基于分組的D2D通信功率控制算法

丁晨 石振剛

摘要：為解決現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備對(duì)設(shè)備（Device?to?Device，D2D）通信的功率控制算法中路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)固定導(dǎo)致基站與D2D用戶之間產(chǎn)生同頻干擾的問題，文章提出了一種基于分組的功率控制算法。所提算法在傳統(tǒng)閉環(huán)功率控制算法的基礎(chǔ)上，利用D2D用戶到基站的距離和D2D用戶到蜂窩用戶的距離，計(jì)算出路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)增補(bǔ)量，并設(shè)定3組干擾區(qū)域?qū)β窂綋p耗補(bǔ)償系數(shù)的增補(bǔ)量大小進(jìn)行區(qū)分，最后采用聯(lián)合閉環(huán)功率對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行干擾抑制。通過仿真實(shí)驗(yàn)可得知，該算法比使用傳統(tǒng)閉環(huán)功率控制算法的系統(tǒng)的信干噪比（Signal?to?Interference?Plus?Noise?Ratio，SINR）和吞吐量得到了提高，可以顯著提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的功率控制性能，達(dá)到干擾抑制的作用。

關(guān)鍵詞：設(shè)備對(duì)設(shè)備??蜂窩網(wǎng)絡(luò)??功率控制??路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)??干擾抑制

DING?Chen??SHI?Zhengang*

（School?of?Information?Science?and?Engineering，?Shenyang?Ligong?University，?Shenyang，?Liaoning?Province，?110159?China）

Abstract：In?order?to?solve?the?problem?of?co-channel?interference?between?the?base?station?and?the?D2D?user?caused?by?the?fixed?path?loss?compensation?coefficient?in?the?power?control?algorithm?of?D2D?communication?in?the?existing?cellular?network，?this?paper?proposes?a?packet-based?power?control?algorithm.?On?the?basis?of?the traditional?closed-loop?power?control?algorithm，?this?algorithm??uses?the?distance?from?D2D?users?to?base?stations?and?the?distance?from?D2D?to?cellular?users?to?calculate?the?supplement?of?the?path?loss?compensation?coefficient，?and?sets?three?groups?of?interference?regions?to?distinguish?the?size?of?the?supplement?of?the?path?loss?compensation?coefficient，?and??finally?uses?the?joint?closed-loop?power?to?perform?the?interference?suppression?on?the?system.?Through?simulation?experiments，?it?can?be?seen?that?this?algorithm?has?improved?SINR?and?throughput?compared?with?the?system?using?the?traditional?closed-loop?power?control?algorithm，??and?can?significantly?improve?the?performance?of?power?control?of?D2D?communication?in?cellular?networks?and?achieve?the?effect?of?interference?suppression.□□□□□□□□□□□□□□□□

Key?Words：Device?to?device;??Cellular?network;??Power?control;??Path?loss?compensation?factor;??Interference?suppression

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，頻譜資源也越來越緊缺，如何保持高傳輸速率、低通信時(shí)延來滿足各種大規(guī)模通信業(yè)務(wù)，是個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題[1]。于2008年召開的3GPP會(huì)議首次提出D2D通信技術(shù)的概念，目前，D2D通信技術(shù)已經(jīng)被列入5G移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展框架，在未來的移動(dòng)通信發(fā)展中可以發(fā)揮更重要的作用[2]。

當(dāng)用戶采用D2D通信技術(shù)時(shí)，位于彼此傳輸范圍內(nèi)的兩個(gè)用戶之間可以通過公共信道直接通信，在彼此傳輸范圍外的用戶可以使用其他設(shè)備中繼信號(hào)[3]。與D2D通信相似的技術(shù)如Wi-Fi、藍(lán)牙等在通信距離增加時(shí)會(huì)存在一定的干擾，而使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻段的D2D通信的通信距離相對(duì)較短，所以信道質(zhì)量較高[4]。

目前，D2D通信工作模式主要可以分為蜂窩模式、專用模式和復(fù)用模式。蜂窩模式通過基站的轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，專用模式是指基站為D2D用戶預(yù)留部分空閑頻譜資源，D2D用戶和蜂窩用戶在正交的頻譜上進(jìn)行通信，二者之間不會(huì)存在干擾，而復(fù)用模式中D2D用戶可以共享蜂窩用戶資源來提高頻譜利用率，但也帶來了同頻干擾問題[5]。文章將利用功率控制技術(shù)減少復(fù)用模式下D2D通信產(chǎn)生的同頻干擾問題。

孫向艷[6]在其論文中提出采用一種加權(quán)和速率最大化二值功率控制方法可使D2D通信和速率最大化。張偉[7]根據(jù)D2D用戶到基站的路徑損耗在小區(qū)內(nèi)劃分出兩個(gè)干擾區(qū)，為不同區(qū)域的D2D用戶分配不同的補(bǔ)償系數(shù)。尹國慶[8]聯(lián)合了頻譜資源分配和功率控制技術(shù)，先使用貪婪算法進(jìn)行頻譜資源分配，再使用Q-learning進(jìn)行功率控制，提高了通信系統(tǒng)容量。BENBRAIKA?M?K和BITAM?S[9]提出增強(qiáng)型蜜蜂生命算法可用來解決聯(lián)合頻譜資源分配和功率控制受到非線性約束控制的問題。文章提出了一種基于分組的功率控制算法，可以有效改進(jìn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信帶來的同頻干擾問題，達(dá)到干擾抑制的效果。

1?系統(tǒng)模型

文章針對(duì)單個(gè)蜂窩小區(qū)場(chǎng)景建立了系統(tǒng)模型，將基站eNB建立在小區(qū)中心，并采取隨機(jī)分布的方式在小區(qū)分布M個(gè)蜂窩用戶及N對(duì)D2D用戶（M>N）?；臼紫葹榉涓C用戶分配頻譜資源，然后D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的上行鏈路資源。如圖1所示，蜂窩用戶CUE1通過上行鏈路將信息傳給eNB?eNB接收到數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)通過下行鏈路傳輸給蜂窩用戶CUE2。而DUE1與DUE2之間距離較近，可以利用D2D通信技術(shù)直接通信，而DUE1僅需要利用控制指令從基站獲取發(fā)射功率和頻譜資源信息。

其中，D2D用戶接收端的SINR可以表示為

蜂窩用戶的接收端的SINR可以表示為

式中，表示D2D用戶接收端的接收功率，表示D2D用戶對(duì)基站eNB的干擾，表示基站的接收功率，表示D2D用戶受到來自蜂窩用戶的干擾，表示熱噪聲功率。

根據(jù)香農(nóng)公式，D2D用戶的吞吐量如下，其中是D2D用戶所占的帶寬：

蜂窩用戶的吞吐量如下，其中BW為蜂窩用戶所占的帶寬：

2?基于分組的功率控制算法

2.1?開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制算法

在LTE協(xié)議中，上行功率控制算法一般分為開環(huán)功率控制算法和閉環(huán)功率控制算法。開環(huán)功率控制的計(jì)算公式為

其中，為UE的最大發(fā)射功率，為標(biāo)稱功率，也是小區(qū)特定參數(shù)，是分配給小區(qū)中用戶的資源塊數(shù)，為路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)，為路徑損耗，表示由調(diào)制和編碼方式確定的功率偏移量[10]。

閉環(huán)功率控制中相比開環(huán)功率控制增加了反饋項(xiàng)，其計(jì)算公式如下：

式中，為補(bǔ)償功放誤差、路徑損耗計(jì)算誤差及干擾點(diǎn)評(píng)突發(fā)等情況的閉環(huán)修正值，可以利用判斷功率控制狀態(tài)是累積性或絕對(duì)性功能函數(shù)。其中，閉環(huán)功率控制算法的流程圖如圖3所示。

2.2?基于分組的功率控制算法描述

文章采用了一種基于分組的D2D通信功率控制算法，將蜂窩小區(qū)設(shè)置了3個(gè)干擾組，即高干擾組（High?Interference?Group，HIG）、中干擾組（Medium?Interference?Group，MIG）、低干擾組（Low?Interference?Group，LIG），HIG的路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)設(shè)為，MIG的路徑損耗系數(shù)設(shè)為，LIG的路徑損耗系數(shù)設(shè)為，而D2D用戶與eNB的距離越遠(yuǎn)，的值應(yīng)該越大，因此本文將設(shè)定的增補(bǔ)量，表示為

式中，為蜂窩小區(qū)半徑，為D2D用戶與eNB之間的最小距離，為常數(shù)0.1，為D2D用戶與eNB之間的距離矩陣。

設(shè)定原始路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)為，經(jīng)過化簡，高干擾組中表示為

此外，閉環(huán)功率控制算法只對(duì)D2D用戶進(jìn)行閉環(huán)功率控制來減少用戶間干擾，但D2D用戶在復(fù)用蜂窩上行鏈路資源時(shí)，也會(huì)對(duì)蜂窩用戶產(chǎn)生干擾[11]，因此文章將在用戶分組的基礎(chǔ)上，對(duì)蜂窩用戶和D2D用戶采用聯(lián)合閉環(huán)功率控制，算法的具體步驟描述如下：

（1）隨機(jī)分布通信用戶并確定基站位置信息；

（2）D2D用戶開始復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源，并計(jì)算D2D用戶到eNB的距離；

（3）循環(huán)初始值；

（4）判斷D2D用戶是否屬于HIG，是則使；否則返回到Step?3；

（5）判斷D2D用戶是否屬于MIG，是則使；否則返回到Step?3；

（6）判斷D2D用戶是否屬于LIG，是則使；否則返回到Step?3；

（7）當(dāng)時(shí)，停止計(jì)算；當(dāng)時(shí)，，重復(fù)（2）～（6）。

3?仿真結(jié)果對(duì)比及分析

文章使用MATLAB作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真，將改進(jìn)后的基于分組的功率控制算法（APPC）與傳統(tǒng)開環(huán)（OLPC）和閉環(huán)功率控制算法（CLPC）進(jìn)行對(duì)比分析，系統(tǒng)模型如圖3所示。

為了更好地對(duì)比算法之間的性能，文章將設(shè)為0.7，D2D和蜂窩用戶的SINR累積概率分布函數(shù)（Cumulative?probability?distribution?function，CDF）曲線如圖所示。如圖4所示，文章提出的改進(jìn)控制功率算法得到的D2D用戶的SINR性能最好。從圖5可知，開環(huán)功率和閉環(huán)功率控制算法的CDF曲線整體趨于一致，而改進(jìn)功率控制算法則較好地提高了蜂窩用戶的SINR。

D2D用戶和小區(qū)內(nèi)所有用戶吞吐量的CDF曲線如圖6所示，可以看出D2D用戶的吞吐量與其SINR的分布類似，文章提出的改進(jìn)功率控制算法性能最佳。從圖7中可知，文章提出的算法提高了小區(qū)所有用戶的吞吐量。

4?結(jié)語

文章提出了一種基于分組的功率控制方法，將小區(qū)用戶劃分不同干擾組并配置不同的路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)，并采取聯(lián)合功率控制同時(shí)對(duì)D2D用戶和蜂窩用戶進(jìn)行閉環(huán)控制。通過仿真驗(yàn)證，所提出算法可以有效提高小區(qū)內(nèi)用戶的SINR和吞吐量，更好地提高了信道容量，維護(hù)了系統(tǒng)整體的服務(wù)質(zhì)量。

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