LTE-A网络下支持终端直通的资源复用选择策略

张 锐,李勇朝,崔建国,梁海涛,王文焕

(1.西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安 710071; 2.中兴通讯股份有限公司西安研发中心,陕西西安 710114)



LTE-A网络下支持终端直通的资源复用选择策略

张 锐1,李勇朝1,崔建国1,梁海涛1,王文焕2

(1.西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安 710071; 2.中兴通讯股份有限公司西安研发中心,陕西西安 710114)

摘要:LTE-A网络下的终端直通技术通过复用蜂窝链路资源,可提高频谱利用率,减轻基站负担.然而资源复用引起的同频干扰,不仅会降低终端直通用户性能,还会损害蜂窝用户的通信质量.笔者通过对干扰引起的信干噪比下降进行选择性补偿,以系统功率增加量最小为准则,为终端直通用户选择蜂窝复用用户.仿真分析表明,该方法在保证原有蜂窝用户和终端直通用户通信质量的前提下,能够大幅提高终端直通用户准许接入网络的概率,并提升了系统的频谱利用率.

关键词:终端直通;资源复用选择;功率补偿;信干噪比

终端直通(Device to Device,D2D)是指用户终端间不通过基站或接入点直接进行通信的短距离传输技术.终端距离相对较近时,可以采取D2D通信的方式进行传输,从而提高频谱利用率、减轻基站负载[1].根据文献[2],长期演进(Long Term Evolution-Advanced,LTE-A)网络下的D2D通信典型应用场景可归纳为:小区内部频谱复用、小区边缘用户间通信、小区覆盖范围扩展以及蜂窝小区覆盖范围外用户自组织网.

就资源获取而言,D2D用户有两种接入方式:专用资源接入和复用资源接入[3].当小区负载较高时,D2D用户难以获得专用资源,此时须复用蜂窝链路资源进行D2D通信.在小区内部频谱复用场景中,引入D2D通信可大幅提升蜂窝小区的系统容量、网络可容纳用户数以及频谱效率;对于小区边缘用户间通信的场景,则能够大幅降低通信设备发射功率消耗、基站处理负载,提升边缘用户服务质量.然而由于资源复用,蜂窝链路与D2D链路间会产生同频干扰,若未对此干扰进行有效处理,引入D2D通信不仅无法提高系统的性能,甚至还会降低原有蜂窝链路通信质量.

针对这一问题,文献[6]提出一种分布式干扰协调策略,针对蜂窝链路对D2D链路(Cellular link to D2D link,C2D)的干扰,用户选择对自己干扰最小的蜂窝用户进行复用;针对D2D链路对蜂窝链路(D2D link to Cellular link,D2C)的干扰,用户通过比较预估干扰与基站可容忍干扰来决定是否复用该资源[6].在多个D2D用户对的场景下,文献[7-8]通过限制D2D发射功率来控制D2C干扰,并提出了以干扰和最小为目标的方法来选择复用的蜂窝用户.文献[9]则通过限制D2D最大发射功率,采取比例公平调度算法参考用户优先级选择复用资源.文献[10]同样采用限制D2D用户最大发射功率来控制D2C干扰,同时选择D2D接收信干噪比最大的蜂窝用户资源进行复用[10].在文献[11-13]中,通过预先干扰门限计算终端受干扰范围,进而选择此范围外用户资源进行复用.文献[14]通过基站、蜂窝用户、小区边界三者禁止干扰范围得到D2D用户最大发射功率,从而控制D2D带来的干扰.文献[6]中提出的分布式D2D自优化方法,通过反馈机制可以申请增加发射功率.在文献[12]中,作者在为蜂窝用户分配功率时添加了对抗干扰的功率余量,而对于D2D功率仍是在基站可容忍前提下得到的最大发射功率,即通过干扰门限确定D2D用户的最大发射功率.文献[15]通过预先设定D2C干扰噪声比,根据该比值求出D2D用户发射功率,同时根据该恒定比值,为蜂窝发射功率增加一个定值.

上述干扰管理策略重点在于保证D2D链路及蜂窝链路的连通性,并未有效解决由于同频干扰所引起的蜂窝链路通信质量的下降.对于D2D用户,只能被动接受蜂窝无线网络可容忍干扰功率值,不能根据用户需求调整D2D用户发射功率及复用资源.而在现有增加功率方案中,功率增加量一定,没有针对用户实际干扰状态进行实时功率补偿.此外,在实际应用中,若仅简单应用上述干扰管理方案,当D2D链路对蜂窝链路的干扰超过一定门限时,系统会拒绝D2D链路接入,造成D2D用户允许接入概率的下降.如何支持尽可能多的用户以D2D方式接入网络,是资源复用选择面临的一大挑战.

根据文献[16]可知,不同接收SINR对于发射端所采取的调制编码方案(Modulation and Coding Scheme,MCS)有着直接的影响,进而影响了系统的频谱效率.针对现有研究的不足,笔者根据用户受干扰情况以及用户SINR,从系统频谱效率角度出发,综合考虑蜂窝链路与D2D链路通信质量要求,动态调整得到蜂窝用户和D2D用户发射功率,以系统功率增量最小这一目标为D2D用户选择复用资源,在提高了D2D用户准入概率的同时,保障了原有蜂窝用户的通信质量.

图1 D2D通信系统模型

1 系统模型

蜂窝链路和D2D链路使用相同频谱资源进行通信,资源复用将造成蜂窝用户和D2D用户间相互干扰,如图1所示.蜂窝用户和D2D发射用户均匀分布在半径为R的小区范围内,D2D接收用户则均匀分布在以各自发射用户为圆心,R为半径的圆周上.小区内有KC个蜂窝用户,用C1,C2,…,Ci,…,CKC表示;有KD个D2D用户对,分别用D1,D2,…,Dj,…,DKD表示,对于第j个D2D用户对而言,Tj表示D2D发射用户,Rj表示D2D接收用户,收发用户间距离为d.假设在D2D用户向基站发送接入请求前,基站已为蜂窝用户分配资源,且蜂窝用户已在与基站进行通信中.同时,假设基站可获知所有在网用户与基站间信道增益信息;D2D接收用户可获知D2D发射用户与自身的信道增益信息,并将这一信息通过控制信道反馈给基站.

D2D用户可复用蜂窝上行或者下行资源,两种场景中干扰对象不同[18]:复用上行资源,干扰对象为基站与D2D接收用户;复用下行资源,干扰对象为蜂窝用户与D2D接收用户.如不考虑基站在发射功率、天线高度等方面与用户终端的差异,则下述推导过程与复用上行资源或者下行资源无本质区别.如图2所示,文中以复用上行资源场景为例进行分析.假设基站为蜂窝用户分配相同带宽,一个D2D用户对完全复用一个蜂窝用户的频谱资源,且蜂窝用户所用的频谱资源最多被复用一次.

定义pci和pdj分别为蜂窝用户Ci和D2D发射用户Tj的发射功率,PM为终端最大发射功率,δBS为基站端信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)门限,γBS为基站端信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)门限,γD2D为D2D接收用户SINR门限,hci为蜂窝用户Ci与基站间信道增益,hdj为D2D发射用户Tj与基站间信道增益,hj表示D2D收发用户Rj与Tj间信道增益,hcidj则表示蜂窝用户Ci与D2D接收用户Rj间信道增益,n表示用户带宽内噪声功率值.

无D2D用户通信情况下,不考虑其他干扰,则在基站端有

图2 复用上行链路资源相互干扰示意图

若有D2D用户复用蜂窝用户资源进行通信,相应蜂窝用户Ci的发射功率为p′ci,则对D2D接收用户Rj而言,其SINR门限要求为

由此得到D2D发射用户Tj所需发射功率p′dj.其中Icidj表示蜂窝发射用户Ci对D2D接收用户Rj的干扰.类似地,由于资源复用,Tj会对基站接收造成干扰,用Idjci来表示,则受到D2D发射用户干扰时,基站端SINR为显然,γ′BS(i)＜δBS(i),D2D用户造成原有蜂窝链路SINR的下降.为实现引入D2D通信,但不降低原有通信链路质量这一目标,应满足γ′BS(i)=δBS(i),即满足基站端SINR门限要求γBS.为此笔者为蜂窝用户Ci增大发射功率,增量为Δpci,即pci=p′ci+Δpci.则此时基站端SINR可表示为

同时为满足D2D用户SINR需求,此时D2D发射用户Tj的发射功率为pdj.则式(2)和式(4)可重写为

从而求得引入D2D后蜂窝和D2D用户发射功率以及蜂窝发射功率增量.D2D用户发射功率为

蜂窝用户发射功率为pci,可将pdj代入,得

蜂窝发射功率可表示为pci=p′ci+Δpci,则蜂窝用发射功率增量为:Δpci=pci-p′ci.

2 基于功率补偿的资源复用选择方法

由文献[16]可知,基站根据信道状态信息以及蜂窝用户需求,为蜂窝用户分配发射功率;而根据文献[16],可知在接收端不同的SINR影响着发射端调制编码方案,进而决定链路频谱效率.在小区内原有用户正常通信过程中,有若干D2D用户对通信也有需求,基站则需要为D2D用户选择复用蜂窝用户并确定其发射功率.由于资源复用会对原有蜂窝链路造成干扰,可能造成原有蜂窝系统频谱效率的下降.系统的频谱效率可定义为

若使用相同资源的蜂窝用户和D2D用户,按照计算所得到的发射功率pci、pdj进行传输,可保证各自SINR不变.由式(9)可知,在带宽一定情况下,链路频谱效率与每个符号可承载比特数成正比;而F[SINR (j)]是关于SINR的增函数.在实际应用中,F[SINR(j)]是关于SINR的离散函数,即某一SINR取值区间对应一定的可承载比特数每符号.

综上所述,可得到基于功率增量的资源复用选择方法:基站判断引入D2D造成的干扰是否引起基站接收端F[SINR(j)]的降低,若降低,则根据原有SINR门限计算D2D用户发射功率和蜂窝用户发射功率增量,并选择两者和最小的蜂窝用户进行复用;若未降低,则根据D2D用户SINR门限计算得到其发射功率,选择接收D2D发射用户干扰最小的蜂窝用户进行复用.其中

3 仿真分析

仿真对比方案为最小干扰策略[7-8],即根据预先设定的D2D用户接收SINR门限,求得D2D用户发射功率;然后计算对蜂窝用户造成的干扰值,选择干扰值最小的蜂窝用户进行资源复用.若由于干扰造成蜂窝用户SINR下降超过蜂窝用户门限值,则禁止D2D用户复用该用户资源.两种方案中,D2D用户均复用蜂窝上行资源进行通信.在半径R=500 m的单小区内,基站位于小区中央,且基站为全向天线.根据文献[16],设定接收端最低SNR门限为-6.17 dB.系统带宽为10 MHz;D2D链路信道衰落模型PL= 148.1+ 40 lg d km;蜂窝链路信道衰落模型PL=128.1+37.6 lg d km;最大发射功率为23 dBm;噪声谱密度为-174 d Bm/Hz;蜂窝用户数目为10;D2D用户对数目为1;仿真次数为100 000.

图3所示为D2D用户接入准许概率,随着D2D用户对间距离变化的曲线.可以看出,D2D链路建立概率随着D2D收发距离的增大而减小.最小干扰方案中未对蜂窝用户发射功率进行补偿,随着D2D收发用户间距离的增加,D2D用户发射功率逐渐增大,对蜂窝链路的干扰值也随之逐渐变大.当干扰使得蜂窝链路SINR下降到门限值以下时,基站会拒绝D2D用户复用该蜂窝用户资源.若所有蜂窝用户均禁止被复用,D2D链路则无法建立.而对于功率补偿方案,系统会禁止发射功率超过最大允许发射功率的D2D用户接入网络,因此,随着D2D用户对间距离的增加,其接入允许概率也呈下降趋势.当最小干扰方案D2D链路建立概率下降到低于0.3时,功率补偿方案中D2D链路建立概率仍接近0.8,远大于已有方案.

图3 允许接入概率随D2D距离变化曲线

图4 频谱效率与D2D用户SINR关系图

图5 不同SINR下D2D链路建立概率

图4所示为系统频谱效率随着D2D用户SINR门限变化的仿真图.由图可知,随着D2D用户SINR门限增加,系统总的频谱效率增加;单个D2D用户SINR的变化,可引起系统总频谱效率的较大波动,说明保障D2D用户SINR门限需求对于提高系统频谱效率有着重要意义.

图5为不同D2D用户SINR门限要求所对应的D2D用户准入概率随D2D用户对间距离变化曲线.与图3相同,随着收发用户间距离增加,准入概率下降.同时,D2D用户SINR门限越高,所需发射功率越大,对蜂窝链路干扰越大.根据式(5)可知,D2D用户与蜂窝用户发射功率相互影响.在这种情况下,由于最大发射功率限制,系统会拒绝更多的D2D用户入网申请.为保证D2D连通性,使得更多的用户以D2D方式接入网络,在D2D收发用户间距离较远时,应降低D2D链路的SINR需求.

4 结束语

笔者针对LTE-A网络下,D2D通信中蜂窝链路与D2D链路间由于复用产生的同频干扰进行了研究,以复用蜂窝上行资源为例,根据用户受干扰情况以及信干噪比目标,从系统频谱效率角度出发,综合考虑蜂窝链路与D2D链路通信质量要求,动态调整得到蜂窝用户和D2D用户发射功率,以功率增量最小这一目标为D2D用户选择复用资源,保证了原有蜂窝用户通信质量,提高了D2D用户准入概率和系统频谱效率.

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(编辑:王 瑞)

简 讯

2015年10月21日～23日,第四届IEEE国际高移动性无线通信研讨会在我校举办.此次会议由IEEE VTS,ISN国家重点实验室和国家973计划资助,西安电子科技大学、西南交通大学、清华大学、浙江大学、上海交通大学和中山大学等协办.高移动性无线通信是未来5G通信的一个重要场景,涵盖了高速铁路、高速公路以及其他类型的高速移动通信场景.高移动性无线通信的主要难点在于解决快速时变信道中的信道建模、信道估计、编码调制、网络设计和规划,以及资源管理等技术难题.目前由我校共同主持的973计划“高移动性宽带无线通信网络重点理论基础研究”已经取得了一系列成果.

摘自《西电科大报》2015.11.3

Resource reusing selection scheme for device-to-device communication underlaying LTE-A networks

ZHANG Rui1,LI Yongzhao1,CUI Jianguo1,LIANG Haitao1,WANG Wenhuan2
(1.State Key Lab.of Integrated Service Networks,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China; 2.ZTE Corporation R&D Center,Xi’an 710114,China)

Abstract:Device-to-Device(D2D)communication underlaying LTE-A cellular networks is effective to improving spectral efficiency and offload traffic of the base station by reusing cellular resources.However,the mutual interference between D2D and cellular communications can degrade the performance of both D2D and cellular users.In this paper,a resource reusing selection scheme based on minimizing power increase is proposed,which enables selective compensation for signal to interference plus noise ratio (SINR) diminution caused by interference.Simulation results demonstrate that the proposed scheme notably improves the access grant probability of D2D users and increases the link spectral efficiency of D2D and cellular networks,without sacrificing the quality of cellular and D2D communication.

Key Words:device-to-device(D2D);resource reusing selection;power compensation;SINR

通讯作者:李勇朝(1974-),男,教授,E-mail:yzhli@xidian.edu.cn.

作者简介:张 锐(1988-),男,西安电子科技大学硕士研究生,E-mail:rui_zhang_xd@163.com

基金项目:综合业务网理论及关键技术国家重点实验室资助项目(ISN090105);国家111创新引智基地资助项目(B08038);国家重大科技专项资助项目(2013ZX03003008-004);新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-12-0918,72131855);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120203110002);中兴通讯产学研论坛资助项目(REQ201410080001)

收稿日期:2014-10-17 网络出版时间:2015-05-21

doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2016.02.004

中图分类号:TN929.5

文献标识码:A

文章编号:1001-2400(2016)02-0017-06

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150521.0902.001.html