基于干扰抑制区的D2D通信模式选择方案

刘金鑫，张 晶，3，董 俊，董 洁

(1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京 210003 2.南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室，江苏南京 210003 3.南京邮电大学物联网研究院，江苏南京 210003 4.中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所，安徽合肥 230031 5.安徽中科德技智能科技有限公司，安徽合肥 230031 6.国家无线电监测中心，北京 100037)

设备直通（Device to Device，D2D）是指蜂窝通信网络中邻近设备之间无需基站转发而直接交换信息的技术。D2D通信通过机会占用（Overlay）或者叠加共享（Underlay）两种方式复用蜂窝系统上行或下行频谱资源，可以降低通信系统核心网络的数据压力，大大提升频谱利用率和网络吞吐量，使蜂窝通信网络更为灵活、智能、高效地运行。D2D技术为大规模网络的低延迟通信、移动终端的海量接入及大容量数据传输开辟了新途径。然而，由于D2D通信与蜂窝通信相互共存，链路间干扰难以避免，这要求D2D用户合理选择通信模式以降低干扰并保障自身的通信质量［1］。于是如何高效地选择D2D通信模式并协调干扰，成为提升D2D系统和蜂窝网络性能的关键。

目前，针对D2D通信模式选择和干扰管理的研究已经开展了很多。文献［2］提出一种基于遗传算法的功率－资源联合优化分配方法以最大化网络的频谱效率。文献［3］将D2D通信分为3种交互模式：蜂窝模式、专用模式、复用模式，在此基础上提出一种模式选择－信道分配－功率控制联合优化方案，以最大化频谱效率。文献［4］提出一种启发式贪婪信道分配算法，在减少D2D通信对蜂窝用户干扰的同时提升了系统吞吐量。文献［5］利用博弈论提出一种资源拍卖算法，以迭代的方式优化D2D系统功率－信道分配，实现了D2D终端电池寿命的最大化。考虑D2D复用蜂窝下行链路资源，文献［6］研究了终端移动场景下D2D工作模式切换问题，推导出D2D通信的可行域。文献［7］提出基于D2D通信干扰抑制区（Interference Limit Area，ILA）的资源复用方案来提升D2D系统容量：在ILA内，D2D接收机的信噪比应大于预设阈值，一旦蜂窝用户进入ILA内，D2D用户将无法复用蜂窝用户的资源。文献［8］提出一种位置推荐和功率调整算法（LP＆PA），首先推荐D2D用户的位置并且确定干扰抑制区（Interference Suppression Area，ISA），然后调整D2D发射机的功率，以此提高频谱效率。文献［9］提出了一种联合距离和功率控制的D2D通信模式选择方法，该方法根据D2D用户和蜂窝用户与基站间的距离比值以及D2D用户的发送功率来分析用户进行D2D通信的条件。

综上所述，目前针对D2D通信模式切换的研究大多以接收功率或者信干噪比为考量条件，没有考虑干扰抑制问题；而针对D2D干扰抑制的研究大多着眼于蜂窝链路的性能，忽略了D2D用户的性能保障。为此，本文综合考虑用户QoS保障和干扰抑制问题，提出一种基于蜂窝用户干扰抑制区（ILA）和D2D用户通信范围的D2D通信模式选择方案，在保证D2D用户和蜂窝用户通信质量的同时，实现用户在D2D模式和蜂窝模式间的灵活切换，有效提升频谱利用效率。

1 系统模型

考虑图1所示的圆形单蜂窝小区。小区半径为R，基站BS位于小区中心，用户随机分布在小区内，相邻小区间的干扰忽略不计。当前时刻，小区中有一个活跃的蜂窝用户和一对活跃的D2D用户，D2D用户复用蜂窝用户下行信道资源。为简化分析，蜂窝用户用CU表示，D2D发射机用DT表示，D2D接收机用DR表示。

图1 系统模型

以BS为原点建立直角坐标系。假设CU坐标为（a，b）， DT 坐标为 （d，0）， DR 坐标为 （x，y）。 当D2D通信和蜂窝下行通信同时进行时，DT将会对CU产生同频干扰，BS亦会对DR产生同频干扰，如图1所示，其中实线表示通信链路，虚线表示干扰链路。需要说明的是，D2D用户需要在保证CU通信质量的前提下复用蜂窝信道；若DT对CU产生过量干扰导致蜂窝下行通信质量变差，或者BS对DR产生较大干扰导致无法正常通信时，D2D直接通信将被中断，用户需要将通信由D2D模式切换回蜂窝模式［10］。

2 蜂窝下行链路干扰抑制区

为保障蜂窝用户通信质量，一种有效的方法是设置通信干扰抑制区。定义蜂窝用户下行链路正常通信的区域为下行链路干扰抑制区（Downlink Interference Limit Area，DILA），在该区域中 D2D 用户因受到强干扰而无法通信。下面来推导蜂窝用户CU的DILA。

假设CU和D2D用户仅能获取自身信道状态信息（Channel State Information，CSI），而 BS 能够获取所有与之相关链路的全部CSI［11］。考虑大尺度衰落，CU在下行信道上的接收信号功率可计算为［12］

其中，PSBS，CU表示CU接收信号的功率，PBS表示基站发射功率；dBS，CU表示BS 至CU 的距离；cBS，CU表示BS 至CU的路径衰减系数，αBS，CU表示该路径衰落指数。

DR接收的来自BS的干扰信号功率可计算为

其中，dBS，DR表示 BS至 DR 的距离；cBS，DR表示 BS至DR的干扰路径衰减系数，αBS，DR表示该路径的衰落指数。

CU接收到来自D2D发射机DT的干扰信号功率计算为

其中，PDT表示DT的发射功率；dDT，CU表示DT至CU的距离；cDT，CU表示DT至CU的干扰路径衰减系数，αDT，CU表示该路径的衰落指数。

考虑到DT的发射功率需严格控制以避免对CU产生过量干扰，引入如下功率约束

其中，δC表示CU可接受的最大干信比（Inference to Signal Ratio， ISR）。 将式（4）代入式（3），得到

此时，蜂窝用户CU的DILA是横坐标x小于d／2的蜂窝区域，即 x ＜ d／2，如图2（c）中阴影区域所示。

图2 蜂窝用户下行链路的干扰抑制区（DILA）

事实上，DILA既是保证蜂窝下行链路有效通信的区域，又是对D2D用户可能造成较大干扰的区域，即DR的限制活动区域。

3 D2D通信范围

DILA仅给出了因主用户干扰受限无法实现D2D通信的区域，本节结合DR的ISR约束进一步确定D2D的可靠通信区域。

直观上，D2D用户最大通信区域的边界是触发D2D通信和蜂窝通信模式切换的边界线。在该边界线上，DR接收到的来着BS的信号强度和来自DT的接收信号强度相等，即有

其中，γc为基站信号的准入系数［6］，表征从蜂窝网卸流到DR的信号比率；γd为DT信号的准入系数，表征DR实际接收到的来自DT的信号比率。

图3 D2D直连通信区域

简言之，在不考虑主用户干扰约束的条件下，当DR位于D2D通信圆内时，DT和DR可以进行直接D2D通信；否则需要切换至蜂窝通信［13］。然而，在蜂窝用户和D2D用户共存系统中，CU的通信质量需要优先保障，因此实际的D2D通信区域不仅受到式（16）的限制，亦受到CU的DILA的限制。下面综合考虑D2D通信区域和CU的DILA来研究DT和DR的工作模式选择问题。

4 通信模式选择

考虑用户有3种可选的通信模式：蜂窝模式、D2D专用模式和D2D复用模式。蜂窝模式，即通过BS转发的传统蜂窝通信；D2D专用模式，即DT和DR独占蜂窝用户空闲信道进行直通通信；D2D复用模式，即DT和DR在保障蜂窝用户通信质量的前提下复用其信道资源实现直通通信［14］。相比较而言，D2D专用模式的频谱效率较低，但可以有效提升系统总速率，减轻基站的负荷［15］；D2D复用模式具有较高的频谱利用率和系统吞吐量，但蜂窝用户和D2D用户间存在形成共道干扰，干扰管理较为复杂［16］。

若DR位于SO＝SA区域内，即图4（a）的区域1，DT和DR可以采用D2D复用模式或专用模式进行通信。本文考虑采用复用模式进行通信，以此提升频率利用率；

若 DR 位于SU＝SB＼SA区域内，即图 4（a）的区域2，DT和DR可以采用D2D专用模式进行通信，以降低对CU的干扰；

若DR位于SC＝S＼SB区域内，即图4（a）中除了区域1和区域2以外的其他区域，DT和DR只能采用蜂窝模式进行通信。

若DR位于SO＝SA（或SB）区域内，即图4（b）中的区域2，DT和DR可以采用D2D复用模式或专用模式进行通信。本文考虑采用复用模式进行通信，以此提升频率利用率；

若DR 位于SC＝S＼SB区域内，即图4（b）中区域2以外的其他区域，则DT和DR只能采用蜂窝模式进行通信。圆A的左端点小于圆B的左端点，圆A的右端点大于圆B的右端点。这表示D2D通信圆B位于蜂窝用户的DILA边界圆A的内部，如图4（c）所示。

若DR位于SO＝SB区域内，即图4（c）的区域1，DT和DR可以采用D2D复用模式或专用模式进行通信。本文考虑采用复用模式进行通信，以此提升频率利用率；

若DR位于SC＝S＼SB区域内，即图4（c）中除了区域1以外的其他区域，则DT和DR只能采用蜂窝模式进行通信。

图4 通信模式选择分析模型

综上所述，当DR位于CU的DILA之外且位于DT的通信圆内时，可以与DT实现复用模式的D2D通信；当DR位于CU的DILA之内且位于DT的通信圆内时，可以与DT实现专用模式的D2D通信；当DR位于DT通信圆之外时，只能切换为蜂窝模式与DT通信。

5 仿真分析

考虑半径为500 m的圆形蜂窝系统。基站位于小区中心，用户均匀分布在小区内。小区最多可容纳的活跃用户数为75，用户与基站的最小距离为50 m，用户间的最小距离为40 m。基站系统总带宽BW＝5 MHz，它被均匀分成N个信道，考虑半径为R的蜂窝小区，其中基站位于小区中心，D2D发射机和蜂窝用户分别位于小区中某一确定位置，D2D接收机随机出现在小区内。基于MATLAB研究蜂窝用户CU位置、信干噪比（SINR）阈值等对D2D工作模式、系统速率的影响，具体参数设置如表1所示。

表1 仿真参数

图5描绘了蜂窝用户CU的位置与D2D工作模式的关系曲线。可以看出，用户采用D2D通信模式（包括直通和专用两种模式）的概率随CUBS距离的增加先下降后上升。当CU距离BS较近时，蜂窝下行信道传输性能比较好，D2D复用下行信道对CU的干扰较小，用户选择D2D模式的概率较高。给定 CU的 ISR阈值δC＝0.1（即SINR＝10 dB），当BS-CU距离为100 m时，用户采用D2D模式的概率为0.87；当BS-CU的距离增大到250 m时，用户采用D2D模式的概率达到最低值0.22。随后，随着BS-CU距离继续增加，用户采用D2D模式的概率重新呈现上升趋势，当BS-CU的距离为500 m时，用户采用D2D模式的概率重新上升到0.49，这是因为CU位于小区边缘，DT距离CU距离较远，D2D通信对CU的干扰较小，因此用户采用D2D模式的概率上升。此外，CU的SINR阈值对用户采用D2D模式的概率也会产生影响，随着CU的SINR阈值的提升（即ISR阈值的降低），蜂窝通信QoS要求提高，用户采用D2D模式的概率会下降。

图5 蜂窝用户位置与D2D工作模式的关系

图6描绘了蜂窝用户CU的SINR阈值与CU和D2D用户总速率的关系。可以看出，随着CU的SINR阈值的升高，蜂窝用户及D2D用户的总速率呈现下降趋势。这是因为，CU的QoS要求越高，用户能够采用D2D通信（尤其是复用模式）的概率越低，因此系统总速率越低。但是，相比文献［9］提出的模式选择方案，本文提出的用户通信模式选择方案能够提供更高的系统和速率，而且CU的SINR阈值越高，本文方案在系统总速率方面的优势越明显。例如，当CU的SINR阈值为6 dB时，本文方案提供的系统总速率比文献［9］提高了 1.9 bps／Hz；当 CU 的 SINR 阈值为12 dB时，本文方案提供的系统总速率比文献［9］提高了近 2.5 bps／Hz。 究其原因，本文联合CU的DILA和D2D通信范围进行模式选择，而文献［9］仅仅根据蜂窝通信阈值作为用户通信模式选择标准，所以本文方案效果更佳。

图6 蜂窝用户的SINR阈值与蜂窝用户和D2D用户总速率的关系

图7描绘了D2D收发端间距和蜂窝用户及D2D用户总速率间的关系。可以看出，随着D2D用户对收发端距离的不断增大，蜂窝用户及D2D用户的总速率呈现下降趋势。这是因为，随着D2D对收发双方的距离增大，D2D用户的信道衰落变大，从而导致DR的接收SINR降低，D2D链路的速率随之降低，系统总速率也随之下降。然而，与文献［10］方案相比，本文提出的模式选择方案能够提供更高的系统吞吐量。不过，随着D2D收发端距离的继续增加，本文方案和文献［10］方案所获得的系统总速率均趋于平缓。

图7 D2D收发双方距离与蜂窝用户和D2D用户总速率的关系

6 结束语

本文结合干扰管理研究了蜂窝系统中的D2D通信模式选择问题。针对D2D复用蜂窝下行链路场景，首先推导出蜂窝用户的下行链路干扰抑制区（DILA），在确保蜂窝用户QoS的同时防止其对D2D通信造成有害干扰；然后推导出干信比约束下的D2D通信范围，并联合下行链路干扰抑制区提出一种全新的D2D通信模式选择方案，实现了用户对D2D复用模式、D2D专用模式、蜂窝模式3种通信模式的快速选择；最后通过仿真实验对D2D模式选择方案的性能进行了检验。仿真结果表明，考虑蜂窝用户阈值为5 dB、蜂窝用户与基站间距为100 m的条件下用户采用D2D通信的概率能够提升至94%。相比文献［9］所提方案，考虑蜂窝用户阈值为10 dB的条件下，本文所提方案能够实现4.8%的系统总速率增益。相比文献［9］所提方案，考虑D2D用户间距为10 m的条件下，本文所提方案能够提升1.5%的系统总速率。