异构网中D2D通信模式选择和资源分配研究

刘　辉，任兆俊

(1.重庆邮电大学 通信新技术应用研究中心，重庆 400065；2.重庆信科设计有限公司，重庆 400065)



异构网中D2D通信模式选择和资源分配研究

刘辉1,2，任兆俊1

(1.重庆邮电大学 通信新技术应用研究中心，重庆 400065；2.重庆信科设计有限公司，重庆 400065)

摘要:将D2D(Device to Device)和家庭小区技术引入蜂窝网络，是未来第五代蜂窝移动通信(5G)的趋势之一。主要研究由宏基站(MBS)和家庭基站(FBS)组成的异构网中的D2D(Device to Device)通信的干扰问题，并提出了一种新颖的模式选择算法和资源分配算法来减少系统间干扰。仿真结果显示，文中提出的算法可以有效减少干扰，提高D2D用户的速率，增加系统吞吐量。

关键词:D2D；家庭小区；异构网；吞吐量

随着信息技术的发展，移动网络的数据流量获得了爆炸性的增长。根据Cisco visual networking index[1]，移动数据流量在2010—2011年增长了一倍，据此增速推测，在未来的10年，即2010—2020年，数据流量将会增加1 000倍。为满足这些需求，未来的5G网将会是一个宏基站MBS、家庭基站FBS、D2D通信共存的混合异构网络。由FBS和MBS组成的异构网络可以显著地增加网络的容量、频谱效率等，但是如何减少网络中的跨层干扰是目前研究的难点和热点。

此外，D2D(Device to Device)通信又称终端直通技术，是指允许设备之间进行直接通信，而不需要基站进行转发[2]。在蜂窝网络中引入D2D通信技术可以增加通信系统容量，提高系统频谱效率，提升数据传输速率，降低基站负载等。D2D通信根据其是否使用授权频段可以分为带外D2D通信和带内D2D通信。与带外D2D通信相比，带内D2D通信可以有效地控制干扰从而为用户提供更好的服务。因此本文针对带内D2D通信进行研究。带内D2D通信又存在3种通信模式，分别是蜂窝模式、专用模式、复用模式。因此，如何进行D2D通信模式的选择是一个重要的问题。其次，当D2D对复用蜂窝下行链路进行通信时，会与使用相同信道的用户产生相互干扰，这些干扰会严重影响系统性能。因此，如何有效地管理这些干扰也是D2D通信的研究重点之一。

在模式选择方面，文献[3]提出了基于D2D对间距离的模式选择机制，文献[4]提出了基于D2D距离和蜂窝链路距离即蜂窝用户和基站间距离的模式选择机制，文献[5-6]分别提出了限定基站保护区域的模式选择算法和限定D2D用户复用区域的资源分配算法。但是文献[3，4，6]并不能很好地使D2D链路免受干扰，而文献[5]对于D2D对间的通信距离没有进行考虑。同时,文献[6]提出的D2D用户复用限制区域只是用来决定是否可以进行资源复用，而不是一个具体的模式选择机制。

当D2D模式选择完成之后，系统必须解决对应模式的资源分配问题[7]。其中，因为采用专用模式和蜂窝模式的D2D对不会或较小受到干扰，所以本文重点关注D2D复用模式的资源分配问题。文献[8-9]针对宏小区中D2D通信的3种模式，提出了各自的资源分配方法，并进行了相应的功率优化，仿真结果表明通过选择合适资源和功率可以有效地提高系统吞吐量。文献[10]提出了一种贪婪启发式算法来进行D2D的资源分配。文献[11]将部分频率复用技术应用到D2D的资源分配中。通过合适的资源分配算法，可以有效地减少宏小区和D2D用户间的干扰，从而提高系统的性能。然而文献[8-11]只是针对宏小区和D2D共存的通信系统，并没有考虑到宏小区、家庭小区、D2D共存的情况。文献[12]针对这种复杂的异构网中的D2D通信，提出了一种网络辅助设备控制的D2D智能资源管理方法，但是只考虑了复用蜂窝上行链路的状况。

本文提出了一种基于D2D间距离和干扰区域的模式选择机制，并对D2D复用下行蜂窝链路的D2D用户的资源选择和功率分配进行了优化来减少干扰。仿真结果显示，本文提出的模式选择算法可以有效地提高D2D的速率，弥补基于单一距离或干扰区域的模式选择算法的缺陷。其次，本文把针对复用模式提出的资源分配算法与随机资源分配算法进行对比，结果显示，本文提出的算法可以获得较高的系统吞吐量。

1系统模型

1.1场景描述

图1　系统模型

1.2信道模型

(1)

式中：pt是发射功率；d是发送端与接收端的距离； α是路径损耗指数；p(d)是接收功率。

1.3D2D通信模式描述

蜂窝模式：D2D对以基站为中继进行通信，但是当FUE与D2D对使用相同信道进行通信的时候，相互间会产生一定的干扰。

专用模式：D2D对间直接进行通信，使用MBS为其分配的专用信道，该信道不能被其他用户使用。

复用模式：D2D对复用CUE的资源直接进行通信，与使用该信道的用户相互干扰。

2模式选择机制

本文提出的模式选择算法的流程图如图2所示。

图2　D2D用户模式选择方法流程图

具体描述如下：

1)MBS首先确定用户是否可以使用D2D模式。MBS可以根据通信用户双方的ID判断他们是否在同一个小区中。若不在同一个小区中，则使用传统的蜂窝通信模式，若在同一个小区中，则可以考虑使用D2D通信。

2)若DTx和DRx间的距离d不满足允许D2D通信的最大距离dmax，即d>dmax，和DRx的位置在干扰区域内，则D2D对使用蜂窝模式进行通信。此时DTx可以使用最大发射功率，MBS为其分配相应的信道。

3)若d≤dmax且DRx位于干扰区域外，则考虑使用D2D专用模式或D2D复用模式。若网络中有充足的频谱资源，则使用D2D专用模式。若网络中没有充足的频谱资源，则使用D2D复用模式。虽然仅依靠是否有足够的资源决定使用D2D专用模式还是D2D复用模式并不能使D2D用户得到最好的性能体验，但是可以降低系统复杂度，从而提升整个系统的性能。

本文提出的模式选择机制是根据D2D用户间的距离和DRx是否位于干扰区域来进行选择。虽然仅根据距离或者干扰区域就可以进行模式选择，但是这些方法都有一定的缺陷。

例如：假设当DTx和DRx间距d≤dmax，但是DRx位于干扰区域内，会受到严重的干扰，所以仅根据距离进行模式选择很可能会导致错误的模式。反之，若满足干扰区域要求，但是不满足距离要求，也会导致同样的错误。

为了更进一步分析，假设D2D选择复用模式进行通信，此时，D2D复用模式相较于其他两种模式具有更加恶劣的干扰条件，因此可以得到一个比较保守的估计结果。通常D2D靠近基站的时候采取蜂窝模式进行通信比采用复用模式的具有更好的SINR，即

(2)

式中：HT,M，HM,R，HT,R，HF,M，HF,R分别是指DTx到MBS，MBS到DRx，DTx到DRx，FBS到MBS，FBS到DRx的信道增益；N0表示该网络中所有节点接收端的加性高斯白噪声功率。

假设当D2D对间距满足要求，但是DRx位于干扰区域。从式(2)可以得到，如果所遭受的干扰大于某值，则

(3)

其中

(4)

使用D2D复用模式会导致较低的速率。

假设当DRx位于干扰区域外，但是其间距不满足D2D通信距离要求。根据式(2)可以得到其间距

(5)

也会导致较低的D2D用户速率。

因此，同时考虑距离和干扰区域的机制要比单一的基于距离或者干扰区域的机制更加优越。

3D2D通信模式的资源分配

当D2D通信选择专用模式的时候，MBS为其分配专用的下行信道，其他用户不能使用该信道，因此不会受到任何干扰，所以DTX可以使用最大的发射功率进行数据发送。

当D2D通信选择蜂窝模式的时候，MBS为其分配上下行信道，若D2D使用的信道与FUE使用相同信道的时候可能会受到一定的干扰，但是由于FBS具有较小的发射功率且可以自适应地调整其使用的资源，所以也可以使用最大的发射功率进行数据发送。

当D2D通信选择复用模式的时候，D2D复用CUE的频谱资源，但是可能会与使用相同信道的CUE和FUE产生相互干扰。因此为保证网络中所有用户的服务质量和系统吞吐量，本文提出了一个复用模式下D2D的资源分配算法。

本文是基于LTE网络进行研究，LTE网络中使用OFDMA技术，在一个资源块RB中包含多个子载波。假设MBS,FBS和D2D在下行子载波l上的CINR分别为γc,l，γf,l，γR,l。对于CUE，干扰可能来自于FBS和DTx。对于FUE，干扰可能来自MBS和DTx。对于DRx，干扰可能来自FBS和MBS。因此，可得到

(6)

(7)

(8)

式中：HM,l,C，HM,l,f，HM,l,R，为MBS分别到CUE、FUE、DRx的在子载波l上的信道增益；相应的HF,l,C，HF,l,f，HF,l,R，为FBS到CUE、FUE、DRx的在子载波l上的信道增益；HT,l,f，HT,l,C，HT,l,R，为DTx到FUE、CUE、DRx的在子载波l上的信道增益。

(9)

其中β为选择的调制与编码策略(MCS)的校正因子[13]。当获得该RB的有效SINR时，可以决定相应的MCS，并计算出相应的理想频谱效率。

假设MBS和FBS可以为D2D用户提供每一个RB的最大可容忍干扰值信息(MIT)。基于每个RB的MIT信息，D2D对可以确定最大的允许传输功率。另一方面，D2D对可以估计在每个RB上进行可靠传输的最小功率。通过选择RB和调整RB上的发射功率，D2D对可以在保证自己进行可靠传输的情况下，有效地避免对CUE和FUE的干扰。

当网络中不存在D2D对时，为了在下行资源块n上进行可靠传输，则有效SINR值γeff,C,n和γeff,f,n应该大于预定义的有效SINR值γth，可以表示为

(10)

(11)

当D2D用户存在的时候，为了保证CUE和FUE的链路可靠性，假设CUE和FUE的有效SINR至少应该等于预定义的γth，则可以得到

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

为了使得D2D用户进行可靠传输，在资源块n上进行传输的SINR值至少应该等于预定义的SINR值γth，因此可得

(19)

其中

Z=PMHM,l,R+PFHF,l,R+N0

(20)

(21)

综上所述，复用模式D2D资源分配算法可以描述如下：

步骤1，D2D对从MBS，FBS收集MIT信息。

4仿真验证

4.1仿真参数

为了验证本文提出的模式选择和资源分配算法的有效性，可以考虑在LTE-FDD蜂窝系统中，使用Matlab进行仿真验证。主要仿真参数设置如表1所示。

表1仿真的主要参数

参数参数值宏小区半径1000m家庭小区半径50m系统带宽20MHzRB带宽180kHz蜂窝用户数50D2D对数1,2,…,20宏基站发射功率43dBm家庭基站发射功率21dBmD2D发射功率23dBmFBS坐标(200,500)FUE坐标(210,500)预定义的有效SINR0dB噪声功率密度-174dBm/Hz路损系数4

4.2仿真结果

如图3描述了在不同D2D间距d和不同的干扰区域，D2D的速率增益变化。其中D2D速率增益是指在相同的干扰条件下，D2D速率和蜂窝速率的比值。从图中可以看出，随着D2D对间距d的增大和MBS到DRx距离dM,R减少，D2D速率增益在不断的减少。这与前文讨论的结果类似，当DRx越接近MBS，则遭受到的干扰越严重，此时使用蜂窝模式可以提供较高的速率增益；当D2D间距d逐渐增大时，采用蜂窝模式会逐渐获得较高的速率增益。因此，单独依靠D2D间的距离或者干扰区域进行模式选择并不能满足所有状况的模式选择。

图3　D2D速率增益与d和MBS到DRx距离dM,R的关系

图4描述了在不同dM,R下，当d=30 m，D2D对采用文中提出的模式选择算法和仅依靠距离的模式算法时的D2D速率变化。可以看出，当MBS距DRx较近的时候，采用基于距离的模式选择算法的D2D用户具有较低的速率，而文中提出的算法可以较好地弥补这些缺陷。

图4　D2D速率与dM,R关系

图5描述了当D2D采用复用模式进行通信时，系统的吞吐量图。从图中可以看出，采用文中提出的算法比采用随机分配算法可以获得更高的系统吞吐量。这是因为随着D2D对数的增加，小区中被复用的蜂窝用户数也在增加，文中提出的算法可以有效避免D2D对对其他用户的干扰，从而减少中断，获得较大的系统吞吐量，而随机分配算法很可能对小区中其他用户造成较大的干扰。图中还对比了采用不同D2D对间距时，系统的吞吐量差异。可以看出，较小的D2D对间距可以获得较大的系统吞吐量。

图5　系统吞吐量

5结束语

将D2D通信和家庭基站引入蜂窝小区，可以提高系统吞吐量、频谱效率等。但是也会带来复杂的干扰。文中为减少在分层异构网中进行D2D通信时的干扰，提出了一种模式选择算法和针对复用模式提出了一种资源分配算法，来减少干扰，提高D2D用户的速率和系统的吞吐量。仿真结果表明，文中提出的算法可以有效增加D2D速率，提高系统吞吐量。

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责任编辑：许盈

Research on mode selection and resource allocation algorithm for D2D communication in HetNet

LIU Hui1,2,REN Zhaojun1

(1.ResearchCentreforApplicationofNewCommunicationTechnologies,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China;2.ChongqingInformationTechnologyDesigningCo.,Ltd.,Chongqing400065,China)

Abstract:The technology of D2D (Device to Device) communication and femtocell in cellular networks is one of the trend of the fifth generation of cellular mobile communication(5G) in the future. So, the D2D communication in HetNet is researched,which is composed of macrocell and femtocell, and a algorithm of mode selection and resource allocation is put forward.Simulation results show that the proposed method caneffectively eliminate interference, the data rate of D2D user and the system throughput are improved.

Key words:D2D; femtocell; HetNet; throughput

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.008

基金项目：重庆市自然科学基金计划项目(CSTC2012JJA40054)

作者简介：

刘辉(1966— )，教授级高级工程师，硕士生导师，中国通信学会会员，主要研究方向为通信新技术应用；

任兆俊(1992— )，硕士生，主要研究方向为通信新技术应用。

收稿日期：2015-11-21

文献引用格式：刘辉，任兆俊. 异构网中D2D通信模式选择和资源分配研究[J].电视技术，2016，40(5)：30-35.

LIU H，REN Z J. Research on mode selection and resource allocation algorithm for D2D communication in HetNet [J].Video engineering，2016，40(5)：30-35.