裴仁超, 李 莉*, 沈一豪, 張道煦, 羅漢文,2

(1上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間中繼的功率分配

裴仁超1, 李 莉1*, 沈一豪1, 張道煦1, 羅漢文1,2

(1上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,部署了一個(gè)設(shè)備間(D2D)雙向中繼網(wǎng)絡(luò).每個(gè)D2D雙向中繼節(jié)點(diǎn)配備有兩根收發(fā)天線,分別同時(shí)與基站和D2D接收端進(jìn)行通信.在假設(shè)D2D雙向中繼采用放大轉(zhuǎn)發(fā)模式條件下,提出了優(yōu)化D2D雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的功率分配方案.仿真結(jié)果顯示:所提方案的D2D雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量在理想信道下,較隨機(jī)功率分配和傳統(tǒng)通信方式分別提升7%和12%.

設(shè)備間中繼; 雙向中繼; 功率分配; 吞吐量

0 引 言

移動(dòng)通信的飛速發(fā)展使帶寬需求急劇增加,目前有限的頻譜資源已無法滿足需要.Device-to-device(D2D)通信是一種設(shè)備之間不經(jīng)過基站(BS)的轉(zhuǎn)接而直接進(jìn)行通信的技術(shù)[1].D2D通信技術(shù)的引入增加了頻譜效率,節(jié)省了設(shè)備功耗,還能擴(kuò)大蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍[2].然而,D2D通信技術(shù)對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的干擾很大程度上限制了其發(fā)展.利用有限的頻譜資源,引入D2D中繼(D2DR),可以在干擾可接受的情況下提高系統(tǒng)吞吐量.D2D雙向中繼擴(kuò)大了蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,增加了頻譜利用率,它廣泛應(yīng)用于當(dāng)今無線通信系統(tǒng)中.將功率分配應(yīng)用于D2D雙向中繼端是進(jìn)一步提升系統(tǒng)吞吐量的有效方法.

Qin等[3]在單向的D2D通信中繼網(wǎng)絡(luò)中,考慮信道估計(jì)的不準(zhǔn)確性,針對(duì)不同D2D通信傳輸組設(shè)計(jì)了不同的中繼穩(wěn)健性波束成形算法,降低了系統(tǒng)的功率損耗.Wang等[4]利用功率分配算法,在雙向中繼場(chǎng)景中減小了D2D通信用戶中斷概率.但是,在D2D通信用戶中斷概率最小化的同時(shí),主用戶將會(huì)受到更大的干擾.Jayasinghe等[5]提出了一種聯(lián)合的物理層網(wǎng)絡(luò)預(yù)編碼解碼方案,降低了信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率.但是在多層網(wǎng)絡(luò)共存的情況下沒有考慮層與層之間的干擾.Pei等[6]在D2D通信與雙向蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景中提出了一種頻譜共享策略,提高了蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2D網(wǎng)絡(luò)的和速率.通過減小基站和蜂窩用戶的傳輸功率來降低D2D通信鏈路受到的干擾,忽略了基站和蜂窩用戶傳輸功率的限制條件.本文作者在一個(gè)雙向的中繼網(wǎng)絡(luò)中,通過雙向中繼端調(diào)整功率分配因子,在保證雙向中繼端功率不變的條件下使雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最大化.

1 系統(tǒng)模型

圖1為研究場(chǎng)景的系統(tǒng)模型示意圖,在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)有一個(gè)基站(BS),有一個(gè)D2D通信用戶(DU)以及一個(gè)配備有兩根空間獨(dú)立的收發(fā)天線的D2D雙向中繼節(jié)點(diǎn),均處于工作狀態(tài).系統(tǒng)中的通訊信息傳輸分為兩個(gè)時(shí)隙.第一個(gè)時(shí)隙,基站將信號(hào)S1發(fā)送給D2DR,同時(shí)DU將信號(hào)S2、S3發(fā)送給D2DR.其中S1是BS發(fā)送的蜂窩下行信號(hào),S2是DU發(fā)送的蜂窩上行信號(hào),S3是DU發(fā)送給D2DR的常規(guī)D2D通信信號(hào),如圖1(a)所示.

在第二個(gè)時(shí)隙中,D2DR將在第一個(gè)時(shí)隙接收到的上行信號(hào)S2轉(zhuǎn)發(fā)給BS,將在第一個(gè)時(shí)隙接收到的下行信號(hào)S1轉(zhuǎn)發(fā)給DU.同時(shí)D2DR將常規(guī)D2D信號(hào)S4發(fā)送給DU,完成D2DR和DU之間的常規(guī)D2D通信.對(duì)于信號(hào)S1和S2,D2DR起放大轉(zhuǎn)發(fā)作用,信號(hào)S3和S4則是D2DR和DU之間的常規(guī)D2D通信,并且滿足E(SS*)=1,其中E(·)是數(shù)學(xué)期望,如圖1(b)所示.

圖1 系統(tǒng)模型示意圖

在第一時(shí)隙,BS和DU將信號(hào)發(fā)送至D2DR,雙向中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)為:

(1)

式中H、G分別為BS、D2DR之間以及DU、D2DR之間的信道響應(yīng).在第二個(gè)時(shí)隙,基站端和DU端接收到的信號(hào)分別為:

(2)

yD=HG·S1+GG·S4+nD,

(3)

式中yB為基站端的接收信號(hào),yD為D2DR端的接收信號(hào),nB為基站端的接收噪聲,nD為DU端的接收噪聲.

2 D2DR的功率分配方案

假設(shè)在第二個(gè)時(shí)隙,D2DR能自動(dòng)利用功率分配因子α來調(diào)整向基站和D2D用戶端發(fā)送信號(hào)的發(fā)射功率.D2DR總的發(fā)射功率為PR,將其α部分的功率作為向BS端的發(fā)射功率,剩下的1-α部分作為向DU端的發(fā)射功率.第二時(shí)隙,BS接收到的來自DU在第一時(shí)隙發(fā)送至D2DR的上行信號(hào)為:

(4)

第二時(shí)隙,DU接收到的來自BS在第一時(shí)隙發(fā)送至D2DR的下行信號(hào)為:

(5)

因此在第二個(gè)時(shí)隙,基站端和DU端接收到的信號(hào)表達(dá)(2),(3)式分別重新寫為:

(6)

(7)

在第二個(gè)時(shí)隙,經(jīng)過D2DR端功率分配因子α的調(diào)整后,D2DR向BS和DU分配的發(fā)射功率分別為:

(8)

(9)

(10)

式中RDB為第二時(shí)隙D2DR到BS端的傳輸速率,RDD為第二時(shí)隙D2DR到DU端的傳輸速率.Pmin和Pmax分別是D2DR的最小和最大的發(fā)射功率.根據(jù)香農(nóng)公式,得到RDB和RDD的表達(dá)式:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中Z=HHT,Q=GGT,?表示矩陣的點(diǎn)積.將(10)式轉(zhuǎn)化為,

(17)

優(yōu)化問題(17)式是凸的,它可以利用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)學(xué)軟件工具箱,如Convex(CVX)來解決.根據(jù)約束條件,優(yōu)化功率分配因子α,最大化目標(biāo)吞吐量函數(shù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 各通信方案中繼網(wǎng)絡(luò)吞吐量的比較

為了驗(yàn)證本方法的有效性,進(jìn)行了數(shù)值仿真.假設(shè)信道矩陣H和G為高斯信道,加入的噪聲為加性高斯白噪聲.為了保證雙向中繼D2DR對(duì)功率的要求,PRB和PRD的最大功率Pmax為10dB.為了保證接收端對(duì)信號(hào)的靈敏度,最小功率Pmin為0.1dB,使信號(hào)不至于被噪聲所淹沒.利用CVX優(yōu)化解決優(yōu)化問題(17).圖2給出了采用本功率分配方案、隨機(jī)功率分配方案以及不采用功率分配方案的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)吞吐量與環(huán)境噪聲功率的關(guān)系曲線.由圖2可知,隨著噪聲功率逐漸增大,雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量隨之減小.同時(shí),本功率分配方案所得的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量較其他兩種方案的吞吐量性能好.本功率分配方案相對(duì)于不采用功率分配方案,在吞吐量提升了12%左右.本功率分配方案中,D2DR分配較多的功率給信道質(zhì)量較好的信道,雙向中繼網(wǎng)絡(luò)可獲得更大的吞吐量.隨機(jī)的功率分配方案無法根據(jù)信道的差異來分配雙向中繼端的發(fā)射功率,因此雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量相對(duì)較小.不采用功率分配方案則忽略了信道的差異性,雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的吞吐量最小.

4 結(jié) 論

研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署了D2D雙向中繼網(wǎng)絡(luò)的功率分配方案問題.首先給出了場(chǎng)景系統(tǒng)模型和信道模型.優(yōu)化目標(biāo)是在滿足D2DR的發(fā)射功率要求后,D2DR端自動(dòng)調(diào)整功率分配因子,使雙向中繼網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最大.仿真結(jié)果顯示,所采用的功率分配方案能夠獲得更大的雙向中繼網(wǎng)絡(luò)吞吐量.但是本方案沒有考慮信道的復(fù)雜性以及其他潛在通信鏈路帶來的干擾,還需要進(jìn)一步改善系統(tǒng)的信道模型.

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(責(zé)任編輯：顧浩然,包震宇)

Power allocation of two-way device-to-devicerelays underlay cellular network

Pei Renchao1, Li Li1*, Shen Yihao1, Zhang Daoxu1, Luo Hanwen1,2

(1.College of information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.School of ElectronicInformation and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

In this paper,we assume that a device-to-device (D2D) bidirectional relay network is deployed in a cellular network.Each D2D two-way relay is equipped with two transmit antennas,which are respectively carried out at the same time with base station and receiver.Under the assumption that D2D two-way relay adjust power transmission amplification,we propose a power allocation scheme of the two-way relay network.The simulation results show that the scheme proposed can obtain larger two-way relay network throughput than the random power allocation and the traditional communication methods.

device-to-device relays; two-way relay; power allocation; throughput

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.006

2016-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(61503251)

裴仁超(1993-),男,碩士研究生,主要從事移動(dòng)通信方面的研究.E-mail:prc_yjs@163.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介: 羅漢文(1949-),男,教授,主要從事移動(dòng)通信的教學(xué)與研究工作.E-mail:hwluo@sjtu.edu.cn

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0033-04

*通信聯(lián)系人.E-mail:lilyxuan@shnu.edu.cn