蜂窝网络中设备间中继的功率分配

裴仁超, 李 莉*, 沈一豪, 张道煦, 罗汉文,2

(1上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)

蜂窝网络中设备间中继的功率分配

裴仁超1, 李 莉1*, 沈一豪1, 张道煦1, 罗汉文1,2

(1上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)

在蜂窝网络中,部署了一个设备间(D2D)双向中继网络.每个D2D双向中继节点配备有两根收发天线,分别同时与基站和D2D接收端进行通信.在假设D2D双向中继采用放大转发模式条件下,提出了优化D2D双向中继网络的功率分配方案.仿真结果显示:所提方案的D2D双向中继网络的吞吐量在理想信道下,较随机功率分配和传统通信方式分别提升7%和12%.

设备间中继; 双向中继; 功率分配; 吞吐量

0 引 言

移动通信的飞速发展使带宽需求急剧增加,目前有限的频谱资源已无法满足需要.Device-to-device(D2D)通信是一种设备之间不经过基站(BS)的转接而直接进行通信的技术[1].D2D通信技术的引入增加了频谱效率,节省了设备功耗,还能扩大蜂窝网的覆盖范围[2].然而,D2D通信技术对蜂窝网络产生的干扰很大程度上限制了其发展.利用有限的频谱资源,引入D2D中继(D2DR),可以在干扰可接受的情况下提高系统吞吐量.D2D双向中继扩大了蜂窝网络的覆盖范围,增加了频谱利用率,它广泛应用于当今无线通信系统中.将功率分配应用于D2D双向中继端是进一步提升系统吞吐量的有效方法.

Qin等[3]在单向的D2D通信中继网络中,考虑信道估计的不准确性,针对不同D2D通信传输组设计了不同的中继稳健性波束成形算法,降低了系统的功率损耗.Wang等[4]利用功率分配算法,在双向中继场景中减小了D2D通信用户中断概率.但是,在D2D通信用户中断概率最小化的同时,主用户将会受到更大的干扰.Jayasinghe等[5]提出了一种联合的物理层网络预编码解码方案,降低了信号传输的误码率.但是在多层网络共存的情况下没有考虑层与层之间的干扰.Pei等[6]在D2D通信与双向蜂窝网络共存的场景中提出了一种频谱共享策略,提高了蜂窝网络和D2D网络的和速率.通过减小基站和蜂窝用户的传输功率来降低D2D通信链路受到的干扰,忽略了基站和蜂窝用户传输功率的限制条件.本文作者在一个双向的中继网络中,通过双向中继端调整功率分配因子,在保证双向中继端功率不变的条件下使双向中继网络的吞吐量最大化.

1 系统模型

图1为研究场景的系统模型示意图,在蜂窝网络覆盖范围之内有一个基站(BS),有一个D2D通信用户(DU)以及一个配备有两根空间独立的收发天线的D2D双向中继节点,均处于工作状态.系统中的通讯信息传输分为两个时隙.第一个时隙,基站将信号S1发送给D2DR,同时DU将信号S2、S3发送给D2DR.其中S1是BS发送的蜂窝下行信号,S2是DU发送的蜂窝上行信号,S3是DU发送给D2DR的常规D2D通信信号,如图1(a)所示.

在第二个时隙中,D2DR将在第一个时隙接收到的上行信号S2转发给BS,将在第一个时隙接收到的下行信号S1转发给DU.同时D2DR将常规D2D信号S4发送给DU,完成D2DR和DU之间的常规D2D通信.对于信号S1和S2,D2DR起放大转发作用,信号S3和S4则是D2DR和DU之间的常规D2D通信,并且满足E(SS*)=1,其中E(·)是数学期望,如图1(b)所示.

图1 系统模型示意图

在第一时隙,BS和DU将信号发送至D2DR,双向中继节点接收到的信号为:

(1)

式中H、G分别为BS、D2DR之间以及DU、D2DR之间的信道响应.在第二个时隙,基站端和DU端接收到的信号分别为:

(2)

yD=HG·S1+GG·S4+nD,

(3)

式中yB为基站端的接收信号,yD为D2DR端的接收信号,nB为基站端的接收噪声,nD为DU端的接收噪声.

2 D2DR的功率分配方案

假设在第二个时隙,D2DR能自动利用功率分配因子α来调整向基站和D2D用户端发送信号的发射功率.D2DR总的发射功率为PR,将其α部分的功率作为向BS端的发射功率,剩下的1-α部分作为向DU端的发射功率.第二时隙,BS接收到的来自DU在第一时隙发送至D2DR的上行信号为:

(4)

第二时隙,DU接收到的来自BS在第一时隙发送至D2DR的下行信号为:

(5)

因此在第二个时隙,基站端和DU端接收到的信号表达(2),(3)式分别重新写为:

(6)

(7)

在第二个时隙,经过D2DR端功率分配因子α的调整后,D2DR向BS和DU分配的发射功率分别为:

(8)

(9)

(10)

式中RDB为第二时隙D2DR到BS端的传输速率,RDD为第二时隙D2DR到DU端的传输速率.Pmin和Pmax分别是D2DR的最小和最大的发射功率.根据香农公式,得到RDB和RDD的表达式:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中Z=HHT,Q=GGT,⊗表示矩阵的点积.将(10)式转化为,

(17)

优化问题(17)式是凸的,它可以利用标准化的数学软件工具箱,如Convex(CVX)来解决.根据约束条件,优化功率分配因子α,最大化目标吞吐量函数.

3 实验结果与分析

图2 各通信方案中继网络吞吐量的比较

为了验证本方法的有效性,进行了数值仿真.假设信道矩阵H和G为高斯信道,加入的噪声为加性高斯白噪声.为了保证双向中继D2DR对功率的要求,PRB和PRD的最大功率Pmax为10dB.为了保证接收端对信号的灵敏度,最小功率Pmin为0.1dB,使信号不至于被噪声所淹没.利用CVX优化解决优化问题(17).图2给出了采用本功率分配方案、随机功率分配方案以及不采用功率分配方案的双向中继网络吞吐量与环境噪声功率的关系曲线.由图2可知,随着噪声功率逐渐增大,双向中继网络的吞吐量随之减小.同时,本功率分配方案所得的双向中继网络的吞吐量较其他两种方案的吞吐量性能好.本功率分配方案相对于不采用功率分配方案,在吞吐量提升了12%左右.本功率分配方案中,D2DR分配较多的功率给信道质量较好的信道,双向中继网络可获得更大的吞吐量.随机的功率分配方案无法根据信道的差异来分配双向中继端的发射功率,因此双向中继网络的吞吐量相对较小.不采用功率分配方案则忽略了信道的差异性,双向中继网络的吞吐量最小.

4 结 论

研究了蜂窝网络中部署了D2D双向中继网络的功率分配方案问题.首先给出了场景系统模型和信道模型.优化目标是在满足D2DR的发射功率要求后,D2DR端自动调整功率分配因子,使双向中继网络吞吐量达到最大.仿真结果显示,所采用的功率分配方案能够获得更大的双向中继网络吞吐量.但是本方案没有考虑信道的复杂性以及其他潜在通信链路带来的干扰,还需要进一步改善系统的信道模型.

[1] 宋苗苗,罗汉文.基于容量最优的D2D RP方法的研究 [J].上海师范大学学报(自然科学版),2015,44(1):6-10.

Song M M,Luo H W.Resource allocation on Device-to-Device communication with optimal capacity [J].Journal of Shanghai Normal University(Natural Sciences),2015,44(1):6-10.

[2] 王珍,李莉,王斌,等,基于干扰对齐的设备到设备功率控制算法 [J].上海师范大学学报(自然科学版),2016,45(2):166-171.

Wang Z,Li L,Wang B,et al.Device to device power control algorithm based on interference alignment [J].Journal of Shanghai Normal University (Natural Sciences),2016,45(2):166-171.

[3] Qin Y,Ding M,Zhang M,et al.Relaying robust beamforming for Device-to-Device communication with channel uncertainty [J].IEEE Communications Letters,2014,18(10):1859-1862.

[4] Wang L H,Jin H,Ji X D,et al.Power allocation for cognitive D2D communication assisted by two-way relaying [C],IEEE International Symposium on Microwave,2013:165-170.

[5] Jayasinghe L K S,Jayasinghe P,Rajatheva N,et al.MIMO physical layer network coding based underlay device-to-device communication [C].IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications,2013:13902108.

[6] Pei Y Y,Liang Y C,Resource allocation for device-to-device communication overlaying two-way cellular networks [C].IEEE Wireless Communication and Networking Conference,2013:3346-3351.

(责任编辑：顾浩然,包震宇)

Power allocation of two-way device-to-devicerelays underlay cellular network

Pei Renchao1, Li Li1*, Shen Yihao1, Zhang Daoxu1, Luo Hanwen1,2

(1.College of information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.School of ElectronicInformation and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

In this paper,we assume that a device-to-device (D2D) bidirectional relay network is deployed in a cellular network.Each D2D two-way relay is equipped with two transmit antennas,which are respectively carried out at the same time with base station and receiver.Under the assumption that D2D two-way relay adjust power transmission amplification,we propose a power allocation scheme of the two-way relay network.The simulation results show that the scheme proposed can obtain larger two-way relay network throughput than the random power allocation and the traditional communication methods.

device-to-device relays; two-way relay; power allocation; throughput

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.006

2016-11-29

国家自然科学基金青年科学基金(61503251)

裴仁超(1993-),男,硕士研究生,主要从事移动通信方面的研究.E-mail:prc_yjs@163.com

导师简介: 罗汉文(1949-),男,教授,主要从事移动通信的教学与研究工作.E-mail:hwluo@sjtu.edu.cn

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0033-04

*通信联系人.E-mail:lilyxuan@shnu.edu.cn