蜂窩系統(tǒng)中基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法*

劉艷君,郭愛煌

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

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蜂窩系統(tǒng)中基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法*

劉艷君,郭愛煌

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

Fooundation Item:Key Project of National Natural Science Foundation of China(No.61331009)

摘要：D2D(Device-to-Device)通信作為蜂窩網(wǎng)的輔助通信方式，可以有效提高系統(tǒng)容量，具有提高頻譜效率、減小時(shí)延等優(yōu)勢。模式選擇是蜂窩網(wǎng)與D2D聯(lián)合通信的關(guān)鍵問題之一。提出一種基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法，該算法引入隊(duì)列狀態(tài)信息模型，以隊(duì)列長度為權(quán)重的最大加權(quán)算法為調(diào)度策略，以時(shí)延作為模式選擇的標(biāo)準(zhǔn)。通過仿真給出本算法與基于系統(tǒng)容量最大化的模式選擇算法的性能比較，仿真結(jié)果表明與基于系統(tǒng)容量最大化的模式選擇算法相比，本算法所需時(shí)延和丟包率均減小約20%。

關(guān)鍵詞：無線通信；模式選擇；D2D通信；時(shí)延

0引言

D2D(Device-to-Device)通信允許用戶進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)通信，無需經(jīng)過基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，能夠有效地提高系統(tǒng)容量[1-2]。與WLAN、Wifi、藍(lán)牙等技術(shù)相比，D2D通信利用蜂窩網(wǎng)的授權(quán)頻譜資源進(jìn)行通信，具有更高的可靠性與安全性[3]。

在D2D通信中，模式選擇是關(guān)鍵問題之一。最簡單的模式選擇算法是以接收信號(hào)強(qiáng)度或者D2D收發(fā)端之間的距離作為模式選擇的標(biāo)準(zhǔn)，該方法雖然容易實(shí)現(xiàn)，但沒有考慮到信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)和干擾信息，性能較差。目前關(guān)于D2D模式選擇算法的研究，綜合考慮了CSI和干擾信息，以系統(tǒng)容量或系統(tǒng)總功率作為目標(biāo)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化[4-6]或系統(tǒng)功率的最小化[7-8]。

現(xiàn)有的關(guān)于模式選擇的研究大多假設(shè)用戶的緩存是無限的，且用戶一直有待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而在實(shí)際應(yīng)用中，用戶的緩存都是有限的。在假設(shè)緩存無限的情況下，無法估計(jì)時(shí)延、丟包率。因此，Lei Lei等人提出在D2D通信中引入隊(duì)列狀態(tài)信息模型，在考慮CSI和干擾信息的同時(shí)考慮隊(duì)列狀態(tài)信息(Queue State Information，QSI)，從而保證隊(duì)列的穩(wěn)定性，滿足時(shí)延和丟包率等要求[9]。

本文引入文獻(xiàn)[9]提出的隊(duì)列狀態(tài)信息模型，綜合考慮CSI、QSI和干擾信息，以時(shí)延作為模式選擇標(biāo)準(zhǔn)，提出了基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法。仿真結(jié)果表明，本文提出的基于時(shí)延的D2D通信模式選擇方案可以有效降低時(shí)延、減小丟包率。

1系統(tǒng)模型建立

1.1備選模式

D2D用戶可采用以下3種模式進(jìn)行通信[4]：

(1)蜂窩模式：D2D用戶通過基站作為中繼實(shí)現(xiàn)D2D用戶間的通信；

(2)專用模式：D2D用戶利用基站為D2D用戶分配的專用信道資源實(shí)現(xiàn)直接通信；

(3)復(fù)用模式：D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的信道資源實(shí)現(xiàn)直接通信。此時(shí)，D2D用戶與蜂窩用戶之間存在干擾。

D2D用戶對(duì)復(fù)用上行信道時(shí)，D2D發(fā)射端會(huì)對(duì)基站產(chǎn)生干擾，且上行蜂窩用戶會(huì)對(duì)D2D用戶接收端產(chǎn)生干擾。D2D用戶對(duì)復(fù)用下行信道時(shí)，D2D用戶發(fā)射端會(huì)對(duì)下行蜂窩用戶產(chǎn)生干擾，且基站會(huì)對(duì)D2D用戶接收端產(chǎn)生干擾。由于蜂窩用戶在小區(qū)內(nèi)的位置不斷移動(dòng)，干擾不易控制，而基站的位置固定，因此D2D用戶對(duì)復(fù)用蜂窩用戶上行信道的方式相對(duì)簡單。

1.2隊(duì)列狀態(tài)信息模型

用戶集合為C={0,1,…,N}，0表示基站，1,…,N表示通信用戶。D2D用戶發(fā)射端集合為CDt={2i-1,i∈{1,2,…,ND}}，D2D用戶接收端集合為CDr={2i,i∈{1,2,…,ND}}，節(jié)點(diǎn)2i-1與2i,i∈{1,2,…,ND}為D2D用戶對(duì)，共ND對(duì)D2D用戶對(duì)。上行蜂窩用戶集合為CCu={2ND+i,i∈{1,2,…,NCu}}，共NCu個(gè)上行蜂窩用戶。下行蜂窩用戶集合為CCd={2ND+NCu+i,i∈{1,2,…,NCd}}，共NCd個(gè)下行蜂窩用戶。

隊(duì)列狀態(tài)信息模型如圖1所示。設(shè)Nij(t)為t時(shí)刻動(dòng)態(tài)到達(dá)用戶i的需傳輸至用戶j的比特?cái)?shù)，是服從泊松強(qiáng)度為λc的泊松過程。qij(t)為t時(shí)刻用戶i的隊(duì)列中存儲(chǔ)的需傳輸至用戶j的比特?cái)?shù)。Qij(t)、rij(t)分別表示t時(shí)刻隊(duì)列qij(t)的長度和鏈路ij的傳輸速率。設(shè)隊(duì)列的最大長度為NQ，當(dāng)數(shù)據(jù)超過隊(duì)列容量，則數(shù)據(jù)包被丟棄[9]。

圖1　隊(duì)列狀態(tài)信息模型

因此，蜂窩用戶和基站的隊(duì)列表達(dá)式為：

Qij(t+1)=min[NQ,max[0,Qij(t)-rij(t)]+Nij(t)]

i∈CCu,j=0或i=0,j∈CCd或i=0,j∈CDr

(1)

D2D用戶發(fā)射端的隊(duì)列表達(dá)式為：

Qij(t+1)=Qi0(t+1)=min[NQ,max[0,Qij(t)-

xcell·ri0(t)-(xded+xre)·rij(t)]+Nij(t)]

i∈CDt,j∈CDr

(2)

式中，xcell、xded和xre別表示D2D用戶對(duì)是否采用蜂窩模式、專用模式和復(fù)用模式，D2D用戶對(duì)采用某種模式，則相應(yīng)的參數(shù)為1，否則參數(shù)為0。

1.3調(diào)度策略

設(shè)用戶按時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)，基站在每個(gè)時(shí)隙調(diào)度1個(gè)信道資源。基站在每個(gè)時(shí)隙初進(jìn)行調(diào)度決策，采用最大加權(quán)函數(shù)算法作為調(diào)度準(zhǔn)則，以隊(duì)列長度作為權(quán)重。基站將最大權(quán)重函數(shù)值排序，優(yōu)先調(diào)度隊(duì)列與傳輸速率最大的用戶，使得用戶在隊(duì)列變得過長之前進(jìn)行傳輸，從而減小丟包率。最大加權(quán)函數(shù)表示為：

i,j∈C

(3)

1.4模式選擇策略

基站調(diào)度最大加權(quán)函數(shù)值最大的用戶，若該用戶為D2D用戶，則根據(jù)D2D用戶采用不同模式時(shí)的等待時(shí)延作為模式選擇標(biāo)準(zhǔn)，選擇時(shí)延最小的模式傳輸數(shù)據(jù)。若調(diào)度的用戶為上行蜂窩用戶，則以允許D2D用戶復(fù)用其信道資源和不允許D2D用戶復(fù)用其信道資源所需的時(shí)延作為依據(jù)，決定是否讓D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的信道資源。

i∈CDt,j∈CDr

(4)

若D2D用戶對(duì)(i,j)采用專用模式時(shí)，時(shí)延為：

d_dedij(t)=Qij(t)/rij(t)

i∈CDt,j∈CDr

(5)

若D2D用戶對(duì)(i,j)采用復(fù)用模式，復(fù)用上行蜂窩用戶k的信道資源時(shí)，D2D用戶對(duì)(i,j)和上行蜂窩用戶k的時(shí)延為：

d_reij(t)=dk0(t)=max[Qij(t)/rij(t),Qk0(t)/rk0(t)]/2

i∈CDt,j∈CDr,k∈CCu

(6)

蜂窩用戶的信道資源不被復(fù)用時(shí)，蜂窩用戶的時(shí)延為：

dij(t)=Qij(t)/rij(t)

i∈CCu,j=0或i=0,j∈CCd

(7)

2基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法

基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法的思想如下：

首先，計(jì)算隊(duì)列長度Qij(t)和傳輸速率rij(t)；

其次，計(jì)算最大加權(quán)函數(shù)MAXij(t)，選擇最大加權(quán)函數(shù)值最大的用戶進(jìn)行調(diào)度；

最后，判斷該用戶是哪種類型的用戶，若該用戶是D2D用戶，計(jì)算D2D用戶采用不同模式所需的時(shí)延，選擇時(shí)延最小的模式進(jìn)行通信；若該用戶是上行蜂窩用戶，則計(jì)算其上行信道被D2D用戶復(fù)用和不被D2D用戶復(fù)用所需的時(shí)延，選擇時(shí)延小的模式進(jìn)行通信；若該用戶不是D2D用戶也不是上行蜂窩用戶，即該用戶是下行蜂窩用戶，則不需要計(jì)算時(shí)延，直接進(jìn)行通信。

設(shè)T為總時(shí)隙數(shù)，基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法過程如下：

(1)For時(shí)隙=1 to時(shí)隙=N；

(2)計(jì)算Qij(t)和rij(t)；

(3)計(jì)算MAXij(t)；

(4)將MAXij(t)序排列，選擇值最大的MAXij(t)得到該值對(duì)應(yīng)的用戶m；

(5)Ifm為D2D用戶；

(6)根據(jù)式(4)、式(5)、式(6)計(jì)算3種模式所需時(shí)延，選擇時(shí)延最小的模式；

(7)If選擇的模式為蜂窩模式或?qū)Ｓ媚Ｊ剑?/p>

(8)調(diào)度用戶m；

(9)Else；

(10)調(diào)度用戶m和其復(fù)用的上行蜂窩用戶；

(11)End；

(12)Else ifm為上行蜂窩用戶；

(13)根據(jù)式(6)、式(7)計(jì)算用戶m的信道資源被D2D用戶復(fù)用和不被復(fù)用所需時(shí)延，選擇時(shí)延小的模式；

(14)If用戶m的信道資源被D2D用戶復(fù)用；

(15)調(diào)度用戶m和復(fù)用其上行信道的D2D用戶；

(16)Else；

(17)調(diào)度用戶m；

(18)End；

(19)Else；

(20)直接調(diào)度用戶m；

(21)End；

(22)End。

3仿真結(jié)果

設(shè)小區(qū)半徑為500 m，D2D用戶和蜂窩用戶隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)，D2D用戶對(duì)之間的距離不大于50 m，時(shí)隙大小為1 ms，仿真時(shí)間為1 s。主要仿真參數(shù)如表1[10]所示。

表1　仿真參數(shù)

i∈CDt,j∈CDr(8)

隊(duì)列緩存大小設(shè)為2 000個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包1 000 bit，基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法和基于系統(tǒng)容量最大化的模式選擇算法的時(shí)延和丟包率性能對(duì)比分別如圖2、圖3所示。

由圖2可以看出，基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法所需時(shí)延比基于系統(tǒng)容量最大化的模式選擇算法所需時(shí)延減小約20%，且隨著數(shù)據(jù)包到達(dá)速率越大，性能優(yōu)勢越大。由圖3可以看出，基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法的丟包率一直保持在5%以內(nèi)，而基于系統(tǒng)容量最大化的模式選擇算法的丟包率最高達(dá)到28%，兩種算法的丟包率差異隨著數(shù)據(jù)包到達(dá)率的增大而逐漸增大。這都是由于基于系統(tǒng)容量最大化的模式選擇算法優(yōu)先調(diào)度鏈路速率大的用戶，使得鏈路質(zhì)量較差的用戶無法傳輸數(shù)據(jù)，隊(duì)列累積變長，造成丟包。而基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法利用最大權(quán)重函數(shù)優(yōu)先調(diào)度隊(duì)列較長的用戶，使得用戶在隊(duì)列累積過長前傳輸數(shù)據(jù)，減小了等待時(shí)延和丟包率。

圖2　基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法與基于系統(tǒng)容量

圖3　基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法與基于系統(tǒng)容量

4結(jié)語

本文提出了一種基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法，通過綜合考慮CSI、QSI和干擾信息，以最大權(quán)重函數(shù)作為調(diào)度準(zhǔn)則，通過比較時(shí)延選擇D2D通信模式，優(yōu)先調(diào)度隊(duì)列過長的隊(duì)列，從而減小了用戶的平均時(shí)延，并減少了因隊(duì)列累積過長造成的丟包。仿真結(jié)果表明，與未考慮QSI的基于系統(tǒng)容量最大化的模式選擇算法相比，基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法可以有效減小用戶的平均時(shí)延和丟包率。本文考慮的是單小區(qū)環(huán)境下的D2D通信模式選擇，當(dāng)擴(kuò)展到多小區(qū)環(huán)境時(shí)，需要結(jié)合同小區(qū)以及小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)問題進(jìn)行更深入的研究。

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劉艷君(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镈2D通信；

郭愛煌(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信、寬帶光纖通信信號(hào)與信息處理等。

Mode Selection Algorithm for D2D Communication

based on Time-Delay in Cellular Systems

LIU Yan-jun, GUO Ai-huang

(School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：D2D (Device-to-Device) communication, as the assistant communication mode of cellular networks, effectively improves system capacity and enjoys the superiorities of enhanced spectral efficiency and decreased time-delay. Mode selection is one of the key issues for joint communication of cellular network and D2D. A mode selection algorithm for D2D communication based on time-delay is proposed,into which QSI (Queue State Information) model is introduced.This algorithm takes maximum weighting algorithm with queue length as weight the scheduling policy, and time-delay as the standard for mode selection. Simulation results show the performance comparison of between the proposed algorithm and mode selection algorithm based on maximized system capacity, and that both time-delay and packet dropping probability of the proposed algorithm could be reduced by about 20%.

Key words：wireless communication, mode selection, D2D communication, time-delay

作者簡介：

中圖分類號(hào)：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2015)07-0814-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No.61331009)

收稿日期：修回日期：2015-04-28Received date:2015-01-16；Revised date：2015-04-28

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.013