蜂窩網絡中全雙工D2D通信功率控制

趙季紅，何強，曲樺，欒智榮

（1.西安郵電大學通信與信息工程學院，陜西 西安 710061；2.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西 西安 710049）

研究與開發

蜂窩網絡中全雙工D2D通信功率控制

趙季紅1,2，何強1，曲樺2，欒智榮2

（1.西安郵電大學通信與信息工程學院，陜西 西安 710061；2.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西 西安 710049）

在蜂窩網絡中，采用全雙工傳輸的設備直通（D2D）通信可以共享蜂窩通信的信道資源，提升頻譜利用率和系統吞吐量。針對單對全雙工D2D用戶復用單個蜂窩用戶的上行信道資源時，用戶之間會產生同頻干擾的問題，提出了一種低復雜度的功率控制算法。該算法在保證全雙工D2D用戶和蜂窩用戶（CU）的服務質量（QoS）的前提下，最大化全雙工D2D鏈路的吞吐量。仿真結果表明，該算法能夠提高全雙工D2D鏈路的吞吐量；全雙工D2D鏈路吞吐量取決于蜂窩用戶的QoS要求、相對距離以及自干擾消除數量的限制。

設備直通通信；全雙工；功率控制

1 引言

隨著局域應用和智能終端的不斷涌現，近距離移動數據業務迅速增多，兩種作為未來5G無線網絡[1,2]中潛在的關鍵技術，即基于近距離傳輸的D2D（device-to-device，設備直通）通信技術[3]和無線全雙工（full-duplex，FD）傳輸技術[4,5]被廣泛討論和研究。D2D通信的特點是D2D用戶的發射功率較低，且用戶的數據信息不經過基站而直接在D2D終端之間傳輸。無線全雙工傳輸技術的特點是用戶可以在同一時間以相同的頻率進行接收和發射信號，用戶會接收到自身所發射的信號，業界稱之為自干擾信號。正是由于D2D的發射功率較低，有利于無線全雙工通信中自干擾信號的消除，因此可以將無線全雙工技術與D2D通信相結合，并且運用目前已提出的先進的自干擾消除（self-interference cancellation，SIC）技術[6,7]，能夠有效地提高系統容量和頻譜效率。

目前，關于基于傳統半雙工（half-duplex，HD）傳輸的D2D（HD-D2D）通信，國內外已有大量的研究，而基于FD傳輸的D2D（FD-D2D）通信也被業界迅速地關注，并且有大量的工作圍繞FD-D2D通信功率控制問題展開。參考文獻[8]探究了單對FD-D2D用戶復用單個蜂窩用戶 （cellular user，CU）的上行信道資源時，FD-D2D系統的遍歷和速率問題，通過設置最大干擾門限保證CU的最低QoS （quality of service，服務質量），而沒有處理CU對D2D用戶的干擾，因此不能保證 FD-D2D用戶的 QoS，更不能實現最大化FD-D2D系統的遍歷和速率。參考文獻[9]在單對FD-D2D用戶復用單個CU的下行信道資源的場景中，從FD-D2D鏈路的成功接入概率和CU的中斷概率出發，最大化系統的吞吐量，同樣沒有考慮如何通過功率控制來抑制用戶間的同頻干擾問題。參考文獻[10]在單對FD-D2D用戶復用單個CU的上行和下行信道資源的復用模式中，探究了殘留自干擾對FD-D2D通信的影響，在蜂窩鏈路上行期間采用了固定點迭代法求解CU和FD-D2D用戶的發射功率，使蜂窩鏈路和D2D鏈路功率之和最小，同時保證了FD-D2D用戶和CU的QoS。參考文獻 [11]考慮了在單個小區中僅有一對FD-D2D用戶復用多個CU的上行信道資源的情況，通過設置CU的干信比門限確定FD-D2D用戶的發射功率大小。與參考文獻[11]中的復用情況相反，參考文獻[12]考慮了單個小區中多對FD-D2D用戶復用單個CU的上行信道資源，其功率控制方案與參考文獻[11]類似，但是并沒有考慮FD-D2D鏈路之間的干擾。

綜上所述，除參考文獻[10]以外，針對FD-D2D在復用模式下的通信中，絕大多數是通過設置用戶的干擾閾值設定FD-D2D用戶設備的發射功率，此方法雖然簡單，但是不能同時保證FD-D2D用戶與被復用的CU的QoS，達不到通過復用模式盡可能提升系統容量的目的。因此，考慮在單個蜂窩小區場景下單個FD-D2D鏈路復用單個CU的上行鏈路信道資源，以提升FD-D2D鏈路的吞吐量為目標，通過分析目標函數在可行性限制區域內部和邊界上的特性，提出一種復雜度低、運算速度快的功率控制算法，可以應用于時變的場景中。仿真結果顯示，該算法在保證CU的QoS要求的同時，能夠提升FD-D2D鏈路的吞吐量。

2 系統模型

本文考慮的單個蜂窩小區的FD-D2D通信系統模型如圖1所示，有多個 FD-D2D對和多個CU，演進型基站（evolved node B，eNode B）和CU均采用HD傳輸模式。為了提高無線頻譜資源效率和減少由復用產生的干擾，單個CU的上行鏈路信道資源只能被一個D2D對用戶復用，同時單對FD-D2D用戶也只能復用一個CU的上行信道資源。而對于同一頻譜的資源，CU相較于FD-D2D用戶具有優先使用權。

圖1 單個蜂窩小區的FD-D2D通信系統模型

在實際情況下，CU的發射功率是固定不變的[13]，本文也設CU的發射功率固定不變。為了使網絡更加容易協調FD-D2D和CU通信，eNode B能夠有效地執行資源分配以滿足小區中通信節點的QoS要求，采用基站全控制機制[14]來管理FD-D2D通信，包括D2D發現、連接、功率控制和信道分配。最優功率控制的過程是基站測量接收到的FD-D2D用戶的干擾后，通過控制信道來協調FD-D2D設備的發射功率，以滿足CU的QoS要求，本文以用戶的信干噪比（signal to interference plus noise ratio，SINR）為QoS標準。

根據香農公式可以得到FD-D2D鏈路的吞吐量為：

Pi、Pc和γi分別表示Di設備的發射功率、CU的發射功率和自干擾消除因子，i∈{1，2}；g12表示 D2D對中兩個用戶之間的信道增益，gi表示 Di用戶與被復用CU之間的信道增益；σ2N表示高斯白噪聲的功率。

3 功率控制算法

3.1 問題描述

基于FD傳輸模式的D2D通信，通過復用CU的上行信道資源能夠有效提高資源復用增益和鏈路增益，進一步提高系統的頻譜效率和網絡吞吐量。當FD-D2D鏈路建立時，既要滿足最小的 SINR要求，又要保證對被復用的CU產生較小的干擾。因此，在同一時間相同的無線信道資源共同服務一個CU用戶和FD-D2D對用戶時，在保證CU用戶最小SINR要求和FD-D2D設備功耗的前提下，以最大化FD-D2D鏈路的吞吐量為目標，求解FD-D2D設備的最優發射功率，構建優化問題模型如下：

3.2 算法描述

對于第3.1節提出的優化問題，很難直接求得全局最優解。因此，下面將通過分析優化問題的目標函數、可行性限制區域邊界以及邊界拐點的特性，提出一種運算復雜度低的算法尋找問題的最優解。

FD-D2D設備發射功率限制區域由式（3）～式（6）決定，并假設分別由直線l1、l2和lc代表，并且，直線l1、l2和lc作為FD-D2D設備發射功率可行解的邊界，其位置在式（3）～式（6）取等的時候確定。此外，當自干擾消除系數γ1=γ2時，直線l1和l2的斜率的乘積為1。本文假設FD-D2D設備的自干擾消除數量相等，即自干擾消除系數γ1=γ2。如果直線 l1的斜率小于直線l2的斜率，這兩個約束沒有共同的可行解區域，原問題將無解。因此，要使原問題有解，直線l1的斜率必須大于直線l2的斜率，即：

此時，直線 l1和 l2的交點為：

定理1FD-D2D設備的最優發射功率對）至少有一個最優發射功率P*i位于可行區域 邊界上。

證明根據參考文獻[15]，在功率可行性區域內任意一個功率對（P1，P2），在該區域總存在另一個功率對（κP1，κP2）（κ＞1）滿足：

圖2 FD-D2D設備發射功率限制區域

定理2當時，R（P1）是關于P1的凸函數；同時，當時，R（P2）是關于P2的凸函數。證明過程與參考文獻[16]證明過程相似。

引理1

利用多項式分解理論，Q（P1）可進一步表示為：

對Q（P1）求一階導數：

綜上所述，Q（P1）是擬凸的，P1=1。

由定理1、定理2和引理1可得，式（2）～式（6）的最優發射功率（）位于可行區域 的拐點。

下面給出滿足圖 2中的 3種情況的不同限制區域下的FD-D2D設備的最優發射功率。

4 仿真分析

本文仿真只考慮單個小區場景，D2D對和CU均勻地分布在小區中。此外，主要的仿真參數設置見表1。為了比較所提算法的性能，仿真時將與HD-D2D鏈路的性能做比較。其中，HD-D2D設備的發射功率為在滿足被復用的CU的SINR要求時的最大發射功率。

表1 仿真參數設置

圖3比較了兩種FD-D2D功率控制算法的性能，并與HD-D2D鏈路的吞吐量做比較，設置CU和FD-D2D用戶的最小SINR要求分別為12 dB和8 dB，自干擾消除數量為120 dB。根據圖3提供的仿真參數信息并追蹤仿真過程，可發現本仿真場景對應的功率限制區域是第三類中的直線所圈定的限制區域。首先，可以發現對于不同的功率控制算法，D2D鏈路的吞吐量隨著D2D用戶之間的距離增加而逐漸降低。因為隨著距離增加，D2D用戶之間的增益減小，為了滿足D2D用戶的SINR要求，就必須提高發射功率，這樣就導致對復用的CU產生了更大的干擾。其次，由于所提算法總是最優功率控制，因此所提算法的性能優于參考文獻[11]的功率控制算法。最后，當自干擾消除為120 dB時，殘留自干擾信號的功率相對較小，采用FD傳輸模式的D2D鏈路的吞吐量均優于HD-D2D鏈路的吞吐量。

圖3 FD/HD-D2D鏈路吞吐量與D2D用戶間距離的關系

不同的SIC數量對FD-D2D鏈路吞吐量的影響如圖4所示，其中CU和FD-D2D用戶的最小SINR要求分別為12 dB和8 dB。與圖4的仿真場景對應的功率限制區域和圖3對應的功率限制區域一樣。隨著 SIC數量增大，FD-D2D鏈路的吞吐量也增大，并且逐漸接近于殘留自干擾信號的功率時對應的吞吐量，這是由于自干擾消除越多，殘留自干擾信號也就越小，因此得到的FD-D2D用戶的SINR就越大。然而，當SIC數量僅為105 dB且D2D對中兩個用戶之間的距離大于34 m時，FD-D2D鏈路的吞吐量反而低于HD-D2D鏈路的吞吐量。可見當殘留自干擾信號的功率時，SIC數量對FD-D2D鏈路的吞吐量有很大的影響。

圖4 不同SIC數量與FD-D2D鏈路吞吐量的關系

當D2D對中兩個用戶之間的距離為20 m且D2D用戶的最小SINR要求為8 dB時，FD/HD-D2D鏈路的吞吐量與CU的最低SINR要求的變化關系如圖5所示。追蹤仿真過程可發現，隨著CU的最低SINR由8 dB逐漸遞增至15 dB，圖5對應的仿真場景的功率可行性限制區域屬于第3類，其變化過程是由直線逐漸向左下方平移，經歷直線和所圈定的功率限制區域。由圖5所示，基于兩種雙工傳輸模式的D2D所實現的鏈路吞吐量均隨著被復用的CU的最低SINR要求增大而降低。由式 （5）可知，當CU的發射功率固定不變時，隨著CU的最低SINR要求增大，D2D用戶的發射功率的最大值被限制得越多，D2D用戶可實現的SINR就越低，最終導致D2D鏈路的吞吐量降低。然而，當CU的最低SINR小于10 dB時，式（5）對應直線的位置為圖 2（c）中的直線的位置，此位置不會限制D2D用戶的發射功率，此時FD-D2D鏈路的吞吐量與CU的最低SINR無關，因此FD-D2D鏈路的吞吐量并不隨著CU的最低SINR增大而降低。

圖5 FD/HD-D2D鏈路吞吐量隨CU最低SINR要求變化的關系

5 結束語

本文考慮在單個蜂窩小區中單對 FD-D2D用戶復用單個CU的上行信道資源的情況，在同時保證D2D用戶和被復用 CU的SINR要求的前提下，提出了一種協調同頻干擾的功率控制算法以最大化 FD-D2D鏈路的吞吐量，應用該算法時可針對相應的功率限制區域場景直接使用算法的結論。經過仿真分析發現，在同時滿足FD-D2D用戶和CU的SINR要求時，該算法能夠提高FD-D2D鏈路的吞吐量；另外，在 FD-D2D復用CU的信道資源情況下，FD-D2D用戶間距離、CU的最低SINR要求和 SIC數量都是限制 FD-D2D鏈路吞吐量的主要因素。

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Power control for full-duplex D2D communications underlaying cellular networks

ZHAO Jihong1,2,HE Qiang1,QU Hua2,LUAN Zhirong2
1.School of Telecommunication and Information Engineering, Xi’an University of Posts&Telecommunications,Xi’an 710061,China
2.School of Electronic and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China

Device-to-device(D2D)communications that based on the wireless full-dup lex transmission mode can not only reuse the cellular users’spectrum resource,but also significantly improve the spectral efficiency and the system throughout in wireless cellular networks.However,full-duplex D2D communications may generate same frequency interference to the reused cellular user(CU)while full-dup lex D2D users share the same resources as CU in uplink.A low-complexity power control algorithm was proposed to maximize the full-duplex D2D links throughput while guaranteeing the quality ofservice(QoS)requirements for full-duplex D2D users and CU.Numerical results show that the proposed algorithm can improve the full-duplex D2D links throughput.Moreover,the performance of full-duplex D2D communications depend on the QoS requirements of CU,the distance of D2D pair and self-interference cancelation amounts.

D2D communication,full-duplex,power control

TN929

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017056

趙季紅（1963-），女，博士，西安郵電大學教授，西安交通大學教授、博士生導師，主要研究方向為寬帶通信網、新一代網絡的管理與控制、5G網絡等。

何強（1990-），男，西安郵電大學碩士生，主要研究方向為全雙工自干擾消除和全雙工D2D功率控制。

曲樺（1961-），男，博士，西安交通大學教授、博士生導師，主要研究方向為現代通信網、計算機網絡體系結構、移動互聯網、智慧城市等。

欒智榮（1988-），男，西安交通大學博士生，主要研究方向為新一代天線網絡體系架構、無線異構網絡的無線資源管理技術、密集部署小區網絡無線資源管理等。

2016-09-20；

2017-02-23

國家自然科學基金資助項目（No.61372092，No.61531013）；國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2014AA01A706）

Foundation Item s：The National Natural Science Foundation of China (No.61372092,No.61531013),The National High Technology Research and Development Program(863 Program)(No.2014AA01A706)