蜂窩網絡下異構多小區毫米波D2D通信模型研究

李卓爾 徐家品

摘 要：隨著微波頻譜波段的日益稀缺，毫米波波段通信因其有足夠的帶寬而受到廣泛關注，同時也被認為是第五代移動通信網絡的關鍵技術之一。與微波不同的是，毫米波適用于短距離通信，與D2D通信要求的通信場景非常契合。為了充分利用寬頻帶，并假設通信時無阻塞，提出一種短距離通信場景下無阻塞毫米波D2D通信模型。以隨機幾何作為理論工具，即基站、終端用戶的分布服從泊松分布，這樣更具有實際研究意義，推導出用閉合形式表達的通信系統模型覆蓋概率與面積頻譜效率并進行分析。仿真數值結果表明，與單獨使用微波的通信模型相比，毫米波通信模型在中斷概率、面積頻譜效率以及小區覆蓋率方面具有更好的性能。

關鍵詞：5G；D2D通信；毫米波技術；中斷概率；覆蓋率

DOI：10.11907/rjdk.173127

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）005-0191-04

Abstract：With the increasing scarcity of microwave spectral bands， millimeter-wave band communication has drawn extensive attention due to its sufficient bandwidth and is also considered as one of the key technologies of the fifth generation mobile communication network.Unlike microwaves， millimeter waves are suitable for short-range communications and are well suited to the communication scenarios required for D2D communications.In order to make full use of the wideband and assuming no congestion during communication， a millimeter-wave D2D communication model is proposed when there is no blockage in the short-distance communication scenario. Taking stochastic geometry as the theoretical tool， which meas， the distribution of base stations and end users follow the Poisson distribution， is of more practical significance. The coverage probability and area spectrum efficiency of the communication system model expressed in closed form are deduced and analyzed.The simulation results show that the millimeter-wave communication model has better performance in terms of outage probability， area spectrum efficiency and cell coverage compared with the communication model using microwave alone.

Key Words：5G； device-to-device communication； millimeter-wave technology； interrupt probability； coverage rate

0 引言

終端直通（D2D）通信是允許兩個相距較近的D2D用戶設備（UE）通過共享正常蜂窩用戶設備（CUE）的無線電頻譜資源，在鏈路上交換信息的一種技術[1]，它可以減少基站（BS）的業務負載，提高系統的頻譜效率，提高小區邊緣用戶設備的覆蓋范圍。因此，D2D通信已被視為5G的關鍵推動者。

5G的另一個關鍵技術是毫米波（mmWave）通信，毫米波指波長小于10mm的無線電波。毫米波技術中非常短的波長在移動終端中采用較大的天線陣成為可能，并且在這樣的高頻率下大量可用帶寬也使其成為解決頻譜稀缺問題的方案。利用定向天線或波束形成技術，毫米波中的無線電能量可以高度集中在用戶所期望的方向上，減少不同毫米波鏈路之間的干擾與能量浪費。 通信在毫米波波段上會比在微波波段中有更嚴重的路徑損耗，并且對固體材料和人體更敏感，因此通信距離較短，適用于短距離通信場景[2]。

D2D通信已經在資源分配[3]、中繼選擇[4]、能量效率[5]等方面產生了較多研究成果。D2D用戶設備（DUE）與BS或CUE之間的干擾抑制了系統頻譜效率。通過在DUE中運用毫米波和波束形成技術，可以減少干擾，并且可以進一步改善系統頻譜。在D2D通信情況下，毫米波波束窄的寬度，其天線高度與基站相比相對較低的特性，使得D2D毫米波通信路徑損耗較大，因此假定通信無阻塞的場景。本文提出一種毫米波D2D通信模型，無阻塞情況下在毫米波波段上工作，并且使用定向天線技術幫助毫米波波束的對準。利用空間泊松點過程對BS與DUE的位置進行分析，了解系統的干擾情況，并據此導出用閉合式表達的覆蓋概率與面積頻譜效率。仿真結果表明，該方法比傳統的微波D2D通信系統在中斷概率、面積頻譜效率以及小區覆蓋率方面具有更好的性能。

將毫米波與D2D通信技術單獨研究，毫米波作為高頻段傳輸，是非常適用于實現短距離傳輸的移動通信，對于系統的容載量以及傳輸速率方面都有大幅度提高。將D2D通信場景設想為規則的幾何形狀，這種情況是非常理想的。因此本文提出一種結合毫米波技術與D2D通信技術的新模型，通過優化頻譜資源，進一步提高通信性能。

1 系統模型與問題描述

D2D通信多小區模型如圖1所示。異構多小區通信模型中三角形是基站，黑色圓圈是毫米波的DUE，空心圓圈是微波的DUE， 其中BS、DUE的位置形成泊松點分布。DUE、CUE與BS三者可以在微波和毫米波波段上工作，而D2D鏈路工作時是復用其中的一個蜂窩通信下行鏈路信道。

假設有①BS和DUE的位置分別在密度為λB和λD的平面上形成隨機的泊松點分布，前者用φB表示，后者用φD表示，且模型中所有BS下行鏈路的恒定傳輸功率均用PB表示；②毫米波通信時，BS和DUE采用天線陣進行定向數據傳輸，發射機和接收機波束間的角度放大倍數為G（θ1，θr），最大值G（0，0）[6]，在微波波段，它們采用全向天線；③微波通信模型中，路徑損耗指數由α表示，并且所有鏈路經歷的瑞利衰落遵循E[H]=1的指數函數分布；④毫米波在通信路徑中傳播時，只考慮大尺度衰落[7]。⑤毫米波的天線設備尺寸小，可以在終端設備中大規模使用。 毫米波在發射機與接收機上使用大陣列以獲得足夠的信號放大倍數來滿足高數據速率通信。本文中定向波束形成被用于毫米波模式。 在所有DUE中天線規格是相同的，并假設收發天線的主波束在傳輸過程中完全對齊。

包含不同工作波段的D2D通信如圖2所示，模型中DUE可以使用微波和毫米波通信。在此模型下，設所有D2D鏈路都有相同的鏈路距離，進行分析追蹤。

在異構多小區通信模型中，①基站收集有通信的請求D2D用戶對之間的鏈路信道信息；②依據預設功率閾值進行判斷，選擇應該采用微波或者毫米波；③通知D2D用戶采用哪種波段進行通信。通信過程主要有如下4個步驟：

（1）基站發現存在想要與其小區中的另一用戶進行通信的用戶設備，并將該信息作為D2D鏈路建立請求廣播給兩個用戶。 因此，D2D用戶對接收請求并準備接下來的一個光束對準過程。這是在微波波段完成的。

（2）假設DUE A（發射機）、DUE B（接收機）在其毫米波天線設置中分別有AK個發射波束和Bn個接收波束。A將在一個周期內發送信道探測信號，B接收時記錄信號強度。在完成整個循環后，終端測試所有可能的組合。這是在毫米波波段完成的。

（3）B把收到的信號強度反饋給BS，BS將信息傳遞給A，存在兩個由B保存的接收功率強度決定的情況。如果B在某個接收機接收的毫米波功率大于最小功率閾值，基站將發送給A應該以毫米波與B溝通的信息；如果B的接收機沒有接收到足夠高于門限的功率，基站將通知A在微波波段與B通信。

（4）A開始用微波或者毫米波與B通信。無論是在微波還是毫米波頻段，D2D用戶對只有在向基站報告后才能開始以D2D模式通信。一旦D2D鏈路啟動，在會話超時或鏈路故障的情況下，它們需要再次向基站報告，且可能需要切換到蜂窩模式。

2 系統性能分析

本部分將推導微波通信、毫米波通信的有效覆蓋面積和單位面積的頻譜效率。

本文分析了2種D2D通信模式（即毫米波模式、微波模式）的覆蓋范圍與區域頻譜效率。

覆蓋概率可以定義為信號干擾噪聲比（SINR）的補充累積分布函數，表示為：

式（1）中T表示SINR門限，區域頻譜效率是所定義區域的通信空間中平均鏈路覆蓋率與頻率譜的比值[8-9]。因此，ASE即面積頻譜效率表示為：

2.1 微波D2D通信模型

由于DUE以overlay的方式復用了蜂窩用戶的下行通信鏈路時頻資源，這必然會導致干擾，此干擾來自基站以及其他D2D用戶的相互作用，表示為：

式（3）中μmicro表示微波通信系統模型中DUE的發射功率，α是大尺度鏈路損耗系數，hDD是小尺度模型中的瑞利衰落系數，IBD表示基站作用于D2D的干擾信號，IDD表示D2D用戶相互間的干擾信號，σ＼+2是加性高斯白噪聲。

小區覆蓋率表示[10]為：

2.2 毫米波D2D通信模型

D2D毫米波通信模型中的發射機天線采用一樣的波束形狀，并運用泊松點隨機過程。綜上所述，此模型信噪比為：

式（8）中F是一個與無線增益以及放大熱噪聲有關的調節因子[12]。把σ＼+2定義為熱噪聲的功率，μmm是用戶發射功率，rk是第一個基站到第k個基站之間的距離，g（r0）代表接受機端的放大系數。只有與其天線對準的波束才會被接收機接收，雖然減少了大部分干擾，但仍存在部分波束在接收機端發生交疊。由此得到毫米波D2D通信模型的通信覆蓋率：

在毫米波D2D通信模型中，UE不會受到CUE和BS的干擾影響，只有來自其它毫米波通信設備的干擾。其干擾用公式（10）表示：

3 仿真結果分析

使用Matlab進行仿真，來比較上述兩種D2D通信模式的性能，主要仿真參數設置如表1所示。

兩種D2D通信模型的中斷率比較如圖3所示，區域覆蓋率方面，毫米波D2D通信優于微波D2D通信模式，從圖中可以看出，通信鏈路越長，優勢越顯著。毫米波通信中添加了波束成形技術，受到的干擾比微波通信小。由前面部分的推導公式可以看出，在毫米波D2D通信模型中，由于設備的干擾很小，并有角度增益，這使得系統中來自其他用戶的干擾減少了很多。

兩種D2D通信模型中ASE與D2D距離的關系如圖4所示，這兩種模式相比較，毫米波D2D通信的區域面積頻譜效率（ASE）較優，且隨著通信鏈路長度的增加，其ASE減小變得遲緩。當通信鏈路距離增大時，微波D2D通信的ASE并不發生變化，這是由于微波通信中不存在阻礙物引起的通信中斷。

4 結語

D2D通信與毫米波技術作為兩種5G新興技術，有無限潛力等待被挖掘，它們能為傳統蜂窩通信用戶帶來便利。 以隨機幾何作為理論工具，即基站、終端用戶的分布服從泊松分布，這樣更具有實際研究意義，并對微波D2D通信與毫米波D2D通信的中斷率和覆蓋率進行分析，推導出其數學表達式，計算結果與最后實驗仿真均表明，在短距離通信場景中毫米波D2D通信模式較于微波D2D通信模式性能更優越，能給用戶帶來更好的體驗。

在未來，通信用戶數量肯定會增加，隨著頻譜資源愈來愈緊張，技術合作是一個必然趨勢，不可否認的是資源分配始終是一個熱點話題，如何在異構蜂窩網絡中找到用戶體驗和頻譜資源的最佳平衡是未來研究的方向。

參考文獻：

[1] 焦巖，高月紅，楊鴻文，等.D2D技術研究現狀及發展前景[J].電信工程技術與標準化，2014（6）：83-87.

[2] PI Z， KHAN. An introduction to millimeter-wave mobile broad- bandsystems [J].Communications Magazine IEEE，2011，49（6）：101-107.

[3] GAO Q， ZHAO R， CHEN W，et al. Radio resource management of D2D communication Communication[C]. IEEE International Conference on Communication，2015：6-10

[4] WEN S， ZHU X， LIN Y， et al.Achievable transmission capacity of relay-assisted device-to-device （D2D） communication Underlay Cellular Networks[C].Vehicular Technology Conference， 2013，14（2382）：1-5.

[5] MIAO G W， HIMAYA N ， LI GY，et al. Interference-aware energy-efficient power optimization[C].IEEE International Conference on Communications，2009，10（4）：1-5.

[6] ANDERSON C R，RAPPAPORT T S. In-building wideband partition loss measurements at 2.5 and 60 ghz[J]. Wireless Communications IEEE Transactions on，2004，3（3）：922-928.

[7] BAI T， VAZE R， HEATH R W. Analysis of blockage effects on urban cellular networks[J].Wireless Communications IEEE Transactions on， 2013，13（9）：5070-5083.

[8] WEBER S， ANDREWS J G， JINDAL N， The effect of fading， channel inversion， and threshold scheduling on ad hoc networks[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2007，53（11）：4127-4149.

[9] CHU X， WU Y， LOPEZ-PEREZ D，et al.On providing downlink services in collocated spectrum-sharing macro and femto networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications， 2012，10（12）：4306-4315.

[10] FENG H， WANG H， XU X H，et al. A tractable model for device-to-device communication underlaying multi-cell cellular networks[C]. IEEE International Conference on Communications Workshops， 2014：587-591.

[11] LEE C， HAENGGI M， Interference and outage in poisson cognitive networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2012，11（4）：1392-1401.

[12] BAI T Y， DESAI V， HEALTH R W.Millimeter wave cellular channel models for system evaluation[C]. International Conference on Computing Networking and communications.IEEE，2014：178-182.

（責任編輯：劉亭亭）