移動通信網(wǎng)絡(luò)中D2D通信資源分配方法的研究

張妙飛

滁州學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，安徽滁州,239000

移動通信技術(shù)一直在朝著寬帶化、低時延和高速率的方向發(fā)展。在傳統(tǒng)的蜂窩移動通信系統(tǒng)中，移動終端之間信息的轉(zhuǎn)發(fā)必須要通過基站的中繼。而D2D通信技術(shù)雖與蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)共享無線頻譜[1-2]，但并不需要通過基站中繼轉(zhuǎn)發(fā)，距離較近的兩個移動終端可以直接通信。這樣不僅提高了無線頻譜資源的利用率，而且通過這種方式，減少了單位小區(qū)內(nèi)基站的工作負(fù)荷，因此可以增加系統(tǒng)容量。由于終端之間距離較近，因此也降低了移動終端之間的發(fā)射功率[3-4]。所以通過D2D的工作方式可以解決無線資源匱乏、通信擁塞等問題。但由于D2D通信與傳統(tǒng)的蜂窩移動通信共享無線頻譜資源，D2D對之間的通信鏈路由基站分配。同時，由于資源共享，蜂窩用戶與D2D用戶之間的鏈路會相互干擾，因此蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)下D2D通信的資源分配算法成為該領(lǐng)域的研究重點[5-7]。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)一個蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的上行傳輸場景(圖1)。假設(shè)有M個典型蜂窩移動終端(Um),并且在此基站覆蓋范圍之內(nèi)有N個D2D對，且N≥M。D2D對的發(fā)送者(DTn)發(fā)送信號給D2D接收者(DRn)，它們之間的最大距離為D。

圖1 上行鏈路資源的D2D通信系統(tǒng)模型

D2D通信鏈路和蜂窩通信鏈路的信道資源均由基站分配。在OFDMA的多址方式下，信道之間是正交的，因此只當(dāng)不同的鏈路共用一個信道時干擾才會產(chǎn)生。假設(shè)信道數(shù)量和蜂窩終端的數(shù)量相同(M)，多個D2D對允許共享一個信道。在這種場景下，信道中會存在兩種干擾：一種是蜂窩鏈路與D2D鏈路之間的干擾，另一種就是兩個不同的D2D鏈路之間的干擾。

為了減少干擾及節(jié)約發(fā)送功率，基站可通過設(shè)置最大發(fā)射功率PTmax和最大接收功率PRmax控制蜂窩終端和D2D發(fā)送者的發(fā)射功率。通常情況下，發(fā)送者的發(fā)送功率在PTmax之內(nèi)。當(dāng)接收者接收到的功率超過了PRmax時，發(fā)送者就需要減小發(fā)送功率，從而達(dá)到減少干擾功率的目的。

在本文中，信道的衰減服從瑞利衰減模型，路徑衰落模型服從基于距離的路徑衰減模型。因此，信道增益應(yīng)包含小尺度衰落和路徑損耗，可使用式(1-4)代表各個通信鏈路的增益。

蜂窩移動終端→基站的信道增益：

(1)

D2D發(fā)送者→D2D接收者的信道增益：

(2)

D2D發(fā)送者→基站的信道增益：

(3)

蜂窩移動終端→D2D接收者的信道增益：

(4)

式中,L是路徑損耗，h是小尺度衰落增益。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，基站必須首先保證蜂窩通信鏈路的質(zhì)量，即所有的蜂窩移動終端都能夠獲得信道資源，因此蜂窩通信具有較高優(yōu)先級，而為D2D通信的資源分配要在這個前提之下。

1.1 最小化系統(tǒng)干擾模型

在多用戶場景下，多個D2D鏈路可能會與某一個蜂窩共用同一條信道。在這種信道復(fù)用方式下，一方面會造成同一條信道內(nèi)干擾的積累，另一方面D2D鏈路之間也會有附加的干擾影響。因此，為了盡可能多地在一個系統(tǒng)內(nèi)降低整體干擾水平，就要求有效分配資源。

本文以最小化系統(tǒng)干擾水平為目標(biāo)進(jìn)行研究。將蜂窩移動終端(CUE)和D2D終端(DUE)的資源共享通過矩陣AM×N={am,n}表示，am,n=0代表該信道不共用，am,n=1代表該信道共用。如式(5)，Im代表第m條信道資源的干擾功率。

(5)

式中，Icm,n表示DUE對基站的干擾，可表示為式(6)。

Icm,n=am,nPDTngDTn,BS

(6)

Idm,n表示CUE和DUE對D2D接收者的總干擾。

(7)

式中,PDTn為DTn的發(fā)射功率，PUm為蜂窩用戶Um的發(fā)射功率。

因此最小系統(tǒng)干擾可寫為：

(8)

(9)

在理想情況下，除了要考慮干擾最小化之外，基站還需要知道各通信鏈路和干擾鏈路的CSI來分配資源，而這些信息均由UE來報告。此外，在多用戶場景下，基站不僅需要考慮蜂窩設(shè)備與D2D對的資源共享，還要考慮不同的D2D對之間的資源共享。因此，DUE需要為所有的CUE及其他DUE報告鏈路CSI。隨著D2D對數(shù)量的增多，反饋信息的數(shù)量也必須考慮進(jìn)來。所以，設(shè)計一個有效的方法減少反饋信息的數(shù)量也很重要。

1.2 反饋模型

在資源分配之前，基站先收集附近信道的CSI。D2D對也需要具備測量信道狀態(tài)的能力及向基站報告信息的能力。本文為D2D通信定義了一個專用信道D2DCH，其中包括了N個正交子信道。子信道的模式可以為多路OFDM子載波或者是獨立的時隙，每一個子信道對應(yīng)唯一的一個D2D鏈路。每個D2D發(fā)送者在對應(yīng)的子信道中發(fā)送其ID，子信道和每個D2D接收者監(jiān)測D2DCH并且對基站報告監(jiān)測結(jié)果。隨著D2D對的數(shù)量增多，反饋模型中需要反饋的信號就越多。因此需要設(shè)計一個新的反饋模型，來減少開銷。

首先，本文為D2D鏈路設(shè)置一個干擾功率閾值η， D2D接收者監(jiān)測所有的蜂窩信道資源，并將關(guān)于這些資源中接收干擾功率小于閾值信息反饋給基站。在接收反饋信息之后，基站建立一個矩陣X1M×N={x1m,n}，x1m,n=1表示蜂窩終端Um沒有對D2D對Dn造成嚴(yán)重的干擾，并且資源m為可用資源，x1m,n=0代表蜂窩資源m不可用。

其次，D2D接收者同時監(jiān)測D2DCH子信道，并且記錄子信道的干擾是否超過了閾值η，D2D接收器會建立一個矩陣X2N×N′=[x1n,n′]，x1n,n′=1和x1n,n′=0分別表示在使用同一個信道資源時，D2D對Dn′是否對D2D對Dn造成干擾。每個D2D接收器僅需要給基站報告其X2N×N′相應(yīng)行的值。

通過這個反饋模型，D2D對僅需要報告一部分CSI和一個表單，代替了原來的所有信道的CSI。這樣的方式可以減少很大一部分的反饋信息。這里要注意的是，η的值不可以設(shè)置得過小，否則會有很多D2D對將不能獲得資源。根據(jù)矩陣X2N×N′，基站可以避免給多個D2D對分配可能會造成更多干擾的資源。

2 基于KM算法的資源分配算法

基于圖的資源分配的第一步就是建立圖。在這里本文將通信模型考慮為一個包含兩部分頂點的加權(quán)二分圖，各頂點分別代表CUE和D2D對，各加權(quán)邊分別代表它們之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 CUE與D2D對的模型圖

圖2中包含了2個蜂窩UE和4個D2D對。這個圖由下式得到：G=(Vc,Vd,E)，其中Vc代表蜂窩UE，Vd代表D2D對，E代表邊。vcm∈Vc，vdn∈Vd，em,n∈E，代表D2D對vdn與蜂窩電話vcm共享信道資源。通過一個M×N的矩陣WM×N代表加權(quán)值，wm,n∈WM×N，wm,n代表em,n的加權(quán)值，等同于干擾功率Icm,n。此外，en,n′∈E連接vdn∈Vd和vdn′∈Vd，表示vdn和vdn′之間的功率干擾水平。當(dāng)它們之間有很強干擾的時候，邊為圖中的虛線，當(dāng)干擾可以忽略的時候，邊為實線。干擾水平可以根據(jù)矩陣X2N×N′得到。此外，建立表LA1×M以累積來自每個信道資源上分配的D2D對的干擾，并且將其元素初始化為0。建立列表LR1×N以記錄為D2D對分配的資源，并將其元素初始化為0。

針對前文假設(shè)的單小區(qū)場景下D2D用戶的通信模型，基站根據(jù)每條鏈路的信道狀態(tài)信息決定用戶的通信模式，并為其分配最佳的信道。因此可以將問題轉(zhuǎn)化為求解整數(shù)線性優(yōu)化問題，為了將問題簡化，求解過程可分解為以下步驟：

Step1：建立圖

(1)建立圖并初始化圖的各個元素；

(2)計算X1M×N和X2M×N；

(3)根據(jù)X1M×N計算WM×N，并根據(jù)X2M×N建立D2D對之間的邊；

Step2：分配方案

(1)初始化LA1×M和LR1×N

(2)選擇從LA1×M加入到WM×N隊列矩陣中的最小的因子；

(3)復(fù)制在LR1×N中選擇的資源，并在LA1×M中存儲其相對重量；

(4)查找在X2N×N′隊列中值為1的D2D對，并設(shè)置這些D2D對的重量為無限大；

(5)循環(huán)計算2-4，直到LA1×N中沒有為0的元素。

3 仿真分析

對提出的算法進(jìn)行了仿真分析，仿真參數(shù)如表1所示。通過仿真分析隨機分配、枚舉分配和基于KM算法的資源分配方法下系統(tǒng)的總干擾和系統(tǒng)容量，結(jié)果見圖3和圖4。

圖4 D2D對數(shù)量與系統(tǒng)容量的關(guān)系

表1 仿真參數(shù)

圖3為不同的D2D用戶數(shù)下系統(tǒng)總干擾情況的比較。由圖可見，隨著D2D用戶的數(shù)目增加，系統(tǒng)的干擾水平變化并不是很大，基于KM算法的用

圖3 D2D對數(shù)量與系統(tǒng)干擾水平的關(guān)系

戶資源分配方法能夠改善系統(tǒng)的總干擾情況。圖4為三種模式下的系統(tǒng)容量對比。隨著D2D用戶數(shù)量的增加，采用本文方法的系統(tǒng)容量相比于隨機分配來說有所提高。與枚舉分配法相比，雖然基于KM算法的分配方法的系統(tǒng)容量不及枚舉法，但是從算法復(fù)雜度的角度來看，枚舉法的復(fù)雜度要高很多。經(jīng)過以上的分析，本文提出的方法總體上是一種比較有效的資源分配方法。

4 結(jié) 語

針對蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中的資源分配與最小化系統(tǒng)干擾水平的問題，利用基于最大權(quán)重匹配算法的資源分配方法對系統(tǒng)資源進(jìn)行了分配。仿真結(jié)果證明，蜂窩和D2D混合通信模式下，通過有效的資源分配算法可以限制不利因素對用戶和基站通信性能的影響，提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)總?cè)萘俊５疚牡脑O(shè)計并沒有涉及到功率優(yōu)化的內(nèi)容，因此對系統(tǒng)中的功率控制應(yīng)進(jìn)一步研究。