全雙工D2D通信系統(tǒng)下的一種資源分配算法*

黃 巍，柯文韜，張海波，楊 雄，梁云錦

（1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.陸軍重慶軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，四川 成都610036；3.重慶郵電大學(xué) 寬帶移動(dòng)通信動(dòng)員中心，重慶 400065）

全雙工D2D通信系統(tǒng)下的一種資源分配算法*

黃 巍1，2，柯文韜1，張海波3，楊 雄1，梁云錦1

（1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.陸軍重慶軍事代表局駐成都地區(qū)軍事代表室，四川 成都610036；3.重慶郵電大學(xué) 寬帶移動(dòng)通信動(dòng)員中心，重慶 400065）

將全雙工技術(shù)運(yùn)用到D2D(Device-to-Device)通信中，可以增大D2D用戶(hù)的吞吐量進(jìn)而提高系統(tǒng)吞吐量，但全雙工通信帶來(lái)的自干擾也不可避免?？紤]多個(gè)D2D用戶(hù)對(duì)可共享相同的蜂窩用戶(hù)資源，此時(shí)D2D用戶(hù)對(duì)之間將產(chǎn)生同頻干擾。針對(duì)該問(wèn)題，在系統(tǒng)中用戶(hù)正常通信的前提下，提出了一種基于圖論中點(diǎn)著色的資源分配算法。該算法將D2D用戶(hù)對(duì)之間的同頻干擾限制在可接受范圍內(nèi)，利用圖論中圖的點(diǎn)著色算法協(xié)調(diào)D2D用戶(hù)對(duì)和蜂窩用戶(hù)之間的資源以最大化系統(tǒng)的吞吐量。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的半雙工D2D通信，該算法有效地提高了D2D用戶(hù)的通信質(zhì)量，并提升了整個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。

D2D通信；全雙工；多共享模式；資源分配

0 引言

作為 5G通信的關(guān)鍵候選技術(shù)之一，D2D通信[1，2]可以通過(guò)復(fù)用蜂窩用戶(hù)頻譜資源的方式提高頻譜利用率，并且減輕基站負(fù)載。D2D通信被用于短距離終端間的通信，而將全雙工通信運(yùn)用于短距離通信時(shí)，終端性能將得到更大提升，故將全雙工技術(shù)運(yùn)用在D2D通信中。

目前資源分配的研究大多集中于半雙工D2D通信[3-5]中。近年來(lái)，隨著自干擾消除技術(shù)的日漸成熟，專(zhuān)家、學(xué)者開(kāi)始研究全雙工D2D通信。文獻(xiàn)[6]提出了一種簡(jiǎn)單的全雙工D2D通信協(xié)議，該協(xié)議提高了帶寬效率和系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[7]提出了基于干擾受限區(qū)域資源分配方案，結(jié)果表明處于全雙工D2D通信下D2D鏈路吞吐量接近半雙工的兩倍。文獻(xiàn)[8]以系統(tǒng)吞吐量最大化為目標(biāo)，提出一種圖論中圖著色的全雙工資源分配方案，但該文獻(xiàn)未考慮自干擾所帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[9]以最大化D2D用戶(hù)數(shù)量為目標(biāo)，提出了多個(gè)D2D對(duì)復(fù)用單個(gè)蜂窩用戶(hù)資源的方案，但是該方案并未涉及D2D用戶(hù)間的同頻干擾。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于保障蜂窩用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的啟發(fā)算法，但復(fù)雜度過(guò)大。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文針對(duì)全雙工通信場(chǎng)景，解決多對(duì)D2D用戶(hù)復(fù)用同一個(gè)蜂窩用戶(hù)資源的資源分配問(wèn)題，提出了一種支持全雙工D2D通信的資源分配算法。該算法在保證蜂窩用戶(hù)與D2D用戶(hù)服務(wù)質(zhì)量的前提下，通過(guò)圖論中點(diǎn)著色理論來(lái)對(duì)D2D用戶(hù)進(jìn)行資源分配。

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，假設(shè)D2D復(fù)用蜂窩用戶(hù)上行鏈路資源，其中有K個(gè)D2D用戶(hù)對(duì)、N個(gè)蜂窩用戶(hù)均隨機(jī)分布在小區(qū)中。

圖1 全雙工D2D通信系統(tǒng)模型

假設(shè)處于同一對(duì)D2D鏈路下的D2D用戶(hù)使用相同的發(fā)射功率，且鏈路增益相同。第i個(gè)(i=1，…，N)蜂窩用戶(hù)的發(fā)射功率定義為，第j對(duì)D2D用戶(hù)對(duì)中的D2D用戶(hù)的發(fā)射功率定義為 PDj，蜂窩用戶(hù)到基站的鏈路增益為GCi，BS，第i個(gè)蜂窩用戶(hù)到第j對(duì) D2D用戶(hù)中的第l(l∈{1，2})個(gè) D2D用戶(hù)鏈路增益為 GCi，Dj，l，第j對(duì)D2D用戶(hù)中的第l(l∈{1，2})個(gè) D2D用戶(hù)到基站的鏈路增益為 GDj，l，BS，N0為高斯白噪聲。如果第i個(gè)蜂窩用戶(hù)的上行鏈路資源被第j對(duì)D2D用戶(hù)復(fù)用，則mi，j=1；反之，mi，j=0。

根據(jù)以上分析，小區(qū)內(nèi)被復(fù)用蜂窩用戶(hù)的信干噪比可由下式得出：

其中，1≤i≤N，1≤j≤K，l∈{1，2}。

如果第i個(gè)蜂窩用戶(hù)的上行鏈路資源被第j對(duì)D2D用戶(hù)復(fù)用，則第j對(duì)D2D鏈路中的第l個(gè)D2D用戶(hù)的信干噪比(SINR)可得出：

假設(shè)D2D用戶(hù)的自干擾為：

則蜂窩用戶(hù)的吞吐量表示為：

D2D用戶(hù)的吞吐量之和可以表示為：

根據(jù)上述條件，全雙工D2D通信場(chǎng)景下最大化系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化模型如下：

其中，式(9)表示一個(gè)D2D對(duì)只能復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶(hù)的信道資源。

2 基于圖著色理論的資源分配算法

為了求解上述問(wèn)題，本文從圖論的角度考慮，將D2D資源分配問(wèn)題轉(zhuǎn)化為圖論中的點(diǎn)著色問(wèn)題。

根據(jù)D2D用戶(hù)對(duì)彼此之間同頻干擾的關(guān)系，構(gòu)建出一個(gè)干擾圖G=(V，E)，集合V中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示小區(qū)中的D2D用戶(hù)對(duì)，集合E表示連接D2D用戶(hù)對(duì)的邊。若D2D用戶(hù)對(duì)x和D2D用戶(hù)對(duì)y之間存在不可容忍的干擾，則用邊連接x與 y節(jié)點(diǎn)；反之，不連線。

干擾圖中的兩點(diǎn)間如果產(chǎn)生連線，則表明對(duì)應(yīng)的D2D通信對(duì)之間的同頻干擾較大，無(wú)法復(fù)用同一蜂窩資源，反之為潛在的可復(fù)用資源。在完成干擾圖的構(gòu)建之后，將對(duì)圖進(jìn)行點(diǎn)著色。著色函數(shù)記為π，點(diǎn)著色數(shù)記為τ，將進(jìn)行著色的點(diǎn)按照定點(diǎn)度的大小降序排列。算法偽代碼如下所示。

基于圖著色資源分配算法：

3 仿真分析

為了便于實(shí)現(xiàn)，本文在單小區(qū)場(chǎng)景下對(duì)提出的算法進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

由圖2可以看出，當(dāng)基站收到干擾增大時(shí)，D2D用戶(hù)的總吞吐量也增大，此時(shí)D2D通信對(duì)數(shù)目隨之不斷增加。當(dāng)自干擾消除為95 dB時(shí)，半雙工（HD）模式表現(xiàn)優(yōu)于全雙工(FD)；當(dāng)自干擾消除為 105 dB和110 dB時(shí)，全雙工D2D通信模式表現(xiàn)更佳。

圖2 基站所受干擾對(duì)D2D用戶(hù)總吞吐量的影響

圖3表示單一D2D鏈路通信的中斷概率與基站收到干擾的關(guān)系。相比于半雙工D2D通信用戶(hù)，每個(gè)全雙工D2D用戶(hù)將會(huì)受到更大的干擾。

圖3 基站所受干擾對(duì)單個(gè)D2D用戶(hù)通信中斷概率的影響

圖4表示系統(tǒng)吞吐量隨著自干擾的變化趨勢(shì)。由于半雙工系統(tǒng)的吞吐量不受自干擾影響，故保持不變。本文采用的圖著色資源分配算法有效協(xié)調(diào)多個(gè)D2D用戶(hù)能夠復(fù)用同一個(gè)蜂窩資源所帶來(lái)的同頻干擾。相比于傳統(tǒng)的單一復(fù)用模式，本算法提高了系統(tǒng)的吞吐量。

圖4 自干擾對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響

圖5表示系統(tǒng)中D2D對(duì)數(shù)的增加對(duì)參與復(fù)用的D2D對(duì)平均數(shù)的影響。運(yùn)用本文算法使得系統(tǒng)中能夠復(fù)用蜂窩用戶(hù)資源的D2D用戶(hù)數(shù)量多于半雙工D2D鏈路數(shù)量的一半，進(jìn)而有效減小了同頻干擾。因此合理使用全雙工D2D通信模式將會(huì)帶來(lái)一定收益。

圖5 D2D對(duì)的總數(shù)目與參與復(fù)用的D2D對(duì)的平均數(shù)目間的關(guān)系

4 結(jié)論

蜂窩系統(tǒng)中的多對(duì)一D2D通信模式能夠充分利用有限的頻譜資源，從而提高系統(tǒng)吞吐量，但系統(tǒng)中所產(chǎn)生的干擾也將更為嚴(yán)重。本文所提算法在滿(mǎn)足系統(tǒng)中所有用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量QoS的約束條件下，通過(guò)圖著色算法給D2D用戶(hù)有效地分配資源，將D2D用戶(hù)間的同頻干擾控制在可接受范圍內(nèi)，從而提高系統(tǒng)的吞吐量。但該研究并未涉及功率優(yōu)化，因此對(duì)系統(tǒng)中用戶(hù)的功率控制有待進(jìn)一步研究。

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A multi-sharing resource allocation scheme for full-duplex D2D communications underlaying cellular networks

Huang Wei1，2，Ke Wentao1，Zhang Haibo3，Yang Xiong1，Liang Yunjin1
(1.Key Lab of Mobile Communication Technology，Chongqing University of Post and Telecommunications，Chongqing 400065，China；2.Military Representative Office in Chengdu Region，Chengdu 610036，China；3.Broadband Mobile Communication Center，Chongqing University of Post and Telecommunications，Chongqing 400065，China)

In order to increase the throughput of Device-to-Device(D2D)pairs and overall system,full-duplex(FD)communication is adopted to D2D communication.However,the self-interference(SI)brought by FD is inevitable.This paper considers that the D2D pairs can share the same resource of one cellular user,meanwhile,co-channel interference will be caused between those D2D pairs.The paper proposes a graph theory-based resource allocation scheme so as to mitigate such interference under the precondition of the signal-to-noise-plus-interference-ratio(SINR)of the cellular users and D2D satisfaction,then uses graph coloring algorithm to coordinate resource allocation between D2D users and cellular users so as to maximize system throughput.Compared with either traditional half-duplex(HD)D2D communication or single D2D pair shares single cellular user’s resource mode,the simulating analyses show that the scheme can increase the communication quality of D2D pairs and enlarge the overall system capacity of cellular network efficiently.

D2D communication；full duplex；multi-sharing mode；resource allocation

TN929.5

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.024

黃巍，柯文韜，張海波，等.全雙工 D2D通信系統(tǒng)下的一種資源分配算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (12)：93-96.

英文引用格式：Huang Wei，Ke Wentao，Zhang Haibo，et al.A multi-sharing resource allocation scheme for full-duplex D2D communications underlaying cellular networks[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：93-96.

2016-05-18）

黃?。?968-），男，博士，教授，主要研究方向：寬帶無(wú)線接入技術(shù)。

柯文韜（1992-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：D2D通信，E-mail：kwt92229@163.com。

張海波（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：D2D通信。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)（2015AA01C303）；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1299)