一种基于虚拟分区的跨小区D2D资源分配算法

杨丰瑞，庄　园，任兆俊，弓紫慧

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



一种基于虚拟分区的跨小区D2D资源分配算法

杨丰瑞1,2，庄园2，任兆俊2，弓紫慧2

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

终端直通(device-to-device，D2D)技术引入蜂窝系统虽然能够提高蜂窝系统性能，但同时带来了很大的干扰。为了降低蜂窝用户对D2D用户的干扰，提出了一种基于虚拟分区的跨小区资源分配算法。通过为D2D接收端设置干扰限制区域来限制D2D用户所复用的蜂窝用户资源；为了给分配相同资源的用户之间建立较大的空间分离，降低链路间的相互干扰，引入虚拟分区的概念；最后，为了使系统吞吐量达到最大，从可复用蜂窝用户的集合中选择链路质量最好的k个蜂窝用户，将其资源分配给D2D用户。仿真结果显示，所提算法可以有效地降低蜂窝用户对D2D用户的干扰，提高系统的吞吐量，提升系统性能。

D2D；跨小区；虚拟分区；资源分配；吞吐量

0　引　言

近年来，随着物联网，智能手机，云计算等新技术的快速发展，通信网络中的数据流量获得了爆炸性增长，这导致了无线频谱资源的紧缺[1]。为了解决这个问题，终端直通(device-to-device，D2D)技术应运而生。D2D通信技术作为5G通信的候选关键技术之一受到了极大的关注。它是一种新颖的可直接应用于蜂窝系统中终端间的直接通信技术[2]。在蜂窝网络中引入D2D技术，能有效缓解频谱资源的紧张现状，降低基站的负载，降低端到端的时延，提高频谱资源利用率。然而，D2D用户复用蜂窝用户资源的方式也必定会引起两者之间的互相干扰。因此，讨论在复用模式下如何进行资源分配才能尽可能地降低用户之间的干扰，一直是研究的重点。

现有的关于D2D通信链路资源分配的研究多是考虑在单小区场景下。文献[7]提出了一种分布式的高校招生博弈的多标准资源分配方案，解决了D2D用户之间竞争选择所复用的蜂窝用户的资源问题。文献[8]提出了一种能同时提高系统整体性能和公平性的资源分配算法，使用改进的比例公平干扰控制方案为每一个D2D用户选择最优的蜂窝用户来共享频谱资源。文献[9]提出了一种基于最大化系统吞吐量的资源分配算法，通过建立吞吐量矩阵寻找最大吞吐量，仿真结果表明该算法能降低用户之间的干扰，并提高系统的吞吐量。然而实际生活多涉及多小区场景，不仅要考虑小区内干扰，还要顾及小区间干扰。特别是对于跨小区边缘用户间建立通信，由于用户距离基站较远，信号质量不好，因此，更适合使用D2D进行通信而不是蜂窝通信。但现有研究针对多小区场景，特别是对多小区中跨小区D2D用户间资源分配方案的研究甚少。

基于以上分析，本文提出了一种新颖的基于虚拟分区的跨小区D2D资源分配算法。采用虚拟分区的方法对用户进行资源分配，该法依赖于网络辅助定位技术，根据接收信号的到达角(angle of arrival, AOA)或到达的时间差(time difference of arrival, TDOA)信息对用户进行定位[10-11]，基于此采用基于定角和基于用户密度的方法对系统内的每个小区进行虚拟分区。最后通过仿真表明所提算法可以有效地降低蜂窝用户对D2D用户的干扰，提高系统的吞吐量，提升系统性能。

1　系统模型

1.1场景描述

考虑的跨小区D2D通信系统模型如图1所示，含有2个相邻小区，小区中心均为基站(base station，BS)，同时各含有N个随机分布的蜂窝用户(cellular user equipment,CUE)，记为CUE={CUEi,i=1,2,…,N}，2个小区的CUE使用相同频段的n个资源块RB(resource block)，记为A={1,2,…,n}。图1中，左边的小区为区域1，记为Area1，资源块集合为A1，记为A1={1,2,…,n}；右边的小区为区域2，记为Area2，资源块集合为A2，记为A2={1,2,…,n}。另外还有一对跨小区D2D用户的DUE(device user equipment)，其发射端表示为D_Tx，接收端为D_Rx。本文假设一个CUE使用一个RB进行通信，D2D链路可以复用多个CUE的RB。

1.2信道模型

本文中BS对2个用户间的信道仅考虑大尺度损耗。因此，利用自由空间的路径损耗模型对所有用户间的信道状态进行估计，PL=PL0(d)-α，其中,PL0为路损常数,d是2个用户之间的距离，α为路损指数。基于这种信道状况，根据香农公式，可以计算出小区用户的总吞吐量Rtotal为

(1)

(1)式中：Rc为小区中CUE的总吞吐量；Rd为小区中DUE的吞吐量，分别表示为

(2)

(3)

(2)-(3)式中：B是系统带宽；k是被复用的蜂窝用户的个数；γci，γcj分别为被复用CUE和未被复用CUE的信噪比；γd为D_Rx的信噪比，分别表示为

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(4)-(8)式中：Pci和Pcj分别是被复用和未被复用CUE向BS的发射功率；Pd是D_Tx的发射功率；GB,ci，GB,cj分别是BS到被复用CUE和未被复用CUE的路径损耗；Gd是D_Tx到D_Rx的路径损耗；D是BS到CUE的距离；L是D_Tx到D_Rx的距离；N0是接收端的加性高斯白噪声的噪声功率；I0是CUE受到的小区间干扰；Id,B是D_Tx对BS的干扰，可以表示为

(9)

(10)

(9)-(10)式中：Gd,B是D_Tx到BS的路径损耗；d1，α1是D_Tx到BS的距离及路损指数。

图1　系统模型Fig.1　System model

用Ic,d表示被复用CUE对D_Rx的干扰，可以表示为

(11)

(12)

(11)-(12)式中：Gci,d是被复用CUE到D_Rx的路径损耗；d2，α2是被复用CUE 到D_Rx的距离及路损指数。

2　基于虚拟分区的资源分配算法

2.1蜂窝用户被限制复用区域

考虑D2D用户复用上行频段中蜂窝用户的资源时，蜂窝网络与D2D网络组成的混合网络系统中的干扰包括D_Tx对BS的干扰和CUE对D_Rx的干扰。因为，跨小区D2D用户位于小区边缘，距离BS相对较远，且D2D用户的发射功率相对于CUE来说小得多，所以，当复用上行频段中蜂窝用户的资源时可以忽略D_Tx对BS的干扰。因此，本文主要考虑的是CUE对D_Rx的干扰。

首先，假设D_Tx使用最大发射功率Pdmax，γd应该大于DUE的信噪比门限值γdmin，即

(13)

其次，假设D_Rx正处于干扰最严重的情况，即所有使用相同上行资源的CUE都位于半径为RD-Rx的圆周上。此时D_Rx的干扰应满足

(14)

(14)式中：Icmax是CUE对D_Rx的最大干扰；ηd是D_Rx的干扰门限值；CUE使用最大发射功率Pcmax。则Icmax可以表示为

(15)

由(13)式可得

(16)

把(15)式及 (16)式代入(14)式，可得

(17)

根据RD-Rx划定干扰限制区域，该干扰限制区域内的资源块集合为B2，设在Area1中与B2中相同的资源块集合为B1。则在Area1中D2D用户可复用的资源块集合为A1-B1,在Area2中D2D用户可复用的资源块集合为A2-B2。

2.2虚拟分区

虚拟分区的概念依赖于网络辅助的定位技术，本文假设掌握小区内所有用户的AOA信息，基于此对系统内的每个小区进行虚拟分区，并对其进行编号。虚拟分区最常用的是基于定角和基于用户密度2种方法。假设分区后得到的一对虚拟区域由其参考区域和其相对区域组成。参考区域即D2D用户所在区域，相对区域根据特定的虚拟分区方法确定。为了便于描述，本文假设单小区所含CUE数为N=50,对小区进行虚拟分区的子区域数目为定值m=6,各子区域记为S={Si,i=1,2,3,…,12}。

2.2.1对小区进行虚拟分区

1)基于固定角的虚拟分区。

该法是将小区分割成同等角度大小的m个子区域，由m决定每个子区域的固定角度值。基于固定角的虚拟分区方法中相对区域即对角区域，即位于参考区域垂直方向的相对应区域。如图2所示，小区被分割成同等大小的6个区域，被分割的小区的子区域数目m=6决定了每个子区域占60°，且存在2个相对区域S4和S10。该法优势在于操作简单，但很容易导致相对区域里不存在或者存在过多的资源。

图2　基于固定角的虚拟分区Fig.2　Fixed angle based sectoring

2)基于用户密度的虚拟分区。

该法是使每个子区域拥有相同数目的CUE，由每个子区域的CUE数目决定了每个子区域的角度值。基于用户密度的虚拟分区方法中相对区域由小区中各区域的参考角和D2D所在区域参考角的延伸角确定。参考角可取小区各区域中所有用户的平均角，为了操作简便，也可选用各区域的中值角作为参考角，用于反映在特定区域中用户分布及潜在集中度。设参考角为φSi，参考角的延伸角即由参考角延伸180°所得。则有

(18)

(18)式中，i≠k,∀i,k∈{1,…,Nsectors}。

即通过计算各区域的参考角与D2D所在区域参考角的延伸角之间的角度差，记为psik，(psik∈[0°,360°])，将psik按升序排列，取最小的角度差psik所在区域作为其相对区域。基于用户密度的虚拟分区如图3所示，小区需被分割成6个子区域，每个子区域拥有8个CUE，DUE存在2个相对区域S4和S10。

2.2.2确定可复用的资源块集合

对小区进行虚拟分区后，D2D对复用其相对区域中的CUE的RB。如图3所示，存在2个相对区域S4和S10，设他们的资源块集合分别为C和D。则对于该跨小区D2D用户，在S4中可复用的资源块集合ΩS4可以表示为

(19)

在S10中D2D用户可复用的资源块集合ΩS10可以表示为

(20)

则跨小区D2D用户可复用的资源块集合Ω为

(21)

如果最终可复用的资源块集合Ω为空集，则以ΩS10为基准，寻找与S4相连接的其他子区域内的CUE，并复用二者的RB交集。即此时跨小区D2D用户可复用的资源块集合为

(22)

经过以上步骤，如果用于资源复用的CUE被找到，则停止寻找；否则，继续寻找小区中的其他子区域中的CUE，但不包括D_Tx所在参考区域。

图3　基于用户密度的虚拟分区Fig.3　UE density based sectoring

2.3确定为D2D用户指配的资源

BS基于使小区用户总吞吐量最大的准则从Ω或Ω′中选择k个信道分配给k个CUE，D2D用户与这k个CUE共用RB，即

(23)

s.t.0

(23a)

0

(23b)

0

(23c)

(23d)

(23e)

γd≥γdmin

(23f)

(23a)式与(23b)式表示CUE发射功率不能超过其发射功率上限;(23c)式表示D_Tx发射功率不能超过其发射功率上限;(23d)式与(23e)式表示D_Tx的干扰和BS的干扰满足各自的干扰门限值;(23f)式表示D2D用户的信噪比满足其最低门限值要求。

则最终跨小区D2D用户获得的资源Sd可以表示为

(24)

综上所述，本文所提的一种基于虚拟分区的跨小区D2D资源分配算法流程如下。

步骤1根据D2D用户的信噪比和干噪比，求得D_Rx的干扰限制区域的覆盖半径RD-Rx，从而确定在Area1中D2D用户可复用的资源块集合为A1-B1,在Area2中D2D用户可复用的资源块集合为A2-B2；

步骤2根据基于定角和基于用户密度的方法，对小区进行虚拟分区(如图2和图3所示)，寻找小区的相对区域S4和S10中的CUE；

步骤3D2D用户选择复用相对区域中的蜂窝用户的资源。即S4中D2D用户可复用的资源块集合ΩS4=(A1-B1)∩C，S10中可复用的资源块集合ΩS10=(A2-B2)∩D。则D2D用户可复用的资源块集合为Ω=ΩS4∩ΩS10；

步骤4如果求得可复用的资源块集合Ω为空集，则以ΩS10为基准，寻找与S4相连接的其他子区域内的CUE，并复用二者的RB交集。即Ω′=ΩS10∩Ωi,i∈S2,S3,S5,S6；

步骤5BS基于使小区用户总吞吐量最大的准则从Ω或Ω′中选择k个信道分配给k个CUE，D2D用户与这k个CUE共用RB。

3　仿真分析

3.1仿真参数

为了验证本文所提出的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。

3.2仿真结果

图4描述了当L=20,n=1时，随着单小区蜂窝用户个数N的变化，小区用户的总吞吐量的变化趋势。由图4可以看出，当单小区的蜂窝用户数较少(≤40)时，随着单小区蜂窝用户数的增多，3种方案的小区用户的总吞吐量都呈增长的趋势，但本文所提算法的优势并不明显，这是因为当蜂窝用户数较少时，基于用户密度的虚拟分区算法所获得的可复用资源块集合的元素较少的概率极大，而基于定角的虚拟分区算法相对区域里不存在资源的情况较多；但随着单小区的蜂窝用户数增多(≥40)时，可复用资源块集合的元素也逐渐增多，因而能使跨小区D2D用户复用相对区域中更多的资源块来进行通信，因此，本文所提算法将呈现出较明显的优势，且单小区蜂窝用户的个数越多，本文的算法优势越明显。由此可见，本文所提算法适合于小区中蜂窝用户数多的情况下使用。

表1　仿真的主要参数Tab.1　Parameters for simulation

图4　小区用户总吞吐量和单小区蜂窝用户的 个数N的关系Fig.4　Relationship between the total throughput and the number of cellular users

图5描述了当N=50,n=1时，随着D_Tx与D_Rx的距离L的变化小区用户的总吞吐量变化的柱状图。由图5可以看出，随着距离L的增大，小区用户的总吞吐量将持续降低，且下降的程度与L的大小有关。当L<20 m时，吞吐量随L增大而下降的程度较大。而当L>20 m时，吞吐量下降的程度较小。这是因为当L较小时，D2D的链路质量会非常好，因此传输速率较大，这大大提高了整个小区用户的总吞吐量；随着L的增大，D2D的链路质量变差，D_Tx对BS的干扰变大，这导致了小区用户总吞吐量的减少，随后，当L继续增大，D2D的传输速率将会因为急剧增大的链路损耗而大幅度下降，导致传输速率对用户总吞吐量的影响不断降低，此时，即使D2D的传输速率持续减小，小区用户总吞吐量的减小幅度也逐渐缩小。仿真结果显示，本文所提的2种算法比采用随机分配算法可以获得到更高的系统吞吐量，这说明了所提方案能够有效提高整个小区用户的总吞吐量。

图5　小区用户总吞吐量和D_Tx与D_Rx的 距离L的关系Fig.5　Relationship between the total throughput and the distance between D_Tx amd D_Rx

图6描述了当N=50,L=20时，随着跨小区D2D用户对数k的增多小区用户总吞吐量的变化趋势。由图6可以看出，当跨小区D2D用户对数逐渐增多，小区用户吞吐量会先增长后逐渐下降。在基于用户密度的虚拟分区算法中，当跨小区D2D用户对数为15时，小区用户的总吞吐量达到最大值，而当跨小区D2D用户对数持续增加，由于D2D用户对与蜂窝用户之间的干扰增加，使得整个通信网络的总吞吐量下降。基于定角的虚拟分区算法随着跨小区D2D用户对数逐渐增多，会导致相对区域中蜂窝用户的资源块严重不够用，则小区用户吞吐量先增长到一定程度后逐渐下降。相比于随机资源分配方案，当跨小区D2D用户较少时，引入D2D用户对虽然能一定程度上提高小区用户的总吞吐量，但随着跨小区D2D用户对的增多，由于采用随机资源分配方案对D2D引入的干扰问题并没有得到很好的解决，因而导致小区用户的总吞吐量急剧减少。

4　结束语

针对在跨小区边缘用户间建立D2D通信的干扰问题，为降低蜂窝用户对跨小区D2D用户造成的干扰，保证跨小区D2D通信的可靠性，提出了一种新颖的虚拟分区的方法对D2D用户进行合理的资源分配。仿真结果显示本文所提算法可以有效地降低D2D用户和蜂窝用户之间的干扰，提高系统的吞吐量，提升系统性能。

图6　小区用户总吞吐量和跨小区D2D用户 对数n的关系Fig.6　Relationship between the total throughput and the number of cross-cell D2D users

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杨丰瑞(1963-),男，重庆人，主要研究方向为通信新技术应用。E-mail: yangfengrui@cqcyit.com。

庄园(1990-),女，四川人，硕士生，主要研究方向为通信新技术应用。E-mail:295554208@qq.com。

(编辑：魏琴芳)

Resources allocation algorithm for cross-cell D2D based on virtual sectors

YANG Fengrui1,2, ZHUANG Yuan2, REN Zhaojun2, GONG Zihui2

(1.Chongqing Information Technology (Group) Co., Ltd,Chongqing 400065, P.R. China;2.Application of New Technologies of Communication Research Center,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065, P.R. China)

Device-to-Device communications in cellular networks can improve the performance of the cellular system, while bringing a lot of interference. In order to alleviate the interference from cellular networks to D2D, this paper introduces a resource allocation algorithm for cross-cell D2D based on virtual sectors.First of all,the interference limited area is proposed so that cellular resources can not be located within the limited area.Secondly,in order to establish large spatial distances between users that are supposed to share the same set of radio resources,the concept of virtual sectors is presented.Finally,with the purpose of maximizing the throughput of the system,the base station selects the best channel quality of k cellular subscribers,after that,the resources of thekcellular subscribers are assigned to D2D users.The simulation results prove that the proposed algorithm can effectively reduce interference from cellular networks to D2D,improve the throughput of the system and the system performance.

D2D; cross-cell; virtual sectors; resource allocation; throughput

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.05.005

2016-06-27

2016-09-20通讯作者：庄园295554208@qq.com

TN929.5

A

1673-825X(2016)05-0634-07