基于干擾對齊的設(shè)備到設(shè)備功率控制算法

王　珍, 李　莉, 王　斌, 張道煦

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

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基于干擾對齊的設(shè)備到設(shè)備功率控制算法

王珍, 李莉, 王斌, 張道煦

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

摘要:為了使蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中設(shè)備到設(shè)備(D2D)用戶的速率總和最大,提出了一種基于干擾對齊(IA)的功率控制算法.該算法通過IA技術(shù)使得所有的D2D用戶能夠同時占用可使用的子載波;同時,控制每一個D2D用戶在子載波上的功率,使所有D2D用戶在對蜂窩用戶(CU)產(chǎn)生的干擾小于干擾閾值的前提下,其速率和達(dá)到最大.仿真結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的基于頻分多址(FDMA)的功率控制算法相比,本算法在干擾閾值為10 dBm時,所得到的D2D用戶的總速率和可提升約6 bit·S-1·Hz-1.

關(guān)鍵詞:功率控制; 設(shè)備到設(shè)備; 干擾對齊; 速率和; FDMA

0引言

設(shè)備到設(shè)備(D2D)通信技術(shù)使得蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的鄰近用戶可以無需通過基站(BS)直接與彼此進(jìn)行通信,提高了網(wǎng)絡(luò)總體頻譜效率,從而允許網(wǎng)絡(luò)接納更多的用戶.D2D通信技術(shù)是一種處理蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的本地流量問題的有吸引力的方法.在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信的最初動機(jī)是為了支持鄰近區(qū)域用戶之間通信,如:社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、媒體共享等.假設(shè)有鄰近通信的機(jī)會,D2D通信也可能增加頻譜效率,提高蜂窩覆蓋率,減少端至端延遲,或降低手持機(jī)功耗等.然而,盡管有這些潛在的收益,如果設(shè)計(jì)不當(dāng),D2D通信會對現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾[1].所以,由于D2D用戶和蜂窩用戶(CU)在相同頻譜的共存,使得通信中干擾管理具有極大的挑戰(zhàn)性[2].具體而言,就是D2D信號變成干擾的新來源,使蜂窩鏈路受到D2D傳輸?shù)目鐚痈蓴_,而D2D鏈接不僅會受到其他D2D用戶傳輸造成的干擾,而且會受到來自蜂窩網(wǎng)絡(luò)鏈路的跨層干擾.因此,為保證CU和D2D鏈接成功共存,干擾管理是必不可少的而且是極其重要的.功率控制是減輕無線網(wǎng)絡(luò)中的干擾的有效方法,它在當(dāng)前的無線系統(tǒng)中被廣泛地應(yīng)用.

文獻(xiàn)[3]對確定的單小區(qū)模型提出了一種簡單的功率控制方案,主要是調(diào)節(jié)D2D用戶的輸出功率來保護(hù)現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量.為了最大化蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的速率和,文獻(xiàn)[4]提出了一種功率分配與資源共享模式選擇相結(jié)合的方法.文獻(xiàn)[5]中針對只有一個D2D用戶接入的蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提出了一種動態(tài)的功率控制方案,其目標(biāo)是通過減輕D2D用戶對CU的干擾提高蜂窩系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能.文獻(xiàn)[6]中提出了一種基于頻分多址(FDMA)的功率控制方法來提高D2D通信系統(tǒng)的性能.上述文獻(xiàn)主要是通過控制功率來達(dá)到提高CU系統(tǒng)的通信速率的目的.本文作者為了最大化D2D用戶的速率和,抑制其他D2D用戶對D2D用戶的跨層干擾,提出了一種基于IA的功率控制算法,該算法首先使用IA技術(shù)使得所有的D2D對之間的干擾減小到最小;同時,控制每一對D2D用戶的功率,使在不對CU產(chǎn)生額外干擾的前提下使D2D用戶的速率和得到最大.

1系統(tǒng)模型

圖1　蜂窩網(wǎng)絡(luò)某小區(qū)中蜂窩用戶和D2D用戶共存的系統(tǒng)模型

圖2　蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜劃分圖

(1)

(2)

(3)

式(2)中rank()表示求矩陣的秩.當(dāng)來自其他D2D用戶的干擾都被消除后,式(1)簡化為:

(4)

則所有D2D對用戶在第d個子載波上的速率和可以表示為:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

其中Φd(f)是第d個子載波上的功率譜密度,功率譜密度的大小取決于D2D通信系統(tǒng)使用的多載波調(diào)制技術(shù),考慮正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù),則Φd(f)表示為:

(10)

(11)

2功率控制優(yōu)化模型

本文作者提出的基于IA的功率控制算法的主要目標(biāo)是在D2D用戶對CU的干擾不大于干擾閾值,且滿足總的傳輸功率限制不大于功率限制的條件下,使D2D用戶的總的吞吐量達(dá)到最大值.

D2D用戶的總吞吐量指標(biāo)用D2D用戶的速率和表示,則將所有D2D對用戶在第d個子載波上的速率和式(5)簡化為:

(12)

(13)

σ為噪聲干擾功率之和,

(14)

可以使用干擾對齊技術(shù)使所有的D2D用戶同時利用蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的空閑頻譜資源.此外,D2D用戶對CU的干擾的約束也應(yīng)包括在D2D用戶吞吐量優(yōu)化問題之中.因此,記該問題為問題P1,如下所示:

(15a)

(15b)

(15c)

(15d)

3仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出算法的有效性,對該算法進(jìn)行了仿真.仿真考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個小區(qū),小區(qū)中包含3個D2D用戶(L=3),且每個發(fā)送端和接收端配備兩個天線(MT=MR=2),1個CU占用10MHz的帶寬;傳輸符號長度n=1;根據(jù)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11a,每一個子載波頻帶帶寬Δf為0.3125MHz,共有64個子載波(D=64).噪聲干擾功率之和(σ)的值假設(shè)為-30dBm.所有的結(jié)果為超過100次迭代的平均,其中信道是零均值單位方差獨(dú)立同分布的高斯信道.

式(2)和(3)干擾對齊的條件可以通過預(yù)編碼矩陣實(shí)現(xiàn),表示為:

(16)

(17)

(18)

其中eign表示計(jì)算矩陣的特征列向量組成的矩陣,且第l個D2D用戶的接收端的干擾抑制矩陣可以由下式得到:

(19)

其中null(A)表示矩陣A的零空間的正交基作為列向量構(gòu)成的矩陣.

如果D2D用戶對的數(shù)目超過了可行性條件,用戶單元可以聚成不相交的集群,并在每個集群內(nèi)應(yīng)用IA技術(shù)[9].

為了對性能進(jìn)行比較,對以下算法進(jìn)行了仿真:

(1) 基于IA[10]:通過問題P1找到最佳的功率控制方案,物理層使用OFDM.

(2) 基于FDMA:分配功率,物理層使用OFDM.

圖3　D2D用戶速率總和相對于干擾閾值變化的仿真圖

4結(jié)論

本文作者研究了D2D用戶使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)空閑頻譜資源時的功率控制問題.首先給出了蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型和信道模型,優(yōu)化的目標(biāo)是在滿足D2D用戶對CU產(chǎn)生的干擾小于干擾閾值的前提下,使D2D用戶的速率和達(dá)到最大.為了解決這個問題,研究了一種基于IA的功率控制算法,并對該算法進(jìn)行了詳細(xì)的描述.通過仿真結(jié)果表明,所提出的算法提高了D2D用戶的總速率.但是該算法沒有考慮CU傳輸數(shù)據(jù)的速率,而且當(dāng)子載波數(shù)目和D2D用戶數(shù)不斷增多時,該算法的計(jì)算復(fù)雜度越來越高,需要對算法進(jìn)一步研究改進(jìn),降低其計(jì)算復(fù)雜度.

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(責(zé)任編輯：包震宇)

Device to device power control algorithm based on interference alignment

WANG Zhen, LI Li, WANG Bin, ZHANG Daoxu

(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Abstract:In this paper,we present a power control algorithm based on interference alignment (IA) for device to device(D2D) network.The algorithm provides the opportunity for all D2D Links to share the available subcarriers simultaneously using IA technique.Besides,it controls the power budget of each D2D pair in order to maximize the sum-rate of the system without inducing excessive interference to cellular users(CU).Simulations show that the proposed power control algorithm achieves a significant sum-rate increase up to 6 bit·s-1·Hz-1when the interference treshold is 10 dBm,which is compared with traditional prower control algorithm based on frequency division multiple access(FDMA).

Key words:power control; D2D network; interference alignment; sum-rate; FDMA

中圖分類號:TN 929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-5137(2016)02-0166-06

通信作者:李莉,中國上海市徐匯區(qū)桂林路100號,上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,郵編:200234,E-mail:lilyxuan@shnu.edu.cn

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61503251)

收稿日期:2016-01-06