一种LTE网络D2D通信的干扰控制方案

王 琪

（中国移动通信集团湖南有限公司，湖南 长沙 410000）

一种LTE网络D2D通信的干扰控制方案

王 琪

（中国移动通信集团湖南有限公司，湖南 长沙 410000）

针对Long Time Evolution（LET）网络中的D2D通信的干扰控制问题，提出了一种基于复用资源选择和D2D链路传输功率控制的干扰控制方案，即在能够进行有效干扰控制的前提下最大化系统中可靠D2D通信链路数目。将考虑干扰控制的资源分配最优化问题转化为与图论中二分图相关的最大匹配问题，并提出了资源最优化的分配算法。仿真结果表明，与其他方案对比，该方案有效地提高了系统中可靠的D2D通信链路数目和频谱利用率。

LTE系统；D2D通信；资源分配；功率控制；干扰控制

0 引言

随着移动设备对内容下载服务的需求不断增加，蜂窝直接传输已无法满足数据下载的需求，特别是当网络状况不好的低信噪比的情形下［1－3］。为了满足IMT-Advance的需求，3GPP将D2D通信引入到了下一代蜂窝网络LTE-A中。利用移动设备之间的物理邻近性和本地良好的信道条件［1－2］，D2D通信仅需要基站进行蜂窝资源分配［4］。D2D通信的引入使得基站的负载下降，并且频谱利用率和网络容量都得到了大幅提升。然而，频率复用却带来了干扰控制的问题，即当干扰控制不得当时，系统的性能反而会因为复用而退化［5－7］。

现有的研究主要从以下几个方面解决干扰控制问题：功率控制［8－9］、避免干扰的多天线传输技术［10］、接收模式选择［11］、速率分割［12］以及资源分配追踪［13－14］。文献［8］仅考虑对D2D通信带来的干扰进行控制，提出一种动态功率控制方案，通过调整D2D通信的发射功率，避免D2D用户通信的覆盖范围出现使用相同的资源、基站的蜂窝通信用户设备。文献［14］中提出，通过基站合理地分配无线资源，相互干扰可以被避免或减少。根据文献［14］中的资源分配算法，D2D通信链路总是以最大化吞吐量为目的竞争，这可能导致许多D2D链路无法满足可靠传输要求的情况。

针对D2D通信和蜂窝通信之间的相互干扰控制问题，本文提出了一种优先蜂窝通信的干扰控制方案。干扰控制问题被表述成通过使D2D链路合理地复用蜂窝资源，从而实现最大化的可靠的D2D链路的数目的问题。此外，本文介绍了如何有效地将提出的干扰控制方案应用到LTE-Advanced系统D2D通信链路的建立过程中。

1 系统模型

在允许D2D通信的蜂窝网络中，考虑单个小区内的模型。D2D对蜂窝用户的资源复用可以分为上行复用（D2D链路复用上行资源，对基站造成通信干扰）和下行复用（D2D链路复用下行资源，对下行链路蜂窝用户造成干扰）2种。本文考虑D2D通信复用蜂窝通信上行资源的情形。

如图1所示，蜂窝用户CUE发送数据给基站BS，而此时D2D用户DUE1利用了与CUE相同的频带资源与D2D用户DUE2进行直接通信。由于复用相同的频率资源，D2D用户和蜂窝用户之间会相互干扰：蜂窝用户CUE对D2D接收端的DUE2产生干扰，D2D发射端DUE1会对基站造成干扰。

图1 D2D通信共享蜂窝上行资源模型

假设小区内有I个蜂窝用户和J个D2D用户对。将蜂窝用户集合Ι记作{CUE1，．．．，CUEi，．．．，CUEI}，将D2D用户对集合J记作{D2D1，．．．，D2Dj，．．．，D2DJ}。假设蜂窝用户已经被预先分配好了资源，并以某一确定的发射功率与基站进行通信。假定D2D链路只服用蜂窝上行链路的资源，定义复用矩阵为I×J的矩阵X=x[i，j]，其中，

将CUEi的发射功率记作pi，则CUEi的上行链路接收端的信噪比SINR可以表示为：

将D2Dj的发射功率记作pj，则D2Dj的接收端的信噪比SINR可以表示为：

2 干扰控制方案

2.1 干扰控制问题的数学建模

为了满足式（2）中的SINR要求，从D2D链路到CUEi能容忍的最大干扰为：

当用户对D2Dj的D2D链路复用CUEi的上行资源时，由CUEi引起的干扰可以表示为pjgj，BS。因此D2Dj的传输功率需满足：

结合式（6）和式（7）可知，当CUEi的蜂窝上行链路与D2Dj的D2D链路使用相同的频带资源的时候，D2D通信的传输功率pj需满足：

式中，

当Pj(i)=∅，意味着D2Dj的D2D链路不可以与CUEi的蜂窝上行链路进行资源复用；相反，当Pj(i)≠∅，意味着D2Dj的D2D链路可以与CUEi的蜂窝上行链路复用相同的频带资源。由此可以定义一个大小为I×J的允许复用矩阵A=a[i，j]来表示满足蜂窝用户传输要求和D2D链路可靠性的复用情形。其中，

将前面提到的复用矩阵X=x[i，j]代表最终的资源分配结果，可以得到整个蜂窝系统中的可靠的D2D链路的总数，表示为：

最优的复用矩阵指能够进行有效的干扰控制并最大化系统中可靠D2D通信链路数目的资源分配方案。因此，可以将最优复用矩阵X∗的求解建模为如下最优化问题：

整个优化问题的目标是最大化系统中的可靠D2D通信链路数目。其中，约束（i）保证了每个D2D链路至多只能复用1个蜂窝用户的上行资源；约束（ii）保证了每个蜂窝用户的上行资源至多只能被一个D2D链路复用；约束（iii）限制了变量xi，j的取值只能为0或1。这个最优化问题将通过后文中提到的图论方法来解决。

2.2 最优资源分配

式（12）中提到的优化问题可以直接转化为与图论中二分图相关的最大匹配问题。二分图是一个无向图，其顶点集合可以被分割为2个互不相交的子集，并且图中的每条边所关联的2个顶点分别属于这2个不同的顶点集。二分图中的一个匹配是指一组没有共同顶点的边的集合。二分图的最大匹配是指具有最大边数目的一个匹配。

如图2所示，2个相邻的集合分别代表了蜂窝用户集合I和D2D用户对集合J。图2中的边代表了允许在相应的蜂窝用户和D2D用户对之间进行复用。这些边可以通过允许复用矩阵A=[ai，j]推知：ai，j=1时代表了顶点i和顶点j之间存在边；反之，ai，j=0时代表了顶点i和顶点j之间不存在边。右侧的图中用粗线标出了一组最大匹配的结果，代表了蜂窝用户和D2D用户对之间最优的复用关系。最大二分图匹配的求解可以利用Hungarian算法在多项式时间复杂度O (V·E2)（其中V代表低昂点的数目，E代表边的数目）内解决［15］。

图2 最大二分图匹配

使得D2D通信和蜂窝通信的可以达到的数据率的总和最大化。当复用矩阵X=x[i，j]给定之后，这个问题容易求解。

最优资源分配的伪代码算法如下：

2.3 干扰控制方案

在LTE-Advanced系统中，蜂窝频带资源主要以资源模块（RB）的形式被分配。本文提出的干扰控制方案应用到LTE-Advanced系统D2D通信链路的建立过程中具体实施步骤如图3所示。

图3 干扰控制方案流程

整个过程可以划分为4个步骤：

①依据蜂窝用户间的资源调度方案，蜂窝用户CUEs被预先分配资源RBs。eNB根据不同上行链路的不同服务类型记录相应的SINR需求。根据式（5），eNB计算每个CUE的最大容忍干扰INi，c。

②D2D用户对的发射端发送请求到eNB来建立D2D通信过程。当eNB通过测量接收到的来自同D2D用户的接收信号强度后，可以计算得到信道增益gj，BS。根据式（6），eNB为D2D用户对计算复用不同CUE是的最大发射端传输功率。此外，在接收到会话建立请求之后，eNB分配探测资源给D2D用户对的收发端，来进行频率和时间的同步。

③D2D用户对发射端发送一个探测信号，以便在接收端保持监听探测资源的过程中来寻找相应的接收端。通过测量探测信号的接收信号强度，D2D接收端得到探测的结果（如D2D信道增益gj，j）。这里的探测信号可以被设计为D2D收发端可共同识别的一个特殊干扰信号。D2D接收端扫描蜂窝上行资源来记录不同RB上的当前潜在干扰的大小。然后，D2D接收端将探测的结果和不同RB上的干扰信息传回给eNB。

④在接收到来自每对D2D用户对的干扰信息之后，eNB会根据式（7）为D2D用户对计算满足可靠传输条件的最小发射端传输功率。利用式（6）和式（7）得到的计算结果，eNB会根据式（8）计算允许复用矩阵来确定是否D2D用户对可以复用蜂窝用户的上行资源。根据算法1，eNB为每对发出请求的D2D用户对进行资源分配（包括频带资源分配和传输功率控制）。如果某D2D用户对根据算法1分配到了资源，eNB会分配相应的RB和传输功率给该D2D用户对来引导它的通信；若D2D用户对没有根据算法1分配得到资源，eNB根据空闲资源状况来判断是引导D2D用户对进行传统的蜂窝通信还是丢弃它的通信请求。

3 仿真结果及分析

对提出的干扰控制方案进行了仿真来验证方案的有效性。将提出的干扰控制方案与随机方案和贪婪方案进行了对比。在随机方案中，D2D链路随机地复用蜂窝上行链路的资源。在贪婪方案中，D2D链路根据最大化数据率的能力来竞争蜂窝上行链路的资源进行复用，虽然通过贪婪的方式最大化了系统数据率，但是却忽略了D2D链路间的公平性。贪婪方案的一个极端的情形是，某一个D2D链路分得了全部的蜂窝上行资源，而其他的D2D链路分不到任何资源。在上述的3个方案中，D2D链路的传输功率都会受到控制来优先保障蜂窝用户的通信质量。为了简化仿真的过程，实验中假设不同蜂窝上行链路的接收端SINR要求是一致的。实验参数如表1所示。

表1 实验参数

3种方案在不同蜂窝上行链路SINR需求下的可靠链路数目变化曲线如图4所示。

图4 可靠D2D链路数目VS.CUE的SINR需求

当SINR需求增加时，小区内D2D可靠链路数目减少。这是由于SINR要求升高意味着对D2D通信的干扰要求将更加苛刻。实验结果表明，对SINR要求而言，本文出的干扰控制方案显著优于随机方案和贪婪方案。特别是，当蜂窝上行的SINR的要求被设定至20 dB，本文提出方案的可靠D2D链路数目比贪婪方案提高了约30%。

3种方案在不同蜂窝上行链路传输的接收SINR要求下的系统的频谱效率变化曲线如图5所示。

图5 系统频带效率VS.CUE的SINR需求

该系统的频谱效率被定义为总数据率与总频谱资源带宽的比值。当蜂窝上行链路SINR要求增大时该系统的频谱效率降低，这是由于对D2D通信的干扰要求变苛刻从而从D2D通信得到的增益减小。此外，本文提出的方案以及贪婪方案与随机方案相比系统的频谱效率都被提高了很多。然而，提出方案的频谱效率与贪婪方案相比略有下降（当蜂窝上行链路的SINR的要求被设定至20 dB比贪婪方案下降了约3%）。考虑到提出方案的首要目标是增强可靠D2D通信链路总数，在频谱效率上的轻微下降是可以接受的。

3种方案的可靠D2D链路数目和系统频谱效率随D2D收发端间最大距离变化的曲线如图6和图7所示。图6中，D2D用户对收发端间最大距离增大时，可靠D2D链接数量减少，本文提出的方案始终优于其他方案。图7中，D2D用户对收发端间最大距离增大时，系统的频谱效率减少。虽然在系统的频谱效率的提高上比在贪婪方案稍微低（平均2%，由于本文方案侧重了D2D链路间的公平性），但总体考虑还是得到了相对满意的改善。

图6 D2D可靠链路数目VS.D2D用户对间最大距离

图7 系统频带效率VS.D2D用户对间最大距离

4 结束语

研究了单个蜂窝小区环境下考虑D2D链路复用蜂窝用户上行资源时，D2D通信和蜂窝通信之间的相互干扰问题。针对该问题，提出了一种基于对D2D通信资源分配（包括复用的蜂窝上行资源的选择和发射端传输功率的控制）的有效的干扰控制方案。通过对D2D的通信资源分配，优先保障了蜂窝用户的通信质量和D2D链路的可靠性要求。该方案是针对优先蜂窝通信的情况下最大化系统中的可靠D2D链路的数目。此外，本文对信令的流程以及提出的方案应用到LTE-Advanced系统D2D通信链路的建立过程中具体实施步骤进行了设计。本文将提出的方案与随机方案和贪婪方案进行了对比，并通过大量的实验的结果证明了所提出方案的有效性。

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An Interference Control Scheme for D2D Communication Underlaying LTE Network

WANG Qi
（China Mobile Communication Group Hu’nan Co．，Ltd，Changsha Hu’nan 410000，China）

To address the interference control problem for D2D communication underlying LTE network，an efficient interference control scheme based on resource allocation by selecting cellular resources and controlling the transmitting power for D2D communication links reasonably is proposed.This scheme is aiming atmaximizing the number of reliable D2D communication linkswhilemaintaining the interference under well control.The optimal resource allocation problem which takes the interference control into consideration has been transformed into amaximum matching problem of binary chart related to graph theory.Simulation results show that，compared with other schemes，the proposed interference control scheme can increase the number of reliable D2D communication links in system and improve the spectral efficiency of system greatly.

LTE system；D2D communication；resource allocation；power control；interference control

TN929.5

A

1003－3106（2015）09－0009－05

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.03

王 琪.一种LTE网络D2D通信的干扰控制方案［J］.无线电工程，2015，45（9）：9－13，57.

王 琪女，（1981—），通信工程师。主要研究方向：移动网络通信资源分配。

2015-05-08