蜂窝系统中D2D通信的调制传输与干扰仿真研究

张 梅

（阳泉师范高等专科学校信息技术系 山西阳泉 045000）

终端直通技术（Device−to−Device，D2D）是一种让两个D2D用户端之间直接进行短距离的信息传输的技术，用户端之间可以复用小区的频谱资源，无需通过基站，利用复用的频谱资源进行通信[2]。D2D 技术有很多的优点如：减小终端的发射功率；降低通信传输的时延；提高频谱资源的利用率[2]。此外，D2D 通信的成本不高，还能在一定程度上节约能源，因此它在众多技术中也有比较独特的优势[3]。在蜂窝系统中，由于D2D用户与蜂窝用户共享了无线资源，他们之间会产生干扰，D2D用户之间也会因为复用了同样的频谱资源而导致D2D通信对之间也会产生同频干扰[4]。对这些干扰的分析与如何降低干扰显得尤为重要[5]。例如，D2D通信在工作时因为复用了小区用户的频谱资源，会给小区带来干扰。此时又分为复用上行链路资源和下行链路资源两种情况[6]。上行链路资源干扰，即基站受到干扰，解决的办法是基站通过控制D2D通信的发送功率或者选择合适的资源给D2D通信而不影响自身通信，来达到降低干扰的目的[7]。下行链路资源干扰，是处在系统中的下行链路的小区内的任何用户都有可能受到其中的干扰[8]。为了对干扰进行控制，降低干扰对系统的性能的影响。本文实现蜂窝系统移动终端之间通信的调制传输，对调制方式，传输中产生的干扰进行分析以及对于如何降低干扰进行分析。利用MATLAB建立对信号的QPSK调制和传输，对仿真结果进行分析，并对降低干扰的方法进行探究，为蜂窝系统中D2D通信的调制传输的调节干扰技术提供理论参考。

一、相关理论概述

（一）D2D通信模型。如图1所示，为一个简化的D2D通信模型。首先，随机产生一个基带信号作为信源。然后进行一系列处理以提高信息的传输稳定性和抗干扰性[9]。其中，信源编码：通过消除冗余，控制码长对信源进行符号变换，用最少的比特数表示数据，来降低存储空间、传输时间或带宽的占用，提高数据的抗干扰能力，同时保证译码之后信号能无失真的进行还原。信道编码：通过增加冗余等手段对信源码进行编码。目的是提高数据传输效率，降低误码率。扩频：使用与被传输数据无关的码对传输信号进行频谱扩展，使得传输带宽远大于被传输数据所需的最小带宽，利用宽频谱获得较强的抗干扰能力和较高的传输速率[9]。调制：将信号注入载波，以此信号对载波加以调制，将各种数字基带信号转换成适于信道传输的信号和实现信道的多路复用。本文主要使用QPSK调制。通过上述的一系列处理，信号才能进行更加有效和可靠的传输。

图1 D2D通信的简化模型示意图

（二）QPSK的调制。

1.前处理过程。在选定一个信源之后，便开始对这个模拟信号进行取样，取定抽样频率，此时抽样频率fs需要满足：

模拟信号抽样之后成为在时间上的离散信号，但是它仍然是模拟信号，必须将它量化成为数字信号才能进行传播。在抽样之后抽样值仍然是取值连续的变量，可以在一个周期内将抽样值分成M个区间，每个区间用一个量化电平来表示。在时间A和B（假设A,B之间为一个周期）之间对模拟信号进行取值，量化电平数设置为M，则均匀量化的间隔时间T为

量化出的电平和量化前信号的抽样值一般是不相同的，其中产生的误差就成为量化噪声，用信噪比来衡量误差的大小，量化的电平越多，取样越密集，量化噪声也就越小，而信噪比就会相应的越高[8]。

式中，C为信道容量，bit/s；B是信号的频带宽度，Hz；S为信号平均功率，W；N为噪声平均功率，W。

2.QPSK 的调制过程。QPSK 正交调制器原理图如图2 所示，输入端传输的比特数为1000，图2中a和b分别为电平发生器产生的双极性二电平信号I(t)和Q(t)，两条路分别为同相支路和正交支路，图2中ωc为载波频率，在仿真中暂时设置它的大小为10Hz。

图2 QPSK正交调制器原理框图

调制器输入的是二进制的数据，为了能让它和四进制的载波相位配合起来，需要把二进制序列中每两个比特分成一组，组成00，01,11,10四种组合，每一组称为双比特码元。然后将信号分成两路序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，对余弦和正弦载波进行调制，相加后得到QPSK调制信号。

调制解调器的原理图如图3所示，调制后的信号经过信道传输到达接收端，此时需要对输出端的信号进行解调，首先把QPSK 信号通过功率的分离形成两路相同的信号，接着用两个载波信号和来实现相干解调，然后通过一个低通滤波器进行滤波，之后再经过抽样判决，最后通过并串变换，最后得到解调信号。

图3 QPSK解调原理框图

二、性能测试指标

（一）高斯信道。功率谱密度固定为一个常数的噪声通常称为白噪声。若白噪声的取值服从高斯分布，称为高斯白噪声。加性高斯白噪声的均值为0，方差为N。高斯信道是在加性高斯白噪声作用下的一种单符号连续信道[9]。在本次MATLAB仿真中，本文选择用高斯信道来传播信号。

（二）误码率。在信道中，信号在传输过程中因为噪声或干扰,发送信号在接收端会产生很多错误，使得用户接收到的信号与发射端的信号有很多误差,可以对误码率(Symbol error rate，BER)进行计算，误码率可以用来衡量一个系统的性能好坏[10]。

式中，P1为错误码元数；P2为总码元数。将发送端和输出端的序列进行比较，找出其中的错误码元，具体的比较方法是把前后序列的相同的部分表示为0，不同的用1 来表示然后计算得出错误的码元数，按照误码率的计算公式得到误码率。

三、结果分析

（一）参数设置。首先对调制传输中的一些仿真的环境值进行设置，其中主要包括了对信噪比（10dB），传输的比特数（10Hz）和载波频率（1000）三个主要部分，通过MATLAB对信号参数在高斯信道中的QPSK调制传输进行了仿真，部分伪代码如表1所示。

表1 QPSK传输过程中部分程序代码

（二）高斯信道下QPSK调制传输的仿真结果。如图4（a）所示，当高斯信道的信噪比为10dB时，收到的解调之后的信号的比特数据波形和输入信号的波形完全符合，验证了在高信噪比条件下的无差错传输效果。在图4（b）中，可以明显看到，在加入噪声之后对发送的信号产生了一定的干扰，但是最后都能正确的解码输出。如图4（c）所示，为信噪比在10dB时，QPSK信号在接收端的星座图。从图4可以看到，在高信噪比条件下，信号基本聚集在理论标准值周围，不会对最后判决造成很大的干扰。验证了在信噪比高的时，信号在高斯白噪声下，接收到的信号与发射信号在星座图上的位置相差不大，此时的干扰影响很小。

图4 高斯信道下QPSK调制传输的仿真结果

（三）功率各距离对系统性能的影响。

1.功率控制对系统性能的影响。对于采用了复用频率模式进行通信的D2D用户来说，它们和其复用资源的蜂窝用户之间是会产生干扰的。可以猜想，在对功率进行控制和不对功率进行控制的两种情况下，D2D用户和蜂窝系统之间的干扰会不同。通过查阅资料，可以知，当控制D2D用户发射功率时，蜂窝系统的吞吐量会变大，性能也会得到提高，而D2D用户本身的吞吐量性能则会受到限制[11]。此时，可以试想：通过限制D2D通信的发射功率，可以使蜂窝用户的吞吐量性能更好，减少很多不必要的干扰。

2.距离对D2D 用户与蜂窝系统通信性能的影响。通过一些科学的研究成果发现，D2D用户之间的距离与D2D用户和基站的距离也会影响到系统吞吐量[12]，在D2D用户之间的距离以及D2D用户和基站之间的距离处于一个合适的值的时候，系统的干扰会最大限度的降低，性能也会变得很好。

四、结语

随着移动通信的需求会呈现爆炸性的增长，为了让D2D通信更好发挥它的作用，对D2D通信产生的干扰进行分析和抑制就显得尤其重要。通过对D2D通信系统中的QPSK调制部分进行仿真，首先在理论上对D2D通信的简要模型进行了描述，然后通过MATLAB程序设计，对QPSK调制部分进行了仿真。结果表明，在对D2D用户的发射功率进行控制时，D2D用户本身的吞吐量性能受到限制，而蜂窝系统吞吐量则会变大，D2D 通信用户对蜂窝系统的干扰会变小。因此，通过限制D2D通信的发射功率，可以使蜂窝用户的吞吐量性能更好，减少很多不必要的干扰。同时，针对D2D用户之间的距离以及D2D用户和基站的距离，选择一个合适的值，能够降低系统的干扰。