蜂窝网络中全双工D2D通信功率控制

赵季红，何强，曲桦，栾智荣

（1.西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西 西安 710061；2.西安交通大学电子与信息工程学院，陕西 西安 710049）

研究与开发

蜂窝网络中全双工D2D通信功率控制

赵季红1,2，何强1，曲桦2，栾智荣2

（1.西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西 西安 710061；2.西安交通大学电子与信息工程学院，陕西 西安 710049）

在蜂窝网络中，采用全双工传输的设备直通（D2D）通信可以共享蜂窝通信的信道资源，提升频谱利用率和系统吞吐量。针对单对全双工D2D用户复用单个蜂窝用户的上行信道资源时，用户之间会产生同频干扰的问题，提出了一种低复杂度的功率控制算法。该算法在保证全双工D2D用户和蜂窝用户（CU）的服务质量（QoS）的前提下，最大化全双工D2D链路的吞吐量。仿真结果表明，该算法能够提高全双工D2D链路的吞吐量；全双工D2D链路吞吐量取决于蜂窝用户的QoS要求、相对距离以及自干扰消除数量的限制。

设备直通通信；全双工；功率控制

1 引言

随着局域应用和智能终端的不断涌现，近距离移动数据业务迅速增多，两种作为未来5G无线网络[1,2]中潜在的关键技术，即基于近距离传输的D2D（device-to-device，设备直通）通信技术[3]和无线全双工（full-duplex，FD）传输技术[4,5]被广泛讨论和研究。D2D通信的特点是D2D用户的发射功率较低，且用户的数据信息不经过基站而直接在D2D终端之间传输。无线全双工传输技术的特点是用户可以在同一时间以相同的频率进行接收和发射信号，用户会接收到自身所发射的信号，业界称之为自干扰信号。正是由于D2D的发射功率较低，有利于无线全双工通信中自干扰信号的消除，因此可以将无线全双工技术与D2D通信相结合，并且运用目前已提出的先进的自干扰消除（self-interference cancellation，SIC）技术[6,7]，能够有效地提高系统容量和频谱效率。

目前，关于基于传统半双工（half-duplex，HD）传输的D2D（HD-D2D）通信，国内外已有大量的研究，而基于FD传输的D2D（FD-D2D）通信也被业界迅速地关注，并且有大量的工作围绕FD-D2D通信功率控制问题展开。参考文献[8]探究了单对FD-D2D用户复用单个蜂窝用户 （cellular user，CU）的上行信道资源时，FD-D2D系统的遍历和速率问题，通过设置最大干扰门限保证CU的最低QoS （quality of service，服务质量），而没有处理CU对D2D用户的干扰，因此不能保证 FD-D2D用户的 QoS，更不能实现最大化FD-D2D系统的遍历和速率。参考文献[9]在单对FD-D2D用户复用单个CU的下行信道资源的场景中，从FD-D2D链路的成功接入概率和CU的中断概率出发，最大化系统的吞吐量，同样没有考虑如何通过功率控制来抑制用户间的同频干扰问题。参考文献[10]在单对FD-D2D用户复用单个CU的上行和下行信道资源的复用模式中，探究了残留自干扰对FD-D2D通信的影响，在蜂窝链路上行期间采用了固定点迭代法求解CU和FD-D2D用户的发射功率，使蜂窝链路和D2D链路功率之和最小，同时保证了FD-D2D用户和CU的QoS。参考文献 [11]考虑了在单个小区中仅有一对FD-D2D用户复用多个CU的上行信道资源的情况，通过设置CU的干信比门限确定FD-D2D用户的发射功率大小。与参考文献[11]中的复用情况相反，参考文献[12]考虑了单个小区中多对FD-D2D用户复用单个CU的上行信道资源，其功率控制方案与参考文献[11]类似，但是并没有考虑FD-D2D链路之间的干扰。

综上所述，除参考文献[10]以外，针对FD-D2D在复用模式下的通信中，绝大多数是通过设置用户的干扰阈值设定FD-D2D用户设备的发射功率，此方法虽然简单，但是不能同时保证FD-D2D用户与被复用的CU的QoS，达不到通过复用模式尽可能提升系统容量的目的。因此，考虑在单个蜂窝小区场景下单个FD-D2D链路复用单个CU的上行链路信道资源，以提升FD-D2D链路的吞吐量为目标，通过分析目标函数在可行性限制区域内部和边界上的特性，提出一种复杂度低、运算速度快的功率控制算法，可以应用于时变的场景中。仿真结果显示，该算法在保证CU的QoS要求的同时，能够提升FD-D2D链路的吞吐量。

2 系统模型

本文考虑的单个蜂窝小区的FD-D2D通信系统模型如图1所示，有多个 FD-D2D对和多个CU，演进型基站（evolved node B，eNode B）和CU均采用HD传输模式。为了提高无线频谱资源效率和减少由复用产生的干扰，单个CU的上行链路信道资源只能被一个D2D对用户复用，同时单对FD-D2D用户也只能复用一个CU的上行信道资源。而对于同一频谱的资源，CU相较于FD-D2D用户具有优先使用权。

图1 单个蜂窝小区的FD-D2D通信系统模型

在实际情况下，CU的发射功率是固定不变的[13]，本文也设CU的发射功率固定不变。为了使网络更加容易协调FD-D2D和CU通信，eNode B能够有效地执行资源分配以满足小区中通信节点的QoS要求，采用基站全控制机制[14]来管理FD-D2D通信，包括D2D发现、连接、功率控制和信道分配。最优功率控制的过程是基站测量接收到的FD-D2D用户的干扰后，通过控制信道来协调FD-D2D设备的发射功率，以满足CU的QoS要求，本文以用户的信干噪比（signal to interference plus noise ratio，SINR）为QoS标准。

根据香农公式可以得到FD-D2D链路的吞吐量为：

Pi、Pc和γi分别表示Di设备的发射功率、CU的发射功率和自干扰消除因子，i∈{1，2}；g12表示 D2D对中两个用户之间的信道增益，gi表示 Di用户与被复用CU之间的信道增益；σ2N表示高斯白噪声的功率。

3 功率控制算法

3.1 问题描述

基于FD传输模式的D2D通信，通过复用CU的上行信道资源能够有效提高资源复用增益和链路增益，进一步提高系统的频谱效率和网络吞吐量。当FD-D2D链路建立时，既要满足最小的 SINR要求，又要保证对被复用的CU产生较小的干扰。因此，在同一时间相同的无线信道资源共同服务一个CU用户和FD-D2D对用户时，在保证CU用户最小SINR要求和FD-D2D设备功耗的前提下，以最大化FD-D2D链路的吞吐量为目标，求解FD-D2D设备的最优发射功率，构建优化问题模型如下：

3.2 算法描述

对于第3.1节提出的优化问题，很难直接求得全局最优解。因此，下面将通过分析优化问题的目标函数、可行性限制区域边界以及边界拐点的特性，提出一种运算复杂度低的算法寻找问题的最优解。

FD-D2D设备发射功率限制区域由式（3）～式（6）决定，并假设分别由直线l1、l2和lc代表，并且，直线l1、l2和lc作为FD-D2D设备发射功率可行解的边界，其位置在式（3）～式（6）取等的时候确定。此外，当自干扰消除系数γ1=γ2时，直线l1和l2的斜率的乘积为1。本文假设FD-D2D设备的自干扰消除数量相等，即自干扰消除系数γ1=γ2。如果直线 l1的斜率小于直线l2的斜率，这两个约束没有共同的可行解区域，原问题将无解。因此，要使原问题有解，直线l1的斜率必须大于直线l2的斜率，即：

此时，直线 l1和 l2的交点为：

定理1FD-D2D设备的最优发射功率对）至少有一个最优发射功率P*i位于可行区域 边界上。

证明根据参考文献[15]，在功率可行性区域内任意一个功率对（P1，P2），在该区域总存在另一个功率对（κP1，κP2）（κ＞1）满足：

图2 FD-D2D设备发射功率限制区域

定理2当时，R（P1）是关于P1的凸函数；同时，当时，R（P2）是关于P2的凸函数。证明过程与参考文献[16]证明过程相似。

引理1

利用多项式分解理论，Q（P1）可进一步表示为：

对Q（P1）求一阶导数：

综上所述，Q（P1）是拟凸的，P1=1。

由定理1、定理2和引理1可得，式（2）～式（6）的最优发射功率（）位于可行区域 的拐点。

下面给出满足图 2中的 3种情况的不同限制区域下的FD-D2D设备的最优发射功率。

4 仿真分析

本文仿真只考虑单个小区场景，D2D对和CU均匀地分布在小区中。此外，主要的仿真参数设置见表1。为了比较所提算法的性能，仿真时将与HD-D2D链路的性能做比较。其中，HD-D2D设备的发射功率为在满足被复用的CU的SINR要求时的最大发射功率。

表1 仿真参数设置

图3比较了两种FD-D2D功率控制算法的性能，并与HD-D2D链路的吞吐量做比较，设置CU和FD-D2D用户的最小SINR要求分别为12 dB和8 dB，自干扰消除数量为120 dB。根据图3提供的仿真参数信息并追踪仿真过程，可发现本仿真场景对应的功率限制区域是第三类中的直线所圈定的限制区域。首先，可以发现对于不同的功率控制算法，D2D链路的吞吐量随着D2D用户之间的距离增加而逐渐降低。因为随着距离增加，D2D用户之间的增益减小，为了满足D2D用户的SINR要求，就必须提高发射功率，这样就导致对复用的CU产生了更大的干扰。其次，由于所提算法总是最优功率控制，因此所提算法的性能优于参考文献[11]的功率控制算法。最后，当自干扰消除为120 dB时，残留自干扰信号的功率相对较小，采用FD传输模式的D2D链路的吞吐量均优于HD-D2D链路的吞吐量。

图3 FD/HD-D2D链路吞吐量与D2D用户间距离的关系

不同的SIC数量对FD-D2D链路吞吐量的影响如图4所示，其中CU和FD-D2D用户的最小SINR要求分别为12 dB和8 dB。与图4的仿真场景对应的功率限制区域和图3对应的功率限制区域一样。随着 SIC数量增大，FD-D2D链路的吞吐量也增大，并且逐渐接近于残留自干扰信号的功率时对应的吞吐量，这是由于自干扰消除越多，残留自干扰信号也就越小，因此得到的FD-D2D用户的SINR就越大。然而，当SIC数量仅为105 dB且D2D对中两个用户之间的距离大于34 m时，FD-D2D链路的吞吐量反而低于HD-D2D链路的吞吐量。可见当残留自干扰信号的功率时，SIC数量对FD-D2D链路的吞吐量有很大的影响。

图4 不同SIC数量与FD-D2D链路吞吐量的关系

当D2D对中两个用户之间的距离为20 m且D2D用户的最小SINR要求为8 dB时，FD/HD-D2D链路的吞吐量与CU的最低SINR要求的变化关系如图5所示。追踪仿真过程可发现，随着CU的最低SINR由8 dB逐渐递增至15 dB，图5对应的仿真场景的功率可行性限制区域属于第3类，其变化过程是由直线逐渐向左下方平移，经历直线和所圈定的功率限制区域。由图5所示，基于两种双工传输模式的D2D所实现的链路吞吐量均随着被复用的CU的最低SINR要求增大而降低。由式 （5）可知，当CU的发射功率固定不变时，随着CU的最低SINR要求增大，D2D用户的发射功率的最大值被限制得越多，D2D用户可实现的SINR就越低，最终导致D2D链路的吞吐量降低。然而，当CU的最低SINR小于10 dB时，式（5）对应直线的位置为图 2（c）中的直线的位置，此位置不会限制D2D用户的发射功率，此时FD-D2D链路的吞吐量与CU的最低SINR无关，因此FD-D2D链路的吞吐量并不随着CU的最低SINR增大而降低。

图5 FD/HD-D2D链路吞吐量随CU最低SINR要求变化的关系

5 结束语

本文考虑在单个蜂窝小区中单对 FD-D2D用户复用单个CU的上行信道资源的情况，在同时保证D2D用户和被复用 CU的SINR要求的前提下，提出了一种协调同频干扰的功率控制算法以最大化 FD-D2D链路的吞吐量，应用该算法时可针对相应的功率限制区域场景直接使用算法的结论。经过仿真分析发现，在同时满足FD-D2D用户和CU的SINR要求时，该算法能够提高FD-D2D链路的吞吐量；另外，在 FD-D2D复用CU的信道资源情况下，FD-D2D用户间距离、CU的最低SINR要求和 SIC数量都是限制 FD-D2D链路吞吐量的主要因素。

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Power control for full-duplex D2D communications underlaying cellular networks

ZHAO Jihong1,2,HE Qiang1,QU Hua2,LUAN Zhirong2
1.School of Telecommunication and Information Engineering, Xi’an University of Posts&Telecommunications,Xi’an 710061,China
2.School of Electronic and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China

Device-to-device(D2D)communications that based on the wireless full-dup lex transmission mode can not only reuse the cellular users’spectrum resource,but also significantly improve the spectral efficiency and the system throughout in wireless cellular networks.However,full-duplex D2D communications may generate same frequency interference to the reused cellular user(CU)while full-dup lex D2D users share the same resources as CU in uplink.A low-complexity power control algorithm was proposed to maximize the full-duplex D2D links throughput while guaranteeing the quality ofservice(QoS)requirements for full-duplex D2D users and CU.Numerical results show that the proposed algorithm can improve the full-duplex D2D links throughput.Moreover,the performance of full-duplex D2D communications depend on the QoS requirements of CU,the distance of D2D pair and self-interference cancelation amounts.

D2D communication,full-duplex,power control

TN929

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017056

赵季红（1963-），女，博士，西安邮电大学教授，西安交通大学教授、博士生导师，主要研究方向为宽带通信网、新一代网络的管理与控制、5G网络等。

何强（1990-），男，西安邮电大学硕士生，主要研究方向为全双工自干扰消除和全双工D2D功率控制。

曲桦（1961-），男，博士，西安交通大学教授、博士生导师，主要研究方向为现代通信网、计算机网络体系结构、移动互联网、智慧城市等。

栾智荣（1988-），男，西安交通大学博士生，主要研究方向为新一代天线网络体系架构、无线异构网络的无线资源管理技术、密集部署小区网络无线资源管理等。

2016-09-20；

2017-02-23

国家自然科学基金资助项目（No.61372092，No.61531013）；国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金资助项目（No.2014AA01A706）

Foundation Item s：The National Natural Science Foundation of China (No.61372092,No.61531013),The National High Technology Research and Development Program(863 Program)(No.2014AA01A706)