基于用戶(hù)分組的D2D通信資源分配方案

員陳軍, 王曉湘, 王冬宇

（北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876）

0 引言

下一代寬帶蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中以基站為中心的通信方式存在局限性,系統(tǒng)仍存在覆蓋和容量等方面的問(wèn)題。研究表明D2D通信技術(shù)在節(jié)省資源、減小干擾和提升傳輸效率等多方面有巨大優(yōu)勢(shì)。因此D2D通信技術(shù)成為近幾年業(yè)界研究的熱點(diǎn)[1-3]。OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）的接入模式作為一種高速數(shù)據(jù)接入的模式,被LTE系統(tǒng)所采用。因此,假設(shè)該混合網(wǎng)絡(luò)中的UE,包括蜂窩模式和D2D模式,均采用相同參數(shù)的OFDMA接入方式,以便于資源的充分利用[4-5]。在參考文獻(xiàn)[6]中,采取將特定的資源分配給D2D通信的方式。用分配特定資源方式來(lái)代替與蜂窩通信共享資源方式的優(yōu)點(diǎn)是:D2D通信不會(huì)干擾蜂窩通信,反過(guò)來(lái)蜂窩通信也不會(huì)干擾D2D通信,所得結(jié)果是系統(tǒng)變得更簡(jiǎn)單了。但是這種方案的負(fù)面影響是:蜂窩通信會(huì)話期間的效率并沒(méi)有增加,蜂窩鏈路的通信時(shí)隙仍只被一條蜂窩鏈路所占用。在參考文獻(xiàn)[7]中,D2D通信共享蜂窩鏈路的頻譜。在這種情況下,D2D鏈路會(huì)擾亂正常的蜂窩通信,同時(shí)蜂窩通信也將會(huì)對(duì)處于接收狀態(tài)的D2D節(jié)點(diǎn)造成干擾,特別是當(dāng)BS發(fā)送信號(hào)給靠近小區(qū)邊緣的節(jié)點(diǎn),同時(shí)D2D接收機(jī)又位于靠近BS的位置時(shí)。它的優(yōu)點(diǎn)是可為D2D通信提供更多的可用帶寬,是頻譜利用率得到大幅度的增加。

D2D用戶(hù)復(fù)用蜂窩小區(qū)用戶(hù)資源時(shí),可以利用功率控制來(lái)減少用戶(hù)組間的干擾。然而,隨著小區(qū)頻率復(fù)用因子越來(lái)越高,相同頻帶的相鄰用戶(hù)組之間的干擾就越來(lái)越嚴(yán)重,甚至?xí)?dǎo)致小區(qū)性能的嚴(yán)重衰減。因此需要對(duì)相鄰用戶(hù)組間進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)。

若D2D通信分配到正交的信道資源時(shí),它不會(huì)對(duì)原來(lái)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的通信造成影響。若D2D通信被分配到非正交的信道資源時(shí),D2D通信將會(huì)對(duì)蜂窩鏈路中的接收端造成干擾。所以,在通信負(fù)載較小的網(wǎng)絡(luò)中,可以為D2D通信分配多余的正交的資源,這樣顯然可以取得更好的網(wǎng)絡(luò)總體性能。但是,由于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的資源有限,考慮到通信業(yè)務(wù)對(duì)頻率帶寬的要求越來(lái)越高,而采用非正交資源共享的方式可以使網(wǎng)絡(luò)有更高的資源利用效率。這也是在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用D2D通信的主要目的。

文中在D2D用戶(hù)組與小區(qū)用戶(hù)組之間,利用用戶(hù)組間協(xié)調(diào)資源分配方案能夠有效的減少用戶(hù)組間的干擾IUI。在參考文獻(xiàn)[8-9]中,介紹了3種資源分配方案:

非正交共享模式（NOS）:D2D用戶(hù)和小區(qū)用戶(hù)復(fù)用相同的資源,彼此之間會(huì)產(chǎn)生干擾,可以通過(guò)基站對(duì)兩條鏈路進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)。

正交共享模式（OS）:D2D通信被分到一部分特定的小區(qū)資源,剩下的小區(qū)資源分配給普通的小區(qū)用戶(hù),因此小區(qū)用戶(hù)通信和D2D通信之間不存在干擾。分配給小區(qū)用戶(hù)通信和D2D用戶(hù)通信的資源需要進(jìn)進(jìn)行一步優(yōu)化。

蜂窩小區(qū)模式（CM）:D2D用戶(hù)之間通過(guò)基站彼此進(jìn)行通信,基站被看做是中繼節(jié)點(diǎn)。分配給每一個(gè)用戶(hù)的資源需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。注意:這種模式的D2D通信在概念上與傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)通信是相同的。

文中提出一種解決D2D用戶(hù)組間干擾問(wèn)題的新方案,這種方案能夠使D2D用戶(hù)組在不同的情況下對(duì)NOS和OS這兩種共享方案進(jìn)行結(jié)合。首先,在地理位置上相鄰的小區(qū)邊緣D2D用戶(hù)被分成一個(gè)組,稱(chēng)它為D2D用戶(hù)組（DG）,給這個(gè)DG分配小區(qū)部分正交資源,未分配的資源分配給蜂窩小區(qū)用戶(hù),稱(chēng)它為小區(qū)用戶(hù)組（CG）。因此,當(dāng)DG處于輕負(fù)載工作時(shí),D2D用戶(hù)利用預(yù)先分配的部分正交資源通信,提出的方案能夠有效的避免用戶(hù)組間的干擾;隨著DG鏈路負(fù)載的增加,預(yù)先分配的部分正交資源不能滿(mǎn)足DG現(xiàn)有的通信時(shí),即DG處于滿(mǎn)鏈路負(fù)載狀態(tài),DG采用用戶(hù)組間協(xié)商的方式復(fù)用CG的頻率資源,以避免小區(qū)的阻塞率,使更多的用戶(hù)得到小區(qū)服務(wù)。因此,該方案能夠根據(jù)鏈路負(fù)載的大小進(jìn)行自適應(yīng),有效地降低用戶(hù)組間的干擾,提高小區(qū)吞吐量,降低小區(qū)阻塞率。

1 系統(tǒng)模型

在多用戶(hù)組的OFDMA系統(tǒng)中,D2D共享蜂窩小區(qū)的采用下行信道資源。小區(qū)邊緣地區(qū),地理位置相鄰較近的用戶(hù)采用D2D方式實(shí)現(xiàn)通信。小區(qū)邊緣D2D通信模式的用戶(hù)分組如圖1所示。把 N個(gè)子載波中的一個(gè)子載波稱(chēng)為頻域的基本資源單位。采用AMC來(lái)滿(mǎn)足不同傳輸數(shù)據(jù)的速率要求,相同信道的所有子載波采用相同的MCS等級(jí)。假設(shè)D2D用戶(hù)的數(shù)據(jù)服務(wù)采用排隊(duì)的方式,那么對(duì)D2D用戶(hù)的資源分配在時(shí)域表現(xiàn)為用戶(hù)到用戶(hù)的循環(huán)使用。

圖1 小區(qū)邊緣D2D通信用戶(hù)分組模型

2 提出的資源分配方案

考慮到OS和NOS現(xiàn)有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),針對(duì)DG提出了一種新奇

的資源分配方案。該方案分為兩步:第一步,小區(qū)用戶(hù)分組;第二步,分配子載波序列。第一步定義資源分配的基本單元,第二步定義為DG分配的子載波序列。

2.1 小區(qū)用戶(hù)分組

在OFDMA系統(tǒng)中,小區(qū)邊緣的D2D用戶(hù)進(jìn)行通信,發(fā)起會(huì)話過(guò)程的細(xì)節(jié)如圖2所示。

假設(shè)用戶(hù)k需要對(duì)用戶(hù)j發(fā)起D2D會(huì)話,那么用戶(hù)k首先需要給它的服務(wù)基站發(fā)送會(huì)話發(fā)起請(qǐng)求信息。一旦服務(wù)基站收到該請(qǐng)求信息,它要求用戶(hù) k和用戶(hù)j返回D2D通信的可行性分析和可利用資源的測(cè)量結(jié)果。然后,用戶(hù)k和用戶(hù)j返回基站要求的測(cè)量結(jié)果,基站根據(jù)用戶(hù)返回的信息估計(jì)D2D通信在對(duì)應(yīng)頻率資源中的傳輸速率。如果基站判斷用戶(hù)k和用戶(hù)j之間的D2D通信比傳統(tǒng)的基站作為中繼的通信方式能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,那么在用戶(hù)k和用戶(hù)j之間建立新的D2D通信會(huì)話。用戶(hù)k和用戶(hù)j稱(chēng)為一對(duì)D2D用戶(hù)對(duì),地理位置相鄰的D2D用戶(hù)對(duì)被分在一組,組成DG。

圖2 D2D發(fā)起過(guò)程

2.2 分配子載波序列

DG子信道的獲得分為兩步:OBTAIN OS和OBTAIN NOS。

OBTAIN OS:起初,小區(qū)資源的全部子信道被分為兩部分子信道序列集,分別記作F1和F2:

其中 fi為第i條子信道（i=1,2,…,M）,M為小區(qū)資源子信道總數(shù)目,N為DG擁有的子信道數(shù)目,即F1的信道資源被分配給DG,CG只允許接入F2進(jìn)行通信。如圖1所以,DG預(yù)先分配的子信道并不與CG分配的子信道重疊。當(dāng)DG處于輕鏈路負(fù)載時(shí),DG中的用戶(hù)能夠以設(shè)備允許的最大傳輸速率和MCS等級(jí)直接接入F1進(jìn)行通信,DG并不會(huì)對(duì)C產(chǎn)生干擾。

OBTAIN NOS:當(dāng)處于過(guò)鏈路負(fù)載狀態(tài)的DG用完小區(qū)資源分配初始階段預(yù)先分配的子信道資源時(shí),仍有部分DG中用戶(hù)需要通信。這時(shí),DG將對(duì)CG發(fā)起子信道資源的借用請(qǐng)求信息,借用請(qǐng)求信息中包含DG中用戶(hù)與任意DG中其他用戶(hù)進(jìn)行D2D通信時(shí)的最小傳輸功率P。

如果CG中有空閑的子信道資源,那么CG直接返回ACK,宣布可以借用子信道資源。然后,基站分配CG中的空閑子信道資源給DG。DG以接入F1時(shí)一樣的功率和MCS等級(jí)接入該子信道。如果CG沒(méi)有空閑的子信道資源,那么CG返回NACK,如圖3所示。

如果CG并沒(méi)有空閑的子信道資源,基站將會(huì)隨機(jī)的選擇F2中的子信道i給DG中的用戶(hù)進(jìn)行通信。這時(shí)CG中正在使用子信道i進(jìn)行通信的用戶(hù)i將會(huì)得到一個(gè)新的SINR:

PLi和SLi分別表示用戶(hù)i和其服務(wù)基站之間的路徑損耗和陰影損耗,SNRi為分配給用戶(hù)i的子信道的信噪比,P為DG中D2D用戶(hù)與其它用戶(hù)通信時(shí)所需的最小發(fā)送功率,PL0為用戶(hù)i與DG間的路徑損耗。因此,DG對(duì)子信道i產(chǎn)生的干擾為（P-PL0）。

用戶(hù)i利用接收到的信息估計(jì)受到DG干擾時(shí)的SINR,進(jìn)而決定能否用更低的MCS等級(jí)來(lái)維持當(dāng)前服務(wù)。若低MCS等級(jí)不能滿(mǎn)足當(dāng)前服務(wù)的要求,則返回NACK拒絕接入請(qǐng)求,基站將重新選擇、計(jì)算和決定其它子信道為DG服務(wù);否則,CG返回ACK聲明協(xié)調(diào)成功,基站為DG分配子信道 i,如圖4所示。

因此,可以根據(jù)鏈路負(fù)載動(dòng)態(tài)地進(jìn)行資源分配的調(diào)節(jié),從而最大化頻譜利用率。盡管共享非正交資源不如共享正交資源那樣能夠給小區(qū)帶來(lái)更多的吞吐量,但是共享非正交資源能夠有效的降低阻塞率。DG中,一部分通信用戶(hù)接入正交資源,另一部分通信接入非正交資源,這種資源分配方案能夠在小區(qū)吞吐量和小區(qū)阻塞率之間得到一種折中。

圖3 簡(jiǎn)單的借用過(guò)程

圖4 子信道的分配、重選過(guò)程

3 仿真結(jié)果分析

首先給出系統(tǒng)仿真的參數(shù),主要的仿真參數(shù)如表1所示,并對(duì)前面提出的新的資源分配方案進(jìn)行仿真。仿真場(chǎng)景如下:仿真取單個(gè)蜂窩用戶(hù),給定蜂窩用戶(hù)的空間位置以及發(fā)送功率等相關(guān)參數(shù)。在不同地理位置上放置單個(gè)D2D用戶(hù),DG的傳統(tǒng)資源共享模式是NOS,根據(jù)地理位置分布情況將用戶(hù)分為CG和DG用戶(hù),位于整個(gè)小區(qū)覆蓋區(qū)域外圍1/20范圍的用戶(hù)定義為小區(qū)邊緣DG用戶(hù),其他用戶(hù)定義為CG用戶(hù)。假設(shè)用戶(hù)均勻分布在整個(gè)區(qū)域,分配1/40的子信道資源給DG用戶(hù)。每個(gè)活躍用戶(hù)只允許分配一個(gè)子信道,因此,用活躍用戶(hù)的數(shù)量除以所有子信道的數(shù)量,即可很容易的得到DG鏈路負(fù)載比例。分配子信道時(shí),在所有可用子信道中隨機(jī)選擇一個(gè)進(jìn)行分配,同時(shí),在組水平的資源分配中引入輪流調(diào)度的方式進(jìn)行用戶(hù)的調(diào)度。

表1 仿真參數(shù)

圖5 不同SIN R下累積相對(duì)頻率變化的規(guī)律

圖6 不同DG鏈路負(fù)載情況下用戶(hù)阻塞率變化的規(guī)律

仿真結(jié)果如下:文中提出的方案所得出用戶(hù)的SINRs與累計(jì)相對(duì)頻率的關(guān)系如圖5中所示。所有用戶(hù)的SINR均分布在-15.8dB和25.3dB之間。由于LTE系統(tǒng)中的編碼調(diào)制方案不支持SINR低于-10dB的用戶(hù)通信過(guò)程[10],因此在傳統(tǒng)共享模式的資源分配方案中,將有20%的用戶(hù)不能正常通信。然而,在提出的資源分配方案中,用戶(hù)的最低SINR為-9.1dB,所有用戶(hù)均可以與其它用戶(hù)正常通信。另外,相比傳統(tǒng)共享模式的資源分配方案,文中提出的方案中,所有用戶(hù)的SINR平均提高8dB,提高了小區(qū)的整體性能。

圖6展示了在文中提出的方案和傳統(tǒng)方案中,小區(qū)用戶(hù)阻塞率隨著DG鏈路負(fù)載增加的變化關(guān)系。隨著DG鏈路通信量的增加,提出的方案能大幅度降低小區(qū)用戶(hù)的阻塞概率。在滿(mǎn)鏈路負(fù)載狀態(tài)下,提出的方案與傳統(tǒng)方案相比,小區(qū)用戶(hù)的阻塞率降低了約20%。仿真結(jié)果表明利用動(dòng)態(tài)資源分配算法和用戶(hù)間組IUIC協(xié)調(diào)方案能夠給顯著的系統(tǒng)性能,并能夠根據(jù)DG鏈路負(fù)載情況實(shí)現(xiàn)子信道的有效分配。

4 結(jié)束論

D2D通信能夠提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用效率,并且能夠提升空中接口的容量,但是與蜂窩用戶(hù)共享無(wú)線資源時(shí)會(huì)造成傳統(tǒng)蜂窩用戶(hù)組和D2D用戶(hù)組之間產(chǎn)生有害干擾。為了有效的解決這一問(wèn)題,提出一種解決D2D用戶(hù)組間干擾問(wèn)題的新方案,該方案同時(shí)分配正交資源和非正交資源給DG,在減小IUI的同時(shí),最大化頻譜利用率。仿真結(jié)果表明該方案在使用相同資源同時(shí)操作時(shí),頻譜效率能夠得到尤為明顯的提高,并且當(dāng)鏈路處于滿(mǎn)負(fù)載狀態(tài)時(shí)能夠有效減小小區(qū)用戶(hù)的阻塞概率,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。

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