楊豐瑞，莊　園，任兆俊，弓紫慧

(1.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶400065；2.重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心，重慶 400065)

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一種基于虛擬分區(qū)的跨小區(qū)D2D資源分配算法

楊豐瑞1,2，莊園2，任兆俊2，弓紫慧2

(1.重慶信科設(shè)計有限公司，重慶400065；2.重慶郵電大學(xué) 通信新技術(shù)應(yīng)用研究中心，重慶 400065)

終端直通(device-to-device，D2D)技術(shù)引入蜂窩系統(tǒng)雖然能夠提高蜂窩系統(tǒng)性能，但同時帶來了很大的干擾。為了降低蜂窩用戶對D2D用戶的干擾，提出了一種基于虛擬分區(qū)的跨小區(qū)資源分配算法。通過為D2D接收端設(shè)置干擾限制區(qū)域來限制D2D用戶所復(fù)用的蜂窩用戶資源；為了給分配相同資源的用戶之間建立較大的空間分離，降低鏈路間的相互干擾，引入虛擬分區(qū)的概念；最后，為了使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大，從可復(fù)用蜂窩用戶的集合中選擇鏈路質(zhì)量最好的k個蜂窩用戶，將其資源分配給D2D用戶。仿真結(jié)果顯示，所提算法可以有效地降低蜂窩用戶對D2D用戶的干擾，提高系統(tǒng)的吞吐量，提升系統(tǒng)性能。

D2D；跨小區(qū)；虛擬分區(qū)；資源分配；吞吐量

0　引　言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)，智能手機(jī)，云計算等新技術(shù)的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量獲得了爆炸性增長，這導(dǎo)致了無線頻譜資源的緊缺[1]。為了解決這個問題，終端直通(device-to-device，D2D)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。D2D通信技術(shù)作為5G通信的候選關(guān)鍵技術(shù)之一受到了極大的關(guān)注。它是一種新穎的可直接應(yīng)用于蜂窩系統(tǒng)中終端間的直接通信技術(shù)[2]。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D技術(shù)，能有效緩解頻譜資源的緊張現(xiàn)狀，降低基站的負(fù)載，降低端到端的時延，提高頻譜資源利用率。然而，D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶資源的方式也必定會引起兩者之間的互相干擾。因此，討論在復(fù)用模式下如何進(jìn)行資源分配才能盡可能地降低用戶之間的干擾，一直是研究的重點。

現(xiàn)有的關(guān)于D2D通信鏈路資源分配的研究多是考慮在單小區(qū)場景下。文獻(xiàn)[7]提出了一種分布式的高校招生博弈的多標(biāo)準(zhǔn)資源分配方案，解決了D2D用戶之間競爭選擇所復(fù)用的蜂窩用戶的資源問題。文獻(xiàn)[8]提出了一種能同時提高系統(tǒng)整體性能和公平性的資源分配算法，使用改進(jìn)的比例公平干擾控制方案為每一個D2D用戶選擇最優(yōu)的蜂窩用戶來共享頻譜資源。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于最大化系統(tǒng)吞吐量的資源分配算法，通過建立吞吐量矩陣尋找最大吞吐量，仿真結(jié)果表明該算法能降低用戶之間的干擾，并提高系統(tǒng)的吞吐量。然而實際生活多涉及多小區(qū)場景，不僅要考慮小區(qū)內(nèi)干擾，還要顧及小區(qū)間干擾。特別是對于跨小區(qū)邊緣用戶間建立通信，由于用戶距離基站較遠(yuǎn)，信號質(zhì)量不好，因此，更適合使用D2D進(jìn)行通信而不是蜂窩通信。但現(xiàn)有研究針對多小區(qū)場景，特別是對多小區(qū)中跨小區(qū)D2D用戶間資源分配方案的研究甚少。

基于以上分析，本文提出了一種新穎的基于虛擬分區(qū)的跨小區(qū)D2D資源分配算法。采用虛擬分區(qū)的方法對用戶進(jìn)行資源分配，該法依賴于網(wǎng)絡(luò)輔助定位技術(shù)，根據(jù)接收信號的到達(dá)角(angle of arrival, AOA)或到達(dá)的時間差(time difference of arrival, TDOA)信息對用戶進(jìn)行定位[10-11]，基于此采用基于定角和基于用戶密度的方法對系統(tǒng)內(nèi)的每個小區(qū)進(jìn)行虛擬分區(qū)。最后通過仿真表明所提算法可以有效地降低蜂窩用戶對D2D用戶的干擾，提高系統(tǒng)的吞吐量，提升系統(tǒng)性能。

1　系統(tǒng)模型

1.1場景描述

考慮的跨小區(qū)D2D通信系統(tǒng)模型如圖1所示，含有2個相鄰小區(qū)，小區(qū)中心均為基站(base station，BS)，同時各含有N個隨機(jī)分布的蜂窩用戶(cellular user equipment,CUE)，記為CUE={CUEi,i=1,2,…,N}，2個小區(qū)的CUE使用相同頻段的n個資源塊RB(resource block)，記為A={1,2,…,n}。圖1中，左邊的小區(qū)為區(qū)域1，記為Area1，資源塊集合為A1，記為A1={1,2,…,n}；右邊的小區(qū)為區(qū)域2，記為Area2，資源塊集合為A2，記為A2={1,2,…,n}。另外還有一對跨小區(qū)D2D用戶的DUE(device user equipment)，其發(fā)射端表示為D_Tx，接收端為D_Rx。本文假設(shè)一個CUE使用一個RB進(jìn)行通信，D2D鏈路可以復(fù)用多個CUE的RB。

1.2信道模型

本文中BS對2個用戶間的信道僅考慮大尺度損耗。因此，利用自由空間的路徑損耗模型對所有用戶間的信道狀態(tài)進(jìn)行估計，PL=PL0(d)-α，其中,PL0為路損常數(shù),d是2個用戶之間的距離，α為路損指數(shù)?；谶@種信道狀況，根據(jù)香農(nóng)公式，可以計算出小區(qū)用戶的總吞吐量Rtotal為

(1)

(1)式中：Rc為小區(qū)中CUE的總吞吐量；Rd為小區(qū)中DUE的吞吐量，分別表示為

(2)

(3)

(2)-(3)式中：B是系統(tǒng)帶寬；k是被復(fù)用的蜂窩用戶的個數(shù)；γci，γcj分別為被復(fù)用CUE和未被復(fù)用CUE的信噪比；γd為D_Rx的信噪比，分別表示為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(4)-(8)式中：Pci和Pcj分別是被復(fù)用和未被復(fù)用CUE向BS的發(fā)射功率；Pd是D_Tx的發(fā)射功率；GB,ci，GB,cj分別是BS到被復(fù)用CUE和未被復(fù)用CUE的路徑損耗；Gd是D_Tx到D_Rx的路徑損耗；D是BS到CUE的距離；L是D_Tx到D_Rx的距離；N0是接收端的加性高斯白噪聲的噪聲功率；I0是CUE受到的小區(qū)間干擾；Id,B是D_Tx對BS的干擾，可以表示為

(9)

(10)

(9)-(10)式中：Gd,B是D_Tx到BS的路徑損耗；d1，α1是D_Tx到BS的距離及路損指數(shù)。

圖1　系統(tǒng)模型Fig.1　System model

用Ic,d表示被復(fù)用CUE對D_Rx的干擾，可以表示為

(11)

(12)

(11)-(12)式中：Gci,d是被復(fù)用CUE到D_Rx的路徑損耗；d2，α2是被復(fù)用CUE 到D_Rx的距離及路損指數(shù)。

2　基于虛擬分區(qū)的資源分配算法

2.1蜂窩用戶被限制復(fù)用區(qū)域

考慮D2D用戶復(fù)用上行頻段中蜂窩用戶的資源時，蜂窩網(wǎng)絡(luò)與D2D網(wǎng)絡(luò)組成的混合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的干擾包括D_Tx對BS的干擾和CUE對D_Rx的干擾。因為，跨小區(qū)D2D用戶位于小區(qū)邊緣，距離BS相對較遠(yuǎn)，且D2D用戶的發(fā)射功率相對于CUE來說小得多，所以，當(dāng)復(fù)用上行頻段中蜂窩用戶的資源時可以忽略D_Tx對BS的干擾。因此，本文主要考慮的是CUE對D_Rx的干擾。

首先，假設(shè)D_Tx使用最大發(fā)射功率Pdmax，γd應(yīng)該大于DUE的信噪比門限值γdmin，即

(13)

其次，假設(shè)D_Rx正處于干擾最嚴(yán)重的情況，即所有使用相同上行資源的CUE都位于半徑為RD-Rx的圓周上。此時D_Rx的干擾應(yīng)滿足

(14)

(14)式中：Icmax是CUE對D_Rx的最大干擾；ηd是D_Rx的干擾門限值；CUE使用最大發(fā)射功率Pcmax。則Icmax可以表示為

(15)

由(13)式可得

(16)

把(15)式及 (16)式代入(14)式，可得

(17)

根據(jù)RD-Rx劃定干擾限制區(qū)域，該干擾限制區(qū)域內(nèi)的資源塊集合為B2，設(shè)在Area1中與B2中相同的資源塊集合為B1。則在Area1中D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合為A1-B1,在Area2中D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合為A2-B2。

2.2虛擬分區(qū)

虛擬分區(qū)的概念依賴于網(wǎng)絡(luò)輔助的定位技術(shù)，本文假設(shè)掌握小區(qū)內(nèi)所有用戶的AOA信息，基于此對系統(tǒng)內(nèi)的每個小區(qū)進(jìn)行虛擬分區(qū)，并對其進(jìn)行編號。虛擬分區(qū)最常用的是基于定角和基于用戶密度2種方法。假設(shè)分區(qū)后得到的一對虛擬區(qū)域由其參考區(qū)域和其相對區(qū)域組成。參考區(qū)域即D2D用戶所在區(qū)域，相對區(qū)域根據(jù)特定的虛擬分區(qū)方法確定。為了便于描述，本文假設(shè)單小區(qū)所含CUE數(shù)為N=50,對小區(qū)進(jìn)行虛擬分區(qū)的子區(qū)域數(shù)目為定值m=6,各子區(qū)域記為S={Si,i=1,2,3,…,12}。

2.2.1對小區(qū)進(jìn)行虛擬分區(qū)

1)基于固定角的虛擬分區(qū)。

該法是將小區(qū)分割成同等角度大小的m個子區(qū)域，由m決定每個子區(qū)域的固定角度值?；诠潭ń堑奶摂M分區(qū)方法中相對區(qū)域即對角區(qū)域，即位于參考區(qū)域垂直方向的相對應(yīng)區(qū)域。如圖2所示，小區(qū)被分割成同等大小的6個區(qū)域，被分割的小區(qū)的子區(qū)域數(shù)目m=6決定了每個子區(qū)域占60°，且存在2個相對區(qū)域S4和S10。該法優(yōu)勢在于操作簡單，但很容易導(dǎo)致相對區(qū)域里不存在或者存在過多的資源。

圖2　基于固定角的虛擬分區(qū)Fig.2　Fixed angle based sectoring

2)基于用戶密度的虛擬分區(qū)。

該法是使每個子區(qū)域擁有相同數(shù)目的CUE，由每個子區(qū)域的CUE數(shù)目決定了每個子區(qū)域的角度值?；谟脩裘芏鹊奶摂M分區(qū)方法中相對區(qū)域由小區(qū)中各區(qū)域的參考角和D2D所在區(qū)域參考角的延伸角確定。參考角可取小區(qū)各區(qū)域中所有用戶的平均角，為了操作簡便，也可選用各區(qū)域的中值角作為參考角，用于反映在特定區(qū)域中用戶分布及潛在集中度。設(shè)參考角為φSi，參考角的延伸角即由參考角延伸180°所得。則有

(18)

(18)式中，i≠k,?i,k∈{1,…,Nsectors}。

即通過計算各區(qū)域的參考角與D2D所在區(qū)域參考角的延伸角之間的角度差，記為psik，(psik∈[0°,360°])，將psik按升序排列，取最小的角度差psik所在區(qū)域作為其相對區(qū)域。基于用戶密度的虛擬分區(qū)如圖3所示，小區(qū)需被分割成6個子區(qū)域，每個子區(qū)域擁有8個CUE，DUE存在2個相對區(qū)域S4和S10。

2.2.2確定可復(fù)用的資源塊集合

對小區(qū)進(jìn)行虛擬分區(qū)后，D2D對復(fù)用其相對區(qū)域中的CUE的RB。如圖3所示，存在2個相對區(qū)域S4和S10，設(shè)他們的資源塊集合分別為C和D。則對于該跨小區(qū)D2D用戶，在S4中可復(fù)用的資源塊集合ΩS4可以表示為

(19)

在S10中D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合ΩS10可以表示為

(20)

則跨小區(qū)D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合Ω為

(21)

如果最終可復(fù)用的資源塊集合Ω為空集，則以ΩS10為基準(zhǔn)，尋找與S4相連接的其他子區(qū)域內(nèi)的CUE，并復(fù)用二者的RB交集。即此時跨小區(qū)D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合為

(22)

經(jīng)過以上步驟，如果用于資源復(fù)用的CUE被找到，則停止尋找；否則，繼續(xù)尋找小區(qū)中的其他子區(qū)域中的CUE，但不包括D_Tx所在參考區(qū)域。

圖3　基于用戶密度的虛擬分區(qū)Fig.3　UE density based sectoring

2.3確定為D2D用戶指配的資源

BS基于使小區(qū)用戶總吞吐量最大的準(zhǔn)則從Ω或Ω′中選擇k個信道分配給k個CUE，D2D用戶與這k個CUE共用RB，即

(23)

s.t.0

(23a)

0

(23b)

0

(23c)

(23d)

(23e)

γd≥γdmin

(23f)

(23a)式與(23b)式表示CUE發(fā)射功率不能超過其發(fā)射功率上限;(23c)式表示D_Tx發(fā)射功率不能超過其發(fā)射功率上限;(23d)式與(23e)式表示D_Tx的干擾和BS的干擾滿足各自的干擾門限值;(23f)式表示D2D用戶的信噪比滿足其最低門限值要求。

則最終跨小區(qū)D2D用戶獲得的資源Sd可以表示為

(24)

綜上所述，本文所提的一種基于虛擬分區(qū)的跨小區(qū)D2D資源分配算法流程如下。

步驟1根據(jù)D2D用戶的信噪比和干噪比，求得D_Rx的干擾限制區(qū)域的覆蓋半徑RD-Rx，從而確定在Area1中D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合為A1-B1,在Area2中D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合為A2-B2；

步驟2根據(jù)基于定角和基于用戶密度的方法，對小區(qū)進(jìn)行虛擬分區(qū)(如圖2和圖3所示)，尋找小區(qū)的相對區(qū)域S4和S10中的CUE；

步驟3D2D用戶選擇復(fù)用相對區(qū)域中的蜂窩用戶的資源。即S4中D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合ΩS4=(A1-B1)∩C，S10中可復(fù)用的資源塊集合ΩS10=(A2-B2)∩D。則D2D用戶可復(fù)用的資源塊集合為Ω=ΩS4∩ΩS10；

步驟4如果求得可復(fù)用的資源塊集合Ω為空集，則以ΩS10為基準(zhǔn)，尋找與S4相連接的其他子區(qū)域內(nèi)的CUE，并復(fù)用二者的RB交集。即Ω′=ΩS10∩Ωi,i∈S2,S3,S5,S6；

步驟5BS基于使小區(qū)用戶總吞吐量最大的準(zhǔn)則從Ω或Ω′中選擇k個信道分配給k個CUE，D2D用戶與這k個CUE共用RB。

3　仿真分析

3.1仿真參數(shù)

為了驗證本文所提出的資源分配算法的有效性，可以考慮在LTE-FDD蜂窩系統(tǒng)中，使用matlab進(jìn)行仿真驗證。主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2仿真結(jié)果

圖4描述了當(dāng)L=20,n=1時，隨著單小區(qū)蜂窩用戶個數(shù)N的變化，小區(qū)用戶的總吞吐量的變化趨勢。由圖4可以看出，當(dāng)單小區(qū)的蜂窩用戶數(shù)較少(≤40)時，隨著單小區(qū)蜂窩用戶數(shù)的增多，3種方案的小區(qū)用戶的總吞吐量都呈增長的趨勢，但本文所提算法的優(yōu)勢并不明顯，這是因為當(dāng)蜂窩用戶數(shù)較少時，基于用戶密度的虛擬分區(qū)算法所獲得的可復(fù)用資源塊集合的元素較少的概率極大，而基于定角的虛擬分區(qū)算法相對區(qū)域里不存在資源的情況較多；但隨著單小區(qū)的蜂窩用戶數(shù)增多(≥40)時，可復(fù)用資源塊集合的元素也逐漸增多，因而能使跨小區(qū)D2D用戶復(fù)用相對區(qū)域中更多的資源塊來進(jìn)行通信，因此，本文所提算法將呈現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢，且單小區(qū)蜂窩用戶的個數(shù)越多，本文的算法優(yōu)勢越明顯。由此可見，本文所提算法適合于小區(qū)中蜂窩用戶數(shù)多的情況下使用。

表1　仿真的主要參數(shù)Tab.1　Parameters for simulation

圖4　小區(qū)用戶總吞吐量和單小區(qū)蜂窩用戶的 個數(shù)N的關(guān)系Fig.4　Relationship between the total throughput and the number of cellular users

圖5描述了當(dāng)N=50,n=1時，隨著D_Tx與D_Rx的距離L的變化小區(qū)用戶的總吞吐量變化的柱狀圖。由圖5可以看出，隨著距離L的增大，小區(qū)用戶的總吞吐量將持續(xù)降低，且下降的程度與L的大小有關(guān)。當(dāng)L<20 m時，吞吐量隨L增大而下降的程度較大。而當(dāng)L>20 m時，吞吐量下降的程度較小。這是因為當(dāng)L較小時，D2D的鏈路質(zhì)量會非常好，因此傳輸速率較大，這大大提高了整個小區(qū)用戶的總吞吐量；隨著L的增大，D2D的鏈路質(zhì)量變差，D_Tx對BS的干擾變大，這導(dǎo)致了小區(qū)用戶總吞吐量的減少，隨后，當(dāng)L繼續(xù)增大，D2D的傳輸速率將會因為急劇增大的鏈路損耗而大幅度下降，導(dǎo)致傳輸速率對用戶總吞吐量的影響不斷降低，此時，即使D2D的傳輸速率持續(xù)減小，小區(qū)用戶總吞吐量的減小幅度也逐漸縮小。仿真結(jié)果顯示，本文所提的2種算法比采用隨機(jī)分配算法可以獲得到更高的系統(tǒng)吞吐量，這說明了所提方案能夠有效提高整個小區(qū)用戶的總吞吐量。

圖5　小區(qū)用戶總吞吐量和D_Tx與D_Rx的 距離L的關(guān)系Fig.5　Relationship between the total throughput and the distance between D_Tx amd D_Rx

圖6描述了當(dāng)N=50,L=20時，隨著跨小區(qū)D2D用戶對數(shù)k的增多小區(qū)用戶總吞吐量的變化趨勢。由圖6可以看出，當(dāng)跨小區(qū)D2D用戶對數(shù)逐漸增多，小區(qū)用戶吞吐量會先增長后逐漸下降。在基于用戶密度的虛擬分區(qū)算法中，當(dāng)跨小區(qū)D2D用戶對數(shù)為15時，小區(qū)用戶的總吞吐量達(dá)到最大值，而當(dāng)跨小區(qū)D2D用戶對數(shù)持續(xù)增加，由于D2D用戶對與蜂窩用戶之間的干擾增加，使得整個通信網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量下降。基于定角的虛擬分區(qū)算法隨著跨小區(qū)D2D用戶對數(shù)逐漸增多，會導(dǎo)致相對區(qū)域中蜂窩用戶的資源塊嚴(yán)重不夠用，則小區(qū)用戶吞吐量先增長到一定程度后逐漸下降。相比于隨機(jī)資源分配方案，當(dāng)跨小區(qū)D2D用戶較少時，引入D2D用戶對雖然能一定程度上提高小區(qū)用戶的總吞吐量，但隨著跨小區(qū)D2D用戶對的增多，由于采用隨機(jī)資源分配方案對D2D引入的干擾問題并沒有得到很好的解決，因而導(dǎo)致小區(qū)用戶的總吞吐量急劇減少。

4　結(jié)束語

針對在跨小區(qū)邊緣用戶間建立D2D通信的干擾問題，為降低蜂窩用戶對跨小區(qū)D2D用戶造成的干擾，保證跨小區(qū)D2D通信的可靠性，提出了一種新穎的虛擬分區(qū)的方法對D2D用戶進(jìn)行合理的資源分配。仿真結(jié)果顯示本文所提算法可以有效地降低D2D用戶和蜂窩用戶之間的干擾，提高系統(tǒng)的吞吐量，提升系統(tǒng)性能。

圖6　小區(qū)用戶總吞吐量和跨小區(qū)D2D用戶 對數(shù)n的關(guān)系Fig.6　Relationship between the total throughput and the number of cross-cell D2D users

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楊豐瑞(1963-),男，重慶人，主要研究方向為通信新技術(shù)應(yīng)用。E-mail: yangfengrui@cqcyit.com。

莊園(1990-),女，四川人，碩士生，主要研究方向為通信新技術(shù)應(yīng)用。E-mail:295554208@qq.com。

(編輯：魏琴芳)

Resources allocation algorithm for cross-cell D2D based on virtual sectors

YANG Fengrui1,2, ZHUANG Yuan2, REN Zhaojun2, GONG Zihui2

(1.Chongqing Information Technology (Group) Co., Ltd,Chongqing 400065, P.R. China;2.Application of New Technologies of Communication Research Center,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065, P.R. China)

Device-to-Device communications in cellular networks can improve the performance of the cellular system, while bringing a lot of interference. In order to alleviate the interference from cellular networks to D2D, this paper introduces a resource allocation algorithm for cross-cell D2D based on virtual sectors.First of all,the interference limited area is proposed so that cellular resources can not be located within the limited area.Secondly,in order to establish large spatial distances between users that are supposed to share the same set of radio resources,the concept of virtual sectors is presented.Finally,with the purpose of maximizing the throughput of the system,the base station selects the best channel quality of k cellular subscribers,after that,the resources of thekcellular subscribers are assigned to D2D users.The simulation results prove that the proposed algorithm can effectively reduce interference from cellular networks to D2D,improve the throughput of the system and the system performance.

D2D; cross-cell; virtual sectors; resource allocation; throughput

10.3979/j.issn.1673-825X.2016.05.005

2016-06-27

2016-09-20通訊作者：莊園295554208@qq.com

TN929.5

A

1673-825X(2016)05-0634-07