D2D通信中一種資源分配與功率控制結合的方案*

王 蓉,江 帆,許騰駒,孫長印

(西安郵電大學通信與信息工程學院，西安　710121)

D2D通信中一種資源分配與功率控制結合的方案*

王 蓉**,江 帆,許騰駒,孫長印

(西安郵電大學通信與信息工程學院，西安710121)

以under1ay方式工作的D2D(Device-to-Device)通信通過資源共享復用蜂窩網(wǎng)絡中的資源,在提高系統(tǒng)資源利用率的同時,對已有蜂窩鏈路帶來了同頻干擾。為了減小因無線資源復用帶來的干擾,提出了一種資源分配與功率控制相結合的方法。以最小化系統(tǒng)干擾為目的,通過在D2D鏈路之間合理地分配資源,保證了蜂窩鏈路的通信質(zhì)量;同時動態(tài)地調(diào)整D2D鏈路的發(fā)射功率,在保證相應蜂窩鏈路干擾可控的情況下,合理提高了D2D鏈路的通信質(zhì)量。仿真結果表明,與現(xiàn)有方案相比,所提出的算法能夠有效地提高D2D通信與蜂窩用戶共存場景下的系統(tǒng)性能。

D2D通信;資源復用干擾;資源分配;功率控制

引用格式:王蓉，江帆，許騰駒，等.D2D通信中一種資源分配與功率控制結合的方案[J].電訊技術，2016，56(3)：295-301.[WANG Rong，JIANG Fan，XU Tengju，et a1.A joint method of resource a11ocation and Power contro1 for device-to-device(D2D)communication[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：295-301.]

1　引 言

隨著移動多媒體業(yè)務及應用的快速發(fā)展，蜂窩網(wǎng)絡需要處理的數(shù)據(jù)流量急劇地上升，直連通信[1]通過合理利用現(xiàn)有可用頻譜資源，成為提高系統(tǒng)性

能的一種重要技術，而D2D(Device-to-Device)通信技術[2]則是目前數(shù)據(jù)直通技術研究的重點。D2D通信是指在LTE系統(tǒng)控制下，物理距離較近的兩終端之間，不經(jīng)過基站(Evo1ved NodeB，eNB)中繼而直接進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g，從而減輕eNB負載，并且減小終端與eNB之間的路徑損耗，減少端到端的時延，尤其是使小區(qū)邊緣用戶通信質(zhì)量得到很大改善，提高小區(qū)覆蓋率。

目前D2D的工作方式主要分為over1ay和under1ay兩種[3]，前者指D2D鏈路使用與原有蜂窩鏈路頻譜資源正交的預留資源，鏈路間無干擾，但由于等待接入的D2D用戶數(shù)目的不確定性，系統(tǒng)的頻譜資源利用率較低；后者指D2D鏈路復用原有蜂窩鏈路的頻譜資源，相對于over1ay方式，under1ay的優(yōu)點是提高了頻譜利用率，但信令開銷較大[4]。為了提升有限頻譜資源的利用率，目前的研究點主要集中在后者[5]。不同于目前已有的WLAN、Wi-Fi、Ad-Hoc等直連通信技術，以under-1ay方式工作的D2D通信技術是受eNB控制的，使用授權頻帶傳輸數(shù)據(jù)，因此可靠性、安全性更高；與傳統(tǒng)的中繼頻譜資源復用相比，只需一些簡單控制信令，不會對eNB產(chǎn)生大的負荷[6]，端到端時延低，頻譜利用率更高[7]。本文將經(jīng)過eNB進行中繼通信的常規(guī)用戶稱為蜂窩用戶，記作CUE(Ce11u1ar UE)，采用D2D模式通信的用戶稱為D2D用戶對，記作DUE(D2D UE)。

為了減小由于D2D在under1ay方式下復用CUE的資源造成的同頻復用干擾，目前已有很多相關研究，其中資源分配、功率控制是研究的重點[7-8]。文獻[9]以空口為背景，提出了一種基于業(yè)務質(zhì)量的D2D資源分配方案；文獻[10]提出了一種只考慮個體干擾的資源分配方案，但忽視了系統(tǒng)整體受到的干擾；文獻[11]提出在多層小區(qū)系統(tǒng)中通過高優(yōu)先級用戶發(fā)送命令進行功率控制的方案；文獻[12]提出動態(tài)調(diào)整D2D發(fā)射功率的方案，但沒有區(qū)分復用資源的上下行模式，影響了功率控制的效果。基于以上文獻[10，12]存在的一些問題，并考慮到D2D通信以under1ay方式與蜂窩用戶共存場景下的資源分配及干擾管理所面臨的挑戰(zhàn)，本文首先以最小化系統(tǒng)干擾為目的，通過為D2D鏈路合理地分配復用資源，保證蜂窩鏈路的通信質(zhì)量；同時適當?shù)卣{(diào)整D2D鏈路的發(fā)射功率，在保證蜂窩鏈路干擾可控的情況下，使D2D鏈路的通信質(zhì)量得到合理提升。

2　系統(tǒng)模型及干擾分析

2.1系統(tǒng)模型

所考慮的系統(tǒng)由7個正交正六邊形小區(qū)組成，采用正交頻分復用技術(Orthogona1 Frequency Division Mu1tiP1exing，OFDM)，以保證同小區(qū)內(nèi)蜂窩鏈路之間不存在干擾。假定蜂窩網(wǎng)絡是采用時分雙工(Time Division DuP1exing，TDD)模式，整個系統(tǒng)是同步的，所有eNBs都是同時使用上行鏈路資源或者同時使用下行鏈路資源，以保證上下行傳輸之間不存在干擾。

每個小區(qū)所分配的頻帶是相同的，包含K個物理資源塊(Physica1 Resource B1ock，PRB)。為提高系統(tǒng)頻譜利用率，D2D通信采用基于under1ay的工作方式，即D2D用戶復用CUE已用的PRBs。每個小區(qū)中有N個CUE組成集合C={CUE1，CUE2，…，CUEN}，CUE位置隨機分布，且N≤K，等待接入的D2D通信雙方以D2D用戶對的形式組成集合D，D ={DUE1，DUE2，…，DUEM}，D2D對也是隨機分布的，且M≤N。另外，為了控制D2D的資源復用對CUE帶來的干擾，要求每條蜂窩鏈路最多只能由一對D2D進行復用，并且一個D2D對最多復用一條蜂窩鏈路的資源。為了清楚表示，下文將D2D對的發(fā)射端、接收端分別表示為D2D-Tx、D2D-Rx。

2.2干擾分析

首先分析DUE復用蜂窩上、下行鏈路不同場景下的干擾情況，如圖1所示。其中eNB與用戶CUEk間信道的信干噪比(Signa1 to Interference P1us Noise Ratio，SINR)估算公式為

式中：Pk為eNB與CUEk間蜂窩鏈路的發(fā)射功率；Pi為DUEi發(fā)射端D2D-Tx的發(fā)射功率；小區(qū)間干擾信號強度Iinter，由文獻[13]進行干擾測量得到；N0為接收端接收到的熱噪聲；xi，k表示DUEi復用蜂窩鏈路k的資源復用因子，取值為0或1，即

圖1　D2D復用蜂窩鏈路資源的干擾情況Fig.1 The interference between D-1ink and C-1ink

鏈路發(fā)射端到接收端的信道增益用G表示，計算公式為

式中：PL、shadowing分別代表收發(fā)端之間的路徑損耗、陰影衰落[12]。因此，根據(jù)公式(3)可以計算得到公式(1)中eNB與CUEk間鏈路的信道增益Gk、D2D-Txi與蜂窩鏈路接收端間的干擾信道增益Gi，k。如圖1所示，以DUE復用CUE的下行鏈路資源為例，如果DUE復用距離較近的CUE的鏈路資源，即使D2D-Tx的發(fā)射功率較小，CUE也會受到較大干擾[7]。同樣地，復用上行鏈路時，若D2D對隨機復用CUE的鏈路資源，D2D-Rx可能會受到較大的干擾。因此如何令D2D對合理地復用已有的蜂窩鏈路資源，從而協(xié)調(diào)由于資源復用所帶來的干擾是D2D資源分配必須解決的問題。

文獻[10]研究了上行鏈路復用的干擾情況，由于上、下行研究方法類似，只是受干擾方有所不同，因此本文僅以復用下行鏈路為例來進行研究。

3　資源分配

本文以復用下行蜂窩鏈路資源為例，首先分析目前已有的研究方案，并在此基礎上提出一種基于整體干擾最小的資源分配策略，以保證D2D用戶全部接入情況下，對原有蜂窩鏈路造成的干擾最??；最后比較不同的資源分配策略的性能。

3.1隨機資源分配(Random Assignment,RA)策略

文獻[14]介紹了一種隨機資源復用算法，即完全不考慮資源復用帶來的干擾對雙方的影響，隨機地為D2D對分配CUE的頻譜資源進行復用。

3.2基于個體干擾最小的資源分配(Individual Optimization,IO)策略

文獻[10]提出了一種基于個體干擾最小的資源分配策略，該策略的基本思想是先將本小區(qū)內(nèi)D2D用戶對的收發(fā)間信道增益進行估計，記為Gi(i =1，2，…，M)，優(yōu)先為鏈路質(zhì)量好的D2D對選擇復用的資源，并且選擇受到此D2D對干擾最小的CUE的資源進行復用，然后為鏈路質(zhì)量次優(yōu)的D2D對選擇合適的復用資源，直到為所有等待接入的D2D對都分配到資源為止。因此，該方案可以表示為個體干擾最小的資源分配算法，即IO。

設Ii，k表示DUEi復用CUEk的PRB時，CUEk受到的D2D-Txi的干擾，xi，k表示D2Di對于CUEk鏈路資源的復用情況，IO算法如下：

(1)初始化等待接入的DUEs集合D'=D，處于通信狀態(tài)的CUEs集合C'=C；

(2)for i=1：M(DUE用戶對的序號1～M)

得到的所有xi，k(i=1，2…，M，k=1，2…，N)組成X矩陣對應相應的資源分配情況。

3.3啟發(fā)式算法:基于整體干擾最小(Overall Op

timization,OO)的資源分配策略

文獻[10]提出的方案在為D2D對分配資源時，只考慮了此D2D對造成的干擾最小化，而不是從整體的角度進行DUEs與CUEs之間的配對。參考文獻[10]，本文提出了基于整體干擾最小的資源分配策略(OO)，該策略的基本思想是最小化整體蜂窩鏈路所受干擾，具體實現(xiàn)思路如下：

(1)首先遍歷得到每個D2D對若復用不同CUE的鏈路資源時造成的所有干擾值Ii，k(i=1，2…，M；k=1，2…，N)，組成干擾矩陣IM×N作為效率矩陣；

(2)所有D2D對接入時，以蜂窩鏈路受到的總干擾最小為目標，將干擾最小化問題轉(zhuǎn)化為對資源復用因子xi，k(i=1，2，…，M；k=1，2，…，N)進行0-1最優(yōu)指派問題[15-16]，在所有配對組合中找到最合適的一種作為最佳分配策略；

(3)以蜂窩系統(tǒng)受到的總干擾最小為目標，根據(jù)得到的干擾矩陣IM×N，利用匈牙利算法[16]，對干擾矩陣變換得到各行、各列均有零元素的矩陣，然后判斷并得到M個獨立零元素(在干擾矩陣中，一組處在不同行、不同列的零元素稱為獨立零元素組，其中的每個元素稱為獨立零元素)，從而得到最優(yōu)指派方案，即DUE的資源復用的決策矩陣XM×N。

具體算法描述如下：

(1)初始化等待接入的DUEs對數(shù)m=M，處于通信狀態(tài)的CUEs數(shù)目n=N；

(2)遍歷計算所有情況下CUEs受到的D2D用戶對的同頻干擾Ii，k：

(3)用Hungarian算法進行資源分配：

4　功率控制(Power Control,PC)

包含D2D通信在內(nèi)的蜂窩系統(tǒng)中，由于各類用戶及eNB的發(fā)射功率對于系統(tǒng)鏈路之間的干擾較大，需要考慮如何在DUE以及CUE和eNB之間合理地分配功率。因此，為D2D對分配頻譜資源后，需要對D2D-Tx的發(fā)射功率Pd進行調(diào)整，以提高D2D對的通信質(zhì)量，同時避免對相應鏈路造成太大干擾。

文獻[12]提出了一種動態(tài)功率控制算法，通過周期性地對每對D2D-Tx的發(fā)射功率Pd進行調(diào)整，以保證D2D鏈路對相應CUEs的干擾可控。其中，eNB調(diào)整每個Pd的標準就是保證相關的eNB，以及本小區(qū)和鄰小區(qū)內(nèi)相關CUEs受到的該D2D-Tx的干擾值都在可忍受范圍內(nèi)，但是該方法沒有區(qū)分D2D復用的資源是蜂窩上行鏈路資源還是下行的。本文采用的功率控制方法是基于文獻[12]所提方法的改進，對D2D通信復用的鏈路資源加以區(qū)分，這樣對Pd的限制條件也就減少了。

同樣以復用下行鏈路資源為例，由圖2可知，D2D-Tx對本小區(qū)CUE造成干擾，同時對鄰小區(qū)也造成干擾，需要將頻率復用所引起的干擾值限定在CUE可忍受的范圍內(nèi)[12]。

圖2　D2D功率控制的干擾限制條件Fig.2 The restrictions of the transmit Power of D2D-Tx Pd

假設第i對D2D復用本小區(qū)CUEk的下行鏈路資源，則要保證本小區(qū)CUEk接收到D2D-Txi的干擾功率小于預先設定的干擾門限值；同時由于D2D -Txi對鄰小區(qū)相應蜂窩鏈路也可能造成干擾，因此，選擇鄰小區(qū)有可能接收到該D2D-Tx干擾功率最大的位置(該邊緣位置記作edge)作為參考(在實際應用場景中，并不需要得到edge的具體位置，而只需要得到D2D-Tx到鄰小區(qū)邊緣位置的最小距離即可)，需要滿足該位置接收到的D2D-Tx的干擾功率值也小于設定的門限值。設D2D-Txi的發(fā)射功率記為Pdi，首先由公式(3)得到D2D-Tx到兩個受干擾位置的信道增益分別為Gi，k、Gi，edge，則本小區(qū)CUEk及邊界edge處接收到的該D2D對的干擾功率需要滿足

式中：γth為設定的門限值，該值表示接收端可以忍受的最大干擾功率。為使相應蜂窩鏈路的通信質(zhì)量得到保證，D2D-Txi的發(fā)射功率需要同時滿足

因此，在此取D2D-Txi的發(fā)射功率為

5　性能仿真及分析

系統(tǒng)模型為7小區(qū)模型，仿真參數(shù)選用3GPP LTE所規(guī)定的OFDMA系統(tǒng)的參數(shù)[17]，如表1所示。為了作比較，對采用不同的頻率資源復用和功率控制方案時，系統(tǒng)中用戶的SINR和吞吐量分別進行仿真。

表1　仿真參數(shù)設定Tab.1 Simu1ation Parameters

在仿真中，before表示蜂窩系統(tǒng)中未引入D2D通信的情況，其中OONPC、IONPC、RANPC分別表示不考慮功率控制時整體干擾最小資源分配方案、個體干擾最小資源分配方案以及隨機資源分配方案；OOPC、IOPC、RAPC則分別表示以上3種不同的資源分配方案與改進的功率控制結合的方案；而PC為Gu等人提出的功率控制方案[12]，該方案并沒有考慮資源分配的情況。

5.1不同資源分配策略性能比較

考慮無功率控制情況下系統(tǒng)傳輸?shù)男阅堋ＹY源分配方式采用第3節(jié)中的3種不同的資源分配方法，D2D-Tx以恒定的發(fā)射功率進行通信，蜂窩鏈路的信干噪比分布情況如圖3所示。從圖3中可以看出，因D2D通信的引入對蜂窩鏈路造成同頻干擾，使蜂窩用戶的鏈路質(zhì)量變差，并且OONPC的蜂窩用戶SINR分布大概比IONPC高5 dB，比RANPC高15 dB，這是由于OONPC算法找到了使整個系統(tǒng)中CUEs受到的干擾最小的最佳配對策略，而IONPC算法只考慮個體，不考慮其他D2D對造成的干擾，CUE整體所受干擾相對較大，對于RANPC算法由于采用隨機復用策略，CUEs通信性能更差。

圖3　無功率控制時不同資源分配方案CUEs性能比較Fig.3 SINR of C-1inks using different resource a11ocation methods without Power contro1

5.2功率分配與不同資源分配策略結合

考慮功率控制之后，采用3種資源分配算法的蜂窩用戶SINR分布情況仿真結果如圖4所示。從圖4中可以看出，與圖3相比，加功率控制后OOPC和IOPC的分布都變差了一些，這是由于系統(tǒng)為DUE分配了較遠的CUE，DUE對CUE產(chǎn)生的干擾較小，會適當?shù)卦龃驪d，因此CUE的SINR有所降低。而RAPC因為給DUE分配的CUE可能距離比較近，DUE造成干擾較大，進行功率控制會適當降低Pd，因而CUE的SINR分布會有所提高。而RAPC與PC幾乎重合，原因是雖然RAPC對Pd的限制少了，但由于經(jīng)過路徑損耗，Pd的提高對相應CUE的影響較小?？傮w來看，采用OOPC后，CUE的SINR分布更好，雖然相比OONPC差一些，但是影響較小。

圖4　資源分配與功率控制結合后CUEs性能比較Fig.4 SINR of C-1inks with different strategies

圖5給出了不考慮功率控制的條件下采用OONPC資源分配方法為D2D傳輸分配頻譜資源時，D2D鏈路的信干噪比分布情況。由于在未考慮功率控制之前，D2D復用下行蜂窩鏈路資源，所以受到的干擾來自eNB，與所分配資源無關。因此當D2D-Tx端采用恒定發(fā)射功率時，3種資源分配算法D2D的SINR分布是相同的，在此畫出了對應曲線OONPC。

圖5　采用不同方案DUEs的性能比較Fig.5 SINR of D-1inks with different strategies

而結合所提出的功控算法之后的3種方法，DUE的SINR都變得更好，而且，OOPC要比IOPC的分布高3～4 dB，要比RAPC高3 dB，這是由于采用OOPC策略時DUE對CUE造成的干擾較小，調(diào)整Pd值后，高于其他兩種算法，直接影響了DUE的SINR分布。Gu[12]等提出的功率控制方案PC，由于對D2D發(fā)射功率限制較多，Pd值較小，導致DUE的SINR分布較差?？傮w來看，采用OOPC之后，DUE的SINR分布最好。

5.3系統(tǒng)吞吐量

通過對系統(tǒng)的吞吐量進行仿真，結果如圖6所示。可以看出采用3種不同資源分配方案在加入功率控制后，系統(tǒng)吞吐量與之前相比都有提高。這是因為加入功率控制后，雖然對蜂窩鏈路造成一些影響，但D2D鏈路質(zhì)量較好，整體吞吐量得到提高。而且采用了所提出的OOPC方案后，系統(tǒng)吞吐量分布最優(yōu)。因此，可以得出引入D2D通信之后，通過采用合理的資源分配與功率控制結合的策略，可以有效提高系統(tǒng)吞吐量。

圖6　采用不同方案時系統(tǒng)吞吐量分布情況Fig.6 System throughPut with different methods

6　結束語

D2D通信的引入顯著地減輕了eNB的負載壓力，并且工作在under1ay方式的D2D通信提高了系統(tǒng)的頻譜利用率，但由于復用原有蜂窩鏈路的資源又引入了新的干擾。為減小此復用干擾，本文提出了一種將資源分配與功率控制結合的算法。通過性能仿真，驗證了該算法通過基于整體干擾最小的資源分配方法在一定程度上協(xié)調(diào)了D2D引入的干擾，并結合所提出的功率控制方法有效地提高了D2D用戶的通信性能，同時不會對蜂窩鏈路帶來較大的影響，而且提高了系統(tǒng)的吞吐量。所提出的算法可以有效解決D2D與蜂窩用戶共存場景下的資源分配和干擾控制問題。與已有算法相比，所提出的算法能更有效地提高系統(tǒng)性能。但目前的研究僅考慮了D2D對分布較少的場景，在今后的工作中會考慮D2D用戶大規(guī)模分布的場景，進一步降低算法的復雜度。

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王 蓉(1990—)，女，河北衡水人，2013年于石家莊學院獲工學學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為寬帶無線通信、D2D通信的干擾協(xié)調(diào)技術；

WANG Rong was born in Hengshui，Hebei Province，in 1990.She received the B.S.degree from Shijiazhuang University in 2013.She is now a graduate student.Her research concerns wideband wire-1ess communication，interference coordination techno1ogy of device-to-device communications under1aying ce11u1ar network.

Emai1：18729224395@163.com

江 帆(1982—)，女，2010年于北京郵電大學獲工學博士學位，現(xiàn)為副教授、碩士生導師，主要研究方向為超密異構網(wǎng)絡、D2D通信、協(xié)作中繼網(wǎng)絡等；

JIANG Fan was born in 1982.She received the Ph.D.degree from Beijing University of Posts and Te1ecommunications in 2010.She is now an associate Professor and a1so the instructor of graduate students.Her research concerns u1tra dense heterogeneous network architecture，D2D communications，cooPerative re-1ay network.

許騰駒(1990—)，男，2013年于西安電子科技大學獲工學學士學位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向為未來5G系統(tǒng)中的D2D通信的中繼接入技術；

XU Tengju was born in 1990.He received the B.S.degree from Xidian University in 2013.He is now a graduate student. His research concerns the re1ay access techno1ogy of device-todevice communications in 5G te1ecommunication network.

孫長印(1963—)，男，2000年于西安電子科技大學雷達信號處理重點實驗室獲博士學位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為下一代無線通信技術。

SUN Changyin was born in 1963.He received the Ph.D. degree from Xidian University in 2000.He is now an associate Professor.His research concerns interference management and radio resource management in the evo1ved mobi1e communication system.

A Joint Method of Resource Allocation and Power Control for Device-to-Device(D2D)Communication

WANG Rong，JIANG Fan，XU Tengju，SUN Changyin
(Schoo1 of Communication and Information Engineering，Xi'an University of Posts and Te1ecommunications，Xi'an 710121，China)

By sharing the resource with ce11u1ar users，device-to-device(D2D)communication under1aying ce11u1ar network can imProve the system resource uti1ization.But unfortunate1y，frequency reuse interference wi11 be introduced between D2D users and ce11u1ar users.In order to coordinate the co-channe1 interference，a combined strategy of resource a11ocation with Power contro1 is ProPosed in this PaPer.The Pro-Posed strategy a11ocates resource to D2D 1inks based on the overa11 system oPtimization for minimum interference.Furthermore，each D2D transmitter can dynamica11y adjust the transmit Power so as to imProve the qua1ities of D2D Pairs whi1e ensuring the interference to ce11u1ar users to remain in a to1erab1e range.Simu1ation ana1ysis demonstrate that comPared with the existing methods，the ProPosed method can effective1y imProve overa11 system Performance.

D2D communication；frequency reuse interference；resource a11ocation；Power contro1

The Nationa1 Natura1 Science Foundation of China(No.61501371);The Nationa1 High-tech R&D Program of China(863 Program)(2014AA01A703);The Natura1 Science Foundation of Shaanxi Province(2011JM8027);The Science and Techno1ogy Research and Deve1oPment Program of Shaanxi Province(2014K09-14)

TN929.5

A

1001-893X(2016)03-0295-07

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.011

2015-07-29;

2015-11-20 Received date:2015-07-29;Revised date:2015-11-20

國家自然科學基金資助項目(61501371);國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2014AA01A703);陜西省自然科學基金資助項目(2011JM8027);陜西省科技攻關計劃項目(2014K09-14)

**通信作者:18729224395@163.com Corresponding author:18729224395@163.com