LTE-A網絡中支持全雙工D2D通信的干擾管理研究*

［楊雄 馬忍 張樂］

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LTE-A網絡中支持全雙工D2D通信的干擾管理研究*

［楊雄 馬忍 張樂］

摘要

LTE-A網絡中引入D2D通信，不僅提高了系統(tǒng)容量，也降低了基站的負擔，然而帶來了一定同頻干擾。為了減小同頻干擾，提出一種基于全雙工D2D通信的資源復用方法。首先，基站利用干擾受限區(qū)域（ISA）的方法將蜂窩用戶的資源進行分類，其次，基站分配受限區(qū)域外的用戶資源給D2D用戶來減小同頻干擾，最后通過調整參數(shù)討論受限區(qū)域半徑對系統(tǒng)的影響。仿真結果表明：存在最佳半徑使得系統(tǒng)吞吐量最大，同時在自干擾消除為110dB時，全雙工通信模式下的D2D鏈路吞吐量接近傳統(tǒng)半雙工D2D通信的兩倍。

關鍵詞：D2D通信 全雙工 干擾受限區(qū)域

楊雄

重慶郵電大學碩士研究生，主要研究方向為無線移動通信技術，D2D通信技術。

馬忍

重慶郵電大學碩士研究生，主要研究方向為無線移動通信技術，圖像處理。

張樂

重慶郵電大學碩士研究生，主要研究方向為無線移動通信技術。

1 引言

隨著第四代移動通信網絡的大量部署以及各種智能終端設備的迅速普及，日常生活中人們對高速率數(shù)據業(yè)務的需求越來越高。在這種情況下，傳統(tǒng)的LTE-A系統(tǒng)已經開始滿足不了人們的通信質量需求，特別是本地數(shù)據高速傳輸需求。因此，開始將Device-to-Device(D2D)[1]通信技術引入到傳統(tǒng)LTE-A系統(tǒng)中。在LTE-A系統(tǒng)中引入D2D通信之后不僅能夠提升小區(qū)容量、提高頻譜資源利用率，還能夠擴大網絡覆蓋以滿足小區(qū)邊緣用戶的通信質量需求。但是D2D通信與LTE融合之后也帶來了一些新的問題，例如小區(qū)內的同頻干擾。因此，D2D通信系統(tǒng)中干擾協(xié)調便成為了一個研究熱點?，F(xiàn)有的干擾協(xié)調方式包括D2D模式選擇[2]、資源分配[3]與功率控制。D2D用戶有3種模式與蜂窩用戶共享資源：①蜂窩模式：D2D用戶通過基站轉接通信，所有通信鏈路分配獨立正交的信道資源，不相互干擾；②專用資源模式：D2D用戶占用一部分獨立資源在全雙工下進行端到端的直接通信，剩余資源用于蜂窩通信。由于各部分資源相互正交 ，D2D通信與蜂窩通信之間不會產生干擾；③復用模式：D2D用戶復用蜂窩用戶的頻譜資源，D2D用戶對與蜂窩用戶之間產生同頻干擾。

從現(xiàn)有資源分配方面的研究來看，文獻[4]分析了D2D鏈路的中斷概率，揭示了D2D接收機和與其配對的蜂窩用戶之間存在最優(yōu)距離，提出了基于距離約束的資源共享準則，為D2D鏈路選擇對應的蜂窩用戶，減小了蜂窩傳輸對 D2D鏈路的干擾。文獻[5]提出了一種復用下行資源的方法，將時間資源分為共享時間點和蜂窩專用時間點，將蜂窩用戶分為遠近效應危險蜂窩用戶和非遠近效應危險蜂窩用戶，蜂窩專用時間點資源被分配給遠近效應危險蜂窩用戶，D2D用戶復用非遠近效應危險蜂窩用戶的共享時間點資源，這樣有效的減少了D2D用戶的干擾。

從功率控制的研究來看：文獻[6]以最大化總速率為目標，提出一種基于單小區(qū)的功率優(yōu)化方案，在保證蜂窩用戶的最小傳輸速率給予蜂窩通信優(yōu)先權的基礎上，通過合理控制蜂窩用戶和D2D用戶的發(fā)射功率減少蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾，有效地提高了系統(tǒng)的總速率。文獻[7]提出了一種分布式功率控制算法，計算網絡用戶的SINR優(yōu)化目標值，并分配傳輸功率使系統(tǒng)所消耗的功率最小化。為了控制蜂窩和D2D用戶之間的干擾，提高混合系統(tǒng)的性能。

然而現(xiàn)有的資源分配和功率控制方法主要集中半雙工D2D通信方式的場景下，為充分利用頻譜資源，在全雙工（Full duplex,FD）通信場景下，本文提出一種復用下行資源的D2D通信的資源調度方法驗證系統(tǒng)性能。

2 系統(tǒng)模型

圖1 D2D用戶復用下行資源的系統(tǒng)模型

第i 個蜂窩用戶收到的信號表示為：

pBS, i是基站發(fā)送信號給第i個蜂窩用戶時的發(fā)射功率，pDz , i( z∈{ 1,2 } )是D2D用戶的發(fā)送功率，即

pBS, i , r表示基站發(fā)送信號給第i 個蜂窩用戶時在第r個資源單元的發(fā)射功率。pDz , i , r為第z 個D2D用戶在第r個資源單元的發(fā)射功率。RBi表示第i 個資源塊序列，RD表示D1和D2通信的資源塊。dBS, i為基站到第i個蜂窩用戶之間的距離，α為路徑損耗因子，dDz , i表示D2D用戶Dz到第i 個蜂窩用戶之間的距離，hBS, i表示為基站與第i 蜂窩用戶之間的信道系數(shù)，xi表示第i個蜂窩用戶的發(fā)送信號，xDz表示D2D用戶的發(fā)送信號，ni表示第i 個蜂窩用戶收到的高斯白噪聲。那么可以得到第i個蜂窩用戶的信號噪聲加干擾比SINRCi為：

N0表示噪聲功率。

D2D用戶接收到的信號表達式為：

pDz是D2D用戶的發(fā)送功率，pBS, D z是基站發(fā)送信號給Dz時的發(fā)射功率，即

pDz , i , r為D2D用戶在第r 個資源單元的發(fā)射功率。dD1, D 2為D2D用戶對之間的距離，dBS, D z表示基站到D2D用戶D1之間的距離，hBS, D z表示為基站與用戶Dz之間的信道系數(shù)，hD表示D2D用戶對之間的信道系數(shù)。SIDz為Dz用戶的自干擾。那么可以得到D2D用戶在第i個資源塊上的信號噪聲加干擾比SINRDz為：

同理

為保證D2D用戶的正常通信，接收到的信噪比必須滿足一定門限值γD1，即

那么D2D用戶的發(fā)射功率pD2必須滿足：

同理可得

3 干擾管理和資源調度

在LTE-A網絡中引入D2D通信的模式下，D2D用戶與蜂窩用戶共享整個信道資源，為保證蜂窩用戶通信的優(yōu)先權，基站必須保證蜂窩用戶的有效通信而協(xié)調蜂窩用戶與D2D用戶之間的干擾。

假設本文采用集中式方法，基站負責用戶的發(fā)射功率和D2D用戶的信道資源分配。在某個區(qū)域調度資源的過程中，檢測到D2D用戶對此蜂窩用戶產生干擾十分嚴重情況下，然而降低D2D用戶的發(fā)射功率對于蜂窩用戶來說解決產生的干擾是有限的。此時可以給D2D用戶和蜂窩用戶分配正交的頻譜資源，這樣蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾大大減少，為此我們提出一種干擾受限區(qū)域的方法來協(xié)調干擾。假設PC0為蜂窩用戶接收到D2D用戶的干擾功率，假設干擾受限區(qū)域的半徑為RDz，那么表達式可表示為

d表示D2D用戶到蜂窩用戶的距離，假設蜂窩用戶接收到的干擾功率為最大容忍干擾值Pths時，那么干擾受限區(qū)域的半徑表示如下：

可以看出在基于蜂窩用戶用戶能正常通信的情況下，受限區(qū)域半徑主要由D2D的發(fā)射功率和蜂窩用戶受限功率門限值決定。從上可以得到發(fā)射功率越大，那么D2D用戶對蜂窩用戶的干擾隨之增大，相應地，根據以上的推導式子可以得出RDz隨之增大。為了減小D2D用戶對受限區(qū)域內的蜂窩用戶的干擾，基站應當合理分配信道資源給D2D用戶和蜂窩用戶，即受限區(qū)域內的蜂窩用戶分配與D2D用戶相互正交的信道資源，而D2D用戶共享受限區(qū)域外的蜂窩用戶的信道資源。

資源調度的步驟進行：（1）基站建立一條專供D2D通信的信令信道，D2D發(fā)送一個標識符給廣播信道表示D2D用戶之間準備建立通信；（2）小區(qū)內所有蜂窩用戶CUE監(jiān)測該信道，當蜂窩用戶接收到的功率比受限區(qū)域的門限功率Pths大，即表明蜂窩用戶被D2D通信嚴重干擾，則判斷此蜂窩用戶處于受限小區(qū)內，并且將此信息反饋給基站；（3）基站收到反饋信息后，基站通過公共控制信道發(fā)送信號給D2D用戶，并告知這些蜂窩用戶的資源分配信息；（4）D2D用戶如果沒有蜂窩用戶處于受限小區(qū)ISA內，則D2D用戶通信可以共享整個信道資源；如果有一些蜂窩用戶處于受限小區(qū)ISA內，則D2D用戶不允許共享這些蜂窩用戶的資源；如果所有蜂窩用戶都處于受限小區(qū)ISA內，則D2D用戶通信沒有共享資源，進入等待模式。

因此，將存在一個最優(yōu)的受限區(qū)域半徑，使得系統(tǒng)的吞吐量最大，為了簡單表述上述問題，假設整個資源塊的數(shù)量與蜂窩用戶的數(shù)量相等，并且優(yōu)先分配資源給蜂窩用戶，則整個系統(tǒng)的吞吐量表達式如下：

Lin代表在受限區(qū)域內的蜂窩用戶的數(shù)量，Lout表示在受限區(qū)域外蜂窩用戶的數(shù)量，可以知道當Pths改變時，受限區(qū)域內蜂窩用戶的數(shù)量也隨之改變，整個系統(tǒng)的吞吐量隨之變化。下面我們將通過仿真驗證系統(tǒng)的性能。

4 仿真分析

為了便于實現(xiàn)，我們在單小區(qū)場景下對所提的算法進行仿真，表1列出系統(tǒng)的仿真參數(shù)和算法初始值，蜂窩用戶均勻分布在小區(qū)內，D2D用戶對隨機部署在小區(qū)內。本文將全雙工ISA分配方法，復用單用戶方法作為參考，同時對比半雙工（Half Duplex，HD）模式，通過對比，驗證本方法的性能和全雙工D2D通信的優(yōu)勢。仿真系統(tǒng)各個參數(shù)值如表1所示。

表1

圖2驗證了全雙工模式下的D2D用戶對，蜂窩用戶和系統(tǒng)各自的吞吐量隨門限值Pths變化而變化。從圖中可以看出，隨著門限值到達一定值時，蜂窩用戶和系統(tǒng)的吞吐量急劇下降，隨后接近平穩(wěn)狀態(tài)。那是因為門限值增大，受限區(qū)域半徑RDz減小，處于受限區(qū)域外的蜂窩用戶數(shù)增多，那么D2D用戶對可復用的資源數(shù)增加，從而對蜂窩用戶的干擾增大，當門限值Pths到達一定值時，區(qū)域半徑RDz減小，所處受限區(qū)域內的蜂窩用戶數(shù)接近為0，D2D用戶對共享整個蜂窩用戶的的資源。同時從圖中看出接近系統(tǒng)吞吐量的峰值時，可找到最佳半徑。

圖2 吞吐量隨門限值Pths變化的對比

圖3所示，當Pths∈[? 110 d B ,? 95 d B ]時，可復用的資源數(shù)為0，但隨著門限值Pths的增大，可復用的資源數(shù)增加，D2D用戶的吞吐量增大，隨后達到平穩(wěn)期。同時可以看出在自干擾消除達到一定程度時，全雙工通信模式優(yōu)于半雙工模式，而且，當自干擾消除值達到110dB時，幾乎接近半雙工（HD）D2D吞吐量的兩倍。

圖3 D2D的吞吐量隨門限值Pths的對比

圖4所示，驗證全雙工模式下D2D用戶對與一個蜂窩用戶共享資源和多個蜂窩用戶共享資源的對比。在SI∈[?∞ ,60dB ]時，由于自干擾很大，導致D2D用戶對信噪比小于門限值不能正常通信，但隨著自干擾消除值增大，滿足使得可復用的資源數(shù)增多，D2D用戶的吞吐量隨之增大，同時可以看出，相比于參考方法，新的方法顯著提升了D2D用戶的吞吐量，同時提高了系統(tǒng)的資源利用概率。

圖4 D2D用戶的吞吐量隨SI值變化的對比

4 結束語

本文提出一種干擾受限區(qū)域的干擾管理方法，該方法既保證了蜂窩用戶的通信質量和D2D用戶的可靠性要求，仿真結果表明：存在系統(tǒng)的最佳半徑，同時在自干擾消除到達一定值時，全雙工優(yōu)于半雙工模式。

參考文獻

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.018

收稿日期：（2015-11-28）

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助，課題編號2012AA01A507；國家科技重大專項課題（No.2013ZX03006003-002）。Foundation Items:National High Teachology Research and Development Program(863 Program) funded,project number 2012AA01A507;National Science and Technology Major Projects Subject(No.2013ZX03006003-002)。