LTE-A網(wǎng)絡(luò)下支持終端直通的資源復(fù)用選擇策略

張 銳,李勇朝,崔建國(guó),梁海濤,王文煥

(1.西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071; 2.中興通訊股份有限公司西安研發(fā)中心,陜西西安 710114)

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LTE-A網(wǎng)絡(luò)下支持終端直通的資源復(fù)用選擇策略

張 銳1,李勇朝1,崔建國(guó)1,梁海濤1,王文煥2

(1.西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710071; 2.中興通訊股份有限公司西安研發(fā)中心,陜西西安 710114)

摘要:LTE-A網(wǎng)絡(luò)下的終端直通技術(shù)通過(guò)復(fù)用蜂窩鏈路資源,可提高頻譜利用率,減輕基站負(fù)擔(dān).然而資源復(fù)用引起的同頻干擾,不僅會(huì)降低終端直通用戶性能,還會(huì)損害蜂窩用戶的通信質(zhì)量.筆者通過(guò)對(duì)干擾引起的信干噪比下降進(jìn)行選擇性補(bǔ)償,以系統(tǒng)功率增加量最小為準(zhǔn)則,為終端直通用戶選擇蜂窩復(fù)用用戶.仿真分析表明,該方法在保證原有蜂窩用戶和終端直通用戶通信質(zhì)量的前提下,能夠大幅提高終端直通用戶準(zhǔn)許接入網(wǎng)絡(luò)的概率,并提升了系統(tǒng)的頻譜利用率.

關(guān)鍵詞:終端直通;資源復(fù)用選擇;功率補(bǔ)償;信干噪比

終端直通(Device to Device,D2D)是指用戶終端間不通過(guò)基站或接入點(diǎn)直接進(jìn)行通信的短距離傳輸技術(shù).終端距離相對(duì)較近時(shí),可以采取D2D通信的方式進(jìn)行傳輸,從而提高頻譜利用率、減輕基站負(fù)載[1].根據(jù)文獻(xiàn)[2],長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution-Advanced,LTE-A)網(wǎng)絡(luò)下的D2D通信典型應(yīng)用場(chǎng)景可歸納為:小區(qū)內(nèi)部頻譜復(fù)用、小區(qū)邊緣用戶間通信、小區(qū)覆蓋范圍擴(kuò)展以及蜂窩小區(qū)覆蓋范圍外用戶自組織網(wǎng).

就資源獲取而言,D2D用戶有兩種接入方式:專用資源接入和復(fù)用資源接入[3].當(dāng)小區(qū)負(fù)載較高時(shí),D2D用戶難以獲得專用資源,此時(shí)須復(fù)用蜂窩鏈路資源進(jìn)行D2D通信.在小區(qū)內(nèi)部頻譜復(fù)用場(chǎng)景中,引入D2D通信可大幅提升蜂窩小區(qū)的系統(tǒng)容量、網(wǎng)絡(luò)可容納用戶數(shù)以及頻譜效率;對(duì)于小區(qū)邊緣用戶間通信的場(chǎng)景,則能夠大幅降低通信設(shè)備發(fā)射功率消耗、基站處理負(fù)載,提升邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量.然而由于資源復(fù)用,蜂窩鏈路與D2D鏈路間會(huì)產(chǎn)生同頻干擾,若未對(duì)此干擾進(jìn)行有效處理,引入D2D通信不僅無(wú)法提高系統(tǒng)的性能,甚至還會(huì)降低原有蜂窩鏈路通信質(zhì)量.

針對(duì)這一問(wèn)題,文獻(xiàn)[6]提出一種分布式干擾協(xié)調(diào)策略,針對(duì)蜂窩鏈路對(duì)D2D鏈路(Cellular link to D2D link,C2D)的干擾,用戶選擇對(duì)自己干擾最小的蜂窩用戶進(jìn)行復(fù)用;針對(duì)D2D鏈路對(duì)蜂窩鏈路(D2D link to Cellular link,D2C)的干擾,用戶通過(guò)比較預(yù)估干擾與基站可容忍干擾來(lái)決定是否復(fù)用該資源[6].在多個(gè)D2D用戶對(duì)的場(chǎng)景下,文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)限制D2D發(fā)射功率來(lái)控制D2C干擾,并提出了以干擾和最小為目標(biāo)的方法來(lái)選擇復(fù)用的蜂窩用戶.文獻(xiàn)[9]則通過(guò)限制D2D最大發(fā)射功率,采取比例公平調(diào)度算法參考用戶優(yōu)先級(jí)選擇復(fù)用資源.文獻(xiàn)[10]同樣采用限制D2D用戶最大發(fā)射功率來(lái)控制D2C干擾,同時(shí)選擇D2D接收信干噪比最大的蜂窩用戶資源進(jìn)行復(fù)用[10].在文獻(xiàn)[11-13]中,通過(guò)預(yù)先干擾門限計(jì)算終端受干擾范圍,進(jìn)而選擇此范圍外用戶資源進(jìn)行復(fù)用.文獻(xiàn)[14]通過(guò)基站、蜂窩用戶、小區(qū)邊界三者禁止干擾范圍得到D2D用戶最大發(fā)射功率,從而控制D2D帶來(lái)的干擾.文獻(xiàn)[6]中提出的分布式D2D自優(yōu)化方法,通過(guò)反饋機(jī)制可以申請(qǐng)?jiān)黾影l(fā)射功率.在文獻(xiàn)[12]中,作者在為蜂窩用戶分配功率時(shí)添加了對(duì)抗干擾的功率余量,而對(duì)于D2D功率仍是在基站可容忍前提下得到的最大發(fā)射功率,即通過(guò)干擾門限確定D2D用戶的最大發(fā)射功率.文獻(xiàn)[15]通過(guò)預(yù)先設(shè)定D2C干擾噪聲比,根據(jù)該比值求出D2D用戶發(fā)射功率,同時(shí)根據(jù)該恒定比值,為蜂窩發(fā)射功率增加一個(gè)定值.

上述干擾管理策略重點(diǎn)在于保證D2D鏈路及蜂窩鏈路的連通性,并未有效解決由于同頻干擾所引起的蜂窩鏈路通信質(zhì)量的下降.對(duì)于D2D用戶,只能被動(dòng)接受蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可容忍干擾功率值,不能根據(jù)用戶需求調(diào)整D2D用戶發(fā)射功率及復(fù)用資源.而在現(xiàn)有增加功率方案中,功率增加量一定,沒(méi)有針對(duì)用戶實(shí)際干擾狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)功率補(bǔ)償.此外,在實(shí)際應(yīng)用中,若僅簡(jiǎn)單應(yīng)用上述干擾管理方案,當(dāng)D2D鏈路對(duì)蜂窩鏈路的干擾超過(guò)一定門限時(shí),系統(tǒng)會(huì)拒絕D2D鏈路接入,造成D2D用戶允許接入概率的下降.如何支持盡可能多的用戶以D2D方式接入網(wǎng)絡(luò),是資源復(fù)用選擇面臨的一大挑戰(zhàn).

根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知,不同接收SINR對(duì)于發(fā)射端所采取的調(diào)制編碼方案(Modulation and Coding Scheme,MCS)有著直接的影響,進(jìn)而影響了系統(tǒng)的頻譜效率.針對(duì)現(xiàn)有研究的不足,筆者根據(jù)用戶受干擾情況以及用戶SINR,從系統(tǒng)頻譜效率角度出發(fā),綜合考慮蜂窩鏈路與D2D鏈路通信質(zhì)量要求,動(dòng)態(tài)調(diào)整得到蜂窩用戶和D2D用戶發(fā)射功率,以系統(tǒng)功率增量最小這一目標(biāo)為D2D用戶選擇復(fù)用資源,在提高了D2D用戶準(zhǔn)入概率的同時(shí),保障了原有蜂窩用戶的通信質(zhì)量.

圖1 D2D通信系統(tǒng)模型

1 系統(tǒng)模型

蜂窩鏈路和D2D鏈路使用相同頻譜資源進(jìn)行通信,資源復(fù)用將造成蜂窩用戶和D2D用戶間相互干擾,如圖1所示.蜂窩用戶和D2D發(fā)射用戶均勻分布在半徑為R的小區(qū)范圍內(nèi),D2D接收用戶則均勻分布在以各自發(fā)射用戶為圓心,R為半徑的圓周上.小區(qū)內(nèi)有KC個(gè)蜂窩用戶,用C1,C2,…,Ci,…,CKC表示;有KD個(gè)D2D用戶對(duì),分別用D1,D2,…,Dj,…,DKD表示,對(duì)于第j個(gè)D2D用戶對(duì)而言,Tj表示D2D發(fā)射用戶,Rj表示D2D接收用戶,收發(fā)用戶間距離為d.假設(shè)在D2D用戶向基站發(fā)送接入請(qǐng)求前,基站已為蜂窩用戶分配資源,且蜂窩用戶已在與基站進(jìn)行通信中.同時(shí),假設(shè)基站可獲知所有在網(wǎng)用戶與基站間信道增益信息;D2D接收用戶可獲知D2D發(fā)射用戶與自身的信道增益信息,并將這一信息通過(guò)控制信道反饋給基站.

D2D用戶可復(fù)用蜂窩上行或者下行資源,兩種場(chǎng)景中干擾對(duì)象不同[18]:復(fù)用上行資源,干擾對(duì)象為基站與D2D接收用戶;復(fù)用下行資源,干擾對(duì)象為蜂窩用戶與D2D接收用戶.如不考慮基站在發(fā)射功率、天線高度等方面與用戶終端的差異,則下述推導(dǎo)過(guò)程與復(fù)用上行資源或者下行資源無(wú)本質(zhì)區(qū)別.如圖2所示,文中以復(fù)用上行資源場(chǎng)景為例進(jìn)行分析.假設(shè)基站為蜂窩用戶分配相同帶寬,一個(gè)D2D用戶對(duì)完全復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶的頻譜資源,且蜂窩用戶所用的頻譜資源最多被復(fù)用一次.

定義pci和pdj分別為蜂窩用戶Ci和D2D發(fā)射用戶Tj的發(fā)射功率,PM為終端最大發(fā)射功率,δBS為基站端信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)門限,γBS為基站端信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)門限,γD2D為D2D接收用戶SINR門限,hci為蜂窩用戶Ci與基站間信道增益,hdj為D2D發(fā)射用戶Tj與基站間信道增益,hj表示D2D收發(fā)用戶Rj與Tj間信道增益,hcidj則表示蜂窩用戶Ci與D2D接收用戶Rj間信道增益,n表示用戶帶寬內(nèi)噪聲功率值.

無(wú)D2D用戶通信情況下,不考慮其他干擾,則在基站端有

圖2 復(fù)用上行鏈路資源相互干擾示意圖

若有D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶資源進(jìn)行通信,相應(yīng)蜂窩用戶Ci的發(fā)射功率為p′ci,則對(duì)D2D接收用戶Rj而言,其SINR門限要求為

由此得到D2D發(fā)射用戶Tj所需發(fā)射功率p′dj.其中Icidj表示蜂窩發(fā)射用戶Ci對(duì)D2D接收用戶Rj的干擾.類似地,由于資源復(fù)用,Tj會(huì)對(duì)基站接收造成干擾,用Idjci來(lái)表示,則受到D2D發(fā)射用戶干擾時(shí),基站端SINR為顯然,γ′BS(i)＜δBS(i),D2D用戶造成原有蜂窩鏈路SINR的下降.為實(shí)現(xiàn)引入D2D通信,但不降低原有通信鏈路質(zhì)量這一目標(biāo),應(yīng)滿足γ′BS(i)=δBS(i),即滿足基站端SINR門限要求γBS.為此筆者為蜂窩用戶Ci增大發(fā)射功率,增量為Δpci,即pci=p′ci+Δpci.則此時(shí)基站端SINR可表示為

同時(shí)為滿足D2D用戶SINR需求,此時(shí)D2D發(fā)射用戶Tj的發(fā)射功率為pdj.則式(2)和式(4)可重寫(xiě)為

從而求得引入D2D后蜂窩和D2D用戶發(fā)射功率以及蜂窩發(fā)射功率增量.D2D用戶發(fā)射功率為

蜂窩用戶發(fā)射功率為pci,可將pdj代入,得

蜂窩發(fā)射功率可表示為pci=p′ci+Δpci,則蜂窩用發(fā)射功率增量為:Δpci=pci-p′ci.

2 基于功率補(bǔ)償?shù)馁Y源復(fù)用選擇方法

由文獻(xiàn)[16]可知,基站根據(jù)信道狀態(tài)信息以及蜂窩用戶需求,為蜂窩用戶分配發(fā)射功率;而根據(jù)文獻(xiàn)[16],可知在接收端不同的SINR影響著發(fā)射端調(diào)制編碼方案,進(jìn)而決定鏈路頻譜效率.在小區(qū)內(nèi)原有用戶正常通信過(guò)程中,有若干D2D用戶對(duì)通信也有需求,基站則需要為D2D用戶選擇復(fù)用蜂窩用戶并確定其發(fā)射功率.由于資源復(fù)用會(huì)對(duì)原有蜂窩鏈路造成干擾,可能造成原有蜂窩系統(tǒng)頻譜效率的下降.系統(tǒng)的頻譜效率可定義為

若使用相同資源的蜂窩用戶和D2D用戶,按照計(jì)算所得到的發(fā)射功率pci、pdj進(jìn)行傳輸,可保證各自SINR不變.由式(9)可知,在帶寬一定情況下,鏈路頻譜效率與每個(gè)符號(hào)可承載比特?cái)?shù)成正比;而F[SINR (j)]是關(guān)于SINR的增函數(shù).在實(shí)際應(yīng)用中,F[SINR(j)]是關(guān)于SINR的離散函數(shù),即某一SINR取值區(qū)間對(duì)應(yīng)一定的可承載比特?cái)?shù)每符號(hào).

綜上所述,可得到基于功率增量的資源復(fù)用選擇方法:基站判斷引入D2D造成的干擾是否引起基站接收端F[SINR(j)]的降低,若降低,則根據(jù)原有SINR門限計(jì)算D2D用戶發(fā)射功率和蜂窩用戶發(fā)射功率增量,并選擇兩者和最小的蜂窩用戶進(jìn)行復(fù)用;若未降低,則根據(jù)D2D用戶SINR門限計(jì)算得到其發(fā)射功率,選擇接收D2D發(fā)射用戶干擾最小的蜂窩用戶進(jìn)行復(fù)用.其中

3 仿真分析

仿真對(duì)比方案為最小干擾策略[7-8],即根據(jù)預(yù)先設(shè)定的D2D用戶接收SINR門限,求得D2D用戶發(fā)射功率;然后計(jì)算對(duì)蜂窩用戶造成的干擾值,選擇干擾值最小的蜂窩用戶進(jìn)行資源復(fù)用.若由于干擾造成蜂窩用戶SINR下降超過(guò)蜂窩用戶門限值,則禁止D2D用戶復(fù)用該用戶資源.兩種方案中,D2D用戶均復(fù)用蜂窩上行資源進(jìn)行通信.在半徑R=500 m的單小區(qū)內(nèi),基站位于小區(qū)中央,且基站為全向天線.根據(jù)文獻(xiàn)[16],設(shè)定接收端最低SNR門限為-6.17 dB.系統(tǒng)帶寬為10 MHz;D2D鏈路信道衰落模型PL= 148.1+ 40 lg d km;蜂窩鏈路信道衰落模型PL=128.1+37.6 lg d km;最大發(fā)射功率為23 dBm;噪聲譜密度為-174 d Bm/Hz;蜂窩用戶數(shù)目為10;D2D用戶對(duì)數(shù)目為1;仿真次數(shù)為100 000.

圖3所示為D2D用戶接入準(zhǔn)許概率,隨著D2D用戶對(duì)間距離變化的曲線.可以看出,D2D鏈路建立概率隨著D2D收發(fā)距離的增大而減小.最小干擾方案中未對(duì)蜂窩用戶發(fā)射功率進(jìn)行補(bǔ)償,隨著D2D收發(fā)用戶間距離的增加,D2D用戶發(fā)射功率逐漸增大,對(duì)蜂窩鏈路的干擾值也隨之逐漸變大.當(dāng)干擾使得蜂窩鏈路SINR下降到門限值以下時(shí),基站會(huì)拒絕D2D用戶復(fù)用該蜂窩用戶資源.若所有蜂窩用戶均禁止被復(fù)用,D2D鏈路則無(wú)法建立.而對(duì)于功率補(bǔ)償方案,系統(tǒng)會(huì)禁止發(fā)射功率超過(guò)最大允許發(fā)射功率的D2D用戶接入網(wǎng)絡(luò),因此,隨著D2D用戶對(duì)間距離的增加,其接入允許概率也呈下降趨勢(shì).當(dāng)最小干擾方案D2D鏈路建立概率下降到低于0.3時(shí),功率補(bǔ)償方案中D2D鏈路建立概率仍接近0.8,遠(yuǎn)大于已有方案.

圖3 允許接入概率隨D2D距離變化曲線

圖4 頻譜效率與D2D用戶SINR關(guān)系圖

圖5 不同SINR下D2D鏈路建立概率

圖4所示為系統(tǒng)頻譜效率隨著D2D用戶SINR門限變化的仿真圖.由圖可知,隨著D2D用戶SINR門限增加,系統(tǒng)總的頻譜效率增加;單個(gè)D2D用戶SINR的變化,可引起系統(tǒng)總頻譜效率的較大波動(dòng),說(shuō)明保障D2D用戶SINR門限需求對(duì)于提高系統(tǒng)頻譜效率有著重要意義.

圖5為不同D2D用戶SINR門限要求所對(duì)應(yīng)的D2D用戶準(zhǔn)入概率隨D2D用戶對(duì)間距離變化曲線.與圖3相同,隨著收發(fā)用戶間距離增加,準(zhǔn)入概率下降.同時(shí),D2D用戶SINR門限越高,所需發(fā)射功率越大,對(duì)蜂窩鏈路干擾越大.根據(jù)式(5)可知,D2D用戶與蜂窩用戶發(fā)射功率相互影響.在這種情況下,由于最大發(fā)射功率限制,系統(tǒng)會(huì)拒絕更多的D2D用戶入網(wǎng)申請(qǐng).為保證D2D連通性,使得更多的用戶以D2D方式接入網(wǎng)絡(luò),在D2D收發(fā)用戶間距離較遠(yuǎn)時(shí),應(yīng)降低D2D鏈路的SINR需求.

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)LTE-A網(wǎng)絡(luò)下,D2D通信中蜂窩鏈路與D2D鏈路間由于復(fù)用產(chǎn)生的同頻干擾進(jìn)行了研究,以復(fù)用蜂窩上行資源為例,根據(jù)用戶受干擾情況以及信干噪比目標(biāo),從系統(tǒng)頻譜效率角度出發(fā),綜合考慮蜂窩鏈路與D2D鏈路通信質(zhì)量要求,動(dòng)態(tài)調(diào)整得到蜂窩用戶和D2D用戶發(fā)射功率,以功率增量最小這一目標(biāo)為D2D用戶選擇復(fù)用資源,保證了原有蜂窩用戶通信質(zhì)量,提高了D2D用戶準(zhǔn)入概率和系統(tǒng)頻譜效率.

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(編輯:王 瑞)

簡(jiǎn) 訊

2015年10月21日～23日,第四屆IEEE國(guó)際高移動(dòng)性無(wú)線通信研討會(huì)在我校舉辦.此次會(huì)議由IEEE VTS,ISN國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家973計(jì)劃資助,西安電子科技大學(xué)、西南交通大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)和中山大學(xué)等協(xié)辦.高移動(dòng)性無(wú)線通信是未來(lái)5G通信的一個(gè)重要場(chǎng)景,涵蓋了高速鐵路、高速公路以及其他類型的高速移動(dòng)通信場(chǎng)景.高移動(dòng)性無(wú)線通信的主要難點(diǎn)在于解決快速時(shí)變信道中的信道建模、信道估計(jì)、編碼調(diào)制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃,以及資源管理等技術(shù)難題.目前由我校共同主持的973計(jì)劃“高移動(dòng)性寬帶無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)理論基礎(chǔ)研究”已經(jīng)取得了一系列成果.

摘自《西電科大報(bào)》2015.11.3

Resource reusing selection scheme for device-to-device communication underlaying LTE-A networks

ZHANG Rui1,LI Yongzhao1,CUI Jianguo1,LIANG Haitao1,WANG Wenhuan2
(1.State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China; 2.ZTE Corporation R&D Center,Xi’an 710114,China)

Abstract:Device-to-Device(D2D)communication underlaying LTE-A cellular networks is effective to improving spectral efficiency and offload traffic of the base station by reusing cellular resources.However,the mutual interference between D2D and cellular communications can degrade the performance of both D2D and cellular users.In this paper,a resource reusing selection scheme based on minimizing power increase is proposed,which enables selective compensation for signal to interference plus noise ratio (SINR) diminution caused by interference.Simulation results demonstrate that the proposed scheme notably improves the access grant probability of D2D users and increases the link spectral efficiency of D2D and cellular networks,without sacrificing the quality of cellular and D2D communication.

Key Words:device-to-device(D2D);resource reusing selection;power compensation;SINR

通訊作者:李勇朝(1974-),男,教授,E-mail:yzhli@xidian.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:張 銳(1988-),男,西安電子科技大學(xué)碩士研究生,E-mail:rui_zhang_xd@163.com

基金項(xiàng)目:綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(ISN090105);國(guó)家111創(chuàng)新引智基地資助項(xiàng)目(B08038);國(guó)家重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013ZX03003008-004);新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0918,72131855);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20120203110002);中興通訊產(chǎn)學(xué)研論壇資助項(xiàng)目(REQ201410080001)

收稿日期:2014-10-17 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.004

中圖分類號(hào):TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2400(2016)02-0017-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.001.html