李鵬翔+李暉

【摘要】 隨著目前國內(nèi)移動通信業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，人們對高速率、優(yōu)服務(wù)、高質(zhì)量和低時(shí)延性業(yè)務(wù)的需求日益劇增，然而有限的頻譜資源成為制約蜂窩系統(tǒng)性能提高的最主要因素。大數(shù)據(jù)量的本地業(yè)務(wù)會對頻譜資源造成更大的消耗，這也要求未來網(wǎng)絡(luò)具備相應(yīng)的技術(shù)來更好地支持這種局部通信形式。蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的D2D通信技術(shù)是一種充分利用頻譜資源、減輕基站的負(fù)荷、降低終端和基站的發(fā)射功率，從而提升整體吞吐率的技術(shù)。但是由于D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶資源而引起干擾以及頻譜資源共享所引起的小區(qū)間的干擾，已經(jīng)成為影響D2D用戶和蜂窩用戶共存的主要因素。為了減少這些干擾，研究人員已經(jīng)提出了基于匈牙利算法、開環(huán)部分功率控制和圖論等算法，利用合作博弈競拍思想和納什均衡進(jìn)行資源優(yōu)化，允許多對用戶共享一個(gè)蜂窩頻譜資源來最大化系統(tǒng)總速率。

【關(guān)鍵字】 蜂窩網(wǎng)絡(luò) 直連通信 模式選擇 功率控制 干擾控制

Game theory based interference control for D2D communication in cellular networks Peng-Xiang Li， Hui Li School of Information Science and Technology of Hainan University， Haikou， 570228

Abstract： With the current development of mobile communication services， people need personal communication of high speed， excellent service， high quality and low latency； however， limited spectrum resources become the most important factor to hamper improvement of cellular systems. As big amount of data traffic will cause greater local consumption of spectrum resources， future networks are required to have appropriate techniques to better support such forms of communication. D2D （Device-to-device） communication technology in a cellular network makes full use of spectrum resources underlaying， reduces the load of the base station， minimizes transmit power of the terminals and the base stations， thereby enhances the overall throughput of the networks. Due to the use of multiplexing D2D UE （User equipment） resources and spectrum， and the interference caused by the sharing of resources between adjacent cells， it has become a major factor affecting coexisting of cellular subscribers and D2D users. In order to reduce these disturbances， researchers have proposed algorithms based on Hungary algorithm， the open loop power control portion and graph theory， etc. They also proposed interference control method based on game theory and resource optimization by the use of cooperative games and Nash equilibrium bidding ideological. It allows multiple users to share spectrum resources of a single cellular system to maximize the total rate.

Keywords： Cellular network； Device-to-device； Mode selection； Power control； Interference control

一、引言

作為下一代無線通信系統(tǒng)之一，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP： 3rd Generation Partnership Project）長期演進(jìn)（LTE： Long Term Evolution）致力于提供高數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)容量技術(shù)。此外，先進(jìn)的LTE（LTE-A： Long Term Evolution-Advanced）支持新的組件用于LTE以滿足更高的通信要求。局域服務(wù)被認(rèn)為是熱門話題加以演變，并通過復(fù)用頻譜資源使本地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率得到顯著的提升。然而，未經(jīng)許可的頻譜復(fù)用可能會給本地服務(wù)提供商的穩(wěn)定控制環(huán)境帶來不便，例如，WiFi和藍(lán)牙并不能像蜂窩網(wǎng)絡(luò)一樣提供安全性和服務(wù)質(zhì)量（QoS： Quality of Service），最大的原因是采用許可頻段可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)干擾可控。還有Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，它并不是受基站或其它中央節(jié)點(diǎn)的控制。因此，訪問的許可頻譜備受關(guān)注。

設(shè)備到設(shè)備（D2D： Device-to-Device）通信是LTE-A技術(shù)組件?，F(xiàn)有的研究允許D2D作為底層蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來增加頻譜效率。在D2D通信中，用戶設(shè)備（UE： User equipment）通過直接鏈路使用蜂窩資源相互傳送數(shù)據(jù)信號到彼此，而不是利用基站。這不同于微蜂窩基站，他們的用戶使用小型低功率蜂窩基站來輔助通信。但D2D用戶仍然在基站控制下進(jìn)行直接通信。因此，近年來提高頻譜利用率的潛在任務(wù)推動了大量的研究，這表明D2D可以通過復(fù)用蜂窩資源來提高系統(tǒng)的性能。最終期望D2D技術(shù)可以作為下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持的關(guān)鍵技術(shù)。

雖然D2D通信在頻譜效率和獲得更大系統(tǒng)容量效益帶來了改善，這也對共享蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜造成干擾的后果。因此，一種有效的干擾協(xié)調(diào)方案必須進(jìn)行配置以保證蜂窩通信的目標(biāo)性能水平。有關(guān)D2D用戶設(shè)備限制同信道干擾功率控制存在許多工作要做[1]。文獻(xiàn)[2]在利用MIMO（Multiple Input and Multiple Output）傳輸方案以避免從蜂窩下行鏈路到D2D接收設(shè)備共享相同資源干擾，其目的是保證D2D通信的性能。干擾管理既從蜂窩網(wǎng)絡(luò)到D2D通信又從D2D到蜂窩網(wǎng)絡(luò)都將已提出[3]。

為了進(jìn)一步提高小區(qū)內(nèi)的頻譜復(fù)用的增益，適當(dāng)匹配共享相同資源的蜂窩和D2D用戶進(jìn)行了研究[4]。文獻(xiàn)[5]提出了針對主蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用信道狀態(tài)信息（CSI： Channel State Information）的另一種貪婪啟發(fā)式算法以減輕干擾。該方案很容易操作但具有較大的信令開銷。在文獻(xiàn)[6]中，所述的資源分配方案通過跟蹤遠(yuǎn)近干擾識別干擾蜂窩用戶從而避免了有害干擾，并使得上行鏈路頻率帶有效地使用，進(jìn)而目標(biāo)也是避免從蜂窩到D2D通信干擾。在文獻(xiàn)[7]中，首先對最佳資源分配和對不同的資源共享模式下共享相同的資源的蜂窩和D2D通信之間的功率控制提出了分析，并從單個(gè)小區(qū)情景和曼哈頓網(wǎng)格環(huán)境兩方面評估D2D底層系統(tǒng)的性能。然后，該方案進(jìn)一步優(yōu)化用戶共享相同的資源之間的資源使用情況。上述研究工作表明通過適當(dāng)?shù)馁Y源管理，D2D通信可以有效地提高系統(tǒng)吞吐量與蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2D傳輸之間的干擾限制。然而，分配蜂窩資源到D2D傳輸是一個(gè)巨大而又復(fù)雜的問題。

二、通信模式選擇

在D2D底層通信系統(tǒng)中，與信道相關(guān)存在很多問題，其中之一就是確定通信設(shè)備是否應(yīng)該使用蜂窩式或直接通信模式。在D2D模式下的數(shù)據(jù)被直接傳送到接收器，然而蜂窩通信模式要求源端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到基站然后目的端設(shè)備使用基站下行鏈路（下行鏈路）接收。在這里，我們考慮了三種不同模式的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

1.蜂窩模式：所有設(shè)備都使用基站通信。

2.專用模式：D2D用戶對占用專門的蜂窩頻段。

3.復(fù)用模式：D2D用戶對和蜂窩用戶共享小區(qū)資源。

如果源設(shè)備和它的服務(wù)基站，目標(biāo)設(shè)備和其服務(wù)基站之間的路徑損耗比一對源和目的地之間的路徑損耗大則選擇D2D模式。隨著一對用戶之間的最大距離增加，直接通信的性能會下降。設(shè)定門限值決定是否使用D2D通信，復(fù)用模式是一種解決終端間通信開銷的方法。從蜂窩和D2D通信中選擇一種更好的信道條件可能獲得一種最優(yōu)的性能結(jié)果。結(jié)果證明，當(dāng)蜂窩用戶和D2D用戶距離相近時(shí)專用模式最佳，當(dāng)蜂窩用戶和D2D用戶距離較遠(yuǎn)或D2D用戶對距離較近時(shí)，復(fù)用模式最佳。

三、博弈論在D2D通信應(yīng)用

由于D2D和蜂窩用戶之間的共享頻譜資源所造成的干擾，資源 管理變?yōu)橐粋€(gè)要解決的關(guān)鍵問題。博弈論提供了一套數(shù)學(xué)工具來研究相互依賴的理性局中人之間復(fù)雜的相互作用，并預(yù)測他們的選擇策略。近年來，博弈論已成為一種用于設(shè)計(jì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的工具。因此，我們在D2D通信使用博弈論來進(jìn)行資源調(diào)度和干擾避免。

博弈的關(guān)鍵要素是局中人，行動，收益（公用事業(yè)）和信息，一起被稱為博弈規(guī)則。局中人是作出決策的個(gè)體，其可被表示為一個(gè)集合M={1，2，…，m}。局中人i做出一個(gè)行動ai決策是一種選擇。一個(gè)行動a={ai|i∈M}是一組的所有局中人的行動。在競拍中，局中人是投標(biāo)（代理）者，行動通過投標(biāo)人提交投標(biāo)。局中人i的收益Ui（a）是行動a的函數(shù)，收益描述局中人從博弈中每種可能的行動獲得多少收益。在博弈中，局中人的收益等于行動vi（a）減去他支付的ci（a）的值，即

ui（a）=vi（a）-ci（a） （1）

博弈論的一個(gè)重要假定是所有的局中人都是理性的，他們打算選擇行動最大化他們的收益。局中人的信息可以通過一個(gè)信息集設(shè)置，它告訴局中人在決定實(shí)例有什么樣的認(rèn)識。為了最大化自己的收益，局中人們將設(shè)計(jì)自己的策略，這是從一個(gè)局中人的信息集到他的行動的映射。

一場博弈的結(jié)果的合理預(yù)測是一種均衡，其中每個(gè)局中人選擇一種最好的策略最大化他的收益。其中有幾個(gè)可得的均衡概念，我們主要把重點(diǎn)放在納什均衡（NE： Nash Equilibrium）。在靜態(tài)博弈中，納什均衡可以在沒有局中人的地方通過單方面改變策略增加他的收益。

在當(dāng)前研究中，博弈論包括大量的不同的博弈方法用于分析的資源分配的問題，例如在通信網(wǎng)絡(luò)中的功率和無線頻譜劃分[8]，在網(wǎng)格的資源管理[9]，并在大型規(guī)模的容器終端分配協(xié)調(diào)資源[10]。在文獻(xiàn)[8]中，提出了一個(gè)連續(xù)的競拍方法用于共享無線資源，該方案由使用連續(xù)第二價(jià)格競拍收集的出價(jià)和分配離散資源單元的頻譜代理人管理的。

資源管理中的合作競拍模型進(jìn)行了介紹[10]。合作競拍的資源分配機(jī)制是允許在資源合作時(shí)代理（投標(biāo)人）放置投標(biāo)，被稱為“包”。而不僅僅是個(gè)體的資源單位。實(shí)際上，合作競拍（CA： Cooperative Auction）已應(yīng)用在多種行業(yè)中，例如，貨車運(yùn)輸，航空抵達(dá)和時(shí)隙離開，以及無線通信服務(wù)的使用。競拍理論基準(zhǔn)環(huán)境是私有值模型，Vickrey介紹在其中一個(gè)代理人的項(xiàng)目每個(gè)包有一個(gè)值，該值與其他代理人的私人信息是不相關(guān)的[11]。

投標(biāo)人許多工作還沒有認(rèn)識到，用復(fù)雜的方式關(guān)心他們競爭的項(xiàng)目。該合作競拍激勵(lì)代理人充分表達(dá)自己的偏愛，這在提高系統(tǒng)效率和競拍收益時(shí)是一種優(yōu)勢。我們的興趣是應(yīng)用合作競拍博弈中解決任意D2D鏈路復(fù)用相同的蜂窩頻帶與優(yōu)化系統(tǒng)容量的目的。

然而，在合作競拍博弈中它存在著一系列的問題和挑戰(zhàn)，如定價(jià)和招標(biāo)規(guī)則，獲勝者決策問題（WDP： Winner Determination Problem）導(dǎo)致NP-hard的分配問題。因此，我們專注于迭代合作競拍（I-CA： Iterative Cooperative Auction）博弈演化機(jī)制[12，13]。在I-CA中，代理人主張多競價(jià)迭代，競拍者計(jì)算臨時(shí)分配和在每一輪競拍中詢問價(jià)格。

我們研究了D2D底層通信基于I-CA的有效頻譜資源分配以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。整個(gè)系統(tǒng)由基站、從基站接收信號的多蜂窩用戶和使用許可頻譜資源進(jìn)行通信的各自接收的多個(gè)D2D對組成?？紤]到干擾最小化的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和多個(gè)D2D對共享相同的資源可能在系統(tǒng)容量中帶來更大的效益，我們形成的問題作為一個(gè)反向I-CA博弈。這意味著代理人在資源競爭中可以獲得業(yè)務(wù)，然而D2D鏈接作為商品或服務(wù)等待出售。通過這種方式，D2D對的包在每一輪競拍中拍完。

此外，我們研究了所提出的資源分配機(jī)制的一些重要性能，例如欺詐性，收斂性和競價(jià)單調(diào)性。我們減少了計(jì)算的復(fù)雜性，并適用于包含了一個(gè)知名的室內(nèi)場景WINNER II信道模型方案。相比其他方案表明競拍算法對系統(tǒng)總速率有不錯(cuò)的表現(xiàn)，并提高了系統(tǒng)的效率，同時(shí)具有低于窮舉搜索分配的復(fù)雜性。

先前已經(jīng)考慮了少量D2D通信時(shí)域調(diào)度。我們用博弈論的方法研究了D2D通信的聯(lián)合調(diào)度，功率控制和信道分配。注意到如果蜂窩和D2D用戶簡單地建模作為自私的局中人，結(jié)果通常是無效率的，因?yàn)榉涓C用戶不想和D2D用戶共享信道。

當(dāng)D2D通信是底層的主蜂窩網(wǎng)絡(luò)，Stackelberg博弈的原理非常適合于該系統(tǒng)。Stackelberg博弈是一種等級分層的體系，并具有領(lǐng)導(dǎo)者和追隨者。領(lǐng)導(dǎo)者首先行動，然后跟隨者觀察領(lǐng)導(dǎo)者的行為，并決定他的策略。Stackelberg博弈已經(jīng)應(yīng)用在協(xié)作網(wǎng)絡(luò)[14]和認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)[15，16]。在我們提出的Stackelberg博弈中，蜂窩用戶被視為領(lǐng)導(dǎo)者，且D2D用戶是追隨者。

我們的蜂窩組和D2D用戶進(jìn)入領(lǐng)導(dǎo)者-追隨者對，領(lǐng)導(dǎo)者向使用的信道追隨者收取一些費(fèi)用。我們分析了領(lǐng)導(dǎo)者最優(yōu)價(jià)格和跟隨者的最佳功率。這些策略導(dǎo)致Stackelberg均衡。

然后，我們提出了一種聯(lián)合調(diào)度和資源分配算法。領(lǐng)導(dǎo)者-追隨者對形成基于其公用事業(yè)（收益）優(yōu)先隊(duì)列，并且系統(tǒng)根據(jù)它們在隊(duì)列中的順序調(diào)度D2D用戶。

蓬勃發(fā)展的無線服務(wù)從用戶電量吸引更多的關(guān)注。然而用戶是典型的電池壽命有限手持設(shè)備。用戶必須不斷地向他們的電池充電。D2D通信的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是降低用戶的發(fā)射功率消耗，并且因此延長電池壽命。我們考慮用戶設(shè)備的傳輸能量和電路能量能源消耗，以及使用Peukerts定律[17]對電池壽命建模。我們形成的問題是關(guān)于D2D用戶的最大化電池壽命受速率約束。直接解決該問題是復(fù)雜的。

四、結(jié)束語

D2D通信可以緩解蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量，降低本地網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，提高傳輸速率，降低通信時(shí)，減少移動終端的電池功耗，從而提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施故障的魯棒性?？梢杂糜诳拐鹁葹?zāi)的應(yīng)急通信代替損毀的基礎(chǔ)設(shè)施。

我們考慮了用博弈論的方法，其中D2D用戶被看作是局中人。局中人是自我利益的，他們實(shí)現(xiàn)了最大限度地發(fā)揮自己的電池壽命。我們通過納什均衡和帕累托（Pareto）效率的博弈構(gòu)建了資源分配的博弈，并分析了最好的響應(yīng)。當(dāng)局中人自私占用的無線資源可能產(chǎn)生外部性，從而導(dǎo)致蜂窩通信的質(zhì)量下降。因此，我們通過添加競價(jià)作為違約修改博弈規(guī)則，并提出了資源競拍。

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