蜂窩系統中D2D通信的調制傳輸與干擾仿真研究

張 梅

（陽泉師范高等專科學校信息技術系 山西陽泉 045000）

終端直通技術（Device?to?Device，D2D）是一種讓兩個D2D用戶端之間直接進行短距離的信息傳輸的技術，用戶端之間可以復用小區的頻譜資源，無需通過基站，利用復用的頻譜資源進行通信[2]。D2D 技術有很多的優點如：減小終端的發射功率；降低通信傳輸的時延；提高頻譜資源的利用率[2]。此外，D2D 通信的成本不高，還能在一定程度上節約能源，因此它在眾多技術中也有比較獨特的優勢[3]。在蜂窩系統中，由于D2D用戶與蜂窩用戶共享了無線資源，他們之間會產生干擾，D2D用戶之間也會因為復用了同樣的頻譜資源而導致D2D通信對之間也會產生同頻干擾[4]。對這些干擾的分析與如何降低干擾顯得尤為重要[5]。例如，D2D通信在工作時因為復用了小區用戶的頻譜資源，會給小區帶來干擾。此時又分為復用上行鏈路資源和下行鏈路資源兩種情況[6]。上行鏈路資源干擾，即基站受到干擾，解決的辦法是基站通過控制D2D通信的發送功率或者選擇合適的資源給D2D通信而不影響自身通信，來達到降低干擾的目的[7]。下行鏈路資源干擾，是處在系統中的下行鏈路的小區內的任何用戶都有可能受到其中的干擾[8]。為了對干擾進行控制，降低干擾對系統的性能的影響。本文實現蜂窩系統移動終端之間通信的調制傳輸，對調制方式，傳輸中產生的干擾進行分析以及對于如何降低干擾進行分析。利用MATLAB建立對信號的QPSK調制和傳輸，對仿真結果進行分析，并對降低干擾的方法進行探究，為蜂窩系統中D2D通信的調制傳輸的調節干擾技術提供理論參考。

一、相關理論概述

（一）D2D通信模型。如圖1所示，為一個簡化的D2D通信模型。首先，隨機產生一個基帶信號作為信源。然后進行一系列處理以提高信息的傳輸穩定性和抗干擾性[9]。其中，信源編碼：通過消除冗余，控制碼長對信源進行符號變換，用最少的比特數表示數據，來降低存儲空間、傳輸時間或帶寬的占用，提高數據的抗干擾能力，同時保證譯碼之后信號能無失真的進行還原。信道編碼：通過增加冗余等手段對信源碼進行編碼。目的是提高數據傳輸效率，降低誤碼率。擴頻：使用與被傳輸數據無關的碼對傳輸信號進行頻譜擴展，使得傳輸帶寬遠大于被傳輸數據所需的最小帶寬，利用寬頻譜獲得較強的抗干擾能力和較高的傳輸速率[9]。調制：將信號注入載波，以此信號對載波加以調制，將各種數字基帶信號轉換成適于信道傳輸的信號和實現信道的多路復用。本文主要使用QPSK調制。通過上述的一系列處理，信號才能進行更加有效和可靠的傳輸。

圖1 D2D通信的簡化模型示意圖

（二）QPSK的調制。

1.前處理過程。在選定一個信源之后，便開始對這個模擬信號進行取樣，取定抽樣頻率，此時抽樣頻率fs需要滿足：

模擬信號抽樣之后成為在時間上的離散信號，但是它仍然是模擬信號，必須將它量化成為數字信號才能進行傳播。在抽樣之后抽樣值仍然是取值連續的變量，可以在一個周期內將抽樣值分成M個區間，每個區間用一個量化電平來表示。在時間A和B（假設A,B之間為一個周期）之間對模擬信號進行取值，量化電平數設置為M，則均勻量化的間隔時間T為

量化出的電平和量化前信號的抽樣值一般是不相同的，其中產生的誤差就成為量化噪聲，用信噪比來衡量誤差的大小，量化的電平越多，取樣越密集，量化噪聲也就越小，而信噪比就會相應的越高[8]。

式中，C為信道容量，bit/s；B是信號的頻帶寬度，Hz；S為信號平均功率，W；N為噪聲平均功率，W。

2.QPSK 的調制過程。QPSK 正交調制器原理圖如圖2 所示，輸入端傳輸的比特數為1000，圖2中a和b分別為電平發生器產生的雙極性二電平信號I(t)和Q(t)，兩條路分別為同相支路和正交支路，圖2中ωc為載波頻率，在仿真中暫時設置它的大小為10Hz。

圖2 QPSK正交調制器原理框圖

調制器輸入的是二進制的數據，為了能讓它和四進制的載波相位配合起來，需要把二進制序列中每兩個比特分成一組，組成00，01,11,10四種組合，每一組稱為雙比特碼元。然后將信號分成兩路序列，電平發生器分別產生雙極性二電平信號I(t)和Q(t)，對余弦和正弦載波進行調制，相加后得到QPSK調制信號。

調制解調器的原理圖如圖3所示，調制后的信號經過信道傳輸到達接收端，此時需要對輸出端的信號進行解調，首先把QPSK 信號通過功率的分離形成兩路相同的信號，接著用兩個載波信號和來實現相干解調，然后通過一個低通濾波器進行濾波，之后再經過抽樣判決，最后通過并串變換，最后得到解調信號。

圖3 QPSK解調原理框圖

二、性能測試指標

（一）高斯信道。功率譜密度固定為一個常數的噪聲通常稱為白噪聲。若白噪聲的取值服從高斯分布，稱為高斯白噪聲。加性高斯白噪聲的均值為0，方差為N。高斯信道是在加性高斯白噪聲作用下的一種單符號連續信道[9]。在本次MATLAB仿真中，本文選擇用高斯信道來傳播信號。

（二）誤碼率。在信道中，信號在傳輸過程中因為噪聲或干擾,發送信號在接收端會產生很多錯誤，使得用戶接收到的信號與發射端的信號有很多誤差,可以對誤碼率(Symbol error rate，BER)進行計算，誤碼率可以用來衡量一個系統的性能好壞[10]。

式中，P1為錯誤碼元數；P2為總碼元數。將發送端和輸出端的序列進行比較，找出其中的錯誤碼元，具體的比較方法是把前后序列的相同的部分表示為0，不同的用1 來表示然后計算得出錯誤的碼元數，按照誤碼率的計算公式得到誤碼率。

三、結果分析

（一）參數設置。首先對調制傳輸中的一些仿真的環境值進行設置，其中主要包括了對信噪比（10dB），傳輸的比特數（10Hz）和載波頻率（1000）三個主要部分，通過MATLAB對信號參數在高斯信道中的QPSK調制傳輸進行了仿真，部分偽代碼如表1所示。

表1 QPSK傳輸過程中部分程序代碼

（二）高斯信道下QPSK調制傳輸的仿真結果。如圖4（a）所示，當高斯信道的信噪比為10dB時，收到的解調之后的信號的比特數據波形和輸入信號的波形完全符合，驗證了在高信噪比條件下的無差錯傳輸效果。在圖4（b）中，可以明顯看到，在加入噪聲之后對發送的信號產生了一定的干擾，但是最后都能正確的解碼輸出。如圖4（c）所示，為信噪比在10dB時，QPSK信號在接收端的星座圖。從圖4可以看到，在高信噪比條件下，信號基本聚集在理論標準值周圍，不會對最后判決造成很大的干擾。驗證了在信噪比高的時，信號在高斯白噪聲下，接收到的信號與發射信號在星座圖上的位置相差不大，此時的干擾影響很小。

圖4 高斯信道下QPSK調制傳輸的仿真結果

（三）功率各距離對系統性能的影響。

1.功率控制對系統性能的影響。對于采用了復用頻率模式進行通信的D2D用戶來說，它們和其復用資源的蜂窩用戶之間是會產生干擾的。可以猜想，在對功率進行控制和不對功率進行控制的兩種情況下，D2D用戶和蜂窩系統之間的干擾會不同。通過查閱資料，可以知，當控制D2D用戶發射功率時，蜂窩系統的吞吐量會變大，性能也會得到提高，而D2D用戶本身的吞吐量性能則會受到限制[11]。此時，可以試想：通過限制D2D通信的發射功率，可以使蜂窩用戶的吞吐量性能更好，減少很多不必要的干擾。

2.距離對D2D 用戶與蜂窩系統通信性能的影響。通過一些科學的研究成果發現，D2D用戶之間的距離與D2D用戶和基站的距離也會影響到系統吞吐量[12]，在D2D用戶之間的距離以及D2D用戶和基站之間的距離處于一個合適的值的時候，系統的干擾會最大限度的降低，性能也會變得很好。

四、結語

隨著移動通信的需求會呈現爆炸性的增長，為了讓D2D通信更好發揮它的作用，對D2D通信產生的干擾進行分析和抑制就顯得尤其重要。通過對D2D通信系統中的QPSK調制部分進行仿真，首先在理論上對D2D通信的簡要模型進行了描述，然后通過MATLAB程序設計，對QPSK調制部分進行了仿真。結果表明，在對D2D用戶的發射功率進行控制時，D2D用戶本身的吞吐量性能受到限制，而蜂窩系統吞吐量則會變大，D2D 通信用戶對蜂窩系統的干擾會變小。因此，通過限制D2D通信的發射功率，可以使蜂窩用戶的吞吐量性能更好，減少很多不必要的干擾。同時，針對D2D用戶之間的距離以及D2D用戶和基站的距離，選擇一個合適的值，能夠降低系統的干擾。