D2D通信中信道分配與功率優(yōu)化聯(lián)合算法

覃琦超 翟雷

摘 ?要： D2D通信技術(shù)能夠有效降低基站的負(fù)擔(dān)、減少通信時延、擴(kuò)大通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量。事實上，吞吐量作為衡量系統(tǒng)容量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，能夠直觀地反映通信系統(tǒng)的優(yōu)劣。在D2D通信系統(tǒng)中，D2D用戶通過復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源完成通信過程，但其帶來的共道干擾會影響系統(tǒng)的吞吐量。為此，提出一種多用戶間頻譜復(fù)用與功率控制優(yōu)化算法，該算法首先通過信道干擾系數(shù)矩陣并結(jié)合多用戶間的最低信干噪比（SINR）需求實現(xiàn)多用戶間的最佳匹配，然后在D2D用戶功率約束下，通過控制D2D用戶的功率使系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大。仿真結(jié)果表明，所提方法能顯著提高系統(tǒng)的吞吐量。

關(guān)鍵詞： D2D通信; 信道分配; 功率優(yōu)化; 頻譜復(fù)用; 功率控制; 吞吐量提高

中圖分類號： TN921?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）23?0011?04

Abstract： D2D communication technology can effectively reduce the burden of base station and communication delay， and expand the capacity of communication system. In fact， throughput is a key indicator of system capacity， which can reflect the advantages and disadvantages intuitively. However， in the D2D communication system， the co?channel interference caused by D2D users multiplexing the spectrum resources of cellular users may affect the throughput of the system. In this paper， an optimization algorithm for multi?user spectrum multiplexing and power control is proposed. Firstly， the optimal matching among multi?users is achieved by combining the channel interference coefficient matrix with the minimum signal?to?interference?noise ratio （SINR） requirement among multi?users. The throughput of the system can be maximized by controlling the power of D2D users under the power constraint of D2D users. The simulation results show that the proposed method can significantly improve the system throughput.

Keywords： D2D communication; channel allocation; power optimization; frequency spectrum multiplex; power control; throughput increase

0 ?引 ?言

隨著多媒體數(shù)據(jù)的爆炸性增長以及移動設(shè)備的不斷普及，用戶對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與實時性提出了更加苛刻的要求。面對急速增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中無線資源不足的問題日益突出。D2D通信技術(shù)通過D2D直通鏈路實現(xiàn)D2D用戶之間的直接通信，通過這樣的方式能夠使信息傳輸不需要經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn)，從而達(dá)到提高無線資源利用率的目的[1?3]。因此，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù)能夠提升系統(tǒng)的頻譜利用率，使得信息的傳輸更加快速、準(zhǔn)確。

D2D資源管理模式有Overlay和Underlay兩種。在Overlay的管理模式中，D2D用戶將會從蜂窩用戶處得到一部分獨(dú)立的頻譜資源用于D2D通信;而在Underlay的管理模式下，蜂窩用戶將自身擁有的頻譜資源與D2D用戶一起使用。因此，采用Underlay模式能夠更大限度地提高頻譜的利用率[4]。然而，當(dāng)D2D用戶對蜂窩用戶的頻譜資源復(fù)用時，D2D用戶與蜂窩用戶之間會存在同頻干擾，從而影響系統(tǒng)的吞吐量。因此，降低D2D用戶與蜂窩用戶之間的同頻干擾，是在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù)時所需解決的重要問題。近些年來，相關(guān)人員也做了如下研究。文獻(xiàn)[5]考慮了在單蜂窩小區(qū)場景下，以蜂窩用戶所受干擾為標(biāo)準(zhǔn)實施信道分配策略，降低了單個用戶所受到的干擾，然后通過對功率的控制提高了用戶的吞吐量。文獻(xiàn)[6]通過結(jié)合信道分配和信道匯聚的特性，以分布式方式在最適當(dāng)?shù)男诺郎蠀R合一對發(fā)送方和接收方，從而完成信道的分配，使D2D鏈路之間的信道增益達(dá)到最大，但是文中沒有對D2D用戶的功率進(jìn)行控制，從而增加了系統(tǒng)的吞吐量。文獻(xiàn)[7]雖然通過功率優(yōu)化來提升系統(tǒng)的吞吐量，但是卻沒有將信道選擇和D2D用戶功率的優(yōu)化相結(jié)合對系統(tǒng)的吞吐量進(jìn)行提升。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究成果，文中通過設(shè)置干擾系數(shù)來反映信道條件的優(yōu)劣，從而能夠更加精準(zhǔn)地判斷出最優(yōu)的信道。

本文從文獻(xiàn)[8?9]中獲得靈感，提出了信道選擇和功率分配的方案。首先，在信道選擇過程中，找出D2D用戶可復(fù)用的蜂窩用戶集，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用匈牙利算法并聯(lián)合干擾系數(shù)確定D2D用戶所選擇的信道。然后，在D2D用戶功率約束的條件下求得D2D用戶發(fā)射功率的最優(yōu)解，使系統(tǒng)達(dá)到最大吞吐量。

1 ?系統(tǒng)模型

D2D通信技術(shù)應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的場景如圖1所示。以基站BS為圓心，[R]為半徑，小區(qū)內(nèi)分布有[N]個蜂窩用戶和[M]對D2D用戶，且[N≥M]。蜂窩用戶集可用[N=1，2，…，n]表示，D2D的用戶集用[M=1，2，…，m]表示。蜂窩用戶的上行鏈路信道資源可以被D2D用戶復(fù)用以完成D2D通信，且約定一個蜂窩用戶的上行鏈路資源至多被一對D2D用戶對復(fù)用，一個D2D用戶僅能對一個蜂窩用戶的上行蜂窩鏈路進(jìn)行復(fù)用，并且假設(shè)基站已知所有鏈路的CSI信息。

根據(jù)式（7）可以得到D2D用戶[j]可復(fù)用的蜂窩用戶集，并計算相應(yīng)的干擾系數(shù)，依據(jù)對應(yīng)的干擾系數(shù)得到D2D用戶與潛在復(fù)用蜂窩用戶的二分圖如圖2所示。

圖2中上半部分頂點為D2D用戶集，下半部分頂點為蜂窩用戶集。D2D用戶[j]與其潛在的復(fù)用蜂窩用戶[i]有一條線將兩個頂點連接起來，其權(quán)值大小為干擾系數(shù)[φi，j]。

最后，通過匈牙利算法解決D2D用戶與蜂窩用戶的匹配問題。算法具體實現(xiàn)步驟如下：

1） 通過D2D用戶和蜂窩用戶之間的干擾系數(shù)生成干擾系數(shù)矩陣[ψN×M=φi，jN×M]，并生成初始信道復(fù)用矩陣[XN×M=xi，jN×M=0N×M]。

2） 若[M=N]則直接進(jìn)入步驟3）;若[N>M]，則對矩陣添加0序列，使其變?yōu)閇N×N]階方陣。

3） 找出干擾系數(shù)矩陣每一行元素中的最小值，然后令該行的每個元素都減去該最小值。

4） 將干擾系數(shù)矩陣中每一列的最小值找出，并讓其所在列的所有元素減去這一列的最小值。

5） 做直線覆蓋所有的0元素，且以直線最小的方案為最終方案。

6） 最優(yōu)方案判斷： 當(dāng)直線數(shù)目為[N]時，執(zhí)行步驟9）;若直線數(shù)量不為[N]時，執(zhí)行步驟7）。

7） 找出劃線外元素的最小值。

8） 沒有劃直線的行的所有元素減去該最小值，劃了直線的列的所有元素加上該最小值，返回步驟5）。

9） 將當(dāng)前矩陣與信道復(fù)用矩陣對應(yīng)，0元素所在位置對應(yīng)的[xi，j]置1，由此得到新的信道復(fù)用矩陣[XN×M]。

在D2D用戶的信道選擇完成之后，每個D2D用戶都與其所復(fù)用的蜂窩用戶完成匹配。接著，對D2D用戶的發(fā)射功率進(jìn)行控制以增大系統(tǒng)的吞吐量。式（5）的約束條件[C1]聯(lián)合式（6）和式（7），可以得到新的功率約束如下：

所以，最優(yōu)功率值可以通過式（8）的邊界條件獲得，將兩個邊界值代入式（5）的目標(biāo)函數(shù)，得到計算結(jié)果最大的便是最優(yōu)功率。

3 ?仿真分析

本節(jié)主要通過Matlab仿真對所提出算法的有效性進(jìn)行驗證，仿真中需要的具體參數(shù)如表1所示。

本文通過與文獻(xiàn)[8]所提出的方案及隨機(jī)資源分配方案進(jìn)行性能比較來證明文中算法的有效性，對比結(jié)果如圖3～圖6所示。

由圖3可知在本文方案下，基站所受到的干擾相比文獻(xiàn)[8]與隨機(jī)分配方案要少。而隨著D2D數(shù)目的遞增，更多蜂窩用戶的頻譜資源被復(fù)用，所以基站也會受到更多的干擾。盡管如此，在本文方案下基站所受到的干擾也不會超過文獻(xiàn)[8]方案下基站所受到的干擾。所以，在本文方案下，D2D用戶對蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾較小。

不同功率分配方案與系統(tǒng)吞吐量之間的關(guān)系如圖4所示。在信道不變的前提下，本文的功率分配方案能夠在D2D之間距離不同的條件下調(diào)整發(fā)射功率，使系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大值，從而證明了本文功率分配的有效性。

從圖5可以得到，D2D用戶數(shù)目的增加也會伴隨著系統(tǒng)吞吐量的增加。本文提供的方案相比文獻(xiàn)[8]的方案與隨機(jī)分配方案在性能上分別提高了16%和28%。在本文的算法中，D2D用戶會盡可能地復(fù)用干擾系數(shù)較低的信道資源從而達(dá)到降低D2D用戶與蜂窩用戶之間共道干擾的目的，并對D2D用戶的發(fā)射功率進(jìn)行控制進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的吞吐量。

圖6反映的是系統(tǒng)的吞吐量與D2D鏈路之間距離的關(guān)系。從圖中可以看出，D2D用戶之間的距離越大，系統(tǒng)的吞吐量就會越低。這是由于增大了D2D用戶之間距離之后，D2D用戶對之間的路徑損耗就會增大，這會使D2D用戶之間的信道增益降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體的吞吐量下降。但是從圖中也可以看出，即使信道增益較低的情況下，本文方案的系統(tǒng)吞吐量相比文獻(xiàn)[8]方案與隨機(jī)分配方案分別提高了23%和29%。

4 ?結(jié) ?語

本文針對蜂窩系統(tǒng)中D2D通信技術(shù)存在的同頻干擾問題，在確保了蜂窩用戶與D2D用戶通信質(zhì)量的前提下，通過信道分配使D2D用戶能夠復(fù)用到最佳的蜂窩用戶信道，通過對D2D用戶的發(fā)射功率進(jìn)行控制，使系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到了最大。通過與其他方案仿真對比，證明本文方案能夠為系統(tǒng)提供更大的吞吐量。

參考文獻(xiàn)

[1] FENG D Q， LU L， YI Y W， et al. Device?to?device communications underlaying cellular networks [J]. IEEE transactions on communications， 2013， 61（8）： 3541?3551.

[2] SUN P， SHIN K G， ZHANG H L， et al. Transmit power control for D2D?underlaid cellular networks based on statistical features [J]. IEEE transaction on vehicular technology， 2017， 66（5）： 4110?4119.

[3] MEMMI A， REZKI Z， ALOUINI M S. Power control for D2D underlay cellular networks with channel uncertainty [J]. IEEE transactions on wireless communications， 2017， 16（2）： 1330?1343.

[4] ASMAA A， MOHAMMAD M M， ALI C. Power control and channel allocation for D2D underlaid cellular networks [J]. IEEE transactions on communications， 2018， 66（7）： 3017?3234.

[5] HOANG T D， LE L B， THO L N. Joint mode selection and resource allocation for relay?based D2D communications [J]. IEEE communications letters， 2017， 21（2）： 398?401.

[6] ZHAO H T， DING K Q， SARKAR N I， et al. A simple distri?buted channel allocation algorithm for D2D communication pairs [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2018， 67（11）： 10960?10969.

[7] ZHAO W T， WANG S W. Low complexity power allocation for device?to?device communication underlaying cellular networks [C]// 2014 IEEE International Conference on Communications （ICC）. Sydney， NSW， Australia： IEEE， 2014： 5532?5537.

[8] ESMAT H H， ELMESALAWY M M， IBRAHIM I I. Adaptive resource sharing algorithm for device?to?device communications underlaying cellular networks [J]. IEEE communications letters， 2016， 20（3）： 530?533.

[9] SUN Jian， LIU Tong， WANG Xianxian， et al. Optimal mode selections with uplink data rate maximization for D2D?aided underlaying cellular networks [J]. IEEE access， 2016， 4： 8844?8856.

[10] MOHAMMAD T I， ABD?ELHAMID M T， SELIM A. Reducing the complexity of resource allocation for underlaying device?to?device communications [C]// 2015 International Wireless Communications and Mobile Computing Conference （IWCMC）. Dubrovnik， Croatia： IEEE， 2015： 61?66.