基于資源分配和功率控制的D2D中繼選擇*

曹型兵a，王偉超**

(重慶郵電大學(xué)a.通信工程應(yīng)用研究所；b.移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

基于資源分配和功率控制的D2D中繼選擇*

曹型兵a，王偉超**b

(重慶郵電大學(xué)a.通信工程應(yīng)用研究所；b.移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

為優(yōu)化蜂窩用戶通信與設(shè)備直傳(D2D)中繼通信共存下的同頻干擾問題，滿足蜂窩用戶容量要求，提出了一種基于能效的聯(lián)合資源分配和功率控制的D2D中繼選擇算法。該算法首先對(duì)等效D2D中繼鏈路進(jìn)行資源分配，減小算法復(fù)雜度的同時(shí)使得D2D鏈路對(duì)蜂窩鏈路產(chǎn)生的干擾最?。蝗缓笠再Y源分配結(jié)果和功率控制算法為依據(jù)進(jìn)行中繼選擇。該方案不僅考慮了D2D中繼鏈路的能效問題，而且還同時(shí)考慮到了對(duì)蜂窩鏈路的干擾問題。通過仿真驗(yàn)證，所提算法不僅能有效提升D2D中繼鏈路的能效值，同時(shí)降低了對(duì)蜂窩用戶的干擾。

D2D中繼通信;資源分配；功率控制；中繼選擇；頻譜效率

1 引 言

由于設(shè)備直傳(Device-to-Device,D2D)通信覆蓋范圍較小，當(dāng)增大D2D用戶之間的通信距離時(shí)，不僅會(huì)降低D2D鏈路的容量，而且還會(huì)增大對(duì)蜂窩用戶的同頻干擾[1]。為增大D2D通信的覆蓋范圍，可在D2D通信中引入中繼技術(shù)。雖然將中繼技術(shù)引入蜂窩網(wǎng)絡(luò)中已不是新的想法，但是D2D通信復(fù)用蜂窩頻譜資源進(jìn)行通信的優(yōu)勢(shì)已得到很多研究的充分分析及肯定[2]。具體來說，D2D通信以近場(chǎng)通信的優(yōu)勢(shì)可以提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和能量效率。將中繼技術(shù)與D2D通信技術(shù)相結(jié)合，不僅能提高D2D鏈路的系統(tǒng)吞吐量，而且還能降低對(duì)同信道的蜂窩用戶的干擾，同時(shí)提高D2D的通信范圍。

由于D2D通信與中繼技術(shù)相結(jié)合有巨大的潛力，近些年來，協(xié)作通信的中繼選擇問題已被進(jìn)行了廣泛的研究[3-5]。然而，由于終端的移動(dòng)性和D2D復(fù)用蜂窩資源等問題，D2D輔助中繼問題不同于傳統(tǒng)的中繼選擇問題。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于吞吐量預(yù)測(cè)的整體優(yōu)化中繼選擇算法，為D2D鏈路分配了和蜂窩用戶相正交的頻譜資源，造成了頻譜資源的浪費(fèi)。文獻(xiàn)[7]提出了一種啟發(fā)式算法來解決中繼選擇問題中的混合整數(shù)線性規(guī)劃(Mixed-integer Linear Programming,MILP)問題，雖然相對(duì)于直接解MILP問題來說，運(yùn)算時(shí)間較短，但是由于事先未劃定被復(fù)用資源的蜂窩用戶范圍，因此需要對(duì)所有的蜂窩用戶進(jìn)行遍歷，才能找到最佳的蜂窩用戶來復(fù)用其資源。文獻(xiàn)[8]在無中繼的D2D鏈路環(huán)境下，提出了一種基于能效的資源分配和功率控制方法，而在基于能效的中繼選擇策略中，需要計(jì)算每一個(gè)候選中繼形成的D2D鏈路的能效問題，計(jì)算復(fù)雜度太高。Xu等人[9-11]研究了在進(jìn)行中繼天線選擇時(shí)，功率分配在移動(dòng)設(shè)備協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)路中對(duì)系統(tǒng)的中斷概率有重要的影響。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于能效的等效中繼選擇算法。算法中考慮使用等效鏈路的方法進(jìn)行資源分配和功率控制，以達(dá)到減少中繼選擇計(jì)算復(fù)雜度的目的。同時(shí)，算法在D2D中繼鏈路的能效最大化的基礎(chǔ)上，減小D2D鏈路對(duì)蜂窩鏈路的干擾。

2 系統(tǒng)模型

我們考慮復(fù)用蜂窩上行傳輸鏈路資源的單小區(qū)場(chǎng)景，假設(shè)小區(qū)內(nèi)M個(gè)正在通信的蜂窩用戶(CUE)，集合為C={C1,C2,…,Ci…,CM}；N個(gè)D2D用戶(DUE)需要中繼參與才能進(jìn)行通信，集合為S={S1,S2,…,Sj,…,SN}；第j個(gè)邊緣用戶有L個(gè)候選的中繼，集合為Cj,RUE={Rj,1,Rj,2,…,Rj,k,…,Rj,L}。假設(shè)基站已知各個(gè)用戶設(shè)備相關(guān)的位置信息和信道增益，D2D兩條鏈路使用相同的蜂窩資源。

假設(shè)D2Dj中繼鏈路只能復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶Ci的頻譜資源，如圖1 所示，對(duì)其進(jìn)行干擾分析。

圖1 D2D中繼通信系統(tǒng)模型Fig.1 D2D relay communication system model

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，為保證所有用戶的頻譜效率，D2D鏈路、中繼與基站之間的回程鏈路以及正在進(jìn)行通信的蜂窩鏈路的信干噪比(SINR)需滿足以下條件：

(1)

(2)

D2D第一跳鏈路和第二跳鏈路的頻譜效率計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

為了使D2D用戶在滿足其吞吐量門限值時(shí)達(dá)到最大的能效值，D2D鏈路Sj基于能效的中繼選擇問題可以建模為

(5)

3 聯(lián)合D2D資源分配和功率控制的中繼選擇算法

相對(duì)于其他的中繼選擇方法，本文提出使用等效鏈路的聯(lián)合D2D資源分配和功率控制的中繼選擇算法有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是減少了中繼選擇算法復(fù)雜度，因?yàn)楸疚陌袲2D用戶與候選中繼節(jié)點(diǎn)組成的第一跳鏈路和第二跳鏈路分別進(jìn)行資源分配和功率控制的算法作為最優(yōu)算法，由于最優(yōu)的中繼選擇算法需要同時(shí)考慮第一跳和第二跳鏈路的信道狀況之后再進(jìn)行中繼選擇，而本文只考慮等效鏈路的信道狀態(tài)即可；二是同時(shí)考慮了對(duì)蜂窩用戶的影響。

本文提出的算法分4步：第一步，確定D2D通信范圍內(nèi)的每個(gè)候選中繼Rj,k與D2D鏈路Sj形成的兩條D2D鏈路的潛在復(fù)用用戶集合；第二步，使用等效鏈路的思想進(jìn)行對(duì)候選的D2D中繼鏈路進(jìn)行初步的頻譜資源分配，確定D2D中繼鏈路的候選復(fù)用蜂窩用戶；第三步，使用迭代算法確定最優(yōu)發(fā)射功率和頻譜資源分配結(jié)果，以計(jì)算候選中繼所能達(dá)到的最佳能效值；第四步，將D2D鏈路與中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)化匹配，得到以總體能效最優(yōu)為目標(biāo)的中繼選擇結(jié)果。

3.1 確定D2D中繼鏈路的候選復(fù)用蜂窩用戶

復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源時(shí)，蜂窩用戶Ci會(huì)對(duì)D2D中繼鏈路造成同頻干擾，如圖2所示，GCR表示Ci到中繼節(jié)點(diǎn)R的信道增益，GCD表示Ci到接收端D的信道增益。為充分考慮蜂窩用戶Ci對(duì)D2D中繼鏈路的干擾，可定義Ci到D2D中繼鏈路的參考信道增益GC作為確定潛在復(fù)用集合CU的一個(gè)參考依據(jù)，為減少計(jì)算復(fù)雜度，D2D中繼鏈路可以看作兩條D2D鏈路的集合，以兩跳鏈路中受到蜂窩用戶Ci干擾最強(qiáng)的一跳為等效鏈路，如圖3所示，GSD、GC的表達(dá)式如公式(6)所示,D2D中繼等效鏈路頻譜效率如公式(7)所示，這就是本文所提出的等效鏈路思想。

圖2 D2D中繼通信鏈路Fig.2 D2D relay communication link

圖3 等效的D2D中繼通信鏈路Fig.3 Equivalent D2D relay communication link

(6)

Rd2d為D2D中繼等效鏈路頻譜效率，計(jì)算公式如下：

(7)

使用式(8)～(11)中的功率約束條件確定D2D鏈路Sj的潛在復(fù)用用戶集合，引用文獻(xiàn)[12]中的線性規(guī)劃方法，如果滿足蜂窩用戶Ci和D2D鏈路Sj的頻譜效率，確定所有滿足條件的蜂窩用戶Ci為D2D鏈路Sj的潛在復(fù)用集合CU。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

找出所有滿足上述條件的蜂窩用戶Ci作為D2D鏈路Sj的潛在復(fù)用集合CU。

3.2 求解D2D中繼最優(yōu)發(fā)射功率

每一個(gè)等效D2D鏈路Sj的能效公式可改寫為

(15)

其二階導(dǎo)數(shù)為

(16)

(17)

3.3 迭代算法求解最優(yōu)發(fā)射功率

令j∈{1,2,3,…,N},i∈{1,2,3,…,M}，對(duì)第一跳D2D中繼鏈路進(jìn)行功率控制時(shí)，第一跳的頻譜效率為

(18)

對(duì)第二跳D2D中繼鏈路進(jìn)行功率控制時(shí)，第二跳的頻譜效率為

(19)

D2D發(fā)射端功率表達(dá)式為

(20)

圖4 功率控制流程圖Fig.4 Flow chart of power control

3.4 基于加權(quán)二分圖的D2D用戶與中繼節(jié)點(diǎn)的最佳匹配

圖5 D2D用戶對(duì)與候選中繼節(jié)點(diǎn)匹配的二分圖Fig.5 The binary map of D2D user pairs with the candidate matching relay nodes

算法流程描述如下：

(1)為減少不必要的計(jì)算量，通過中繼節(jié)點(diǎn)的地理位置和信道狀態(tài)，確定D2D鏈路的候選中繼個(gè)數(shù)；

(2)使用等效鏈路的思想確定D2D中繼鏈路的候選復(fù)用蜂窩用戶CU；

(3)對(duì)候選的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到資源分配和功率控制結(jié)果；

3.5 算法復(fù)雜度分析

假設(shè)共有N個(gè)D2D鏈路需要進(jìn)行中繼選擇，每個(gè)D2D鏈路有L個(gè)候選候選中繼節(jié)點(diǎn)，蜂窩中有M個(gè)蜂窩用戶資源可被復(fù)用，二分圖匹配算法的復(fù)雜度為O(Q3),其中Q=max{N,L},則其總的算法復(fù)雜度為O(M2L2N2+Q3)。本文所提等效算法是指使用資源分配和功率控制算法對(duì)等效鏈路進(jìn)行能效計(jì)算，總的算法復(fù)雜度為O(MLN+Q3)。這兩種方案所使用的資源分配和功率控制算法均為上一節(jié)所描述的算法。

4 算法性能仿真

由于D2D中繼通信是為了保證LTE或LTE-A系統(tǒng)中的D2D用戶間的頻譜效率而提出的一種通信方式，因此本文選取的是LTE單小區(qū)系統(tǒng)模型作為仿真場(chǎng)景。同時(shí)本文以所提的最優(yōu)算法、基于最大頻譜效率的中繼選擇算法和結(jié)合文獻(xiàn)[13]中基于能效的資源分配思想相結(jié)合的中繼選擇算法的中繼選擇策略作為參考算法，通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖6所示為蜂窩中存在多個(gè)D2D鏈路使用中繼進(jìn)行通信，當(dāng)D2D中繼鏈路個(gè)數(shù)一定時(shí)，D2D用戶之間的距離與D2D中繼鏈路的能效的關(guān)系。圖7表示的是當(dāng)蜂窩中D2D中繼鏈路的個(gè)數(shù)一定時(shí)， D2D中繼用戶對(duì)個(gè)數(shù)與D2D中繼鏈路的能效的關(guān)系。由圖6和圖7可知，本文提出的中繼選擇算法在能效方面明顯優(yōu)于使用最大化頻譜效率算法和使用文獻(xiàn)[13]中基于能效的資源分配思想相結(jié)合的中繼選擇算法相結(jié)合的中繼選擇策略，而且本文算法接近于最優(yōu)算法。

圖6 D2D用戶之間的距離變化時(shí)使用不同算法的D2D中繼鏈路能量效率的對(duì)比Fig.6 Comparison of D2D relay links′ energy efficiency using different algorithms when the distance between D2D users changes

圖7 D2D中繼用戶對(duì)個(gè)數(shù)變化時(shí)使用不同算法的D2D中繼鏈路能效效率的對(duì)比Fig.7 Comparison of D2D relay links′ energy efficiency using different algorithms when the number of D2D pairs changes

圖8給出了本文算法、與參考文獻(xiàn)[13]基于能效的資源分配思想相結(jié)合的中繼選擇算法以及最大頻譜效率算法下D2D通信中繼鏈路的頻譜效率和隨D2D用戶間的距離變化的曲線圖，由圖可知隨著D2D用戶之間的距離增加，D2D用戶的頻譜效率降低，本文使用的等效算法的中繼選擇算法在頻譜利用率方面低于使用最大頻譜效率算法的中繼選擇算法，但是接近于最優(yōu)算法，與使用文獻(xiàn)[13]中的能效算法進(jìn)行中繼選擇策略相比性能較好。

圖8 D2D之間的距離變化時(shí)使用不同算法的D2D中繼鏈路頻譜效率的對(duì)比Fig.8 Comparison of D2D relay links’ spectral efficiency using different algorithms when the distance between D2D users changes

本文中定義的對(duì)蜂窩用戶的影響為蜂窩用戶未受到D2D鏈路干擾時(shí)的頻譜效率與受到D2D鏈路干擾時(shí)的頻譜效率之差，因此對(duì)蜂窩用戶的影響越小，代表算法的性能越好，即越能保護(hù)被復(fù)用資源的蜂窩用戶的公平性。如圖9所示，本文所提出的算法明顯優(yōu)于最大化頻譜效率算法和與文獻(xiàn)[13]的基于能效的資源分配思想相結(jié)合的中繼選擇算法，這是因?yàn)樽畲蠡l譜效率算法只考慮了D2D用戶與中繼之間的頻譜效率問題，并未考慮對(duì)D2D用戶進(jìn)行功率控制，以減少對(duì)蜂窩用戶產(chǎn)生的同頻干擾。由此可見，本文提出的算法不僅在保證D2D中繼用戶的頻譜效率的同時(shí)，也保證了蜂窩用戶的頻譜效率。

圖9 D2D之間的距離變化時(shí)使用不同算法的D2D中繼鏈路對(duì)蜂窩用戶的干擾Fig.9 Interference of D2D relay link to cellular user using different algorithms when the distance between D2D users changes

5 結(jié)束語

當(dāng)蜂窩小區(qū)中存在多對(duì)D2D用戶和多個(gè)蜂窩用戶的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，現(xiàn)有的一些基于能效的D2D通信干擾協(xié)調(diào)與資源優(yōu)化算法都未考慮和中繼選擇問題相結(jié)合，只是考慮單D2D鏈路，直接在D2D中繼選擇中使用這些算法，算法復(fù)雜度較高，而且計(jì)算中也會(huì)增加系統(tǒng)能耗，因此本文將D2D中繼選擇時(shí)考慮的能效優(yōu)化的問題替換成等效鏈路的能效問題，然后建模為最大化D2D用戶能效，進(jìn)行功率控制與資源分配，求出能效值，然后以能效值為權(quán)值將D2D鏈路與中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)化匹配。通過理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證，并通過與文獻(xiàn)[13]中的基于能效的算法、最大頻譜效率算法、最優(yōu)算法在相關(guān)性能參數(shù)上的對(duì)比，驗(yàn)證了本文所提算法在盡量減少對(duì)蜂窩用戶同頻干擾的同時(shí)，能夠提高D2D中繼用戶的能量效率。

目前研究的內(nèi)容只考慮了在D2D鏈路需要中繼進(jìn)行通信的情況下的中繼選擇算法問題，在未來的研究中可以考慮與D2D鏈路通信模式的選擇相結(jié)合以及考慮D2D通信全雙工通信場(chǎng)景下的中繼選擇問題。

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D2DRelaySelectionBasedonResourceAllocationandPowerControl

CAO Xingbinga,WANG Weichaob

(a.Institute of Communication Engineering Applications; b.Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Communications,Chongqing 400065,China)

In order to optimize the problem of co-channel interference(CCI) after introducing the device-to-device(D2D) relay communication,and to meet the cellular user capacity requirements,a D2D relay selection algorithm based on energy efficiency combined resource allocation with power control is proposed. Firstly,the algorithm allocates spectral resource to the equivalent D2D relay links,reduces the complexity of the algorithm and minimizes the interference caused by the D2D link to the cellular link,and then selects the relay based on the resource allocation result and the power control algorithm. The scheme considers not only the energy efficiency of the D2D relay link but also the cellular interference problem. Simulation proves that the proposed algorithm can not only improve the energy efficiency of the D2D relay link,but also reduce the interference to the cellular users.

D2D relay communication;resource allocation;power control;relay selection;spectral efficiency

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.12.015

曹型兵，王偉超.基于資源分配和功率控制的D2D中繼選擇[J].電訊技術(shù)，2017,57(12):1433-1439.[CAO Xingbing，WANG Weichao.D2D relay selection based on resource allocation and power control[J].Telecommunication Engineering,2017,57(12):1433-1439.]

2017-04-21；

2017-07-03

date:2017-04-21；Revised date：2017-07-03

長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1299)；重慶市科委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(cstc2013yykfA40010)

wangweichao2015@163.comCorrespondingauthorwangweichao2015@163.com

TN929.5

A

1001-893X(2017)12-1433-07

曹型兵(1972—)，男，重慶江津人，高級(jí)工程師、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù);

Email:caoxingbing@163.com

王偉超(1992—)，男，河南濮陽人，2015年于商丘師范學(xué)院獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信。

Email:wangweichao2015@163.com