劉占軍，李云鵬，丁　凱，陳前斌

(重慶郵電大學(xué) 移動通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400065)

?

基于自適應(yīng)隨機(jī)接入的動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配機(jī)制

劉占軍，李云鵬，丁凱，陳前斌

(重慶郵電大學(xué) 移動通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400065)

現(xiàn)有終端直通(device-to-device，D2D)中用戶發(fā)現(xiàn)成功率低、發(fā)現(xiàn)范圍小以及不能滿足不同用戶優(yōu)先級的業(yè)務(wù)需求，針對上述問題，提出一種基于自適應(yīng)隨機(jī)接入的動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配機(jī)制。該機(jī)制中具有高優(yōu)先級的D2D用戶采用傳統(tǒng)的隨機(jī)接入方法向基站發(fā)送緊急請求信息；基站根據(jù)發(fā)送緊急請求信息的高優(yōu)先級D2D用戶數(shù)，構(gòu)建下一發(fā)現(xiàn)周期的發(fā)現(xiàn)資源分配信息。根據(jù)未成功選擇發(fā)現(xiàn)資源塊的次數(shù)，低優(yōu)先級的D2D用戶自適應(yīng)的在多信道時(shí)隙ALOHA(additive link on-line Hawaii system)和具有能量感知的多信道ALOHA接入機(jī)制之間進(jìn)行切換。D2D用戶根據(jù)接收端的信干噪比大小，判斷是否成功發(fā)現(xiàn)。系統(tǒng)級仿真結(jié)果表明，提出的機(jī)制與傳統(tǒng)的隨機(jī)信道接入機(jī)制相比，不僅能夠滿足不同優(yōu)先級用戶的業(yè)務(wù)需求，還能支持更高的發(fā)現(xiàn)成功率和更遠(yuǎn)的發(fā)現(xiàn)范圍。

終端直通(D2D)發(fā)現(xiàn)；資源分配；優(yōu)先級；自適應(yīng)隨機(jī)接入

0　引　言

設(shè)備到設(shè)備(device-to-device, D2D)通信是未來5G候選技術(shù)之一，它不僅具有高速率、低時(shí)延的特點(diǎn)，還能滿足基于趨近服務(wù)的社交網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)應(yīng)用、公共安全、災(zāi)難救濟(jì)和緊急會話等服務(wù)需求，是3GPP LTE-A中研究熱點(diǎn)。D2D發(fā)現(xiàn)作為D2D通信的關(guān)鍵技術(shù)是指用戶設(shè)備(user equipment, UE)通過長期演進(jìn)(long term evolution,LTE)空口發(fā)現(xiàn)鄰近UE的過程，而D2D發(fā)現(xiàn)資源分配是D2D發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的重要挑戰(zhàn)。3GPP Release 13中定義了2種主要的D2D發(fā)現(xiàn)資源分配類型[1]：類型1 (type 1, Ty1) D2D和類型2 (type 2, Ty2) 發(fā)現(xiàn)資源分配。Ty1中，演進(jìn)型基站(evolved node base station，eNB)周期性地向小區(qū)中廣播一個(gè)發(fā)現(xiàn)資源池，D2D用戶(D2D user, DUE)隨機(jī)地從發(fā)現(xiàn)資源池中選擇一個(gè)或者多個(gè)發(fā)現(xiàn)資源塊(discovery resource block, DRB)，并在其上發(fā)送發(fā)現(xiàn)信令。由于隨機(jī)接入的特性，有碰撞的存在，從而產(chǎn)生相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)資源浪費(fèi)。Ty2中，eNB給不同的DUE分配相互正交的DRB用于D2D發(fā)現(xiàn)，由于此過程中eNB全局控制資源調(diào)度，因此，無碰撞、發(fā)現(xiàn)成功率高，但也帶來較大的系統(tǒng)開銷。由于不同的DUE具有不同的優(yōu)先級，例如，公共安全業(yè)務(wù)中的DUE(public safety DUE, PDU)比商業(yè)/社交網(wǎng)絡(luò)中的DUE(non-pubic safety DUE, NPDU)具有更高的優(yōu)先級，如表1所示。而上述Ty1和Ty2彼此相互獨(dú)立，并不能滿足具有高優(yōu)先級用戶的業(yè)務(wù)需求。如所有DUE使用Ty1，則由于碰撞的存在，PDU將不能及時(shí)有效地完成D2D發(fā)現(xiàn)，從而帶來相應(yīng)的損失。如所有DUE使用Ty2，則由于未來超密集網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的部署，小區(qū)中將會有大量的DUE存在，由于Ty2中基站的全局控制帶來的信令開銷，并不實(shí)際。因此，一種有效地滿足不同用戶優(yōu)先級需求的D2D發(fā)現(xiàn)資源分配技術(shù)是必不可少的。

表1　3GPP LTE-A中公共安全和商業(yè)用戶優(yōu)先級Tab.1　Priority of public safety and commercial user in 3GPP LTE-A

傳統(tǒng)蜂窩通信中的無線資源分配技術(shù)，如部分頻率復(fù)用[2]、功率控制[3]以及協(xié)調(diào)調(diào)度機(jī)制[4]等都完全依賴于eNB的資源調(diào)度，因此，不適用D2D場景中低優(yōu)先級用戶NPDU。同時(shí)，一些學(xué)者對D2D通信中的無線資源分配技術(shù)進(jìn)行研究，如基于干擾避免的資源分配機(jī)制[5]、聯(lián)合調(diào)度資源分配[6]和分布式功率控制[7]等，而在D2D發(fā)現(xiàn)中的資源分配技術(shù)卻很少受到關(guān)注。

D2D發(fā)現(xiàn)機(jī)制的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)：高能量效率、遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)范圍、服務(wù)質(zhì)量保證(quality of service, QoS)以及適用不同應(yīng)用場景，如公共安全、商業(yè)和社交網(wǎng)絡(luò)。為滿足這些目標(biāo)，一些學(xué)者也提出相應(yīng)機(jī)制，如基于位置的D2D發(fā)現(xiàn)[8]、基于趨近區(qū)域的能量效率D2D發(fā)現(xiàn)[9]、基于小區(qū)干擾協(xié)調(diào)的D2D發(fā)現(xiàn)[10]、以及基于碰撞避免的D2D發(fā)現(xiàn)[11]。然而這些機(jī)制并不能很好地應(yīng)用于現(xiàn)在以及將來的D2D發(fā)現(xiàn)中。如文獻(xiàn)[8-10]中，雖然基于位置和干擾避免的機(jī)制能夠增加被發(fā)現(xiàn)DUE的數(shù)量，但該機(jī)制中幀結(jié)構(gòu)與3GPP標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)卻不匹配[12]，因此，這些機(jī)制并不能應(yīng)用到基于3GPP LTE-A的D2D發(fā)現(xiàn)中。盡管文獻(xiàn)[11]中幀結(jié)構(gòu)與3GPP中相一致，然而該機(jī)制預(yù)留一部分專用的無線資源用于發(fā)現(xiàn)信令的碰撞檢測，由此帶來的資源浪費(fèi)也不適用于未來大規(guī)模數(shù)量DUE的發(fā)現(xiàn)場景。此外，現(xiàn)有的大多數(shù)已被提出的D2D發(fā)現(xiàn)資源分配機(jī)制，都在Ty1基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，由此導(dǎo)致碰撞和重傳帶來的能量浪費(fèi)，以及不能滿足PDU的業(yè)務(wù)需求。

針對上述問題，本文提出一種基于自適應(yīng)隨機(jī)接入的動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配機(jī)制，不僅能滿足不同DUE的優(yōu)先級業(yè)務(wù)需求，還能提高D2D發(fā)現(xiàn)成功率、增加發(fā)現(xiàn)范圍。首先，該機(jī)制中基站根據(jù)系統(tǒng)中發(fā)送緊急請求信息(emergence request message, ERM)的PDU用戶數(shù)，構(gòu)建下一發(fā)現(xiàn)周期的發(fā)現(xiàn)資源分配信息；然后，如果NPDU未成功選擇DRB的次數(shù)大于某一預(yù)設(shè)的值，則NPDU的信道接入機(jī)制將由多信道時(shí)隙隨機(jī)接入(multi-channel slotted additive link on-line Hawaii system, MCALOHA)[12]切換至能量感知的MCALOHA(energy sensing MCALOHA, MCALOHA-ES)，以此來減少碰撞和能量消耗，提高發(fā)現(xiàn)成功率，其中，ALOHA是一種重要的隨機(jī)接入方式，采用自由競爭的模式?jīng)Q定信道使用權(quán)。目前為止，基于MCALOHA-ES的D2D發(fā)現(xiàn)資源分配機(jī)制還沒被任何文獻(xiàn)提到。最后，根據(jù)DUE接收端的信干噪比(signal to noise plus interference, SINR)是否大于某一閾值來判斷發(fā)現(xiàn)成功與否。此外，由于該機(jī)制的設(shè)計(jì)遵循3GPP LTE-A的標(biāo)準(zhǔn)，因此，能夠不加修改、便利地應(yīng)用于現(xiàn)在的LTE-A系統(tǒng)中。

1　D2D發(fā)現(xiàn)中的MCALOHA-ES

Ty1發(fā)現(xiàn)資源分配中，基站廣播的資源池是基于正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)而構(gòu)成的，即在時(shí)域和頻域2個(gè)維度上進(jìn)行擴(kuò)展，從而形成多個(gè)子信道和符號。傳統(tǒng)的基于單信道ALOHA或載波監(jiān)聽多址接入(carrier sense multiple access, CSMA)的信道接入機(jī)制，都是基于單信道接入，從而使得其不再適用于基于OFDM的資源塊。因此，文獻(xiàn)[13]研究了MCALOHA在OFDMA無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。從上面分析可知，基于MCALOHA或其他方式的隨機(jī)接入，由于碰撞的存在，PDU將不能及時(shí)有效地完成D2D發(fā)現(xiàn)，從而帶來相應(yīng)的損失。為減小碰撞、提高發(fā)現(xiàn)成功率，文獻(xiàn)[14]提出了基于能量感知的D2D發(fā)現(xiàn)資源分配。因此，本文將MCALOHA和能量感知相結(jié)合，不僅能適用基于OFDM的無線網(wǎng)絡(luò)，還能減小碰撞、提高發(fā)現(xiàn)成功率。

在MCALOHA-ES中，DUE先感知所有可用DRB上的功率水平(功率越大，表明干擾越大、選擇該DRB的DUE越多)，然后選擇一個(gè)具有最小功率的DRB用于發(fā)現(xiàn)信令的傳輸，有

(1)

2　D2D發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)模型

D2D發(fā)現(xiàn)使用LTE-A中上行鏈路資源。在LTE-A中，物理資源塊(physical resource block, PRB)由12個(gè)連續(xù)的子載波(頻域上)和14個(gè)OFDM符號(時(shí)域上)構(gòu)成，子幀長度和調(diào)度間隔為1 ms，且10 MHz系統(tǒng)帶寬中共有50個(gè)PRBs。對于D2D發(fā)現(xiàn)，每個(gè)DUE至少需要2個(gè)PRBs用于發(fā)送和接收發(fā)現(xiàn)信令[1]，且50個(gè)PRBs中的6個(gè)PRBs用于物理上行控制信道(physical uplink control channel，PUCCH)，剩下的44個(gè)PRBs用于D2D發(fā)現(xiàn)。此外，假設(shè)所有的DUE與基站同步且在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，同步參考信號由eNB下行傳輸。同步有助于減少D2D發(fā)現(xiàn)中能量消耗，因?yàn)镈UE僅在預(yù)定的發(fā)現(xiàn)間隔內(nèi)醒來。在小區(qū)的一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，參與D2D發(fā)現(xiàn)的DUE集合表示為U，集合中共有N個(gè)DUE，且包括PDU和NPDU，表示為

(2)

(3)

在發(fā)現(xiàn)間隔內(nèi)，DUEu可能是發(fā)送u發(fā)送或者接收u接收，其中，u∈U。如果u發(fā)送接收信令的SINR大于某一SINR閾值SINRthres，則u接收定義為被發(fā)現(xiàn)用戶。因此，從u發(fā)送到u接收傳輸在DRBd上發(fā)現(xiàn)信號的SINR表示為

(4)

該機(jī)制中的每個(gè)發(fā)現(xiàn)周期T內(nèi)，uTx使用概率p和1-p發(fā)送和監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)信令。如果2個(gè)DUE在相同DRB上發(fā)送發(fā)現(xiàn)信令，將產(chǎn)生碰撞。

3　基于自適應(yīng)隨機(jī)接入的動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配

D2D發(fā)現(xiàn)機(jī)制的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是高能量效率、遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)范圍、QoS服務(wù)保證以及適用不同應(yīng)用場景，如公共安全、商業(yè)和社交網(wǎng)絡(luò)。為滿足上述目標(biāo)，提出一種應(yīng)用于LTE-A系統(tǒng)中基于自適應(yīng)隨機(jī)接入的動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配機(jī)制。該機(jī)制的主要步驟如下。

1)初始化。PDU，NPDU和DRB的個(gè)數(shù)表示為PDU={1,2,…,M}，NPDU={M+1,M+2,…，N}和DRB={1,2,…，P}。初始發(fā)現(xiàn)周期T=1，NPDUi_C表示NPDU未選擇DRB成功的次數(shù)，且初始為0，NPDUi_C=0。

2)動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配。首先，T=T-1時(shí)，PDU通過PUCCH向eNB發(fā)送緊急請求信息ERMs。在T時(shí)，eNB根據(jù)接收到的ERMs信息個(gè)數(shù)和可用的DRB的大小關(guān)系，構(gòu)建下一發(fā)現(xiàn)周期的發(fā)現(xiàn)資源分配信息。在DUE得到D2D發(fā)現(xiàn)資源后，eNB使用輪訓(xùn)(round robin, RR)調(diào)度方式給PDU分配DRB，即Ty2方式。NPDU使用MCALOHA或者M(jìn)CALOHA-ES機(jī)制隨機(jī)選擇DRB，即基于Ty1方式。

3)自適應(yīng)隨機(jī)接入。為了給NDPU提供更多的信道接入多樣性，隨機(jī)接入切換機(jī)制應(yīng)用于碰撞嚴(yán)重存在的情況。即當(dāng)NPDU多次未能成功選擇DRB，且次數(shù)超過預(yù)設(shè)門限值W時(shí)，為避免碰撞再次發(fā)生以及減少重傳過程的能量消耗，信道接入節(jié)制由MCALOHA切換至MCALOHA-ES。此外，不同的門限值W將影響該機(jī)制中D2D的發(fā)現(xiàn)性能，即如果W值越大，從MCALOHA切換至MCALOHA-ES需要的時(shí)間越長，從而造成的碰撞次數(shù)和重傳能量消耗也會隨之增多。該機(jī)制詳細(xì)的步驟如圖1所示。

a 動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配　b MCALOHA/MCALOHA-ES自適應(yīng)隨機(jī)切換圖1　基于自適應(yīng)隨機(jī)接入的動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配機(jī)制流程圖Fig.1　Flow chart of dynamic D2D discovery resource allocation based on adaptive random access

4　仿真評估及分析

為評估上述機(jī)制有效性，按照3GPP標(biāo)準(zhǔn)D2D應(yīng)用場景規(guī)定的仿真環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)級仿真[1]，其仿真參數(shù)如表2所示。在部署環(huán)境中，帶有3個(gè)扇區(qū)的中心小區(qū)作為仿真的感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)，其中，ROI是指僅統(tǒng)計(jì)這3個(gè)扇區(qū)中用戶的相關(guān)仿真參數(shù)。其他小區(qū)中DUE提供干擾環(huán)境。此外，假設(shè)每個(gè)NPDU使用相同的概率隨機(jī)選擇信道，且在發(fā)現(xiàn)周期T內(nèi)，DUE周期性的廣播發(fā)現(xiàn)信號來最大化發(fā)現(xiàn)概率。SINR解調(diào)門限值SINRthres和計(jì)數(shù)器門限值W分別為4.5 dB和2。一旦DUE在周期T內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，即被定義為被發(fā)現(xiàn)的DUE，此后不再對其重復(fù)計(jì)數(shù)。

表2　系統(tǒng)級仿真參數(shù)Tab.2　System parameters

圖2，圖3分別是在不同D2D發(fā)現(xiàn)機(jī)制下，平均被發(fā)現(xiàn)的DUE數(shù)以及被發(fā)現(xiàn)的DUE數(shù)隨著發(fā)現(xiàn)時(shí)間增加的性能圖。其中，對比“機(jī)制1”是傳統(tǒng)的隨機(jī)接入(random access, RA)機(jī)制。RA是指所有DUE(PDU和NPDU)以相同概率隨機(jī)選擇DRB用于D2D發(fā)現(xiàn)，而沒考慮PDU的優(yōu)先級業(yè)務(wù)，因此，RA機(jī)制中碰撞將非常嚴(yán)重。對比“機(jī)制2”是本文提出的機(jī)制不考慮自適應(yīng)隨機(jī)切換的情況，即僅考慮PDU的優(yōu)先級業(yè)務(wù)需求，動態(tài)分配資源，NPDU用戶一直采用MCALOHA機(jī)制隨機(jī)選擇DRB，未引進(jìn)切換機(jī)制，以此來驗(yàn)證MCALOHA-ES機(jī)制帶來的性能提升。從圖2可看出，本文提出的機(jī)制不僅滿足PDU的優(yōu)先級業(yè)務(wù)需求(Ty2由于eNB的集中控制，能夠增加被發(fā)現(xiàn)的DUE)，同時(shí)在NPDU多次失敗選擇DRB情況下，能夠自適應(yīng)切換至MCALOHA-ES減少碰撞，因此，該機(jī)制中被發(fā)現(xiàn)的DUE增至430。

從圖3可看出，當(dāng)D2D發(fā)現(xiàn)進(jìn)行至第40個(gè)子幀時(shí)，“機(jī)制2”相對于“機(jī)制1”，被發(fā)現(xiàn)的DUE增加了26個(gè)，而本文提出的機(jī)制相對“機(jī)制1”和“機(jī)制2”，被發(fā)現(xiàn)的DUE分別增加71和45個(gè)。由此也證明了使用MCALOHA-ES，NPDU在使用DRB之前，先感知其上的功率(碰撞/干擾水平)，以此來減少碰撞、增加被發(fā)現(xiàn)的DUE。

圖2　被發(fā)現(xiàn)DUE個(gè)數(shù)的CDF圖Fig.2　CDF of number of discovered DUE

圖3　發(fā)現(xiàn)時(shí)間vs. 被發(fā)現(xiàn)的DUE數(shù)Fig.3　Discovery time vs. number of discovered DUE

圖4是不同D2D發(fā)現(xiàn)機(jī)制下，D2D發(fā)現(xiàn)范圍的性能圖。影響D2D發(fā)現(xiàn)范圍的2個(gè)重要因素是SINR解調(diào)閾值和發(fā)現(xiàn)機(jī)制的碰撞避免能力。本文提出的機(jī)制，為滿足PDU用戶優(yōu)先級業(yè)務(wù)，動態(tài)分配發(fā)現(xiàn)資源，由于PDU使用Ty2調(diào)度資源，可避免PDU之間碰撞、提高發(fā)現(xiàn)成功率。其次，NPDU通過MCALOHA至MCALOHA-ES的自適應(yīng)切換，進(jìn)一步減少NPDU之間碰撞。因此，從圖4可看出，本文提出的機(jī)制比“機(jī)制1”和“機(jī)制2”具有更遠(yuǎn)的發(fā)現(xiàn)范圍。當(dāng)累計(jì)概率密度(cumulative distribution function, CDF)為50%時(shí)，“機(jī)制1”的發(fā)現(xiàn)范圍最大至100 m，“機(jī)制2”最大至120 m，而本文提出的機(jī)制，由于動態(tài)發(fā)現(xiàn)資源分配和自適應(yīng)隨機(jī)接入帶來的優(yōu)勢，其發(fā)現(xiàn)范圍增加至155 m。

圖4　D2D發(fā)現(xiàn)范圍的CDF圖Fig.4　CDF of D2D discovery range

圖5是隨著解調(diào)SNIR門限值的增加，發(fā)現(xiàn)成功率(discovery successful ration,DSR)的變化圖。發(fā)現(xiàn)成功率定義為目標(biāo)區(qū)域ROI內(nèi)被發(fā)現(xiàn)的用戶數(shù)與ROI內(nèi)總的用戶數(shù)(除去正在發(fā)送發(fā)現(xiàn)消息的用戶數(shù))的比值，計(jì)算公式為

(5)

(5)式中：max_TTI為一個(gè)發(fā)現(xiàn)間隔中最大的子幀數(shù)；SINRthres為預(yù)設(shè)門限值；δu,j表示用戶u在j-th子幀上能否被其他用戶發(fā)現(xiàn)。其中，δu,j=0表示未被發(fā)現(xiàn)，即用戶u的接收SINR低于預(yù)設(shè)門限值；δu,j=1表示能被發(fā)現(xiàn)，即用戶u的接收SINR高于預(yù)設(shè)門限值。

圖5　SINR解調(diào)門限值vs. 用戶平均發(fā)現(xiàn)成功率Fig.5　SINR decode threshold vs. DSR

從圖5可看出，隨著解調(diào)門限值的增加，3種機(jī)制的用戶平均發(fā)送成功率均下降。但本文機(jī)制依然比“機(jī)制1”和“機(jī)制2”有更高的發(fā)現(xiàn)成功率。

5　結(jié)束語

本文提出一種應(yīng)用于LTE-A系統(tǒng)中基于自適應(yīng)隨機(jī)接入的動態(tài)D2D發(fā)現(xiàn)資源分配機(jī)制，該機(jī)制通過動態(tài)分配發(fā)現(xiàn)資源，可滿足高優(yōu)先級用戶業(yè)務(wù)需求。當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級用戶之間由于隨機(jī)競爭碰撞嚴(yán)重時(shí)，自適應(yīng)改變隨機(jī)資源選擇方式，即從MCALOHA至MCALOHA-ES，從而增加被發(fā)現(xiàn)用戶數(shù)和增加發(fā)現(xiàn)的范圍。此外，本文提出的D2D發(fā)現(xiàn)機(jī)制遵循3GPP LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，因此，可以不加修改直接應(yīng)用于LTE-A系統(tǒng)中。最后，基于3GPP LTE-A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的D2D仿真環(huán)境，仿真結(jié)果進(jìn)一步證明了該機(jī)制的可行性和有效性。

[1]3GPP.TR36.843,Study on LTE device to device proximity services;Radio aspects[S].FRANCE:3GPP,2014.

[2]KALEEM Z, HUI BIN, KYUNGHI C. QoS priority-based dynamic frequency band allocation algorithm for load balancing and interference avoidance in 3GPP LTE HetNet[J]. EURASIP J Wireless Commun Netw, 2014 (185): 1-18.

[3]AHMAD I, KALEEM Z, KYUNGHI C. QoS priority based femtocell user power control for interference mitigation in 3GPP LTE-A HetNet[J]. J-KICS, 2014, 39A(02): 61-74.

[4]SAKR A, HOSSAIN E. Location-aware cross-tier coordinated multipoint transmission in two-tier cellular networks[J]. IEEE Transaction on Wireless Communication, 2014, 13(11): 6311-6325.

[5]CHEN X, CHEN L, ZENG M, et al. Downlink resource allocation for device-to-device communications underlaying cellular network[C]∥2012 IEEE 23rd International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). Sydney: IEEE, 2012: 232-237.

[6]SONG L, HAN Z, ZHAO Q, et al. Joint scheduling and resource allocation for device-to-device underlay communication[C]∥2013 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC). Shanghai: IEEE, 2013: 134-139.

[7]FODOR G, REIDER N. A distributed power control scheme for cellular network assisted D2D communications[C]∥2011 IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM). Houston: IEEE, 2011: 1-6.[8]HU L. Resource allocation for network assisted device to device discovery[C]∥2014 4th International Conference on Wireless Communications, Vehicular Technology, Information Theory and Aerospace & Electronics Systems (VITAE). Aalborg: IEEE, 2014: 1-5.

[9]PRASAD A,KUNZ A,VELEV G,et al.Energy-efficient D2D discovery for proximity services in 3GPP LTE-advanced networks:ProSe discovery mechanisms[J].IEEE Vehicle on Technology Magazine,2014,9(4):40-50.

[10] BABUN L,SIMSEK M,GUVENC I.Intercell Interference coordination for D2D Discovery in LTE-A HetNets[C]∥2014 IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC).Turkey:IEEE,2014:2202-2207.

[11] HONG J,PARK S,CHOI S.Novel power control and collision resolution schemes for device-to-device discovery[J].Peer-to-Peer Network Application,2015,10(06):1-10.

[12] YUE W. The effect of capture on performance of multichannel slotted ALOHA systems[J]. IEEE Transaction on Communications, 1991, 39(6): 818-822.

[13] BAI K, ZHANG J. Opportunistic multichannel aloha: distributed multi-access control scheme for OFDMA wireless networks[J]. IEEE Transaction on Vehicle Technology, 2006, 55(3): 848-855.

[14] BABUN L, SIMSEK M, GUVENC I. Intercell interference coordination for D2D discovery in LTE-A HetNets[C]∥2014 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC). Istanbul: IEEE, 2014: 2202-2207.

劉占軍(1975-)，男，河北保定人，副教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)。E-mail:liuzj@cqupt.edu.cn。

李云鵬(1989-),男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)。E-mail：liyunpeng229@163.com。

(編輯：劉勇)

The National Natural Science Foundation of China (61401053)

Dynamic D2D discovery resource allocation scheme based on adaptive random access

LIU Zhanjun，LI Yunpeng，DING Kai，CHEN Qianbin

(Key Laboratory of Mobile Communications Technology, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

The existing device-to-device (D2D) discovery scheme in D2D communication has low discovery success ratio, small discovery range, and cannot satisfy the traffic requirements of D2D uses that have high priority, and in order to resolve this problem, this paper proposes a dynamic D2D discovery resource allocation scheme based on adaptive random access. Firstly, the users with high priority send an emergence request message to the base station based on traditional access random procedure, and then the base station configures the discovery resource allocation information of next discovery duration based on the number of emergence request message which is transmitted by D2D users who have high priority. Moreover, the users with low priority adaptively switches the random access from multi-channel slotted ALOHA (MCALOHA) to energy sensing MCALOHA (MCALOHA-ES) based on the number of unsuccessful resource selection of D2D users who have low priority. Finally, D2D receivers estimate whether to discover its neighbor users successfully based on the received signal to interference plus noise (SINR). System simulation shows that the proposed schemecan not only can satisfy the traffic requirements of different priority users, but also support higher discovery success ratio and longer discover range compared to the conventional random access scheme.

device-to-device(D2D) discovery; resource allocation; priority; adaptive random access

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.05.004

2016-01-14

2016-06-11通訊作者：李云鵬liyunpeng229@163.com

國家自然科學(xué)基金(61401053)

TN911. 23

A

1673-825X(2016)05-0628-06