異構網中D2D通信模式選擇和資源分配研究

劉　輝，任兆俊

(1.重慶郵電大學 通信新技術應用研究中心，重慶 400065；2.重慶信科設計有限公司，重慶 400065)

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異構網中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 通信新技術應用研究中心，重慶 400065；2.重慶信科設計有限公司，重慶 400065)

摘要:將D2D(Device to Device)和家庭小區技術引入蜂窩網絡，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)組成的異構網中的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間干擾。仿真結果顯示，文中提出的算法可以有效減少干擾，提高D2D用戶的速率，增加系統吞吐量。

關鍵詞:D2D；家庭小區；異構網；吞吐量

隨著信息技術的發展，移動網絡的數據流量獲得了爆炸性的增長。根據Cisco visual networking index[1]，移動數據流量在2010—2011年增長了一倍，據此增速推測，在未來的10年，即2010—2020年，數據流量將會增加1 000倍。為滿足這些需求，未來的5G網將會是一個宏基站MBS、家庭基站FBS、D2D通信共存的混合異構網絡。由FBS和MBS組成的異構網絡可以顯著地增加網絡的容量、頻譜效率等，但是如何減少網絡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，是指允許設備之間進行直接通信，而不需要基站進行轉發[2]。在蜂窩網絡中引入D2D通信技術可以增加通信系統容量，提高系統頻譜效率，提升數據傳輸速率，降低基站負載等。D2D通信根據其是否使用授權頻段可以分為帶外D2D通信和帶內D2D通信。與帶外D2D通信相比，帶內D2D通信可以有效地控制干擾從而為用戶提供更好的服務。因此本文針對帶內D2D通信進行研究。帶內D2D通信又存在3種通信模式，分別是蜂窩模式、專用模式、復用模式。因此，如何進行D2D通信模式的選擇是一個重要的問題。其次，當D2D對復用蜂窩下行鏈路進行通信時，會與使用相同信道的用戶產生相互干擾，這些干擾會嚴重影響系統性能。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[3]提出了基于D2D對間距離的模式選擇機制，文獻[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制，文獻[5-6]分別提出了限定基站保護區域的模式選擇算法和限定D2D用戶復用區域的資源分配算法。但是文獻[3，4，6]并不能很好地使D2D鏈路免受干擾，而文獻[5]對于D2D對間的通信距離沒有進行考慮。同時,文獻[6]提出的D2D用戶復用限制區域只是用來決定是否可以進行資源復用，而不是一個具體的模式選擇機制。

當D2D模式選擇完成之后，系統必須解決對應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，所以本文重點關注D2D復用模式的資源分配問題。文獻[8-9]針對宏小區中D2D通信的3種模式，提出了各自的資源分配方法，并進行了相應的功率優化，仿真結果表明通過選擇合適資源和功率可以有效地提高系統吞吐量。文獻[10]提出了一種貪婪啟發式算法來進行D2D的資源分配。文獻[11]將部分頻率復用技術應用到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和D2D用戶間的干擾，從而提高系統的性能。然而文獻[8-11]只是針對宏小區和D2D共存的通信系統，并沒有考慮到宏小區、家庭小區、D2D共存的情況。文獻[12]針對這種復雜的異構網中的D2D通信，提出了一種網絡輔助設備控制的D2D智能資源管理方法，但是只考慮了復用蜂窩上行鏈路的狀況。

本文提出了一種基于D2D間距離和干擾區域的模式選擇機制，并對D2D復用下行蜂窩鏈路的D2D用戶的資源選擇和功率分配進行了優化來減少干擾。仿真結果顯示，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域的模式選擇算法的缺陷。其次，本文把針對復用模式提出的資源分配算法與隨機資源分配算法進行對比，結果顯示，本文提出的算法可以獲得較高的系統吞吐量。

1系統模型

1.1場景描述

圖1　系統模型

1.2信道模型

(1)

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

1.3D2D通信模式描述

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

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

復用模式：D2D對復用CUE的資源直接進行通信，與使用該信道的用戶相互干擾。

2模式選擇機制

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可以根據通信用戶雙方的ID判斷他們是否在同一個小區中。若不在同一個小區中，則使用傳統的蜂窩通信模式，若在同一個小區中，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的位置在干擾區域內，則D2D對使用蜂窩模式進行通信。此時DTx可以使用最大發射功率，MBS為其分配相應的信道。

3)若d≤dmax且DRx位于干擾區域外，則考慮使用D2D專用模式或D2D復用模式。若網絡中有充足的頻譜資源，則使用D2D專用模式。若網絡中沒有充足的頻譜資源，則使用D2D復用模式。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，但是可以降低系統復雜度，從而提升整個系統的性能。

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

例如：假設當DTx和DRx間距d≤dmax，但是DRx位于干擾區域內，會受到嚴重的干擾，所以僅根據距離進行模式選擇很可能會導致錯誤的模式。反之，若滿足干擾區域要求，但是不滿足距離要求，也會導致同樣的錯誤。

為了更進一步分析，假設D2D選擇復用模式進行通信，此時，D2D復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果。通常D2D靠近基站的時候采取蜂窩模式進行通信比采用復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，FBS到MBS，FBS到DRx的信道增益；N0表示該網絡中所有節點接收端的加性高斯白噪聲功率。

假設當D2D對間距滿足要求，但是DRx位于干擾區域。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復用模式會導致較低的速率。

假設當DRx位于干擾區域外，但是其間距不滿足D2D通信距離要求。根據式(2)可以得到其間距

(5)

也會導致較低的D2D用戶速率。

因此，同時考慮距離和干擾區域的機制要比單一的基于距離或者干擾區域的機制更加優越。

3D2D通信模式的資源分配

當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可以使用最大的發射功率進行數據發送。

當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具有較小的發射功率且可以自適應地調整其使用的資源，所以也可以使用最大的發射功率進行數據發送。

當D2D通信選擇復用模式的時候，D2D復用CUE的頻譜資源，但是可能會與使用相同信道的CUE和FUE產生相互干擾。因此為保證網絡中所有用戶的服務質量和系統吞吐量，本文提出了一個復用模式下D2D的資源分配算法。

本文是基于LTE網絡進行研究，LTE網絡中使用OFDMA技術，在一個資源塊RB中包含多個子載波。假設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為選擇的調制與編碼策略(MCS)的校正因子[13]。當獲得該RB的有效SINR時，可以決定相應的MCS，并計算出相應的理想頻譜效率。

假設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)。基于每個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上進行可靠傳輸的最小功率。通過選擇RB和調整RB上的發射功率，D2D對可以在保證自己進行可靠傳輸的情況下，有效地避免對CUE和FUE的干擾。

當網絡中不存在D2D對時，為了在下行資源塊n上進行可靠傳輸，則有效SINR值γeff,C,n和γeff,f,n應該大于預定義的有效SINR值γth，可以表示為

(10)

(11)

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

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

為了使得D2D用戶進行可靠傳輸，在資源塊n上進行傳輸的SINR值至少應該等于預定義的SINR值γth，因此可得

(19)

其中

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

(20)

(21)

綜上所述，復用模式D2D資源分配算法可以描述如下：

步驟1，D2D對從MBS，FBS收集MIT信息。

4仿真驗證

4.1仿真參數

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蜂窩系統中，使用Matlab進行仿真驗證。主要仿真參數設置如表1所示。

表1仿真的主要參數

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

4.2仿真結果

如圖3描述了在不同D2D間距d和不同的干擾區域，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。這與前文討論的結果類似，當DRx越接近MBS，則遭受到的干擾越嚴重，此時使用蜂窩模式可以提供較高的速率增益；當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域進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的關系

圖4描述了在不同dM,R下，當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關系

圖5描述了當D2D采用復用模式進行通信時，系統的吞吐量圖。從圖中可以看出，采用文中提出的算法比采用隨機分配算法可以獲得更高的系統吞吐量。這是因為隨著D2D對數的增加，小區中被復用的蜂窩用戶數也在增加，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，獲得較大的系統吞吐量，而隨機分配算法很可能對小區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，系統的吞吐量差異。可以看出，較小的D2D對間距可以獲得較大的系統吞吐量。

圖5　系統吞吐量

5結束語

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

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責任編輯：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

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.008

基金項目：重慶市自然科學基金計劃項目(CSTC2012JJA40054)

作者簡介：

劉輝(1966— )，教授級高級工程師，碩士生導師，中國通信學會會員，主要研究方向為通信新技術應用；

任兆俊(1992— )，碩士生，主要研究方向為通信新技術應用。

收稿日期：2015-11-21

文獻引用格式：劉輝，任兆俊. 異構網中D2D通信模式選擇和資源分配研究[J].電視技術，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.