一種基于設(shè)備效用值的中繼選擇算法

李丹丹，劉豐年，梁利亭

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒學(xué)院，河南 三門峽 472000)

移動通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展使人們的工作和生活方式出現(xiàn)了重大變化，同時人們對于移動通信的需求也在不斷推動移動通信技術(shù)進步。如何充分利用有限的頻譜資源，最大限度提升移動通信系統(tǒng)性能是當(dāng)前移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的熱點。非正交多址接入(non-orthogonal multiple access, NOMA)技術(shù)[1-3]能顯著提升頻譜利用率、降低能耗，已成為5G通信領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。目前，基于NOMA的協(xié)作通信技術(shù)處于起步階段，還有較多問題需要進一步研究，如中繼選擇[4-6]、資源調(diào)配、用戶配對、通信穩(wěn)定性等。D2D(device-to-device)通信技術(shù)[7-9]可以有效減輕基站通信壓力，是5G通信領(lǐng)域的重要技術(shù)之一。基于NOMA技術(shù)的D2D通信系統(tǒng)中，基站直連近端設(shè)備，通過協(xié)作中繼連接遠端設(shè)備，中繼選擇直接關(guān)系到D2D通信系統(tǒng)的性能，故有必要對系統(tǒng)的中繼選擇算法進行研究。

1 系統(tǒng)模型與性能評價指標(biāo)

1.1 系統(tǒng)模型

蜂窩移動通信系統(tǒng)的基站大多設(shè)置在通信覆蓋區(qū)域中心，但用戶設(shè)備的位置不是固定的，有些位于通信覆蓋區(qū)域的邊緣甚至超出通信覆蓋區(qū)域，還有些由于建筑物等物體的遮擋，通信穩(wěn)定性大大降低。為解決該問題，采用NOMA+D2D的中繼協(xié)作通信方案。在該方案中，基站采用NOMA技術(shù)與近端設(shè)備和遠端設(shè)備通信?；九c近端設(shè)備通信常采用直連方式，而在與遠端設(shè)備通信時，直連方式無法保證鏈路通信質(zhì)量，故需要通過中繼協(xié)作方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以保證通信鏈路的可靠性。一個半徑為250 m的蜂窩小區(qū)，基站采取NOMA方式與用戶設(shè)備通信。其中，用戶設(shè)備UE1與基站(BS)之間的距離是100 m，可直接與BS通信，而用戶設(shè)備UE2位于小區(qū)邊緣，與BS通信需要中繼設(shè)備(Relay)協(xié)助。UE2和Relay采用D2D連接，每個節(jié)點配備單根天線，中繼工作模式為半雙工解碼轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)模型見圖1。

圖1 系統(tǒng)模型

由圖1可知，BS與UE之間的通信主要分為兩個階段。

第一階段，BS以NOMA方式向UE1和Relay發(fā)送信號：

(1)

式中：x1(t1)表示BS發(fā)送到UE1的信號；x2(t1)表示BS發(fā)送到UE2的信號；Pb表示BS的發(fā)送功率；a1、a2表示功率分配因子(a1+a2=1)。UE1、Relay的接收信號分別為

y1(t1)=h1，bxN(t1)+n1(t1)，

yr(t1)=hr，bxN(t1)+nr(t1)，

(2)

式中：n1(t1)、nr(t1)表示加性高斯白噪聲。UE1會先解調(diào)x2(t1)，消除x2(t1)的干擾后再解調(diào)x1(t1)，而Relay只會解調(diào)x2(t1)，而將x1(t1)當(dāng)作噪聲。

第二階段，Relay重新傳輸?shù)谝浑A段中解調(diào)得到的信號x2(t1)，BS維持功率分配因子不變，給UE1發(fā)送新信號x1(t2)。UE1和UE2的接收信號分別為

(3)

系統(tǒng)模型(圖1)中，UE1與BS的間距較小，UE2與BS的間距較大，甚至超出通信覆蓋范圍。通信系統(tǒng)下行鏈路基于NOMA，功率固定分配，UE1、UE2對應(yīng)的功率分配因子分別為a1、a2，且a1

1.2 系統(tǒng)性能評價指標(biāo)

根據(jù)用戶服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)的要求，在明確每個數(shù)據(jù)流目標(biāo)通信速率的情況下，采用通信中斷概率作為評價通信系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)。在通信傳輸速率滿足目標(biāo)通信速率要求的情況下，可以通過系統(tǒng)吞吐量評價系統(tǒng)性能。本次給出的系統(tǒng)模型假設(shè)通信傳輸速率滿足預(yù)設(shè)速率要求，所以下一步就是根據(jù)系統(tǒng)吞吐量評價系統(tǒng)性能。根據(jù)用戶QoS要求確定目標(biāo)通信速率R1和R2后，可以通過以下公式求得系統(tǒng)吞吐量

Csum=C1(t1)+C1(t2)+C2(t2)，

(4)

式中：C1(t1)表示第一階段中UE1與BS之間的通信速率；C1(t2)表示第二階段中UE1與BS之間的通信速率；C2(t2)表示第二階段中UE2與BS之間的通信速率。

2 基于NOMA的D2D中繼選擇算法

2.1 基于最佳距離的D2D中繼選擇算法

UE2與BS之間的通信速率C2(t2)和兩條通信鏈路相關(guān)，功率分配因子相同時，Relay與BS的距離、Relay與用戶設(shè)備之間的距離對用戶設(shè)備的通信速率有較大影響。在確保UE2的通信速率已滿足預(yù)設(shè)速率要求的情況下，合理規(guī)劃中繼設(shè)備布局可以有效提高通信鏈路速率。如果已知BS的功率分配因子，那么UE2和BS之間的通信速率與Relay的位置及轉(zhuǎn)發(fā)信噪比有較大關(guān)系，最佳距離D可通過下列公式表示：

D={dr，bmax[E(C2(t2))]}={dr，b|max[log2(1+min(E(γr)，E(γ2)))/2]}，

(5)

式中：dr，b表示BS、Relay、UE2共線時，Relay與BS的間距；C2(t2)表示第二階段中UE2與BS之間的通信速率；E(X)表示X的均值；γr表示UE1處x1(t1)信號的信噪比；γ2表示UE2處Relay轉(zhuǎn)發(fā)信號x2(t1)的信噪比。應(yīng)確保通信全過程中UE2通信速率均為預(yù)設(shè)速率，Relay到BS的距離要小于某一特定值，即

Dr，b

(6)

且Relay到UE2距離小于某一特定值，即

DUE2，b

(7)

式中：dr，b(a1(t1)，ρb)表示滿足功率因子為a1(t1)、信噪比為ρb、UE2通信速率達到預(yù)設(shè)速率時，Relay到BS的最遠距離；dUE2，b(a1(t1)，ρb)表示滿足功率因子為a1(t1)、信噪比為ρb、UE2通信速率達到預(yù)設(shè)速率時，Relay到UE2的最遠距離?；谏鲜黾s束條件可以得到Relay選擇區(qū)域，如圖2所示。

圖2 基于最佳距離的通信中繼選擇區(qū)域

該算法的基本工作流程如下：如果BS判斷與UE2的通信速率無法達到預(yù)設(shè)通信速率或無法建立通信連接，BS首先根據(jù)預(yù)設(shè)速率、信噪比、當(dāng)前功率分配因子確定Relay與BS、UE2之間的最佳距離，從而確定中繼選擇區(qū)域，在中繼選擇區(qū)域內(nèi)找到最接近最佳距離的空閑設(shè)備作為Relay。

2.2 基于最大中繼通信速率的中繼選擇算法

中繼通信速率，即BS與遠端設(shè)備UE2之間的鏈路速率。該算法基本流程如下：如果BS檢測到與UE2的鏈路質(zhì)量變差，通信速率無法達到預(yù)設(shè)速率或者根本無法建立通信鏈路，BS首先向Relay選擇范圍內(nèi)的空閑設(shè)備發(fā)出協(xié)作通信請求，接收到協(xié)作通信請求的空閑設(shè)備被認為是潛在的Relay，然后遠端設(shè)備UE2發(fā)送檢測信號，檢測潛在Relay能提供的最大鏈路速率，潛在Relay將通信鏈路速率信息返回給BS，最后BS根據(jù)各潛在Relay返回的鏈路速率信息，選擇能夠提供最大中繼通信速率的空閑設(shè)備作為Relay。當(dāng)BS在選擇Relay時，與基于最佳距離的算法相比，該算法的BS需要先知道Relay選擇區(qū)域內(nèi)所有空閑設(shè)備能夠達到的最大通信速率，這意味著信令開銷更大。

2.3 基于設(shè)備效用值的中繼選擇算法

上述兩種算法主要基于設(shè)備的物理位置和中繼通信速率，且默認空閑設(shè)備都可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。但在實際應(yīng)用中，因為設(shè)備位置可能變化、通信系統(tǒng)資源有限及隱私保護等因素存在，空閑設(shè)備不一定會配合進行協(xié)作通信，導(dǎo)致這兩種算法在實際應(yīng)用中往往無法達到預(yù)期效果。基于此，本研究設(shè)計了一種基于設(shè)備效用值的中繼選擇算法，綜合考慮中繼通信速率、設(shè)備位置及設(shè)備能耗等多種因素。前兩種因素上述算法已經(jīng)加以考慮，而Relay能耗是本算法主要考慮的因素，故將Relay原有電量及協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)后的剩余電量作為衡量指標(biāo)。假設(shè)Relay的原有電量為Emax，協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)后Relay的剩余電量為E′，則

E′=φtEmax。

(8)

為確保Relay正常運行，應(yīng)保證φt不低于閾值φmin，以避免系統(tǒng)通信中斷。假設(shè)Relay靜止，Relay的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效用

β=Cφt>βth，

(9)

式中：C表示中繼通信速率；βth表示Relay數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效用限值。βth由預(yù)設(shè)速率R2和φmin決定：

βth=R2φmin。

(10)

如果Relay非靜止，則Relay的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效用值可以表示為

(11)

式中：v表示Relay的移動速度，閾值為vth。

如果BS檢測到與UE2通信鏈路的速率達不到要求或無法建立通信鏈路，則基站首先向潛在Relay發(fā)出協(xié)作通信請求，然后UE2向潛在Relay發(fā)出探測信號，潛在Relay將能提供的通信鏈路速率和剩余電量百分比返回給BS，BS基于反饋信息計算設(shè)備效用值，最后選擇設(shè)備效用值最大且滿足預(yù)設(shè)速率要求的空閑設(shè)備作為Relay。

3 仿真對比與性能分析

仿真實驗基于MATLAB 2016軟件和Intel Core i7 CPU開發(fā)平臺進行。假設(shè)蜂窩小區(qū)半徑為250 m，用戶設(shè)備與基站之間的距離為100 m，仿真時間為10 000 ms，系統(tǒng)帶寬為5 MHz，蜂窩用戶數(shù)為20，蜂窩用戶最大發(fā)送功率的絕對值為25 dBm，D2D用戶最大發(fā)送功率的絕對值為20 dBm，將本研究提出的算法與傳統(tǒng)的基于最佳距離和最大中繼速率的算法進行比較。當(dāng)a1(t1)=0.1、φmin=0.3、vth=14 m/s時，3種算法對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量如圖3所示。

圖3 當(dāng)a1(t1)=0.1、φmin=0.3、vth=14 m/s時3種算法對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量

由圖3可知，3種算法的信噪比與系統(tǒng)吞吐量均成正比。當(dāng)信噪比較低時，系統(tǒng)吞吐量均為0。實際上，如果信噪比低，無論哪種算法，系統(tǒng)通信都會中斷。信噪比較高時，基于設(shè)備效用值的算法對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量最大，而基于最佳距離的算法對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量最小。原因在于基于設(shè)備效用值選擇中繼設(shè)備時綜合考慮鏈路速率、設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)能力，所選中繼設(shè)備協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)穩(wěn)定，系統(tǒng)平均吞吐量較高；基于最佳距離選擇中繼設(shè)備時只考慮設(shè)備的物理位置，所選的中繼設(shè)備很可能因為協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)能力不足導(dǎo)致系統(tǒng)通信中斷；基于最大中繼通信速率選擇的中繼設(shè)備忽視了設(shè)備的實際轉(zhuǎn)發(fā)能力，也容易造成系統(tǒng)中斷。因此，對于系統(tǒng)吞吐量，基于設(shè)備效用值的中繼選擇算法效果最佳。

當(dāng)a1(t1)=0.2、φmin=0.3，vth=14 m/s，時，3種算法的系統(tǒng)吞吐量如圖4所示。結(jié)合圖3進行對比分析可知，隨著a1(t1)的增加，信噪比高時，基于設(shè)備效用值的中繼選擇算法對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量依然最高，而且隨著a1(t1)的增加，采用3種算法的系統(tǒng)吞吐量都有所提高。

當(dāng)a1(t1)=0.2、φmin=0.4、vth=10 m/s時，采用3種中繼算法的系統(tǒng)吞吐量如圖5所示。對比圖3、圖4和圖5可以看出，vth減少后，采用3種中繼選擇算法的系統(tǒng)吞吐量都有所下降。這是因為當(dāng)φmin增加、vth減少時，具備轉(zhuǎn)發(fā)能力的潛在中繼設(shè)備數(shù)量減少了，3種算法下系統(tǒng)中斷概率均增加，但是中繼設(shè)備的剩余電量、移動速度閾值的改變對系統(tǒng)的影響更大，所以基于設(shè)備效用值的算法對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量依然最高。

圖4 當(dāng)a1(t1)=0.2、φmin=0.3、vth=14 m/s時3種算法對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量

圖5 當(dāng)a1(t1)=0.2、φmin=0.4、vth=10 m/s時3種算法對應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量

4 結(jié)語

本研究針對基于最佳距離和最大中繼速率的中繼選擇算法忽視設(shè)備效用的問題，提出了一種基于設(shè)備效用值的中繼選擇算法。該算法綜合考慮了中繼通信速率、設(shè)備位置及設(shè)備能耗等多種因素。在實際D2D應(yīng)用場景中，在給定功率分配因子、設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力、設(shè)備剩余電量、設(shè)備移動速度的情況下，使用基于設(shè)備效用值的中繼選擇算法不僅可以保證系統(tǒng)中斷概率降低，而且能保證系統(tǒng)具有最高的吞吐量，故更適用于實際的D2D通信場景。