基于蜂窝网络的D2D 通信传输模式选择方案

王玉玺 刘娅璇 徐嘉懿 张 楠 倪艺洋, 朱洪波

（1.江苏第二师范学院数学与信息技术学院，南京，210013；2.南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室，南京，210003）

引 言

随着近年移动终端数量的爆发式增长以及频谱资源的日益紧缺，传统蜂窝通信网络已无法满足未来用户的需求，D2D（device-to-device）技术作为5G通信的关键技术之一，得到了越来越广泛的关注[1-2]。距离较近的D2D用户通过复用蜂窝网络中已授权的频谱资源进行直接通信，在实现资源共享、缓解频谱资源匮乏的同时，提高了数据传输速率，降低了系统能耗，系统容量也得到了显著增加[2-3]。

为进一步提高数据传输速率，增强远距离通信网络的性能，中继技术在4G通信中得到了广泛的应用[4]。放大转发（Amplified-and-forward，AF）和译码转发（Decode-and-forward，DF）是目前中继技术中常用的两种中继协议，其最大的区别在于处理信号的方式不同，AF中继技术采用一种较简单的信号处理方式，中继节点将接收到的有用信号、干扰以及噪声进行放大后转发给目标用户。利用AF中继，在降低系统传输时延，实现空间分集的同时，也因无法将信号和噪声分离而降低了信道质量。不同于AF中继协议，DF中继技术将接收到的信号解码后进行转发，有效抑制噪声，但因其过程的复杂增加了传输时延。在蜂窝网络中，已有研究者分析比较了AF和DF两种中继技术在误码率以及能量消耗方面的优劣[5-7]。也有研究者从传输数据保密约束的角度，提出了中继选择的3个原则：最小选择、常规选择和最优选择[8]。为满足5G通信技术对高速率、低延迟以及大容量等方面的需求，将中继技术与D2D技术有效结合成为了当今研究热点。

D2D技术的优势在于，在实现时频资源共享的同时利用用户间距离近的特点实现高速数据传输，然而当D2D用户间的距离增大到一定程度时，由于D2D用户的发射功率有限，链路质量急剧下降，将中继技术与D2D技术相结合能有效提高D2D链路的传输速率并增大小区的覆盖范围。针对中继辅助的D2D通信场景，已有研究者在蜂窝系统所受干扰值一定的情况下最大化D2D链路吞吐量并筛选出最优中继节点，以提高D2D链路的发送功率[9]。文献[10]中提出了一种基于5G蜂窝网络的D2D中继选择方案，以优化频谱效率和覆盖范围。此外，还有研究者考虑在不完全信道状态信息下将功率分配与模式选择相结合[11]，以提高资源利用率和系统吞吐量并有效降低系统能耗。文献[12]提出了一种等效中继选择算法，以降低D2D链路对蜂窝链路的干扰，有效提高了系统能效。文献[13]探讨了基于中继的D2D通信系统的功率分配问题，提出了迭代算法和突发流量模式下的自适应模式选择方案。另有研究者指出，在蜂窝下行链路中利用MIMO技术，可以有效提升信道容量以及系统可靠性[14]。文献[15]将中继选择问题转换成组合优化问题，提出了基于匹配理论的中继选择算法，有效地减少了信道中的不确定性误差。在D2D模式选择上，已有研究者对不同的条件约束展开研究，文献[16]的研究者以蜂窝用户与D2D用户之间的位置关系为参量，进行了通信模式选择的研究，并在引入中继节点后进一步分析了D2D用户采用Underlay模式通信的概率与信干噪比门限值之间的关系。文献[17]研究了基于交通状态和突发交通模型的上传/下载等3种D2D传输模式，提出了一种自适应模式选择方案，旨在提高突发流量模型的系统传输速率。文献[18]在保证D2D链路和蜂窝链路基本通信性能的基础上，研究了D2D下层蜂窝通信系统的联合模式选择、资源组分配和功率分配，旨在最大化系统总可达速率。基于此，本文提出了D2D通信中多种传输模式间的模式选择方案，包括基于AF中继的D2D通信模式、基于DF中继的D2D通信模式以及传统D2D通信模式。

1 系统模型

对于位于小区边缘的用户，由于其距离基站远、信道质量差，通信质量无法得到保障。针对此类用户，可采用D2D方式进行直接通信，以提高用户间的通信质量、提升系统容量。当直接通信的两用户相距较远（例如位于两相邻小区）时，可利用D2D用户作为中继用户进行辅助通信，以提升链路质量。如图1所示，用户UE1,UE2分别位于小区1和小区2的边缘，为提高链路质量，增加系统容量，UE1与UE2间采用D2D方式通过复用蜂窝用户的时频资源进行直接通信。为方便表示，本文用MA,MB和MC分别表示传统D2D通信模式、基于AF中继的D2D通信模式和基于DF中继的D2D通信模式。其中，MB与MC利用位于两小区覆盖重叠处的用户（UER）作为中继用户，辅助UE1与UE2进行通信。两者区别在于采用的中继协议不同，MB中UER采用AF协议，MC中UER采用DF协议。特别地，本文中考虑D2D用户位于不同小区，当D2D用户位于同一小区时，干扰将更为简单，只需修改最终表达式中的干扰项即可。

本文用PiT(i=Bk,Ck,1,2,R；k=1,2)表示终端i的发射功率，其中Bk表示小区k中的基站BSk，Ck表示小区 k中的蜂窝用户，1，2分别表示UE1和 UE2，R表示 UER；用ni表示终端i处的噪声，满足 ni～N(0,N0)；用hij(j=Bk,Ck,1,2,R；j≠i)表示i-j链路的信道系数；以dij表示终端i与终端j间的距离，α表示路径损耗系数。为方便计算，本文中假设基站发射功率相等，假设同一类型用户的发射功率相等。

图1 系统模型图Fig.1 System model

2 可达速率

为求出3种传输模式下系统可达速率的闭合表达式，本节首先分析各模式下链路的干扰情况，据此写出接收端的SINR表达式，并进一步求得系统在各模式下的可达速率。

2.1 传统D2D通信模式MA

MA模式第1时隙中UE1发送信号给UE2，同时UEC1和UEC2分别向各自小区的基站发送信号。第2时隙，UE2向UE1发送信号，同时BS1,BS2发送信号给各自服务的蜂窝用户。由于D2D链路复用了蜂窝链路的时频资源，两条链路之间存在相互干扰。由于D2D用户距离基站较远，且D2D用户间的距离较近，本文假设D2D用户到各自所在小区基站的距离相等，中继用户到两D2D用户之间距离近似相等，即d1R≈ d2R=dDR。为方便表述，本文定义g=(d0/dDR)-α，其中d0为归一化参考距离。由此可得出MA第一时隙UE1-UE2链路的接收信干噪比(Signal to interference plus noise ratio,SINR)为

同理，第2时隙UE1-UE2链路的接收SINR可表示为

根据式（1,2）可以写出MA的可达速率

结合Jensen不等式

可将式（3）化简为

2.2 基于AF中继的D2D通信模式MB

当D2D用户距离较远时，可将UER作为中继用户并采用AF协议进行辅助通信。在此模式中，第1时隙UE1发送信号给UER，与此同时UEC1和UEC2

分别向各自基站发送信号。第2时隙，UER将接收到的信号进行放大后转发给UE2，与此同时BS1，BS2服务于各自的蜂窝用户。可以写出MB中UE1-UE2链路的接收SINR为

可达速率可表示为

式中：放大系数

2.3 基于DF中继的D2D通信模式MC

与MB不同，MC中采用DF中继协议进行辅助传输，采用与2.2节中类似的分析方法，可得出MC中UE1-UER链路的接收SINR为

UER-UE2链路的接收SINR可表示为

基于DF中继的D2D通信模式下的可达速率可进一步表示为

式(10)可进一步写为

综合式（5,7,11），D2D用户在3种传输模式下的可达速率归纳为

3 模式选择方案

为得到3种通信模式间的模式选择方案，本文首先依据式（12）中各模式的可达速率表达式求出模式间的交点，进而选择最佳的传输模式，使得D2D链路在不同的系统参数下，均能获得最大传输速率。

从式（12）中不难看出，MA和MB的可达速率表达式唯一确定，而MC的可达速率表达式与∑IC,∑IB的大小有关。下文将分别讨论∑IC≥ ∑IB和∑IC＜ ∑IB两种场景。

3.1 ∑IC≥ ∑IB场景下模式选择方案

首先分析M与M间的选择方案，根据式（5）和式（11），令Q=RMC(g)-RMA(g)，化简可得

当Q＞0时，对式(13)进行变量分离，得到距离参数

由式（14）不难发现：以距离参数dDR为变量时，MA与MC的可达速率存在交点。当距离参数小于性能较好，反之MC更佳。根据以上结论，可得到MA与MC间的模式选择方案为

类似地，可以分析求得MA与MB间的模式选择方案，根据式（5）和式（7），令F=RMB(g)-RMA(g)，进一步化简得

式中k=dB22/dDR。当F＞ 0时，有

式中，YMAMB为MA与MB的切换点，其表达式为

式中：a=G2(∑IC+N0)+PBTk-α。基于此，可得到MA和MB间的模式选择方案为

令

当H＞ 0时，有

式中YMBMC为MB与MC的切换点，可表示为

由此可得，MB和MC间的选择方案为

综合式（16,20,24），可以得到∑IC≥ ∑IB的场景下3种传输模式间的选择方案

式(25)为蜂窝用户干扰较强的场景下的模式选择方案，由式(25)可以看出，当距离参数dDR小于某特定值（YMAMB）时，应选用基于AF中继的D2D通信模式；当距离参数dDR大于某特定值（YMAMC）时，基于DF中继的D2D通信模式优于其他两种模式；当距离参数dDR介于两个特定值（YMAMB和YMAMC）之间时，传统D2D通信模式为最优选择。特别地均为仅含有基本数学运算的闭合表达式，对于蜂窝用户干扰较弱（∑IC＜ ∑IB）的场景，下文将进行详细分析。

3.2 ∑IC＜ ∑IB场景下模式选择方案

利用3.1节中的分析方法，可以得到MA与MC的选择方案为

式中Y′MAMC为MA和MC的切换点，满足

由式（26）可以看出：当dDR＜Y′MAMC时，MA的优势较为显著；当dDR≥Y′MAMC时，选择MC更为合适。由于Y大小无关的闭合表达式，MA与MB的选择方案、MB与MC的选择方案与3.1节中相同，此处不再赘述。

综合式（20,24,26），在弱蜂窝用户干扰场景下，基于中继的D2D通信传输模式选择方案为

3.3 通信模式选择方案

综合式（25,28），可得出3种D2D通信模式间选择算法流程图，如图2所示。

图2 系统模式选择流程图Fig.2 Flow diagram for mode selection scheme

从图2可以看出，系统通过比较用户间距离与各模式切换点的大小，动态选择D2D用户间的通信传输模式，而模式切换点只需通过简单的闭合表达式计算即可得到。特别地，本文中考虑的D2D用户分布在不同的小区，当D2D用户分布在同一小区时，只需更改干扰项，即∑IC与∑IB的表达式即可。

4 系统仿真

为验证本文所提出的模式选择方案的有效性，本文随机选取若干组不同的系统参数进行了仿真验证，考虑城市通信场景，部分参数设置如表1所示。

图3针对∑IC＜ ∑IB的场景，描绘了各模式的可达速率随D2D用户间距变化的曲线图，以及采用模式选择方案后可达速率的曲线。在图3(a)中，设D2D用户发送信噪比SNR=20dB，蜂窝用户到D2D用户的距离为5，考虑用户位于小区边缘的场景，设用户到基站的距离为10。在图3(b)中，设SNR=10dB，可以直观地看出，随着D2D用户与中继用户间距离的增大，3种模式下系统可达速率均呈负指数趋势下降。由于下降快慢有差异，3条曲线存在交点。从图3(a)中可以看出：当D2D用户间距离在0～4范围内时，系统选择AF模式进行通信；当距离约在4～5.5范围内时，系统选择传统D2D模式；当距离大于5.5时，DF模式更优。类似的结果也可在图3(b)中观察得到。通过图3可以看出，采用本文提出的模式选择方案后，系统可达速率能够一直保持最优。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

图3 ∑IC＜ ∑IB场景中3种传输模式以及采用模式选择方案下系统可达速率Fig.3 Achievable rate of three modes and mode selection results for the case∑IC＜∑IB

对于强干扰场景，在图4(a)中，假设D2D用户到各自基站的距离为8，设蜂窝用户距D2D用户较近，即dCD=3。在图4(b)中，设D2D用户到基站的距离为12，其余参数设置与图4(a)相同。分析图像可知，当D2D用户间距离小于3.5时，AF模式的可达速率最大；当距离在3.5～4.5范围内时，传统D2D模式的通信质量更高；当距离大于4.5时，DF模式更优。类似地也可得到图4(b)的模式选择结果。

图4 ∑IC≥ ∑IB场景中3种传输模式以及采用模式选择方案下系统可达速率Fig.4 Achievable rate of three modes and mode selection results for the case∑IC≥∑IB

综合以上仿真结果不难发现，采用了模式选择方案后，系统在3种通信模式间进行动态切换，从而使传输速率始终维持在最优。

5 结束语

本文主要研究了3种D2D传输模式间的模式选择方案，包括基于AF中继的D2D通信模式和基于DF中继的D2D通信模式以及传统D2D模式。本文分析了3种模式下的干扰形态，写出各个模式下的接收SINR，求得相应的可达速率，并据此提出了通信系统的模式选择方案的闭合表达式。研究表明，当两D2D用户通信距离较近时采用AF中继的D2D通信模式，通信距离较远时采用DF中继辅助下的D2D通信模式更优，而当通信距离适中时则采用传统D2D通信模式。仿真结果显示，通过动态选择3种通信模式，系统的可达速率得到了显著的提升。