基于D2D中继的异构网络负载均衡策略

陈卓　曹洋　江涛

提出了一种基于设备间数据直传（D2D）中继的异构网络负载均衡策略，通过设备之间的直接数据传输，将满载大基站的数据分流到其覆盖范围内的空闲小基站中。具体提出了频谱资源和发射功率的联合资源分配算法，深入研究了在异构网络中利用D2D通信进行数据中继的传输速率最大化问题。仿真结果显示，提出的方法在保证原有用户的通信性能的前提下，增加了系统的可接入用户数和总体吞吐率，从而提升了自组织异构网络的整体性能。

自组织异构网络；设备间数据直传中继；负载均衡；资源分配

随着智能设备逐步普及，用户发起的服务请求数量以及用户对服务质量（QoS）的需求呈爆炸式增长，如何在现有网络架构基础上提升网络整体服务性能，在满足用户服务质量的前提下尽可能接入更多用户，正成为无线网络目前面临的最大难题[1]。因此，下一代移动通信网络（5G）需具备灵活的资源分配机制使得更多用户同时接入网络。

目前已有解决方案是跟据频谱复用原理提出的自组织异构网络[2]以及认知无线电（CR）[3-4]等方法。自组织异构网络是指在高性能基站（MBS）服务宏小区（Macrocell）的基础上，通过架设一定数量、覆盖范围有限、由低成本小基站（FBS）服务的自组织微小区（Femtocell）来复用宏小区频段。自组织即指各微小区通过自行决定服务范围内无线用户使用的频谱资源以及发射功率，将用户之间的干扰控制在可接受范围内，以提高频谱利用率、复用率以及提升整个系统的容量。但是当MBS满载时，尽管有一部分空闲微小区可供服务，那些处于微小区通信范围之外的宏小区用户（MU）仍然无法接入网络。

设备间数据直传（D2D）为同一小区内近距离数据传输提供了新途径[5-8]。在D2D模式中，数据在同一小区内的传输不通过基站进行中转，而是在基站参与监控下，直接由发送端向接收端进行传输，减少了网络中基站处数据流量以及服务负担。D2D通信的近距离直传特性，使得其通信性能具有以下特点[9]：

（1）低网络复杂度、低通信延时。基于近距离的D2D模式使用单跳直传方式进行数据收发，相比传统模式，路由的简化极大降低了网络复杂度，通信延时得到控制。

（2）高信道增益、低功率消耗。近距离通信带来的低链路损耗和高信道增益，使得用户可以使用更低的发射功率就可以保证数据在接收端达到和传统模式相同的信噪比。低功率消耗使得大多数电池驱动的移动设备使用寿命得到延长。

（3）高传输速率、高系统容量。高信道增益特点使得D2D通信能以较高的通信速率进行数据传输，整个系统容量较传统模式得到提升。

（4）高频谱效率、高频谱复用系数。通过调节D2D用户发射功率及使用频段，可有效地将D2D模式带来的干扰控制在一定范围内，为频谱资源的空间复用提供了可行的解决方案，有效提升了频谱利用率以及复用系数。

（5）提升网络边缘用户体验质量（QoE）。网络边缘用户通过D2D通信，将数据中继到距离基站更近的用户，通过该用户进行数据中继以提升自身QoE。

针对现有研究工作中普遍存在的宏小区和微小区负载不均衡问题，在文献[10]的基础上，本文提出了一种基于D2D中继的异构网络负载均衡策略，设计了相应的频谱资源调度以及用户发射功率控制的算法。通过联合资源分配，在满足宏小区以及微小区用户通信要求基础上，利用D2D通信，将满载MBS无法提供服务但处于微小区外侧MU的数据中继到其邻近的仍有空闲频谱资源的微小区中，使其以最大传输速率完成数据传输，提升系统容量。

1 基于D2D中继的异构

网络结构

1.1 网络模型

本文提出的基于D2D中继的异构网络结构如图1所示。异构网络中宏小区通信、微小区通信、D2D通信3种通信模式共存，宏小区和微小区内用户均工作在正交频分多址接入（OFDMA）模式下。由于同一小区内用户使用正交信道，相互之间无干扰。在距离MBS等长的宏小区边缘均匀分布着[N]个通过复用宏小区部分频段进行通信的微小区。每个微小区可复用的频谱资源集合在系统最初始配置完后保持不变。微小区定时向宏小区上传其当前频谱资源使用情况。MBS以列表形式将频谱使用信息进行保存，并根据微小区定时上传的内容对该列表进行更新。

由于MBS以及FBS抗干扰能力优于移动设备，为减少D2D用户在通信过程中给整个系统带来的干扰，D2D通信使用上行链路进行数据传输[11]。因此，只有工作在上行链路的接收方（即MBS和FBS）以及D2D对中信号接收方会受到相应干扰。

明显地，在图1的网络模型中，在任意频段上，共计有MU与宏基MBS之间的通信，微小区用户与FBS之间的通信，D2D对之间的通信，微小区当中的中继节点与FBS之间的通信4种通信方式，以及4种通信方式相互之间的干扰。

1.2 无线传播模型

本文考虑了包括路径损耗、穿透损耗、阴影衰落在内的3个方面的因素来综合计算数据在异构网络内传输过程中的传输损耗[12]。

基于传输距离[d]的路径损耗，具体来说，包括以下几种情况：

对于宏小区和微小区，计算用户向与之对应的小区基站数据传输的性能时，其路径损耗表达式为：

[L（d）（dB）=127+30lg（d）][ ]

对于宏小区和微小区，考虑用户和与之不对应的小区基站之间的干扰信号的传输性能时，其路径损耗表达式为：

[L（d）（dB）=128.1+37.6lg（d）][]

对于D2D用户，其路径损耗表达式为：

[L（d）（dB）=148+40lg（d）][ ]

穿透损耗：数据在传输过程中每穿过一层建筑，其穿透损耗为20 dB。本文假设MU与MBS之间无建筑阻隔，与FBS有一层建筑阻隔；微小区用户与对应FBS无建筑阻隔，与不对应FBS有两层建筑阻隔；D2D对之间无建筑阻隔。处于宏小区的D2D用户与FBS以及中继用户（不管是否服务于它）之间有1层建筑阻隔。

阴影衰落：阴影衰落模型本文采用常用的对数正态阴影衰落过程。取值为均值为0，方差为[σ=8 dB]的随机变量。

2 联合资源分配

联合资源分配包括传输频段的分配以及发射功率的选择，目的是为了获得一组对应的传输频段以及发射功率能够使宏用户B传输速率最大化[13-16]。为方便说明问题，我们记：多个微小区与宏小区可同时使用某一频段进行数据传输。在宏小区当中，有[M]个可用频段，每个频段记为[RB（r）（1≤r≤M）]。MBS满载时，[M]个频段被[M]个MU占用，记为[m（1≤m≤M）]。[Fn]个微小区传统用户以及[Nr]对D2D通信用户同时工作在频段[RBr]上，总数为[Fr]。任意微小区[f]含有[Ff]个可用频段，在其通信半径[RF]内[Lf]个用户正处于通信状态，每个用户记为[l（1≤l≤Lf）]，未被使用频段集合记为[Uf]。在频谱[RBr]上，MU发射功率记为[Pm]，[Fr]个微小区用户对应发射功率记为[Pf]（涉及多个微小区和用户时使用[k]，[i]等来进行标记区分）。[N0]表示在单个[RBr]频带宽度下所对应的高斯白噪声强度。[hri，j]表示在用户[i]利用频谱[RBr]向用户[j]进行数据传输时获得的总的信道增益。

优化目标：当宏用户B向系统发起用户服务请求时，求出其数据传输应使用的频段以及发射功率，使得宏用户B的传输速率最大，即：

式中：[γmaxC]表示用户C接收信号信噪比的最大值，[γmaxFBS]为对应频段下FBS接收信号信噪比的值。[BRB]为每个[RBr]所对应的频谱带宽。

当频段[RBr]被一个MU（图中用户A）和[Fr]个微小区共享时，即该频段上存在同时通信时，对应的MBS、FBS及D2D接收用户能在该频段上进行通信时需满足的约束条件如下：

（1）任意频段[RBr]上，接收用户的信噪比大于其门限值，即：

[γrMBS，m=Pmhrm，MBSN0+f∈[1，Fr]Pfhrf，MBS≥γthMBS] （2a）

（2）任意一个用户发射功率不大于其最大发射功率[P0]，即：

[Pf≤P0] （3）

当用户B向MBS发起包含位置信息的服务请求后，MBS检查自身状态，当其处于满负荷状态或者提供的服务性能不能满足用户B的需求时，MBS查找微小区频谱资源使用情况列表，按照下面的步骤建立D2D中继传输：

（1）确定中继用户C：MBS找到与用户B距离最近且仍有空闲频段的微小区[f]，向该小区下传用户B当前信息。该微小区根据用户B的信息，得到其内部与用户B具有最大链路增益的中继用户（图中用户C，简单取为距离用户B最近的空闲用户）。

（2）确定用户B和用户C的最低发射功率：微小区[f]在确定用户C之后，结合已获知的用户B的信息（包括位置以及服务速率请求等信息），分别根据用户C以及对应的微小区[f]的服务性能，求得用户B以及用户C在集合[Uf]中对应各频谱资源上所需的最低发射功率。微小区[f]将求得的最低发射功率以及用户C的信息上传至宏小区。

（3）MBS向目前正在使用集合[Uf]中各频段上进行通信的所有微小区下传用户B和用户C的信息。各微小区结合自身用户情况，在干扰可接受范围内，求出在集合[Uf]中各频段上所能允许用户B和用户C的最大发射功率，并上传至宏小区。

（4）宏小区计算用户B和用户C的最终发射功率。在集合[Uf]中频段[RBr]上，MBS取步骤（3）中各微小区求取结果的最小值，若两者均大于步骤（2）中求取对应值，则将用户B的取值记为可用功率。宏小区求出各可用功率的最大值，作为用户B的最终发射功率，得到对应频段，并求得用户C在该频段下的最终发射功率；否则，拒绝用户B的服务请求。

（5）MBS将用户B的最终发射功率、使用频段连同中继用户C的信息，发送至用户B；将用户C的最终发射功率和频段通过微小区[f]转发给用户C。用户B与用户C在获取相关信息后建立起D2D通信，开始数据传输。

按照D2D通信模式建立过程，主要的功率计算分布到了各微小区中，并且所有微小区知晓其覆盖范围内所有处于D2D模式的用户对的信息。

2.1 计算宏用户B的最小发射功率

对于用户C与微小区[f]中的FBSf，当用户B未接入时，两者在[Uf]集合中频段[RBr]上所收到的信号的强度[SrC]和[SrFBSf]分别表示为：

[SrC=N0+Pmhrm，C+f∈[1，Ff]Pfhrf，C] （4a）

[SrFBSf=N0+Pmhrm，FBSf+f∈[1，Ff]Pfhrf，FBSf]（4b）

当用户B以D2D模式接入微小区[f]时，用户C和对应的FBSf分别收到用户B和用户C的信号的信噪比公式为：

[γrC，B=PBhrB，CSrC≥γthC] （5a）

[γrFBSf，C=PChrC，FBSfSrFBSf≥γthFBSf] （5b）

式中：[γthC]和[γthFBSf]分别对应于对用户C以及FBSf处对接收信号信噪比的最低要求。当公式（5a）和（5b）两边取等时，即可得到用户B和用户C所需的最小发射功率：

[PrBmin=γthCSrChrB，C] （6a）

[PrCmin=γthBSSrFBSfhrC，FBSf] （6b）

2.2 计算宏用户B的最大发射功率

在用户B向宏小区申请接入、但服务质量无法满足的情况下，其切换至D2D通信模式，将数据中继到邻近微小区[f]中进行通信。此时，原有的用户的信噪比由于中继的引入变成如下两个阶段。其中用户C选取为与用户B具有最大链路增益的中继用户（图中用户C，简单取为距离用户B最近的空闲用户）。

第一阶段，宏小区用户B向微小区用户C进行中继通信：

第二阶段，微小区用户C向FBSf进行数据传输：

用户B在向MBS发送接入请求时，公式（2a）—公式（2c）式当中的[γrMBS]，[γri]，[γrFBSk]均为已知值，将其与公式（8a）—公式（9c）式结合，可得到用户B以及用户C在频段[RBr]上的最大发射功率如下：

2.3 计算宏用户B的传输速率

对于频段[RBr]，如果[PrBmax≥PrBmin]且[PrCmax≥PrCmin]，则该频段可用。本文中选取各可用频段下用户B的功率的最大值作为用户B最终最大发射功率，同时得到其对应频段[RBr]，求得用户C在该频段下的最大发射功率，即：

[PBmax=maxPrBmax r∈Uf] （12a）

[R=argr max（PrBmax）] （12b）

[PCmax=PRCmax] （12c）

在求得[PBmax]、[R]、[PCmax]后，MBS将用户B的最终最大发射功率、使用频段连同中继用户C的信息，发送至用户B；将用户C的最终最大发射功率和频段通过微小区[f]转发给用户C。用户B与C在获取相关信息后建立D2D通信链接，开始数据传输。

最终用户B在整个阶段的传输速率为用户B和用户C对应传输速率较小值。

3 仿真结果及性能分析

本文通过仿真测试了在OFDMA通信模式下基于D2D中继的异构网络负载均衡策略。实验中，宏小区通信半径为250 m，MBS处于宏小区中心。在距离MBS 180 m处的宏小区边缘均匀分布着6个通信半径[RF]为20 m的微小区，各微小区之间的距离为180 m，FBS处于微小区中心。仿真实验中，各微小区复用的宏小区内的频段相同，并且各微小区可用频段总数[F]取值为40，即最多能同时容纳40个用户进行通信。我们假设宏小区内均匀分布着600个用户，各微小区中均匀分布着40个用户。D2D通信半径最大为10 m。宏、微小区、D2D用户额定功率为23 dBm。MBS、FBS处噪声强度为5 dB，D2D接收方处噪声强度为7 dB，信噪比门限值取为-2.5 dB[16]。

为方便分析，本文取微小区中可用频段数占微小区总频段数的比例为微小区的忙闲比，各微小区具有相同的忙闲比。

仿真实验中，宏小区处于满载状态，微小区复用的40个频段均被MU占用。本文考察了不同忙闲比下对应的异构网络的总体性能，仿真结果为程序运行1 000次取的平均值。本文考虑了如下两个场景进行对比：场景（1）：只含有宏小区与微小区两种通信模式的异构网络，简记为传统模式；场景（2）：含有D2D中继的宏小区通信、微小区通信以及D2D通信的3种模式共存的异构网络，简记为D2D模式。

3.1 微小区忙闲比对系统可接入用户

数量的影响

图2分别表示了D2D模式增加的用户数、传统模式下的用户数以及D2D模式下的用户数随微小区忙闲比从0.1到0.9的变化趋势。我们可以得出以下结论：

（1）相比于传统模式，D2D模式由于引入了中继，扩大了微小区的覆盖范围，使系统可接入更多的用户。

（2）D2D模式增加的用户数与微小区的忙闲比近似成反比，即MU在其D2D通信范围内是否存在未满载的及空闲的微小区用户是决定能否构成D2D中继传输的主要因素。

3.2 微小区忙闲比对系统总吞吐率

的影响

图3表示相比于传统模式，D2D模式系统总吞吐率增长的百分比随着微小区用户忙闲变化的趋势。我们可以得出以下结论：

（1）相比于传统模式，D2D模式在保证传统模式原有用户的通信需求基础上，允许更多MU接入的基础上，增加了系统的总体吞吐率，提升了系统的总体性能；

（2）当微小区的忙闲比较低时，D2D模式的引入可以较大地提升系统的总体吞吐率。当微小区用户忙闲比接近0.1时，D2D模式可以增105%的系统吞吐率；

（3）随着微小区忙闲比提高，更多的用户接入网络，相互干扰增加，导致D2D模式带来的吞吐率增长率下降较快。当微小区的忙闲比为0.5时，D2D模式带来了8%的吞吐率的增长，0.7时则降为5%，之后趋于平缓。

4 结束语

本文提出了一种基于D2D中继的异构网络均衡策略，设计了相应的频谱资源的调度以及用户发射功率的控制算法，通过联合资源分配，将因MBS满载而无法得到服务的MU数据中继到其邻近空闲微小区中以其最大速率传输，在保证原有用户通信性能的前提下，增加了系统能容纳的用户总量和系统的吞吐率，当系统忙闲比较低时系统总吞吐率的提升可达105%。当各微小区之间使用的频谱资源不完全重复时，由于微小区之间的干扰得到进一步的缓解，系统的整体性能可得到更多提升。在本文提出的频谱资源和发射功率的联合资源分配算法中，关于微小区内中继用户的选择以及MBS对FBS的数据分流贡献、FBS对中继用户转发贡献等方面的回馈的问题还有待进一步研究。

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