基于網絡編碼的D2D干擾消除算法

王　靜, 歐陽明生, 焦琴琴, 羅　威, 王新梅

(1. 長安大學信息工程學院, 陜西 西安 710064;2. 西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室, 陜西 西安 710071)

?

基于網絡編碼的D2D干擾消除算法

王靜1, 歐陽明生1, 焦琴琴1, 羅威1, 王新梅2

(1. 長安大學信息工程學院, 陜西 西安 710064;2. 西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室, 陜西 西安 710071)

摘要：終端直通(device-to-device, D2D)通信與蜂窩網絡共享無線資源的同時,會引起D2D用戶、蜂窩用戶和基站之間互相干擾,影響通信質量,為此提出一種蜂窩網絡中基于網絡編碼的D2D干擾消除算法。該算法中,D2D發送端將檢測到的蜂窩干擾信號與D2D信號進行網絡編碼,D2D接收端接收到編碼信號后,利用干擾重構消除蜂窩干擾信號,達到消除干擾的目的。理論分析與仿真結果表明,該算法在保證D2D用戶復用蜂窩用戶資源以及提高頻譜利用率的同時,可以提高D2D通信系統可達速率和系統吞吐量,進一步降低符號錯誤概率。

關鍵詞：終端直通; 干擾消除; 網絡編碼; 頻譜利用率

0引言

隨著寬帶無線通信技術的發展,未來對高速率、廣覆蓋和大容量的無線通信需求日益增強。目前在LTE-A中出現的終端直通(device-to-device,D2D)技術[1-2],允許D2D終端用戶復用小區資源直接進行通信,能夠提高蜂窩通信系統頻譜效率,降低終端的發射功率,在一定程度上解決無線通信系統頻譜資源匱乏的問題。D2D通信技術的低時延、高速率、頻譜利用率高以及發射功率低等優點,使它已經成為通信領域的研究熱點[3-4]。

然而,D2D用戶在復用蜂窩頻譜資源的同時,不可避免地會給蜂窩用戶帶來干擾,且蜂窩通信也會干擾D2D用戶通信。具體地,當D2D用戶復用蜂窩上行鏈路資源時,蜂窩用戶對D2D接收端產生干擾,D2D發射端對基站產生干擾;當D2D用戶復用蜂窩下行鏈路資源時,D2D發射端對蜂窩用戶產生干擾,基站對D2D接收端產生干擾。這些干擾會同時影響蜂窩通信和D2D通信,所以在D2D通信技術研究中,干擾消除顯得非常重要。

文獻[5]提出了基于功率控制的干擾抑制算法,通過控制D2D用戶的發射功率,使得D2D用戶對蜂窩通信的干擾程度降低到不影響蜂窩用戶正常通信范圍,但對蜂窩網絡鏈路的最大傳輸速率有所限制。文獻[6]針對蜂窩網絡中的D2D通信,分別給出了集中式和分布式功率控制算法,該算法對D2D用戶的發射功率進行控制,必然會影響D2D通信性能。文獻[7]提出了蜂窩鏈路對D2D通信鏈路干擾最小的資源分配算法,但基站必須知道所有鏈路的信道狀態信息,包括相互共享資源的蜂窩用戶和D2D對之間干擾信道的信息。文獻[8]在D2D接收端周圍定義一個干擾受限區域,在該區域內D2D接收端的干擾信號比(interference to signal ratio,ISR)需小于預定門限,且同一個區域內不允許蜂窩用戶和D2D對同時存在。文獻[9]提出了基于位置的資源調度策略,D2D用戶復用蜂窩資源的時候,選擇離D2D用戶比較遠的蜂窩用戶的頻譜資源進行D2D通信,使得干擾更小,但是該方案需要基站得到所有蜂窩用戶和D2D用戶的位置信息,且當復用的頻譜資源對應的蜂窩用戶距離D2D用戶不夠遠時,帶來的干擾會影響正常的蜂窩和D2D通信。

鑒于上述方案的局限性以及蜂窩網絡上行鏈路頻譜利用率較低,本文提出一種蜂窩網絡中基于網絡編碼的D2D干擾消除算法,D2D用戶選擇復用蜂窩上行鏈路頻譜資源。具體地,D2D發送端接收到蜂窩用戶干擾信號后進行信號檢測,將檢測到的蜂窩信號和自己的發送信號進行網絡編碼,并將編碼信號發送給D2D接收端。D2D接收端接收到編碼信號后,進行干擾重構,消除蜂窩干擾信號,恢復出D2D信號。根據D2D通信的干擾機制,基站接收到蜂窩用戶發送的信號和D2D發送端發送的編碼信號,采用最大似然多用戶檢測恢復出蜂窩信號和D2D信號。性能分析和實驗仿真表明,基于網絡編碼的D2D干擾消除算法在系統可達速率、網絡吞吐量和符號錯誤概率(symbol error probability, SEP)方面的性能明顯優于不采用干擾消除的D2D傳輸算法,且該算法不需要控制用戶發射功率,也不需要進行區域性選擇復用資源,方便D2D用戶復用蜂窩用戶頻譜資源。

1D2D通信模型

D2D通信技術作為LTE-A中一種新興的通信方式,不同于傳統的蜂窩通信傳輸方式。在傳統的蜂窩通信方式中,蜂窩用戶進行數據傳輸的時候不僅信令的傳輸需要經過基站轉發,而且數據的傳輸也需要基站的轉發參與。D2D傳輸數據時,D2D用戶首先向基站發起連接請求,請求成功后,D2D用戶對之間直接進行數據傳輸。D2D通信中數據傳輸不需要經過基站的轉發,基站只傳輸D2D通信所需的信令,從而減少基站開銷,提高數據傳輸效率[7]。

圖1給出了傳統蜂窩網絡通信系統模型,其中蜂窩用戶UE1通過基站向用戶UE2發送蜂窩信號。首先,UE1通過UE1到基站的上行鏈路向基站發送請求連接信令,基站接收到信令后處理并轉發給UE2,若請求成功,建立數據鏈路,UE1開始向UE2發送數據。UE1將蜂窩信號首先發送給基站,基站轉發該蜂窩信號,并通過基站到UE2的下行鏈路發送給UE2。此時,蜂窩用戶UE1向UE2發送信號的過程完成。

圖1　傳統蜂窩網絡通信模型

圖2給出了D2D通信系統模型,其中基站與D2D用戶只存在信令控制鏈路,數據傳輸鏈路在兩個D2D用戶之間,D2D用戶對D1和D2通過控制鏈路發送信令請求建立D2D通信?；窘邮盏紻2D發送端請求信令后處理并轉發,若請求成功,建立D2D通信。對比傳統蜂窩網絡通信,D2D通信中D2D用戶D1和D2直接通過D1到D2的直達數據鏈路傳輸D2D信號,不需要基站的轉發,減少了基站處理開銷,實現數據的直接傳輸。現有的藍牙等短距離設備之間也可實現直接通信,但是這些通信方式使用的都是未經授權的頻譜資源,而D2D通信技術使用的是運營商許可頻段,安全性得到保證,并且傳輸范圍也得到擴大。D2D通信在基站控制下與蜂窩用戶共享頻譜資源,提高了頻譜利用率,進一步地減輕蜂窩網絡的負擔,減少移動終端的電池消耗,增加比特速率。進一步地,D2D通信還能提高網絡基礎設施故障的魯棒性,支持新型的小范圍點對點數據服務。

圖2　D2D通信系統模型

2基于網絡編碼的D2D干擾消除算法

圖3給出了蜂窩網絡中D2D通信模型,考慮D2D用戶復用蜂窩上行鏈路資源,且保證在D2D復用蜂窩頻譜資源的同時蜂窩用戶能正常通信。圖3中,UE表示蜂窩用戶,D1和D2表示一對D2D通信用戶,eNB表示基站。D2D發送端D1向接收端D2發送信號的同時,由于傳輸使用的頻段是復用蜂窩用戶UE的上行鏈路頻譜,D2D通信必然會受到蜂窩用戶UE的干擾,而且基站eNB也會受到D2D發送端D1的干擾,嚴重影響了D2D通信和蜂窩通信的正常進行。

在蜂窩用戶UE發送信號X=[x1,x2…,xn]給基站的過程中,D2D用戶D1復用UE蜂窩上行鏈路頻譜資源發送D2D信號S=[s1,s2,…,sn],且信號X=[x1,x2…,xn]和S=[s1,s2,…,sn]分n個時隙完成發送。

圖3　蜂窩網絡中D2D通信模型

第i(1≤i≤n)個時隙,蜂窩用戶UE向基站發送蜂窩信號xi?？紤]到D2D通信復用蜂窩上行鏈路頻譜資源,D2D用戶D1和D2也能接收到蜂窩信號xi,基站eNB、D2D用戶D1和D2接收到符號

(1)

(2)

(3)

假定信道CHj,j∈1,2,3,4,5服從高斯衰落,信道衰落系數hj相互獨立,滿足E||hj|2|=1,且信道狀態信息在接收端已知。加性高斯白噪聲分別用zj(i)～CN(0,N0)表示,1≤i≤n,j∈1,2,3,4,5。

(4)

(5)

D2D接收端D2已知信道CH3的信道狀態信息,根據接收到的符號yUE_D2(i),在時隙i進行最大似然檢測,得到

(6)

(7)

(8)

此時,D2D接收端D2利用干擾重構消除蜂窩干擾信號,恢復出D2D信號。

基站eNB接收到兩個符號yUE_eNB(i)和yD1_eNB(i),采用最大似然多用戶檢測,得到

(9)

可見,D2D用戶復用蜂窩上行鏈路資源發送信號si(1≤i≤n),不會影響基站eNB對于蜂窩用戶信號xi的接收。

3性能分析

3.1系統可達速率

對于不進行干擾消除的D2D通信傳輸算法,D1處對蜂窩用戶UE的干擾信號不做處理。在第i個時隙,UE發送信號xi至eNB,接收信號為

(10)

同時,UE會將信號xi發送至D2,對D2D通信造成干擾,D2接收到的干擾信號為

(11)

D1發送信號si至D2進行D2D通信,D2接收到的信號為

(12)

D2D通信復用蜂窩上行鏈路頻譜資源,也會將si發送至基站eNB,對蜂窩通信造成干擾,干擾信號為

(13)

系統可達速率可表示為

(14)

式中,γi表示第i個信道的瞬時信噪比SNR,用γi=|hi|2/N表示,C(γi)表示第i個信道的信道容量,C(γi)=Blog2(1+γi)。S表示系統中傳輸一個信號需要的時隙數[11]。

由于所有傳輸都在同一頻段和同一時隙,所以不進行干擾消除的D2D通信傳輸的系統可達速率為

(15)

基于網絡編碼的干擾消除算法的D2D通信傳輸系統的可達速率為

(16)

采用C++語言對不進行干擾消除和基于網絡編碼的D2D干擾消除算法的系統可達速率進行仿真,結果如圖4所示。從圖4可以看出,基于網絡編碼的D2D干擾消除算法的系統可達速率明顯優于不進行干擾消除的D2D傳輸算法。

圖4　不同算法的系統可達速率

3.2中斷概率及系統吞吐量

假定信道上的瞬時信噪比SNR未知,而發送方以速率R發送信息。信道鏈路吞吐量定義為R(1-Pout),其中Pout表示中斷概率,那么系統吞吐量T定義為

(17)

式中,Pout1、Pout2是兩個接收端的中斷概率;S是系統傳輸占用的時隙。

對于不進行干擾消除的D2D通信傳輸,基站的中斷概率為

(18)

式中,α=2R-1。

同理,D2D接收端D2的中斷概率為

(19)

根據式(17),由于整個傳輸過程都在同頻同時隙進行,S=1,故不進行干擾消除的D2D通信傳輸的系統吞吐量為

(20)

采用基于網絡編碼的D2D干擾消除算法實現D2D通信,基站的中斷概率為

(21)

D2D接收端D2的中斷概率為

(22)

所以采用基于網絡編碼的D2D干擾消除算法,D2D通信達到的系統吞吐量為

(23)

圖5給出了兩種傳輸算法下系統吞吐量的仿真實驗結果。可以看出,當系統速率較低時,兩種傳輸算法的系統吞吐量相差不大,這是因為系統速率較低時,根據系統吞吐量的表達式,TD2D-NC和T相差并不大;當發送速率R逐漸增大,基于網絡編碼的D2D干擾消除算法的系統吞吐量TD2D-NC明顯高于不進行干擾消除的D2D傳輸算法的系統吞吐量T,且當R=4.5bits/symbol時,TD2D-NC達到最大。

圖5　不同算法的系統吞吐量

3.3符號錯誤概率

對基于網絡編碼的D2D干擾消除算法和不進行干擾消除的D2D傳輸算法的SEP性能進行仿真實驗,仿真過程采用性能最好的BPSK調制,其SEP性能如圖6所示。從SEP曲線可以看出,在低SNR條件下,即信道條件不太好時,兩種方案的SEP都很大;隨著SNR增大,即信道條件變好,這兩種傳輸算法的SEP都在減少,但基于網絡編碼的D2D干擾消除算法的SEP減少得更明顯。在高SNR條件下,基于網絡編碼的D2D干擾消除算法的SEP性能明顯優于不進行干擾消除的D2D傳輸算法。

圖6　不同傳輸算法的SEP

3.4與現有的干擾消除算法比較

首先考慮蜂窩網絡中采用基于功率控制的D2D干擾抑制算法,通過對蜂窩用戶UE和D2D發送端D1的發送功率進行控制,達到抑制蜂窩通信和D2D通信之間相互干擾的目的。圖7給出了基于功率控制的D2D干擾抑制模型,第i個時隙,基站eNB處接收到的信號為

(24)

D2D接收端D2處接收到的信號為

(25)

式中，μ1和μ2分別為蜂窩用戶UE以及D2D發送端D1的功率放大系數,控制UE和D1的發送功率;zPow_eNB(i)和zPow_D2(i)是加性高斯白噪聲,且zPow_eNB(i)～CN(0,N0),zPow_D2(i)～CN(0,N0)。

圖7　基于功率控制的D2D干擾抑制

根據式(24),容易得到基站eNB處的信干噪比

(26)

同理,可從式(25)中推導出D2D接收端D2處的信干噪比

(27)

前面已經假定信道CHj,j∈2,3,4,5服從高斯衰落,信道衰落系數hj相互獨立,滿足E||hj|2|=1,且信道狀態信息在接收端已知。若要保證蜂窩用戶UE的通信質量,基站eNB要能正確接收到蜂窩用戶UE在時隙i發送的信號xi,根據實際的物理信道模型,則基站eNB處的信干噪比必須滿足

這里γD是為了確?；緀NB正確接收到蜂窩信號所必需達到信干噪比的極限值。為此,通過對D2D發送端D1的功率放大系數μ2進行限制實現蜂窩信號的可靠傳輸,則D2D發送端D1的發射功率將受到限制。此時,D2D通信過程中D2D接收端D2獲得的吞吐量

(28)

當D1發射功率(即功率系數μ2)受限時,D2D接收端D2可獲得的系統吞吐量將進一步受到限制。也就是說,基于功率控制的D2D干擾抑制算法在限制D2D用戶發射功率的同時,也限制了D2D的通信速率,降低了D2D用戶的傳輸效率。

采用基于位置的資源調度算法,D2D用戶復用蜂窩上行鏈路頻譜資源過程中,選擇離D2D用戶比較遠的蜂窩用戶的上行頻譜資源進行D2D通信,盡可能確保蜂窩信號對D2D接收端D2以及D2D信號對基站eNB的干擾最小?；谖恢玫馁Y源調度模型如圖8所示,第i個時隙,基站eNB處接收到的信號為

(29)

D2D接收端D2處接收到的信號為

(30)

這里λ為路徑損耗指數,通常情況下路徑損耗指數取λ=4,zRes_eNB(i)～CN(0,N0)和zRes_D2(i)～CN(0,N0)為加性高斯白噪聲。

圖8　基于位置的資源調度算法

根據式(29)得到基站eNB處的信干噪比

(31)

同理,容易推導出D2D接收端D2處的信干噪比

(32)

若要保證蜂窩通信質量,基站eNB處的信干噪比同樣需要滿足

當蜂窩用戶UE與基站eNB的距離dUE_eNB一定時,必須通過限制D2D發送端D1到基站eNB的距離dD1_eNB來確保基站eNB正確接收到蜂窩用戶UE的信號xi?？紤]到路徑損耗Γ(d)=d-λ為遞減函數,則必須確保D2D發送端D1離基站eNB足夠遠,才能保證蜂窩用戶實現可靠的蜂窩通信。同樣地,為了保證D2D通信質量,在D2D發送端D1與接收端D2距離dD1_D2一定時,必須確保D2D接收端D2離蜂窩用戶UE的距離足夠遠,即dUE_D2足夠大時,才能避免D2D用戶復用蜂窩頻譜資源不會帶來干擾。

通過以上分析,可以看出基于功率控制的D2D干擾抑制算法為了確保蜂窩通信質量,必須對D2D用戶發射功率進行限制,同時也限制了D2D的通信速率,降低了D2D用戶的傳輸效率。若在蜂窩網絡中采用基于位置的資源調度算法,D2D用戶近距離復用蜂窩用戶頻譜資源,會造成蜂窩通信對D2D通信的干擾;D2D發送端D1離基站eNB距離較小時,D2D通信同樣會對蜂窩通信造成干擾。本文提出的基于網絡編碼的D2D干擾消除算法,與基于功率控制的干擾抑制算法相比,提出的算法不需要限制D2D用戶的發射功率,提高了D2D用戶的傳輸效率;與基于位置的資源調度算法不同,該算法當SNR條件越好,干擾消除效果越好,解決了D2D用戶近距離復用蜂窩用戶資源帶來的干擾問題。

4結論

鑒于D2D用戶復用蜂窩用戶資源進行通信時,會引起蜂窩通信與D2D通信之間的干擾,且現有的基于功率控制的干擾抑制算法和基于位置的資源調度策略存在局限性,本文給出一種蜂窩網絡中基于網絡編碼的D2D干擾消除算法,方便D2D用戶復用蜂窩用戶頻譜資源。對方案的系統可達速率、網絡吞吐量和SEP性能進行仿真實驗,結果表明,相比于不進行干擾消除的D2D傳輸算法,基于網絡編碼的D2D干擾消除算法能提高D2D系統可達速率和系統吞吐量,進一步減小了SEP。

參考文獻：

[1] Doppler K, Rinne M, Wijting C, et al. Device-to-device communication as an underlay to LTE-advanced networks[J].IEEECommunicationsMagazine, 2009, 47(12): 42-49.

[2] Seppala J, Koskela T, Chen T, et al. Network controlled device-to-device (D2D) and cluster multicast concept for LTE and LTE-A networks[C]∥Proc.oftheIEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC), 2011: 986-991.

[3] Wei L L, Hu R Q, Qian Y, et al. Enable device-to-device communications underlaying cellular networks: challenges and research aspects[J].IEEECommunicationsMagazine, 2014, 52(6): 90-96.

[4] Chai Y, Du Q, Ren P. Partial time-frequency resource allocation for device-to-device communications underlaying cellular networks[C]∥Proc.oftheIEEEInternationalConferenceonCommunications, 2013: 6055-6059.

[5] Yu C H, Tirkkonen O, Doppler K, et al. Power optimization of device-to-device communication underlaying cellular communication[C]∥Proc.oftheIEEEInternationalConferenceonCommunications, 2009: 1-5.

[6] Lee N, Lin X, Andrews J G, et al. Power control for D2D underlaid cellular networks: modeling, algorithms, and analysis[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications, 2015, 33(1): 1-13.

[7] Janis P, Yu C H, Doppler K, et al. Device-to-device communication underlaying cellular communications systems[J].InternationalJournalofCommunications,NetworkandSystemSciences, 2009, 2(3): 169-178.

[8] Min H, Lee J, Park S, et al. Capacity enhancement using an interference limited area for device-to-device uplink underlaying cellular networks[J].IEEETrans.onWirelessCommunications, 2011, 10(12): 3995-4000.

[9] Bao P, Yu G, Yin R. Novel frequency reusing scheme for interference mitigation in D2D uplink underlaying networks[C]∥Proc.ofthe9thInternationalWirelessCommunicationsandMobileComputingConference, 2013: 491-496.

[10] Li G Y. Research on cooperative relay technology based on network coding[D]. Beijing: School of Computer Science and Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications,2013.(李國友.基于網絡編碼的協作中繼技術研究[D].北京:北京郵電大學計算機學院,2013.)

[11] Thai C D T, Popovski P. Coordinated direct and relay transmission with interference cancellation in wireless systems[J].IEEECommunicationsLetters, 2011, 15(4): 416-418.

王靜(1982-),女,副教授,博士,主要研究方向為無線通信、網絡編碼。

E-mail:jingwang@chd.edu.cn

歐陽明生(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向為終端直通通信、網絡編碼。

E-mail:1184468797@qq.com

焦琴琴(1991-),女,碩士研究生,主要研究方向為無線通信。

E-mail:1193247467@qq.com

羅威(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為網絡編碼。

E-mail:382148357@qq.com

王新梅(1937-),男,教授,主要研究方向為信道編碼、信息理論。

E-mail:xmwang@xidian.edu.cn

Device-to-device interference elimination algorithm based on network coding

WANG Jing1, OUYANG Ming-sheng1, JIAO Qin-qin1, LUO Wei1, WANG Xin-mei2

(1.SchoolofInformationEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.StateKeyLab.ofIntegratedServiceNetworks,XidianUniversity,Xi’an710071,China)

Abstract:Considering that the device-to-device (D2D) communication can cause interference among D2D users, cellular users and the base station when sharing wireless resources with cellular network, a D2D interference elimination scheme based on network coding is proposed in this paper. Specifically, the D2D transmitter conducts the cellular interference signals and D2D signals by network coding, and after receiving the encoded signals, the D2D receiver eliminates the cellular interference signals by interferences reconstruction. Performance analysis and simulation results show that, on the premise that the D2D communication system can multiplex cellular user resources and improve the spectrum utilization, the scheme can improve the achievable rate and network throughput of the D2D communication system, and reduce the symbol error probability furthermore.

Keywords:device-to-device (D2D); interference elimination; network coding; spectrum utilization

收稿日期：2015-03-27；修回日期：2015-10-18；網絡優先出版日期：2015-11-23。

基金項目：國家自然科學基金 (61040005, 61271262)；陜西省自然科學基金 (2014JQ8300, 2015JM6307)；大學生創新創業訓練計劃 (201510710131); 長安大學中央高校基金 (2013G1241117) 資助課題

中圖分類號：TP 911.2

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.06.32

作者簡介：

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151123.1324.004.html