LTE-A网络中支持全双工D2D通信的干扰管理研究*

［杨雄 马忍 张乐］



LTE-A网络中支持全双工D2D通信的干扰管理研究*

［杨雄 马忍 张乐］

摘要

LTE-A网络中引入D2D通信，不仅提高了系统容量，也降低了基站的负担，然而带来了一定同频干扰。为了减小同频干扰，提出一种基于全双工D2D通信的资源复用方法。首先，基站利用干扰受限区域（ISA）的方法将蜂窝用户的资源进行分类，其次，基站分配受限区域外的用户资源给D2D用户来减小同频干扰，最后通过调整参数讨论受限区域半径对系统的影响。仿真结果表明：存在最佳半径使得系统吞吐量最大，同时在自干扰消除为110dB时，全双工通信模式下的D2D链路吞吐量接近传统半双工D2D通信的两倍。

关键词：D2D通信 全双工 干扰受限区域

杨雄

重庆邮电大学硕士研究生，主要研究方向为无线移动通信技术，D2D通信技术。

马忍

重庆邮电大学硕士研究生，主要研究方向为无线移动通信技术，图像处理。

张乐

重庆邮电大学硕士研究生，主要研究方向为无线移动通信技术。

1 引言

随着第四代移动通信网络的大量部署以及各种智能终端设备的迅速普及，日常生活中人们对高速率数据业务的需求越来越高。在这种情况下，传统的LTE-A系统已经开始满足不了人们的通信质量需求，特别是本地数据高速传输需求。因此，开始将Device-to-Device(D2D)[1]通信技术引入到传统LTE-A系统中。在LTE-A系统中引入D2D通信之后不仅能够提升小区容量、提高频谱资源利用率，还能够扩大网络覆盖以满足小区边缘用户的通信质量需求。但是D2D通信与LTE融合之后也带来了一些新的问题，例如小区内的同频干扰。因此，D2D通信系统中干扰协调便成为了一个研究热点。现有的干扰协调方式包括D2D模式选择[2]、资源分配[3]与功率控制。D2D用户有3种模式与蜂窝用户共享资源：①蜂窝模式：D2D用户通过基站转接通信，所有通信链路分配独立正交的信道资源，不相互干扰；②专用资源模式：D2D用户占用一部分独立资源在全双工下进行端到端的直接通信，剩余资源用于蜂窝通信。由于各部分资源相互正交 ，D2D通信与蜂窝通信之间不会产生干扰；③复用模式：D2D用户复用蜂窝用户的频谱资源，D2D用户对与蜂窝用户之间产生同频干扰。

从现有资源分配方面的研究来看，文献[4]分析了D2D链路的中断概率，揭示了D2D接收机和与其配对的蜂窝用户之间存在最优距离，提出了基于距离约束的资源共享准则，为D2D链路选择对应的蜂窝用户，减小了蜂窝传输对 D2D链路的干扰。文献[5]提出了一种复用下行资源的方法，将时间资源分为共享时间点和蜂窝专用时间点，将蜂窝用户分为远近效应危险蜂窝用户和非远近效应危险蜂窝用户，蜂窝专用时间点资源被分配给远近效应危险蜂窝用户，D2D用户复用非远近效应危险蜂窝用户的共享时间点资源，这样有效的减少了D2D用户的干扰。

从功率控制的研究来看：文献[6]以最大化总速率为目标，提出一种基于单小区的功率优化方案，在保证蜂窝用户的最小传输速率给予蜂窝通信优先权的基础上，通过合理控制蜂窝用户和D2D用户的发射功率减少蜂窝用户和D2D用户之间的干扰，有效地提高了系统的总速率。文献[7]提出了一种分布式功率控制算法，计算网络用户的SINR优化目标值，并分配传输功率使系统所消耗的功率最小化。为了控制蜂窝和D2D用户之间的干扰，提高混合系统的性能。

然而现有的资源分配和功率控制方法主要集中半双工D2D通信方式的场景下，为充分利用频谱资源，在全双工（Full duplex,FD）通信场景下，本文提出一种复用下行资源的D2D通信的资源调度方法验证系统性能。

2 系统模型

图1 D2D用户复用下行资源的系统模型

第i 个蜂窝用户收到的信号表示为：

pBS, i是基站发送信号给第i个蜂窝用户时的发射功率，pDz , i( z∈{ 1,2 } )是D2D用户的发送功率，即

pBS, i , r表示基站发送信号给第i 个蜂窝用户时在第r个资源单元的发射功率。pDz , i , r为第z 个D2D用户在第r个资源单元的发射功率。RBi表示第i 个资源块序列，RD表示D1和D2通信的资源块。dBS, i为基站到第i个蜂窝用户之间的距离，α为路径损耗因子，dDz , i表示D2D用户Dz到第i 个蜂窝用户之间的距离，hBS, i表示为基站与第i 蜂窝用户之间的信道系数，xi表示第i个蜂窝用户的发送信号，xDz表示D2D用户的发送信号，ni表示第i 个蜂窝用户收到的高斯白噪声。那么可以得到第i个蜂窝用户的信号噪声加干扰比SINRCi为：

N0表示噪声功率。

D2D用户接收到的信号表达式为：

pDz是D2D用户的发送功率，pBS, D z是基站发送信号给Dz时的发射功率，即

pDz , i , r为D2D用户在第r 个资源单元的发射功率。dD1, D 2为D2D用户对之间的距离，dBS, D z表示基站到D2D用户D1之间的距离，hBS, D z表示为基站与用户Dz之间的信道系数，hD表示D2D用户对之间的信道系数。SIDz为Dz用户的自干扰。那么可以得到D2D用户在第i个资源块上的信号噪声加干扰比SINRDz为：

同理

为保证D2D用户的正常通信，接收到的信噪比必须满足一定门限值γD1，即

那么D2D用户的发射功率pD2必须满足：

同理可得

3 干扰管理和资源调度

在LTE-A网络中引入D2D通信的模式下，D2D用户与蜂窝用户共享整个信道资源，为保证蜂窝用户通信的优先权，基站必须保证蜂窝用户的有效通信而协调蜂窝用户与D2D用户之间的干扰。

假设本文采用集中式方法，基站负责用户的发射功率和D2D用户的信道资源分配。在某个区域调度资源的过程中，检测到D2D用户对此蜂窝用户产生干扰十分严重情况下，然而降低D2D用户的发射功率对于蜂窝用户来说解决产生的干扰是有限的。此时可以给D2D用户和蜂窝用户分配正交的频谱资源，这样蜂窝用户和D2D用户之间的干扰大大减少，为此我们提出一种干扰受限区域的方法来协调干扰。假设PC0为蜂窝用户接收到D2D用户的干扰功率，假设干扰受限区域的半径为RDz，那么表达式可表示为

d表示D2D用户到蜂窝用户的距离，假设蜂窝用户接收到的干扰功率为最大容忍干扰值Pths时，那么干扰受限区域的半径表示如下：

可以看出在基于蜂窝用户用户能正常通信的情况下，受限区域半径主要由D2D的发射功率和蜂窝用户受限功率门限值决定。从上可以得到发射功率越大，那么D2D用户对蜂窝用户的干扰随之增大，相应地，根据以上的推导式子可以得出RDz随之增大。为了减小D2D用户对受限区域内的蜂窝用户的干扰，基站应当合理分配信道资源给D2D用户和蜂窝用户，即受限区域内的蜂窝用户分配与D2D用户相互正交的信道资源，而D2D用户共享受限区域外的蜂窝用户的信道资源。

资源调度的步骤进行：（1）基站建立一条专供D2D通信的信令信道，D2D发送一个标识符给广播信道表示D2D用户之间准备建立通信；（2）小区内所有蜂窝用户CUE监测该信道，当蜂窝用户接收到的功率比受限区域的门限功率Pths大，即表明蜂窝用户被D2D通信严重干扰，则判断此蜂窝用户处于受限小区内，并且将此信息反馈给基站；（3）基站收到反馈信息后，基站通过公共控制信道发送信号给D2D用户，并告知这些蜂窝用户的资源分配信息；（4）D2D用户如果没有蜂窝用户处于受限小区ISA内，则D2D用户通信可以共享整个信道资源；如果有一些蜂窝用户处于受限小区ISA内，则D2D用户不允许共享这些蜂窝用户的资源；如果所有蜂窝用户都处于受限小区ISA内，则D2D用户通信没有共享资源，进入等待模式。

因此，将存在一个最优的受限区域半径，使得系统的吞吐量最大，为了简单表述上述问题，假设整个资源块的数量与蜂窝用户的数量相等，并且优先分配资源给蜂窝用户，则整个系统的吞吐量表达式如下：

Lin代表在受限区域内的蜂窝用户的数量，Lout表示在受限区域外蜂窝用户的数量，可以知道当Pths改变时，受限区域内蜂窝用户的数量也随之改变，整个系统的吞吐量随之变化。下面我们将通过仿真验证系统的性能。

4 仿真分析

为了便于实现，我们在单小区场景下对所提的算法进行仿真，表1列出系统的仿真参数和算法初始值，蜂窝用户均匀分布在小区内，D2D用户对随机部署在小区内。本文将全双工ISA分配方法，复用单用户方法作为参考，同时对比半双工（Half Duplex，HD）模式，通过对比，验证本方法的性能和全双工D2D通信的优势。仿真系统各个参数值如表1所示。

表1

图2验证了全双工模式下的D2D用户对，蜂窝用户和系统各自的吞吐量随门限值Pths变化而变化。从图中可以看出，随着门限值到达一定值时，蜂窝用户和系统的吞吐量急剧下降，随后接近平稳状态。那是因为门限值增大，受限区域半径RDz减小，处于受限区域外的蜂窝用户数增多，那么D2D用户对可复用的资源数增加，从而对蜂窝用户的干扰增大，当门限值Pths到达一定值时，区域半径RDz减小，所处受限区域内的蜂窝用户数接近为0，D2D用户对共享整个蜂窝用户的的资源。同时从图中看出接近系统吞吐量的峰值时，可找到最佳半径。

图2 吞吐量随门限值Pths变化的对比

图3所示，当Pths∈[− 110 d B ,− 95 d B ]时，可复用的资源数为0，但随着门限值Pths的增大，可复用的资源数增加，D2D用户的吞吐量增大，随后达到平稳期。同时可以看出在自干扰消除达到一定程度时，全双工通信模式优于半双工模式，而且，当自干扰消除值达到110dB时，几乎接近半双工（HD）D2D吞吐量的两倍。

图3 D2D的吞吐量随门限值Pths的对比

图4所示，验证全双工模式下D2D用户对与一个蜂窝用户共享资源和多个蜂窝用户共享资源的对比。在SI∈[−∞ ,60dB ]时，由于自干扰很大，导致D2D用户对信噪比小于门限值不能正常通信，但随着自干扰消除值增大，满足使得可复用的资源数增多，D2D用户的吞吐量随之增大，同时可以看出，相比于参考方法，新的方法显著提升了D2D用户的吞吐量，同时提高了系统的资源利用概率。

图4 D2D用户的吞吐量随SI值变化的对比

4 结束语

本文提出一种干扰受限区域的干扰管理方法，该方法既保证了蜂窝用户的通信质量和D2D用户的可靠性要求，仿真结果表明：存在系统的最佳半径，同时在自干扰消除到达一定值时，全双工优于半双工模式。

参考文献

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.018

收稿日期：（2015-11-28）

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助，课题编号2012AA01A507；国家科技重大专项课题（No.2013ZX03006003-002）。Foundation Items:National High Teachology Research and Development Program(863 Program) funded,project number 2012AA01A507;National Science and Technology Major Projects Subject(No.2013ZX03006003-002)。