一種基于用戶位置的設(shè)備到設(shè)備模式選擇和資源分配方案

張正一, 張道煦, 羅漢文,2

(1.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

?

一種基于用戶位置的設(shè)備到設(shè)備模式選擇和資源分配方案

張正一1, 張道煦1, 羅漢文1,2

(1.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

摘要:在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中通過復(fù)用蜂窩系統(tǒng)中已使用的頻譜資源,來增加蜂窩系統(tǒng)的頻譜利用率,減少基站的負(fù)載,同時通過基于用戶位置的設(shè)備到設(shè)備(D2D)模式選擇和資源分配算法,達(dá)到減少同頻率之間的用戶干擾,降低用戶的傳輸功率的目的.仿真結(jié)果顯示,相比于傳統(tǒng)的蜂窩通信和隨機(jī)的資源分配模式,基于用戶位置的D2D模式選擇和資源分配有效地提高了系統(tǒng)總?cè)萘?減少了用戶之間的干擾.

關(guān)鍵詞:模式選擇; 端到端; 資源分配

0引言

近年來隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對于數(shù)據(jù)高速率傳輸?shù)男枨笤絹碓酱?但是,移動通信技術(shù)能夠使用的頻譜資源十分有限.由于設(shè)備到設(shè)備(D2D)通信技術(shù)能夠提升系統(tǒng)的頻譜利用率,減少發(fā)射功率的損耗,從而提高蜂窩系統(tǒng)的通信速率,因此得到了許多人的關(guān)注.但是,D2D通信對在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中復(fù)用頻譜資源也存在一些問題.比如復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的上行資源會對基站接收的信號造成干擾,而復(fù)用下行資源會對傳統(tǒng)蜂窩用戶信號的接收造成干擾.因此,如何減少D2D用戶對蜂窩通信的干擾成為了研究D2D通信的主要問題.

文獻(xiàn)[1]介紹了如何減少D2D通信的過程中產(chǎn)生的干擾,主要是通過控制信號發(fā)射功率和資源分配的方式來減少D2D對蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾.文獻(xiàn)[2]是通過減少發(fā)射功率的方法來達(dá)到控制D2D用戶對蜂窩用戶的干擾.文獻(xiàn)[3]是通過發(fā)射功率最優(yōu)化的方法來達(dá)到控制D2D用戶對蜂窩用戶干擾.文獻(xiàn)[4]提出了一種干擾地區(qū)控制的方法,從而降低用戶之間復(fù)用頻譜的干擾.文獻(xiàn)[5]提出了一種基于用戶距離的資源分配模型來限制D2D用戶所復(fù)用的資源,文獻(xiàn)[6]對此進(jìn)行了更深入的研究,從單小區(qū)頻譜資源復(fù)用變?yōu)槎嘈^(qū)頻譜資源的復(fù)用.

1系統(tǒng)模型

本文作者假設(shè)蜂窩系統(tǒng)中設(shè)備到設(shè)備之間的通信是可行的.在蜂窩系統(tǒng)中基站將服務(wù)的區(qū)域分成了3個部分,每個部分使用相同的頻譜資源,這個系統(tǒng)允許D2D用戶對之間相互通信,而且D2D用戶對可以復(fù)用蜂窩用戶的上行頻帶資源,這就使得蜂窩系統(tǒng)中使用相同頻率的D2D用戶和蜂窩用戶造成了相互干擾,從D2D通信用戶(DU)來看,干擾來自蜂窩用戶向基站發(fā)射的信號,而對于蜂窩用戶來說干擾來自DU發(fā)射的信號.D2D用戶接收的信號可以表示為:

(1)

(2)

(3)

蜂窩用戶的信噪比為:

(4)

通過開環(huán)功率控制系統(tǒng)(OLPC)來控制D2D用戶和蜂窩用戶的發(fā)射功率,公式如下:

(5)

在允許D2D通信的蜂窩系統(tǒng)中,用戶傳輸?shù)哪Ｊ接腥缦聝煞N選擇:

(1) 蜂窩通信模式:用戶之間通過基站進(jìn)行信號傳輸;

(2) D2D通信:用戶之間的通信不經(jīng)過基站,直接進(jìn)行信號的傳輸.

D2D用戶在通信過程中也存在著一些局限,例如:D2D通信對的信噪比可能比蜂窩通信的信噪比要低,因此如何選擇用戶的通信模式就變得至關(guān)重要.本文作者提出了基于用戶位置的模式選擇和資源分配方案,這就需要一些本地位置服務(wù)(LBS)來提供用戶所在的位置[7],例如用戶可以通過衛(wèi)星定位的方式獲取所在的位置并傳輸給基站.

2基于用戶位置的D2D模式選擇和資源分配

2.1傳輸模型選擇

D2D通信中基于位置的模式選擇是從D2D通信到蜂窩通信直接切換的.模式選擇的過程是通過蜂窩網(wǎng)絡(luò),然后由基站決定用戶要選擇的模式.用戶模式選擇的標(biāo)準(zhǔn)是由用戶的傳輸功率決定的.然而,用戶直接通信的模式仍然給蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的用戶帶來了好處,例如:減少了蜂窩系統(tǒng)的負(fù)載.模式選擇算法的提出基于用戶的位置,該算法的好處還在于基站不需要知道用戶通信信道的狀態(tài)信息,即可決定模式的選擇.基站必須要知道用戶的位置,這就需要基站接收到基于用戶位置的信息,比如GPS中獲得用戶的位置.

如圖1所示,用戶位置的信息是用來估計(jì)用戶與基站之間的距離的,而距離在很大程度上影響著路徑衰落和用戶的發(fā)射功率,基于位置和距離的模式選擇如下:

圖1　蜂窩通信中用戶位置示意圖

(6)

D2D用戶之間的通信距離是任意調(diào)整的,而且它受用戶最大傳輸功率的制約,如果滿足(6)的條件,那么D2D通信是可行的,而且基站可以找到最佳的資源來進(jìn)行頻譜復(fù)用.

2.2資源分配的調(diào)度

基于位置的資源分配方案根據(jù)用戶的位置信息來估計(jì)信道傳輸?shù)木嚯x,資源分配中最佳候選用戶的選擇是基于距離的最大化來進(jìn)行選擇的,假設(shè)干擾最主要的途徑是路徑損耗,且隨著信道距離的增加可使干擾減小.認(rèn)為系統(tǒng)中每個部分的D2D用戶(DUE)復(fù)用的資源仍會對其他相鄰部分的DUE造成干擾,假設(shè)蜂窩系統(tǒng)中只有上行資源可以被復(fù)用,通過如下算法(圖2)可以選出為DUE復(fù)用資源的最佳候選用戶:

圖2　基于用戶位置的資源分配選擇算法

這個簡單的資源分配算法的好處就是蜂窩系統(tǒng)只需要了解用戶的位置信息而不需要了解D2D通信中信道狀態(tài)的信息,而且這種集中式的控制方法給了D2D線路更多的選擇.

3仿真與結(jié)果

本次仿真使用了基于位置的資源分配方案和蜂窩系統(tǒng)中隨機(jī)的資源分配方案.除此之外,還增加了蜂窩系統(tǒng)中不使用D2D通信的情況來對比.從圖3中的累計(jì)分布函數(shù)曲線可以看出,相比于傳統(tǒng)的蜂窩通信模式,基于位置的資源分配模式與隨機(jī)分配資源復(fù)用的模式有效地減少了用戶的傳輸功率.由圖4中用戶信道干擾和累計(jì)分布函數(shù)曲線中可以看出,相比于系統(tǒng)中隨機(jī)資源分配的算法,使用基于位置的資源分配方法在一定的范圍內(nèi)可以減小用戶之間的干擾.但隨著干擾信號的增加,引入基于位置的資源分配算法并不能減少系統(tǒng)中來自DU的干擾.

圖3　D2D通信與蜂窩通信累計(jì)分布函數(shù)

圖4　基于位置分配與隨機(jī)分配累計(jì)分布函數(shù)

4結(jié)論

本文作者給出了在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中用戶基于位置的模式選擇和資源分配方案.首先,基于距離的模式選擇取決于用戶最小的信號發(fā)射功率.然后,干擾管理模式的提出在于利用基于位置的資源分配來復(fù)用蜂窩系統(tǒng)的上行資源,并減少D2D用戶之間的干擾.最后,仿真的結(jié)果表明利用所提出的基于用戶位置選擇模式的方法,來復(fù)用蜂窩用戶的上行資源可以在對蜂窩用戶干擾很小的情況下帶來傳輸功率的減小和頻譜利用率的提升.但是由于資源分配的方案是基于用戶位置的,即需要用戶向基站傳輸基站中用戶的位置信息,因此在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中也占用了一定的帶寬,如何有效地減少用戶位置信息傳輸所占用的帶寬也是一個值得研究的問題.

參考文獻(xiàn):

[1]Janis P,Doppler K,Ribeiro C,et al.Device-to-device communication underlaying cellular communications systems [J].IEEE ICCT.2013,11:131-135.

[2]Yu C H,Doppler K,Ribeiro C.The performance of device-to-device underlay communication with simple power control [J].IEEE Vehicular Technology Conference.2009,8:1-5.

[3]Yu C H,Doppler K.Power optimization of device-to-device communication underlaying cellular communication systems [J].IEEE International Conference on Communications,2015,10:1-6.

[4]Gu J,Bae S,Choi B.Dynamic Power Control Mechanism for Interference Coordination of Device-to-Device Communication in Cellular Networks [J].IEEE (ICUFN),2011,6:71-75.

[5]Wang H,Chu X.Distance-contrained resource-sharing criteria fordevice-to-device communications underlaying cellular networks [J].IEEE Electronics Letters,2012,4: 528-530.

[6]Janis P,Doppler K,Hugl K.Interference-aware resource allocation for device-to-device radio underlaying cellular networks [J].IEEE Vehicular Technology Conference,2009,4:1-5.

[7]Zulhasnine M,Huang C,Srinivasan A.Efficient resource allocation for device-to-device communication underlaying LTE network [J].IEEE WiMob,2010,10: 368-375.

(責(zé)任編輯：包震宇)

A scheme with location-based mode selection and resourceallocation in Device-to-Device communication work

ZHANG Zhengyi1, ZHANG Daoxu1, LUO Hanwen1,2

(1.College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.School of Electronic and Electrical Information Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Abstract:By reusing the the spectrum in cellular network that has been used to increase the spectrum utilization ,reduce the base station load,and at the same time by using the location-based D2D mode selection and resource allocation algorithm,to reduce same frequency interference between the users and reduce transmission power from users.The simulation results show that,compared with the traditional communication in cellular network and resource allocation with random model,the location-based D2D mode selection and resource allocation can improve the capacity of system,and reduce the interference between the users.

Key words:D2D; resource allocation; mode selection

中圖分類號:TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-5137(2016)02-0137-05

通信作者:羅漢文,中國上海市閔行區(qū)東川路800號,上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,郵編:200240,E-mail:hwluo@sjtu.edu.cn

收稿日期:2016-03-03