蜂窩網(wǎng)絡(luò)下異構(gòu)多小區(qū)毫米波D2D通信模型研究

李卓爾 徐家品

摘 要：隨著微波頻譜波段的日益稀缺，毫米波波段通信因其有足夠的帶寬而受到廣泛關(guān)注，同時(shí)也被認(rèn)為是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。與微波不同的是，毫米波適用于短距離通信，與D2D通信要求的通信場(chǎng)景非常契合。為了充分利用寬頻帶，并假設(shè)通信時(shí)無阻塞，提出一種短距離通信場(chǎng)景下無阻塞毫米波D2D通信模型。以隨機(jī)幾何作為理論工具，即基站、終端用戶的分布服從泊松分布，這樣更具有實(shí)際研究意義，推導(dǎo)出用閉合形式表達(dá)的通信系統(tǒng)模型覆蓋概率與面積頻譜效率并進(jìn)行分析。仿真數(shù)值結(jié)果表明，與單獨(dú)使用微波的通信模型相比，毫米波通信模型在中斷概率、面積頻譜效率以及小區(qū)覆蓋率方面具有更好的性能。

關(guān)鍵詞：5G；D2D通信；毫米波技術(shù)；中斷概率；覆蓋率

DOI：10.11907/rjdk.173127

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）005-0191-04

Abstract：With the increasing scarcity of microwave spectral bands， millimeter-wave band communication has drawn extensive attention due to its sufficient bandwidth and is also considered as one of the key technologies of the fifth generation mobile communication network.Unlike microwaves， millimeter waves are suitable for short-range communications and are well suited to the communication scenarios required for D2D communications.In order to make full use of the wideband and assuming no congestion during communication， a millimeter-wave D2D communication model is proposed when there is no blockage in the short-distance communication scenario. Taking stochastic geometry as the theoretical tool， which meas， the distribution of base stations and end users follow the Poisson distribution， is of more practical significance. The coverage probability and area spectrum efficiency of the communication system model expressed in closed form are deduced and analyzed.The simulation results show that the millimeter-wave communication model has better performance in terms of outage probability， area spectrum efficiency and cell coverage compared with the communication model using microwave alone.

Key Words：5G； device-to-device communication； millimeter-wave technology； interrupt probability； coverage rate

0 引言

終端直通（D2D）通信是允許兩個(gè)相距較近的D2D用戶設(shè)備（UE）通過共享正常蜂窩用戶設(shè)備（CUE）的無線電頻譜資源，在鏈路上交換信息的一種技術(shù)[1]，它可以減少基站（BS）的業(yè)務(wù)負(fù)載，提高系統(tǒng)的頻譜效率，提高小區(qū)邊緣用戶設(shè)備的覆蓋范圍。因此，D2D通信已被視為5G的關(guān)鍵推動(dòng)者。

5G的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是毫米波（mmWave）通信，毫米波指波長(zhǎng)小于10mm的無線電波。毫米波技術(shù)中非常短的波長(zhǎng)在移動(dòng)終端中采用較大的天線陣成為可能，并且在這樣的高頻率下大量可用帶寬也使其成為解決頻譜稀缺問題的方案。利用定向天線或波束形成技術(shù)，毫米波中的無線電能量可以高度集中在用戶所期望的方向上，減少不同毫米波鏈路之間的干擾與能量浪費(fèi)。 通信在毫米波波段上會(huì)比在微波波段中有更嚴(yán)重的路徑損耗，并且對(duì)固體材料和人體更敏感，因此通信距離較短，適用于短距離通信場(chǎng)景[2]。

D2D通信已經(jīng)在資源分配[3]、中繼選擇[4]、能量效率[5]等方面產(chǎn)生了較多研究成果。D2D用戶設(shè)備（DUE）與BS或CUE之間的干擾抑制了系統(tǒng)頻譜效率。通過在DUE中運(yùn)用毫米波和波束形成技術(shù)，可以減少干擾，并且可以進(jìn)一步改善系統(tǒng)頻譜。在D2D通信情況下，毫米波波束窄的寬度，其天線高度與基站相比相對(duì)較低的特性，使得D2D毫米波通信路徑損耗較大，因此假定通信無阻塞的場(chǎng)景。本文提出一種毫米波D2D通信模型，無阻塞情況下在毫米波波段上工作，并且使用定向天線技術(shù)幫助毫米波波束的對(duì)準(zhǔn)。利用空間泊松點(diǎn)過程對(duì)BS與DUE的位置進(jìn)行分析，了解系統(tǒng)的干擾情況，并據(jù)此導(dǎo)出用閉合式表達(dá)的覆蓋概率與面積頻譜效率。仿真結(jié)果表明，該方法比傳統(tǒng)的微波D2D通信系統(tǒng)在中斷概率、面積頻譜效率以及小區(qū)覆蓋率方面具有更好的性能。

將毫米波與D2D通信技術(shù)單獨(dú)研究，毫米波作為高頻段傳輸，是非常適用于實(shí)現(xiàn)短距離傳輸?shù)囊苿?dòng)通信，對(duì)于系統(tǒng)的容載量以及傳輸速率方面都有大幅度提高。將D2D通信場(chǎng)景設(shè)想為規(guī)則的幾何形狀，這種情況是非常理想的。因此本文提出一種結(jié)合毫米波技術(shù)與D2D通信技術(shù)的新模型，通過優(yōu)化頻譜資源，進(jìn)一步提高通信性能。

1 系統(tǒng)模型與問題描述

D2D通信多小區(qū)模型如圖1所示。異構(gòu)多小區(qū)通信模型中三角形是基站，黑色圓圈是毫米波的DUE，空心圓圈是微波的DUE， 其中BS、DUE的位置形成泊松點(diǎn)分布。DUE、CUE與BS三者可以在微波和毫米波波段上工作，而D2D鏈路工作時(shí)是復(fù)用其中的一個(gè)蜂窩通信下行鏈路信道。

假設(shè)有①BS和DUE的位置分別在密度為λB和λD的平面上形成隨機(jī)的泊松點(diǎn)分布，前者用φB表示，后者用φD表示，且模型中所有BS下行鏈路的恒定傳輸功率均用PB表示；②毫米波通信時(shí)，BS和DUE采用天線陣進(jìn)行定向數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)波束間的角度放大倍數(shù)為G（θ1，θr），最大值G（0，0）[6]，在微波波段，它們采用全向天線；③微波通信模型中，路徑損耗指數(shù)由α表示，并且所有鏈路經(jīng)歷的瑞利衰落遵循E[H]=1的指數(shù)函數(shù)分布；④毫米波在通信路徑中傳播時(shí)，只考慮大尺度衰落[7]。⑤毫米波的天線設(shè)備尺寸小，可以在終端設(shè)備中大規(guī)模使用。 毫米波在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)上使用大陣列以獲得足夠的信號(hào)放大倍數(shù)來滿足高數(shù)據(jù)速率通信。本文中定向波束形成被用于毫米波模式。 在所有DUE中天線規(guī)格是相同的，并假設(shè)收發(fā)天線的主波束在傳輸過程中完全對(duì)齊。

包含不同工作波段的D2D通信如圖2所示，模型中DUE可以使用微波和毫米波通信。在此模型下，設(shè)所有D2D鏈路都有相同的鏈路距離，進(jìn)行分析追蹤。

在異構(gòu)多小區(qū)通信模型中，①基站收集有通信的請(qǐng)求D2D用戶對(duì)之間的鏈路信道信息；②依據(jù)預(yù)設(shè)功率閾值進(jìn)行判斷，選擇應(yīng)該采用微波或者毫米波；③通知D2D用戶采用哪種波段進(jìn)行通信。通信過程主要有如下4個(gè)步驟：

（1）基站發(fā)現(xiàn)存在想要與其小區(qū)中的另一用戶進(jìn)行通信的用戶設(shè)備，并將該信息作為D2D鏈路建立請(qǐng)求廣播給兩個(gè)用戶。 因此，D2D用戶對(duì)接收請(qǐng)求并準(zhǔn)備接下來的一個(gè)光束對(duì)準(zhǔn)過程。這是在微波波段完成的。

（2）假設(shè)DUE A（發(fā)射機(jī)）、DUE B（接收機(jī)）在其毫米波天線設(shè)置中分別有AK個(gè)發(fā)射波束和Bn個(gè)接收波束。A將在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送信道探測(cè)信號(hào)，B接收時(shí)記錄信號(hào)強(qiáng)度。在完成整個(gè)循環(huán)后，終端測(cè)試所有可能的組合。這是在毫米波波段完成的。

（3）B把收到的信號(hào)強(qiáng)度反饋給BS，BS將信息傳遞給A，存在兩個(gè)由B保存的接收功率強(qiáng)度決定的情況。如果B在某個(gè)接收機(jī)接收的毫米波功率大于最小功率閾值，基站將發(fā)送給A應(yīng)該以毫米波與B溝通的信息；如果B的接收機(jī)沒有接收到足夠高于門限的功率，基站將通知A在微波波段與B通信。

（4）A開始用微波或者毫米波與B通信。無論是在微波還是毫米波頻段，D2D用戶對(duì)只有在向基站報(bào)告后才能開始以D2D模式通信。一旦D2D鏈路啟動(dòng)，在會(huì)話超時(shí)或鏈路故障的情況下，它們需要再次向基站報(bào)告，且可能需要切換到蜂窩模式。

2 系統(tǒng)性能分析

本部分將推導(dǎo)微波通信、毫米波通信的有效覆蓋面積和單位面積的頻譜效率。

本文分析了2種D2D通信模式（即毫米波模式、微波模式）的覆蓋范圍與區(qū)域頻譜效率。

覆蓋概率可以定義為信號(hào)干擾噪聲比（SINR）的補(bǔ)充累積分布函數(shù)，表示為：

式（1）中T表示SINR門限，區(qū)域頻譜效率是所定義區(qū)域的通信空間中平均鏈路覆蓋率與頻率譜的比值[8-9]。因此，ASE即面積頻譜效率表示為：

2.1 微波D2D通信模型

由于DUE以overlay的方式復(fù)用了蜂窩用戶的下行通信鏈路時(shí)頻資源，這必然會(huì)導(dǎo)致干擾，此干擾來自基站以及其他D2D用戶的相互作用，表示為：

式（3）中μmicro表示微波通信系統(tǒng)模型中DUE的發(fā)射功率，α是大尺度鏈路損耗系數(shù)，hDD是小尺度模型中的瑞利衰落系數(shù)，IBD表示基站作用于D2D的干擾信號(hào)，IDD表示D2D用戶相互間的干擾信號(hào)，σ＼+2是加性高斯白噪聲。

小區(qū)覆蓋率表示[10]為：

2.2 毫米波D2D通信模型

D2D毫米波通信模型中的發(fā)射機(jī)天線采用一樣的波束形狀，并運(yùn)用泊松點(diǎn)隨機(jī)過程。綜上所述，此模型信噪比為：

式（8）中F是一個(gè)與無線增益以及放大熱噪聲有關(guān)的調(diào)節(jié)因子[12]。把σ＼+2定義為熱噪聲的功率，μmm是用戶發(fā)射功率，rk是第一個(gè)基站到第k個(gè)基站之間的距離，g（r0）代表接受機(jī)端的放大系數(shù)。只有與其天線對(duì)準(zhǔn)的波束才會(huì)被接收機(jī)接收，雖然減少了大部分干擾，但仍存在部分波束在接收機(jī)端發(fā)生交疊。由此得到毫米波D2D通信模型的通信覆蓋率：

在毫米波D2D通信模型中，UE不會(huì)受到CUE和BS的干擾影響，只有來自其它毫米波通信設(shè)備的干擾。其干擾用公式（10）表示：

3 仿真結(jié)果分析

使用Matlab進(jìn)行仿真，來比較上述兩種D2D通信模式的性能，主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

兩種D2D通信模型的中斷率比較如圖3所示，區(qū)域覆蓋率方面，毫米波D2D通信優(yōu)于微波D2D通信模式，從圖中可以看出，通信鏈路越長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)越顯著。毫米波通信中添加了波束成形技術(shù)，受到的干擾比微波通信小。由前面部分的推導(dǎo)公式可以看出，在毫米波D2D通信模型中，由于設(shè)備的干擾很小，并有角度增益，這使得系統(tǒng)中來自其他用戶的干擾減少了很多。

兩種D2D通信模型中ASE與D2D距離的關(guān)系如圖4所示，這兩種模式相比較，毫米波D2D通信的區(qū)域面積頻譜效率（ASE）較優(yōu)，且隨著通信鏈路長(zhǎng)度的增加，其ASE減小變得遲緩。當(dāng)通信鏈路距離增大時(shí)，微波D2D通信的ASE并不發(fā)生變化，這是由于微波通信中不存在阻礙物引起的通信中斷。

4 結(jié)語(yǔ)

D2D通信與毫米波技術(shù)作為兩種5G新興技術(shù)，有無限潛力等待被挖掘，它們能為傳統(tǒng)蜂窩通信用戶帶來便利。 以隨機(jī)幾何作為理論工具，即基站、終端用戶的分布服從泊松分布，這樣更具有實(shí)際研究意義，并對(duì)微波D2D通信與毫米波D2D通信的中斷率和覆蓋率進(jìn)行分析，推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)表達(dá)式，計(jì)算結(jié)果與最后實(shí)驗(yàn)仿真均表明，在短距離通信場(chǎng)景中毫米波D2D通信模式較于微波D2D通信模式性能更優(yōu)越，能給用戶帶來更好的體驗(yàn)。

在未來，通信用戶數(shù)量肯定會(huì)增加，隨著頻譜資源愈來愈緊張，技術(shù)合作是一個(gè)必然趨勢(shì)，不可否認(rèn)的是資源分配始終是一個(gè)熱點(diǎn)話題，如何在異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中找到用戶體驗(yàn)和頻譜資源的最佳平衡是未來研究的方向。

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（責(zé)任編輯：劉亭亭）