基于自适应随机接入的动态D2D发现资源分配机制

刘占军，李云鹏，丁　凯，陈前斌

(重庆邮电大学 移动通信重点实验室， 重庆 400065)



基于自适应随机接入的动态D2D发现资源分配机制

刘占军，李云鹏，丁凯，陈前斌

(重庆邮电大学 移动通信重点实验室， 重庆 400065)

现有终端直通(device-to-device，D2D)中用户发现成功率低、发现范围小以及不能满足不同用户优先级的业务需求，针对上述问题，提出一种基于自适应随机接入的动态D2D发现资源分配机制。该机制中具有高优先级的D2D用户采用传统的随机接入方法向基站发送紧急请求信息；基站根据发送紧急请求信息的高优先级D2D用户数，构建下一发现周期的发现资源分配信息。根据未成功选择发现资源块的次数，低优先级的D2D用户自适应的在多信道时隙ALOHA(additive link on-line Hawaii system)和具有能量感知的多信道ALOHA接入机制之间进行切换。D2D用户根据接收端的信干噪比大小，判断是否成功发现。系统级仿真结果表明，提出的机制与传统的随机信道接入机制相比，不仅能够满足不同优先级用户的业务需求，还能支持更高的发现成功率和更远的发现范围。

终端直通(D2D)发现；资源分配；优先级；自适应随机接入

0　引　言

设备到设备(device-to-device, D2D)通信是未来5G候选技术之一，它不仅具有高速率、低时延的特点，还能满足基于趋近服务的社交网络、商业应用、公共安全、灾难救济和紧急会话等服务需求，是3GPP LTE-A中研究热点。D2D发现作为D2D通信的关键技术是指用户设备(user equipment, UE)通过长期演进(long term evolution,LTE)空口发现邻近UE的过程，而D2D发现资源分配是D2D发现设计的重要挑战。3GPP Release 13中定义了2种主要的D2D发现资源分配类型[1]：类型1 (type 1, Ty1) D2D和类型2 (type 2, Ty2) 发现资源分配。Ty1中，演进型基站(evolved node base station，eNB)周期性地向小区中广播一个发现资源池，D2D用户(D2D user, DUE)随机地从发现资源池中选择一个或者多个发现资源块(discovery resource block, DRB)，并在其上发送发现信令。由于随机接入的特性，有碰撞的存在，从而产生相应的发现资源浪费。Ty2中，eNB给不同的DUE分配相互正交的DRB用于D2D发现，由于此过程中eNB全局控制资源调度，因此，无碰撞、发现成功率高，但也带来较大的系统开销。由于不同的DUE具有不同的优先级，例如，公共安全业务中的DUE(public safety DUE, PDU)比商业/社交网络中的DUE(non-pubic safety DUE, NPDU)具有更高的优先级，如表1所示。而上述Ty1和Ty2彼此相互独立，并不能满足具有高优先级用户的业务需求。如所有DUE使用Ty1，则由于碰撞的存在，PDU将不能及时有效地完成D2D发现，从而带来相应的损失。如所有DUE使用Ty2，则由于未来超密集网络和物联网的部署，小区中将会有大量的DUE存在，由于Ty2中基站的全局控制带来的信令开销，并不实际。因此，一种有效地满足不同用户优先级需求的D2D发现资源分配技术是必不可少的。

表1　3GPP LTE-A中公共安全和商业用户优先级Tab.1　Priority of public safety and commercial user in 3GPP LTE-A

传统蜂窝通信中的无线资源分配技术，如部分频率复用[2]、功率控制[3]以及协调调度机制[4]等都完全依赖于eNB的资源调度，因此，不适用D2D场景中低优先级用户NPDU。同时，一些学者对D2D通信中的无线资源分配技术进行研究，如基于干扰避免的资源分配机制[5]、联合调度资源分配[6]和分布式功率控制[7]等，而在D2D发现中的资源分配技术却很少受到关注。

D2D发现机制的主要设计目标：高能量效率、远发现范围、服务质量保证(quality of service, QoS)以及适用不同应用场景，如公共安全、商业和社交网络。为满足这些目标，一些学者也提出相应机制，如基于位置的D2D发现[8]、基于趋近区域的能量效率D2D发现[9]、基于小区干扰协调的D2D发现[10]、以及基于碰撞避免的D2D发现[11]。然而这些机制并不能很好地应用于现在以及将来的D2D发现中。如文献[8-10]中，虽然基于位置和干扰避免的机制能够增加被发现DUE的数量，但该机制中帧结构与3GPP标准中规定的帧结构却不匹配[12]，因此，这些机制并不能应用到基于3GPP LTE-A的D2D发现中。尽管文献[11]中帧结构与3GPP中相一致，然而该机制预留一部分专用的无线资源用于发现信令的碰撞检测，由此带来的资源浪费也不适用于未来大规模数量DUE的发现场景。此外，现有的大多数已被提出的D2D发现资源分配机制，都在Ty1基础上进行改进，由此导致碰撞和重传带来的能量浪费，以及不能满足PDU的业务需求。

针对上述问题，本文提出一种基于自适应随机接入的动态D2D发现资源分配机制，不仅能满足不同DUE的优先级业务需求，还能提高D2D发现成功率、增加发现范围。首先，该机制中基站根据系统中发送紧急请求信息(emergence request message, ERM)的PDU用户数，构建下一发现周期的发现资源分配信息；然后，如果NPDU未成功选择DRB的次数大于某一预设的值，则NPDU的信道接入机制将由多信道时隙随机接入(multi-channel slotted additive link on-line Hawaii system, MCALOHA)[12]切换至能量感知的MCALOHA(energy sensing MCALOHA, MCALOHA-ES)，以此来减少碰撞和能量消耗，提高发现成功率，其中，ALOHA是一种重要的随机接入方式，采用自由竞争的模式决定信道使用权。目前为止，基于MCALOHA-ES的D2D发现资源分配机制还没被任何文献提到。最后，根据DUE接收端的信干噪比(signal to noise plus interference, SINR)是否大于某一阈值来判断发现成功与否。此外，由于该机制的设计遵循3GPP LTE-A的标准，因此，能够不加修改、便利地应用于现在的LTE-A系统中。

1　D2D发现中的MCALOHA-ES

Ty1发现资源分配中，基站广播的资源池是基于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)而构成的，即在时域和频域2个维度上进行扩展，从而形成多个子信道和符号。传统的基于单信道ALOHA或载波监听多址接入(carrier sense multiple access, CSMA)的信道接入机制，都是基于单信道接入，从而使得其不再适用于基于OFDM的资源块。因此，文献[13]研究了MCALOHA在OFDMA无线网络中的应用。从上面分析可知，基于MCALOHA或其他方式的随机接入，由于碰撞的存在，PDU将不能及时有效地完成D2D发现，从而带来相应的损失。为减小碰撞、提高发现成功率，文献[14]提出了基于能量感知的D2D发现资源分配。因此，本文将MCALOHA和能量感知相结合，不仅能适用基于OFDM的无线网络，还能减小碰撞、提高发现成功率。

在MCALOHA-ES中，DUE先感知所有可用DRB上的功率水平(功率越大，表明干扰越大、选择该DRB的DUE越多)，然后选择一个具有最小功率的DRB用于发现信令的传输，有

(1)

2　D2D发现系统模型

D2D发现使用LTE-A中上行链路资源。在LTE-A中，物理资源块(physical resource block, PRB)由12个连续的子载波(频域上)和14个OFDM符号(时域上)构成，子帧长度和调度间隔为1 ms，且10 MHz系统带宽中共有50个PRBs。对于D2D发现，每个DUE至少需要2个PRBs用于发送和接收发现信令[1]，且50个PRBs中的6个PRBs用于物理上行控制信道(physical uplink control channel，PUCCH)，剩下的44个PRBs用于D2D发现。此外，假设所有的DUE与基站同步且在网络覆盖范围内，同步参考信号由eNB下行传输。同步有助于减少D2D发现中能量消耗，因为DUE仅在预定的发现间隔内醒来。在小区的一个扇区内，参与D2D发现的DUE集合表示为U，集合中共有N个DUE，且包括PDU和NPDU，表示为

(2)

(3)

在发现间隔内，DUEu可能是发送u发送或者接收u接收，其中，u∈U。如果u发送接收信令的SINR大于某一SINR阈值SINRthres，则u接收定义为被发现用户。因此，从u发送到u接收传输在DRBd上发现信号的SINR表示为

(4)

该机制中的每个发现周期T内，uTx使用概率p和1-p发送和监听发现信令。如果2个DUE在相同DRB上发送发现信令，将产生碰撞。

3　基于自适应随机接入的动态D2D发现资源分配

D2D发现机制的主要设计目标是高能量效率、远发现范围、QoS服务保证以及适用不同应用场景，如公共安全、商业和社交网络。为满足上述目标，提出一种应用于LTE-A系统中基于自适应随机接入的动态D2D发现资源分配机制。该机制的主要步骤如下。

1)初始化。PDU，NPDU和DRB的个数表示为PDU={1,2,…,M}，NPDU={M+1,M+2,…，N}和DRB={1,2,…，P}。初始发现周期T=1，NPDUi_C表示NPDU未选择DRB成功的次数，且初始为0，NPDUi_C=0。

2)动态D2D发现资源分配。首先，T=T-1时，PDU通过PUCCH向eNB发送紧急请求信息ERMs。在T时，eNB根据接收到的ERMs信息个数和可用的DRB的大小关系，构建下一发现周期的发现资源分配信息。在DUE得到D2D发现资源后，eNB使用轮训(round robin, RR)调度方式给PDU分配DRB，即Ty2方式。NPDU使用MCALOHA或者MCALOHA-ES机制随机选择DRB，即基于Ty1方式。

3)自适应随机接入。为了给NDPU提供更多的信道接入多样性，随机接入切换机制应用于碰撞严重存在的情况。即当NPDU多次未能成功选择DRB，且次数超过预设门限值W时，为避免碰撞再次发生以及减少重传过程的能量消耗，信道接入节制由MCALOHA切换至MCALOHA-ES。此外，不同的门限值W将影响该机制中D2D的发现性能，即如果W值越大，从MCALOHA切换至MCALOHA-ES需要的时间越长，从而造成的碰撞次数和重传能量消耗也会随之增多。该机制详细的步骤如图1所示。

a 动态D2D发现资源分配　b MCALOHA/MCALOHA-ES自适应随机切换图1　基于自适应随机接入的动态D2D发现资源分配机制流程图Fig.1　Flow chart of dynamic D2D discovery resource allocation based on adaptive random access

4　仿真评估及分析

为评估上述机制有效性，按照3GPP标准D2D应用场景规定的仿真环境进行系统级仿真[1]，其仿真参数如表2所示。在部署环境中，带有3个扇区的中心小区作为仿真的感兴趣区域(region of interest, ROI)，其中，ROI是指仅统计这3个扇区中用户的相关仿真参数。其他小区中DUE提供干扰环境。此外，假设每个NPDU使用相同的概率随机选择信道，且在发现周期T内，DUE周期性的广播发现信号来最大化发现概率。SINR解调门限值SINRthres和计数器门限值W分别为4.5 dB和2。一旦DUE在周期T内被发现，即被定义为被发现的DUE，此后不再对其重复计数。

表2　系统级仿真参数Tab.2　System parameters

图2，图3分别是在不同D2D发现机制下，平均被发现的DUE数以及被发现的DUE数随着发现时间增加的性能图。其中，对比“机制1”是传统的随机接入(random access, RA)机制。RA是指所有DUE(PDU和NPDU)以相同概率随机选择DRB用于D2D发现，而没考虑PDU的优先级业务，因此，RA机制中碰撞将非常严重。对比“机制2”是本文提出的机制不考虑自适应随机切换的情况，即仅考虑PDU的优先级业务需求，动态分配资源，NPDU用户一直采用MCALOHA机制随机选择DRB，未引进切换机制，以此来验证MCALOHA-ES机制带来的性能提升。从图2可看出，本文提出的机制不仅满足PDU的优先级业务需求(Ty2由于eNB的集中控制，能够增加被发现的DUE)，同时在NPDU多次失败选择DRB情况下，能够自适应切换至MCALOHA-ES减少碰撞，因此，该机制中被发现的DUE增至430。

从图3可看出，当D2D发现进行至第40个子帧时，“机制2”相对于“机制1”，被发现的DUE增加了26个，而本文提出的机制相对“机制1”和“机制2”，被发现的DUE分别增加71和45个。由此也证明了使用MCALOHA-ES，NPDU在使用DRB之前，先感知其上的功率(碰撞/干扰水平)，以此来减少碰撞、增加被发现的DUE。

图2　被发现DUE个数的CDF图Fig.2　CDF of number of discovered DUE

图3　发现时间vs. 被发现的DUE数Fig.3　Discovery time vs. number of discovered DUE

图4是不同D2D发现机制下，D2D发现范围的性能图。影响D2D发现范围的2个重要因素是SINR解调阈值和发现机制的碰撞避免能力。本文提出的机制，为满足PDU用户优先级业务，动态分配发现资源，由于PDU使用Ty2调度资源，可避免PDU之间碰撞、提高发现成功率。其次，NPDU通过MCALOHA至MCALOHA-ES的自适应切换，进一步减少NPDU之间碰撞。因此，从图4可看出，本文提出的机制比“机制1”和“机制2”具有更远的发现范围。当累计概率密度(cumulative distribution function, CDF)为50%时，“机制1”的发现范围最大至100 m，“机制2”最大至120 m，而本文提出的机制，由于动态发现资源分配和自适应随机接入带来的优势，其发现范围增加至155 m。

图4　D2D发现范围的CDF图Fig.4　CDF of D2D discovery range

图5是随着解调SNIR门限值的增加，发现成功率(discovery successful ration,DSR)的变化图。发现成功率定义为目标区域ROI内被发现的用户数与ROI内总的用户数(除去正在发送发现消息的用户数)的比值，计算公式为

(5)

(5)式中：max_TTI为一个发现间隔中最大的子帧数；SINRthres为预设门限值；δu,j表示用户u在j-th子帧上能否被其他用户发现。其中，δu,j=0表示未被发现，即用户u的接收SINR低于预设门限值；δu,j=1表示能被发现，即用户u的接收SINR高于预设门限值。

图5　SINR解调门限值vs. 用户平均发现成功率Fig.5　SINR decode threshold vs. DSR

从图5可看出，随着解调门限值的增加，3种机制的用户平均发送成功率均下降。但本文机制依然比“机制1”和“机制2”有更高的发现成功率。

5　结束语

本文提出一种应用于LTE-A系统中基于自适应随机接入的动态D2D发现资源分配机制，该机制通过动态分配发现资源，可满足高优先级用户业务需求。当低优先级用户之间由于随机竞争碰撞严重时，自适应改变随机资源选择方式，即从MCALOHA至MCALOHA-ES，从而增加被发现用户数和增加发现的范围。此外，本文提出的D2D发现机制遵循3GPP LTE-A标准中的规定，因此，可以不加修改直接应用于LTE-A系统中。最后，基于3GPP LTE-A标准中规定的D2D仿真环境，仿真结果进一步证明了该机制的可行性和有效性。

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刘占军(1975-)，男，河北保定人，副教授，主要研究方向为无线通信网络。E-mail:liuzj@cqupt.edu.cn。

李云鹏(1989-),男，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为无线通信网络。E-mail：liyunpeng229@163.com。

(编辑：刘勇)

The National Natural Science Foundation of China (61401053)

Dynamic D2D discovery resource allocation scheme based on adaptive random access

LIU Zhanjun，LI Yunpeng，DING Kai，CHEN Qianbin

(Key Laboratory of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

The existing device-to-device (D2D) discovery scheme in D2D communication has low discovery success ratio, small discovery range, and cannot satisfy the traffic requirements of D2D uses that have high priority, and in order to resolve this problem, this paper proposes a dynamic D2D discovery resource allocation scheme based on adaptive random access. Firstly, the users with high priority send an emergence request message to the base station based on traditional access random procedure, and then the base station configures the discovery resource allocation information of next discovery duration based on the number of emergence request message which is transmitted by D2D users who have high priority. Moreover, the users with low priority adaptively switches the random access from multi-channel slotted ALOHA (MCALOHA) to energy sensing MCALOHA (MCALOHA-ES) based on the number of unsuccessful resource selection of D2D users who have low priority. Finally, D2D receivers estimate whether to discover its neighbor users successfully based on the received signal to interference plus noise (SINR). System simulation shows that the proposed schemecan not only can satisfy the traffic requirements of different priority users, but also support higher discovery success ratio and longer discover range compared to the conventional random access scheme.

device-to-device(D2D) discovery; resource allocation; priority; adaptive random access

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.05.004

2016-01-14

2016-06-11通讯作者：李云鹏liyunpeng229@163.com

国家自然科学基金(61401053)

TN911. 23

A

1673-825X(2016)05-0628-06