(1992-)，女，碩士，主要研究方向:信息處理。