終端直通技術中通信系統模式的研究

蘆 旭，郭 偉，楊 瑩

（①中國科學院國家授時中心，陜西 西安 710600；②中國科學院研究生院，北京 100039）

0 引言

隨著移動通信的發展，用戶通信需求的不斷增加，5 GHz以下的帶寬分配已經十分擁擠，預計到2020年，無線通信的帶寬需求將在1 200 MHz到1 700 MHz之間，分配的帶寬資源已滿足不了無線通信發展的需求。新一代移動通信迫切需要新新技術能夠在不增加頻譜資源要求的前提下提高通信速率[1]。為突破頻譜資源對通信系統的束縛，這篇文章面向IMT-Advance[2]后續演進，研究終端間直通技術。D2D通信可以與小區用戶共享資源來提高頻譜[3]的利用率。此外，它還能減輕蜂窩網絡的負擔、減少移動終端的電池功耗、增加比特速率、提高網絡基礎設施故障的魯棒性等，還能支持新型的小范圍點對點數據服務。

D2D技術相比于傳統的蜂窩通信模式不需要通過基站中轉，因此減少了和基站通信的負擔，并節省了所占用的通信資源，D2D用戶還可以與蜂窩網用戶使用相同的頻譜資源，使得通信速率和頻譜效率獲得大幅提高。基于D2D技術，終端輔助的協作中繼通信，能進一步提高通信的質量。因此，對于D2D技術的研究能大幅提高通信的效率。這對于通信技術的發展具有非常重要的意義，也為中國通信產業在國際上的地位奠定堅實基礎[4]。

1 D2D系統結構

圖1研究小區內D2D方案，考慮只有1個小區的情況，D2D系統結構如圖1所示。其中，小區中心基站（BS，Base Station），小區內的用戶（UE，User Equipment）。UE1是與蜂窩基站通信的用戶，UE2和UE3組成一條D2D鏈路，他們可以在基站的協調下直接通信。D2D與蜂窩網用戶使了相同的網絡資源。

圖1 D2D通信系統結構

在D2D系統結構中，選擇不同的模式，并研究各個模式下的系統性能表現，最終確立一種最優的模式，并進行的大量仿真工作將驗證提出的模式選擇機制。

2 D2D系統可選擇的模式

從資源分配和信道條件等角度，制定不同的模式選擇機制，這篇文章研究具體包括：①D2D通信中所使用的頻譜資源，可來自自己專用、與蜂窩通信復用等不同方式。從資源復用的角度出發，為D2D與蜂窩通信混合網絡構造優化的資源分配模式；②通信設備選擇蜂窩模式或是D2D模式，2種模式如何進行切換、效率如何等是此文需要解決的問題[5]；③需要制定高效的模式優化算法，以滿足無線通信系統高性能高速度的要求。

3 實施方案及可行性

在通信系統中，采用蜂窩與D2D這2種工作模式[6]，無疑需要極為復雜的算法支持。從頻譜資源、功率控制等角度，可以考慮不同的通信模式，從而保證通信效率。在圖1這樣一個單小區的通信系統中，設備UE1和UE2采用D2D模式工作，另一個設備UE3用小區網絡通信。基站內擁有用來為D2D用戶和小區用戶提供最佳的資源分配的頻率狀態信息。為了使期望吞吐量最大化，這些信息還起到協調傳輸功率的作用。圖2展示了設備與基站、設備與設備之間的信干連接[7]。

3.1 單小區的最佳模式選擇算法

從資源分配的角度考慮，D2D通信模式可分為2種：①在D2D由基站通信，并共享了一半的資源。此時的模式是蜂窩模式；②在D2D直接通信的時候，與小區通信共享同一資源。此時的模式是復用模式。

D2D通信共享了小區通信的資源，通過為小區鏈路和D2D鏈路優化傳輸功率提升系統的運行狀態。文獻[3]給出了通過D2D復用蜂窩上行鏈路資源時，最優的模式選擇仿真結果。當小區用戶和D2D用戶接近時，會引起強烈的干擾，此時D2D模式最適宜。當小區用戶靠近小區邊界時就不可以用D2D模式通信了。

文獻[3]同時對小區通信和D2D通信的總比率進行了分析。當進行D2D 通信的設備距離基站較遠時，選擇復用小區資源對它來說更好，因為此時基站和D2D 通信設備之間的干擾很小。當D2D 通信設備離基站較近時，當UE2 的匹配D2D用戶隨機分布在以距離為半徑的圓形區域內，距離很小時復用資源會帶來總比率增益。對于一個短D2D 鏈路來說，D2D 的傳輸功率就很小，這樣可以提升小區通信的品質[8]。

圖2 設備與基站，設備與設備之間的通信鏈接

3.2 考慮進干擾狀況和可用的小區網絡的模式選擇

在大多數情況下，基站會根據D2D通信設備的傳輸功率限制和D2D用戶使用D2D模式時所用的資源，對基站進行排序。當D2D通信設備接受了專用資源時傳輸功率會相對高，因為沒有小區內的通信被干擾。允許的最大D2D傳輸功率也不一樣，這取決于直接通信模式中選擇了上行鏈路還是下行鏈路。在大多數情況下下行鏈路中的D2D傳輸會比上行鏈路的低。在單小區的模式選擇中發現，簡單的就給D2D設備分配D2D資源不能有效的開發潛在的比率增益；另一方面，總是復用小區資源會導致小區和D2D用戶的斷供。因此，理想的選擇算法應該考慮進D2D鏈路的品質，來自和傳向小區用戶的干擾以及D2D通信時小區鏈路的連接品質。表1{4}就給出了不同模式下小區和D2D的平均吞吐量。

表1 小區和D2D 在推薦的選擇模式下的平均吞吐量

從表1的數據可以看出，D2D 通信對卸載本地的網絡負載很有幫助。強迫所有的D2D 終端去和小區通信復用相同的資源這種簡單的模式選擇策略，得到了一個較高的小區吞吐量，但是D2D 通信終端中51%的都是接近零吞吐量。若用為所有的指定D2D用戶分配指定的資源的方法來代替這種方法的話，仍然有37%的D2D 對的吞吐量接近零。因為推薦的算法，吞吐量低于100 kb/s的D2D對的數量會降低到17%。這里D2D對之間的距離可以高于50 m。文獻[3]給出的結論提到:在上行鏈路里,除了距離限制UE傳輸功率的基站很近的情況外,重用小區資源是占優勢的.同理在下行鏈路離基站很近時,不重用小區資源，但是更多的會選擇D2D模式。結果顯示,這個模式選擇算法確保了一個在對小區網絡有有限干擾下的可靠的D2D通信。

分析結果表明，選擇通信模式的算法需要進行精心設計，以防止系統性能惡化。根據研究結果，影響D2D工作狀況的主要因素是本地通信的概率，通信設備間的最大距離，還有所選擇的模式[9]。由于支持D2D通信的系統中，最棘手的問題之一是通信設備究竟應該選擇蜂窩模式還是直通模式，而其目標是使系統具有最優的性能[10]，所以對不同通信模式下的系統性能仿真是及其必要的。考慮2種不同的模式選擇標準：①蜂窩模式: 所有設備處于蜂窩通信模式；②D2D模式: 所有設備選擇D2D通信模式。

圖3是D2D通信系統中2個用戶之間的距離為5 m時，蜂窩系統和D2D系統的容量分布曲線。通過仿真可以看出，當兩用戶之間的距離較近時，直通模式能夠用于用戶通信的容量均優于蜂窩通信模式。

圖3 不同模式下以D2D為底層的通信系統容量分布

4 結語

綜上所述得出的結論是在D2D通信系統中對于短距離通信選擇直通模式能滿足無線通信系統高性能高速度的要求。但是在遠距離通信上直通模式的性能是否能夠滿足通信系統的要求還有待于進一步的研究。

[1] 崔鵬，陳力.D2D 技術在LTE- A系統中的應用[J].現代電信科技,2011(02):1-3.

[2] 李志欣.IMT-Advanced信道建模探討[J].通信技術，2011,44(10)：1-2.

[3] 楊宗林，劉梅. 第四代移動通信系統中的OFDM技術[J].通信技術，2007,40(11)：1.

[4] DOPPLER K, YU C H, RIBEIRO C B,et al. Mode Selection for Device-to-Device Communication Underlaying an LTE-Advanced Network[C].USA:IEEE，2010：1-6.

[5] 3GPP TR 36.814 v9.0.0. Further Advancements for EUTRA Physical Layer Aspects（Release 9）[S].USA:3GPP,2010.

[6] DOPPLER K, RINNE M, WIJTING C, et al. Device-to-Device Communicationas an Underlay to LTE-advanced Networks[J]. IEEE,in Communications Magazine,2009(47):42-49.

[7] HAKOLA S,CHEN Tao, LEHTOM J, et al.Device-to-Device(D2D) Communication in CellularNetwork -Performance Analysis of Optimum and Practical Communication Mode Selection[C].USA:IEEE，2010：1-2.

[8] XU Shaoyi, WANG Haiming,CHEN Tao, et al.Effective Interference Cancellation Scheme for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks[C].USA:IEEE Communications Society,2010：2-3.

[9] MIN H, SEO W, LEE J,et al. Reliability Improvement Using Receive Mode Selection in the Device-to-Device Uplink Period Underlaying Cellular Networks[C].USA: IEEE，2011：1-2.

[10] ZULHASNINE M, HUANG Changcheng, SRINIVASAN.Efficient Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network[C].USA:IEEE,2010：2-3.