D2D通信中基于服務(wù)質(zhì)量的資源分配算法

孫文勝，苗紅亮

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

D2D通信中基于服務(wù)質(zhì)量的資源分配算法

孫文勝，苗紅亮

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

直連通信技術(shù)可以提升頻譜效率，改善頻譜資源日益緊張的現(xiàn)狀.當(dāng)直連用戶復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源時，會產(chǎn)生同頻干擾.為此，提出了一種基于服務(wù)質(zhì)量的資源分配算法，以兩種用戶的發(fā)射功率為約束條件，以最大化直連通信用戶總?cè)萘繛槟繕?biāo)函數(shù)，建立凸優(yōu)化問題，通過拉格朗日乘子法求得最優(yōu)解.仿真結(jié)果顯示，與已有的貪婪算法和隨機(jī)分配算法相比，在保證服務(wù)質(zhì)量的同時能夠有效地協(xié)調(diào)干擾，增加系統(tǒng)總?cè)萘?

直連通信；服務(wù)質(zhì)量；資源分配；拉格朗日乘子法

0 引 言

直連通信(Device-to-Device，D2D)就是當(dāng)兩個用戶終端距離較近時，在基站的控制下直接傳輸數(shù)據(jù)，而不需要經(jīng)過基站中繼轉(zhuǎn)發(fā).D2D用戶可復(fù)用蜂窩用戶頻譜資源，提高頻譜資源利用率，但頻譜復(fù)用會產(chǎn)生同頻干擾[1].文獻(xiàn)[1]通過迭代組合拍賣算法為D2D用戶分配信道資源，利用線性價格匿名提高資源分配的公平性.文獻(xiàn)[2]提出了基于貪婪策略集中式資源調(diào)度算法，證明了以非合作博弈論建立的問題可收斂到唯一的納什均衡點.文獻(xiàn)[3]提出了比率公平資源調(diào)度算法，用權(quán)重因子表示系統(tǒng)公平性，有效地解決了邊緣用戶長期分配不到資源的問題.文獻(xiàn)[4]通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)過程分配資源，以蜂窩用戶和D2D對之間的干擾為效用函數(shù)，對應(yīng)策略是D2D對在各個信道上的功率.文獻(xiàn)[5]引入了復(fù)用限制域的概念，以系統(tǒng)容量最大化為目標(biāo)進(jìn)行資源分配，允許單個D2D對復(fù)用多個蜂窩用戶資源，提高了系統(tǒng)總?cè)萘?

以上研究主要通過信道分配和功率控制來協(xié)調(diào)干擾，但都假設(shè)D2D對的發(fā)射功率相同且為固定值，只對蜂窩用戶進(jìn)行功率控制[2].該假設(shè)不具有一般性，實際情況下D2D對的發(fā)射功率也可以根據(jù)干擾情況不同而不同.比如，文獻(xiàn)[5]只考慮了對蜂窩用戶進(jìn)行功率控制，未考慮D2D對的發(fā)射功率.本文針對當(dāng)前研究的不足，在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，提出了一種基于蜂窩系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)的資源分配算法，以蜂窩用戶和D2D對的發(fā)射功率為約束條件，建立凸優(yōu)化問題并利用拉格朗日乘子法求解最優(yōu)功率，在頻譜效率和系統(tǒng)性能上都有較大的提升.

1 系統(tǒng)模型及問題描述

1.1 系統(tǒng)模型

D2D對可復(fù)用蜂窩用戶的上行頻段或下行頻段[3].復(fù)用上行頻段時，D2D發(fā)射端會對基站造成干擾，但基站抗干擾能力強(qiáng)，可以較好地協(xié)調(diào)干擾.同時，上行頻段的資源利用率較低，有一部分空閑資源.鑒于以上原因，本文在LTE-FDD系統(tǒng)下復(fù)用蜂窩用戶的上行頻段.

圖1 單小區(qū)環(huán)境下系統(tǒng)模型

1.2 問題描述

假設(shè)系統(tǒng)中D2D對j復(fù)用蜂窩用戶i的信道k.此時基站受到來自D2Dj發(fā)射端的干擾，同時蜂窩用戶CUi也會對D2Dj接收端產(chǎn)生干擾.在蜂窩系統(tǒng)中，QoS是反映系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，信干噪比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，SINR)是保證QoS的重要指標(biāo)，因此本文用SINR作為保證QoS的指標(biāo)[4].由信道增益可求得CUi和D2Dj的SINR分別為

(1)

(2)

2 資源分配算法

本文所提出的資源分配算法可概括為以下兩個步驟：1)設(shè)計一種信道分配方案，使單個D2D對盡可能多地復(fù)用蜂窩用戶的信道資源；2)在限制蜂窩用戶和D2D對發(fā)射功率的基礎(chǔ)上，最大化D2D用戶總?cè)萘?假設(shè)每個D2D對可以復(fù)用多個信道，但每個信道只能被一個D2D對復(fù)用[5].首先，以最大化D2D用戶總?cè)萘繛槟繕?biāo)建立優(yōu)化問題.優(yōu)化函數(shù)表示為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由此根據(jù)式(3)和約束條件式(5)定義一個拉格朗日函數(shù)

(9)

其中，λ≥0為拉格朗日乘子，拉格朗日對偶函數(shù)可表示為

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

最后，求出最大化的最優(yōu)λ.可采用次梯度方法求最優(yōu)λ，λ根據(jù)下式迭代更新：

(19)

其中，θ(t)>0為步長序列.文獻(xiàn)[7]中證明了只要θ(t)足夠小，上述基于次梯度的迭代方程可以收斂于最優(yōu)值[7].

3 仿真分析

為了驗證基于服務(wù)質(zhì)量的資源分配算法的性能，假定在LTE-FDD系統(tǒng)單小區(qū)場景下，使用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)級仿真，并將本文算法與文獻(xiàn)[5]提出的CORAL算法、貪婪算法和隨機(jī)分配算法進(jìn)行對比.

D2D用戶總?cè)萘颗c用戶間距離關(guān)系如圖2所示.D2D用戶間距離增加會導(dǎo)致由多徑效應(yīng)和遠(yuǎn)近效應(yīng)產(chǎn)生的路徑損耗加大，影響到D2D用戶總?cè)萘?由圖2中可知，當(dāng)用戶間距離逐漸增大，4種算法的D2D用戶總?cè)萘烤尸F(xiàn)下降趨勢.但從曲線下降速度來看，本文所提出的算法下降速度較為緩慢，性能優(yōu)于其他3種算法.原因是：本文算法動態(tài)調(diào)整蜂窩用戶和D2D對的發(fā)射功率，可以隨著距離變大而提高發(fā)射功率.

D2D用戶總?cè)萘颗c蜂窩用戶數(shù)關(guān)系如圖3所示.本文所提出的算法和其他3種算法都允許單個D2D對復(fù)用多個蜂窩用戶的信道資源.蜂窩用戶數(shù)越多，D2D對可復(fù)用的信道資源也越多，D2D用戶總?cè)萘恳苍酱?由圖3中可知，隨著蜂窩用戶數(shù)的增加，本文所提出的算法在D2D用戶總?cè)萘康奶嵘蟽?yōu)于其他3種算法.原因是：本文算法通過將信道分配給最大化用戶容量的D2D對，盡可能使D2D對復(fù)用更多的蜂窩用戶信道資源.另一方面，本文算法還通過限制蜂窩用戶和D2D對的發(fā)射功率來減小干擾，進(jìn)一步增大D2D用戶總?cè)萘?

圖2 用戶總?cè)萘颗c用戶間距離關(guān)系

圖3 用戶總?cè)萘颗c蜂窩用戶數(shù)關(guān)系

4 結(jié)束語

為了解決頻譜資源復(fù)用帶來的干擾問題，本文提出了一種基于蜂窩系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的資源分配算法，動態(tài)調(diào)整蜂窩用戶和D2D對的發(fā)射功率，最大化D2D用戶總?cè)萘?本文通過求解凸優(yōu)化函數(shù)的拉格朗日對偶形式，得到最優(yōu)發(fā)射功率.但本文算法的迭代次數(shù)較多，因此，下一步研究方向是如何降低計算復(fù)雜度.

[1]NGUYEN H H, HASEGAWA M, HWANG W J. Distributed Resource Allocation for D2D Communications Underlay Cellular Networks[J]. IEEE Communications Letters, 2016,20(5):942-945.

[2]BEI M A, ZHANG H, ZHANG Z. Joint Power Allocation and Mode Selection for D2D Communications with Imperfect CSI[J]. China Communications, 2015,12(7):73-81.

[3]ZHOU Z, DONG M, OTA K, et al. Energy Efficiency and Spectral Efficiency Tradeoff in Device-to-Device (D2D) Communications[J]. Wireless Communications Letters IEEE, 2014,3(5):485-488.

[4]WU D, CAI Y, HU R Q, et al. Dynamic distributed resource sharing for mobile D2D communications[J]. Wireless Communications, IEEE Transactions on, 2015,14(10):5417-5429.

[5]DAI Z, LIU J, WANG C. QoS-based device-to-device communication schemes in heterogeneous wireless networks[J]. Iet Communications, 2015,9(3):335-341.

[6]PALOMAR D P, CHIANG M. A tutorial on decomposition methods for network utility maximization[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2006,24(8):1439-1451.

[7]RE JI M, CAIRE G, MOLISCH A F. Fundamental Limits of Caching in Wireless D2D Networks[J]. Information Theory, IEEE Transactions on, 2016,62(2):849-869.

A QoS-based Resource Allocation Algorithm for D2D Communication

SUN Wensheng, MIAO Hongliang

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Device-to-Device(D2D) communication technology can improve the spectrum efficiency, improve increasingly tense situation of spectrum resources. However, reusing the spectrum resources of the cellular users will create co-channel interference. To this, a QoS-based resource allocation algorithm is proposed. By using the transmit power of two users as the constraint condition and maximizing the total capacity of D2D communication users as the objective function, the convex optimization problem is established and the optimum solution can be obtained with the Lagrange multiplier. The simulation result shows that compared with the greedy algorithm and the random allocation algorithm, this algorithm can effectively coordinate the interference and increase the system capacity with the service quality guaranteed.

D2D communication; service quality; resource allocation; Lagrange multiplier

10.13954/j.cnki.hdu.2017.03.006

2016-10-08

孫文勝(1966-)，男，安徽巢湖人，副教授，無線通信.

TN929.5

A

1001-9146(2017)03-0024-05