D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡中分布式路由資源分配方法

伊學君

（電子科技大學成都學院，四川 成都 611731）

0 引 言

設(shè)備到設(shè)備（Device-To-Device，D2D）通信作為一種新興的通信方式，允許終端設(shè)備在近距離范圍內(nèi)直接進行通信，無須通過基站中繼，從而顯著提高通信效率和數(shù)據(jù)傳輸速度。因此，對D2D 通信技術(shù)的研究具有重要的實際意義和應用價值。文獻[1]利用信道模型對D2D 用戶進行分簇，再通過Stackelberg博弈實現(xiàn)用戶簇和D2D 用戶的最佳信道匹配，可以解決車輛密集通信場景下通信質(zhì)量差的問題。文獻[2]將D2D 網(wǎng)絡資源分配問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，以系統(tǒng)速率最大化為目標進行多變量耦合資源分配，具有良好的收斂性能。文獻[3]利用加權(quán)二部圖算法進行D2D 網(wǎng)絡中的用戶資源分配，再基于貪婪策略進行用戶資源分配重用，可以同時兼顧用戶資源分配的公平性與質(zhì)量需求。

傳統(tǒng)資源分配方法未充分考慮D2D 設(shè)備的異構(gòu)性，使得資源的均衡與高效分配難以實現(xiàn)。因此，文章進一步研究D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡中的分布式路由資源分配方法。

1 建立D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的分布式系統(tǒng)模型

為了深入研究D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的路由資源分配問題，建立一個合適的系統(tǒng)模型[4]。采用分布式系統(tǒng)模型來描述D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡，將D2D通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡抽象為一個多層次、多類型的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，具體如圖1 所示[5]。

圖1 D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的分布式系統(tǒng)模型

由于設(shè)備節(jié)點具有不同的處理能力、存儲能力以及通信能力，既可以節(jié)點直連通信，也可以多節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)通信。D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的分布式系統(tǒng)模型可以表示為

式中：U表示D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的資源分配模型；η1、η2分別表示D2D 用戶的通信速率和通信保密率；ω1、ω2表示權(quán)重系數(shù)。通過式（1）可以將D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的分布式系統(tǒng)模型進行量化分析，通過調(diào)整數(shù)據(jù)通信速率η1或者通信保密率η2，可以實現(xiàn)路由資源的有效利用與公平分配[6]。

2 分布式D2D 系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)現(xiàn)與會話建立

在D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡中，設(shè)備發(fā)現(xiàn)與會話建立是實現(xiàn)高效通信的關(guān)鍵步驟。設(shè)備發(fā)現(xiàn)是在網(wǎng)絡中尋找潛在通信伙伴的過程，是建立有效通信鏈路的前提；而會話建立是在設(shè)備發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，進一步建立可靠的通信鏈路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

文章提出一種基于鄰居節(jié)點信息交換的機制，以實現(xiàn)高效的設(shè)備發(fā)現(xiàn)。在分布式D2D 系統(tǒng)中，各節(jié)點可以通過廣播和監(jiān)聽的方式獲取鄰居節(jié)點的信息，節(jié)點間的通信能力為

式中：λij表示D2D 設(shè)備節(jié)點i和節(jié)點j之間的通信能力；f(Dij)表示與節(jié)點i和節(jié)點j之間距離Dij相關(guān)的函數(shù)，描述距離對通信能力的影響；(xi,yi)、(xj,yj)分別表示節(jié)點i和j的坐標信息。一般來說，在分布式D2D 系統(tǒng)中，每個節(jié)點都會根據(jù)自身的通信能力，按照預定的時間間隔向周圍發(fā)送廣播消息。這些廣播消息包含節(jié)點的標識、位置信息以及通信能力等。同時，與之相鄰的節(jié)點能夠監(jiān)聽周圍節(jié)點的廣播消息，收集鄰居節(jié)點的信息。通過這種方式，分布式D2D系統(tǒng)中各個D2D 設(shè)備節(jié)點可以快速獲取鄰居節(jié)點的狀態(tài)和屬性，為后續(xù)的會話建立奠定基礎(chǔ)。在設(shè)備發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，文章引入一種自適應的會話建立策略，以適應不同類型設(shè)備的通信需求，建立可靠的通信鏈路。通信半徑和通信閾值是2 個關(guān)鍵參數(shù)，通信半徑?jīng)Q定了節(jié)點能夠與哪些鄰居節(jié)點建立通信鏈路，通信閾值則用于評估鏈路的可靠性，對應的計算公式分別為

式中：Ri表示D2D 設(shè)備節(jié)點i的通信半徑；ωi表示節(jié)點i的權(quán)值；Ti表示節(jié)點i的通信閾值；ti表示節(jié)點i的通信閾值系數(shù)；gi表示節(jié)點i的性能指標。權(quán)重因子ωi根據(jù)設(shè)備的處理能力、存儲容量和通信能力進行動態(tài)調(diào)整。通過這種方式，性能較差的設(shè)備可以獲得更多的通信機會，從而提高整個網(wǎng)絡的公平性和穩(wěn)定性。通過D2D 設(shè)備發(fā)現(xiàn)與通信鏈路會話建立，D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡可以更好地了解可用路由資源和通信條件，有助于實現(xiàn)更加智能和高效的資源分配。

3 設(shè)備發(fā)現(xiàn)中的路由資源分配

在D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡的路由資源分配時，為了最大化D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率，需要將有限的資源（如子信道和功率）有效分配給D2D用戶，因此引入貪婪算法設(shè)計一種高效資源分配策略。使用貪婪算法為D2D 用戶分配子信道，該算法可以根據(jù)當前信息進行局部最優(yōu)決策，以期達到全局最優(yōu)。具體來說，按照子信道的信道質(zhì)量對D2D 用戶進行排序，優(yōu)先為信道質(zhì)量好的用戶分配子信道，以確保信道資源被高效利用，并最大化D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率。假設(shè)D2D 用戶數(shù)量為N，D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡中的子信道數(shù)量為M，可以將基于貪婪算法的子信道分配問題表示為

式中：ηn表示D2D 用戶n的數(shù)據(jù)傳輸速率；xnm表示每個子信道被用戶使用的情況，為二進制變量。當D2D 用戶n使用子信道m(xù)時，其值為1，否則為0。在子信道分配完成后，根據(jù)每個用戶的信道質(zhì)量和所需的傳輸速率來為其分配功率。每個用戶根據(jù)其信道增益與其所需傳輸速率成正比地分配功率，表達式為

式中：Pnm表示D2D 用戶n在子信道m(xù)上分配的功率；F(Pn)表示D2D 用戶n最大傳輸功率的取整函數(shù)；gnm表示D2D 用戶n在子信道m(xù)上的信道增益。通過式（7）的線性功率分配策略可以確保每個用戶在已分配的子信道上以最大的傳輸速率進行通信，進而保障D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡在有限的功率資源下最大化用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。這種策略考慮了異構(gòu)網(wǎng)絡中的D2D 設(shè)備差異和動態(tài)變化，能夠自適應地調(diào)整路由資源分配，以最大化D2D 用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。

4 仿真實驗

4.1 仿真設(shè)置

為了評估文章所提D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡分布式路由資源分配方法的性能，設(shè)計以下仿真對比實驗?；贛ATLAB 仿真平臺，模擬一個包含多種類型設(shè)備的D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡，相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡仿真參數(shù)設(shè)置

本次仿真對比實驗共設(shè)定了3 種路由資源分配方案作為實驗對象：方案一采用文獻[2]方法進行D2D 路由資源分配；方案二基于文獻[3]方法進行D2D 路由資源分配；方案三采用文章設(shè)計的分布式路由資源分配方法進行仿真D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡中的資源分配。

4.2 結(jié)果分析

采用D2D 用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸速率指標來衡量不同方法在進行D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡路由資源分配的性能表現(xiàn)，具體如圖2 所示。

圖2 D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡路由資源分配結(jié)果對比

從圖2 可以看出，隨著D2D 用戶數(shù)量的增加，3種資源分配方案的D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率均呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。文章設(shè)計方法的D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率最高，且增長最快。這是因為文章設(shè)計的分布式分配方法能夠根據(jù)D2D 用戶需求和信道狀態(tài)動態(tài)分配資源，在這種策略下，每個D2D 用戶都能獲得一定的通信資源，從而分散網(wǎng)絡負載，避免過度的集中和擁塞。因此，隨著用戶數(shù)量的增加，D2D用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率能夠保持較高的增長速度。通過本次仿真對比實驗，驗證了文章設(shè)計方法在提升不同D2D 用戶數(shù)量下的D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率方面的優(yōu)越性。

5 結(jié) 論

在D2D 通信復用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡中，分布式路由資源分配方法是一種有效的策略，能夠根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境和用戶需求進行動態(tài)的資源優(yōu)化。通過開展對比實驗，驗證了該方法在提高D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率方面的優(yōu)勢。然而，該方法仍存在一些不足之處，如對網(wǎng)絡狀態(tài)信息的需求可能導致隱私和安全問題。未來研究可考慮結(jié)合其他技術(shù)，進一步優(yōu)化資源分配和提高網(wǎng)絡性能。