張正一, 李 莉, 羅漢文,2, 王 路

(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)

基于容量最優(yōu)化的設(shè)備間通信資源分配方案

張正一1, 李 莉, 羅漢文1,2, 王 路1

(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)中通過復(fù)用蜂窩系統(tǒng)中已使用的頻譜資源,來增加蜂窩系統(tǒng)的頻譜利用率,減少基站的負(fù)載.同時(shí),通過使用模糊C均值(FCM)算法對(duì)復(fù)用相同資源的設(shè)備間 (D2D) 通信用戶對(duì)進(jìn)行分簇,達(dá)到減小復(fù)用同頻帶D2D通信用戶對(duì)(DU)之間干擾的目的.通過貪婪算法對(duì)每一簇DU對(duì)進(jìn)行資源分配,達(dá)到減小蜂窩用戶與DU之間的干擾的目的.仿真結(jié)果顯示,相比于隨機(jī)分簇和隨機(jī)復(fù)用的資源分配方案,FCM算法與貪婪算法的資源分配方案更有效地提高了系統(tǒng)總?cè)萘?

設(shè)備間通信; 資源分配; 模糊C均值算法; 貪婪算法;

0 引 言

第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP )定義了LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)架構(gòu),并提出了一些新的技術(shù)來滿足100 Mbit/s～1 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸要求[1].移動(dòng)通信能夠使用的頻譜資源十分有限,設(shè)備間(D2D)通信能夠提升系統(tǒng)的頻譜利用率,減少發(fā)射功率損耗,而提高蜂窩系統(tǒng)的通信速率,因此得到了廣泛關(guān)注.D2D通信在復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的上行資源時(shí)會(huì)干擾基站接收信號(hào),在復(fù)用下行資源時(shí)干擾傳統(tǒng)蜂窩用戶(CU)接收信號(hào),如何減少D2D通信對(duì)蜂窩通信的干擾成為D2D通信研究的課題.

Janis等[1]介紹了在LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)D2D通信所需的標(biāo)準(zhǔn)化工作.楊敬文等[2]在已知信道狀態(tài)信息的情況下,在發(fā)射端進(jìn)行預(yù)編碼處理,修正發(fā)射端的預(yù)編碼矩陣和接收端的干擾抑制矩陣直至優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)收斂,提高了多進(jìn)多出(MIMO)系統(tǒng)的性能.Sun等[3]采用social-aware的感知技術(shù),并結(jié)合D2D通信資源分配方案來最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)利用率.Gu等[4]通過調(diào)度小區(qū)邊緣對(duì)稱區(qū)域的D2D通信對(duì)來減小D2D通信對(duì)之間的干擾,但該方案在小區(qū)覆蓋區(qū)域較小,建筑物稀少的情況下不太實(shí)用.Wang等[5]將小區(qū)邊緣地區(qū)劃分為若干個(gè)區(qū)域,并定義了3種區(qū)域劃分方式,對(duì)稱區(qū)域所在D2D通信用戶(DU)同時(shí)共享同一CU的頻譜資源.但是由于是基于坐標(biāo)位置的硬性劃分,因此存在一定的局限性.Li等[6]用D2D通信復(fù)用上行鏈路資源,為了減小D2D通信對(duì)基站(BS)的干擾,將資源分配問題構(gòu)造成一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃,但由于計(jì)算復(fù)雜,利用信道增益信息提出一種貪婪啟發(fā)式算法來完成資源分配的優(yōu)化.Cai等[7]介紹了基于著色理論的資源分配方案,減少D2D通信對(duì)CU產(chǎn)生的干擾.

本文作者針對(duì)單小區(qū)蜂窩系統(tǒng)中容量最大化的問題,提出了一種基于模糊C均值算法(FCM)分簇與貪婪算法的資源分配方案,在允許多個(gè)DU復(fù)用一個(gè)CU的單小區(qū)系統(tǒng)模型中,通過FCM算法對(duì)DU進(jìn)行分簇,再使用貪婪算法對(duì)每一簇的DU進(jìn)行資源分配,減小DU與CU、DU之間的干擾,提升系統(tǒng)總?cè)萘?

1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型

圖1為系統(tǒng)模型,圖1中BS為蜂窩小區(qū)基站,CU1,CU2為CU終端,D2D_R,D2D_T分別為D2D通信的接收、發(fā)送終端.假設(shè)蜂窩系統(tǒng)中D2D通信是可行的,并且在帶寬有限的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,允許多個(gè)D2D通信對(duì)復(fù)用同一個(gè)CU的頻帶資源,CU受到的干擾來自復(fù)用同頻帶資源的多個(gè)D2D通信對(duì).D2D通信接收端受到的干擾來自復(fù)用同頻率的其他D2D通信對(duì)及所復(fù)用的CU.和用戶設(shè)備相比,基站具有更強(qiáng)大的抗干擾能力和處理能力,另一方面,蜂窩網(wǎng)絡(luò)上下行數(shù)據(jù)量具有不對(duì)稱性,相比于下行鏈路資源,上行資源更未充分利用,本研究復(fù)用蜂窩系統(tǒng)的上行資源.因此,如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的資源進(jìn)行分配,以增大同頻率DU對(duì)之間的歐氏距離,蜂窩與D2D通信之間的歐氏距離,成為提升小區(qū)容量的關(guān)鍵問題.CU與DU通信速率為[3]

(1)

(2)

式中N為CU數(shù),M為DU對(duì)數(shù).

2 FCM算法與貪婪算法

FCM算法是一種基于劃分的聚類算法,為了使得被劃分到同一簇的對(duì)象之間相似度最大,而不同簇之間的相似度最小,可定義目標(biāo)函數(shù)

(3)

(4)

為了求解 (4) 式,利用拉格朗日乘子法構(gòu)造新的函數(shù)

(5)

式中λ稱為L(zhǎng)agrange乘子.對(duì)(5)式求極值得到最優(yōu)化條件

(6)

(7)

(8)

求解(6)～(8)式,解得第k個(gè)DU對(duì)于第i簇的隸屬度uik和第i簇的聚類中心點(diǎn)vi分別為

(9)

(10)

圖2 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中用戶位置

圖3 FCM算法對(duì)用戶分簇結(jié)果

對(duì)蜂窩小區(qū)內(nèi)的DU分簇后,再用貪婪算法進(jìn)行資源信道的選擇.貪婪算法解是在某種意義上的局部最優(yōu)解[5].通過貪婪算法計(jì)算每簇中D2D通信接收端與CU的距離,從而確定該簇的頻率復(fù)用情況[6].例如,找出相距CU最遠(yuǎn)的兩個(gè)DU,使該DU復(fù)用其CU的頻譜資源,之后再從剩余的用戶中找到D2D通信與CU距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)用戶,使DU復(fù)用該CU的頻譜資源.依次類推,每簇中DU資源復(fù)用的情況如圖4,5所示.圖4中連線旁的數(shù)字序號(hào)代表貪婪算法選擇的先后順序.在第一簇D2D通信組中,首先終端du1選擇復(fù)用同頻帶干擾最小的CU(cu1),終端du2再從剩余的CU中選擇同頻帶干擾最小的用戶cu2.同理,在圖5中第二簇D2D通信組中,du7復(fù)用cu2的頻帶資源進(jìn)行D2D通信,du6復(fù)用cu1的頻帶資源進(jìn)行D2D通信.

圖4 第一簇DU資源復(fù)用情況

圖5 第二簇DU資源復(fù)用情況

3 DU和CU速率計(jì)算

將(2)式展開:

(11)

式中

(12)

(13)

式中,Pcui為第i個(gè)CU的發(fā)射功率,hcui表示第i個(gè)CU與基站的信道增益,Pduj為第j個(gè)DU的發(fā)射功率,hduj為第j個(gè)D2D通信對(duì)之間的信道增益,hij為第j個(gè)DU與第i個(gè)CU的信道增益,hdulj表示第l個(gè)D2D通信對(duì)與第j個(gè)D2D通信對(duì)之間的信道增益,N0為高斯白噪聲,xi,j為一個(gè)二進(jìn)制值,若用戶i和用戶j共享相同的頻帶資源,則xi,j=1,否則為0[7].

4 仿真分析與結(jié)果

對(duì)本方案的性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證.(10) 式中的參數(shù)m=2,小區(qū)為單蜂窩小區(qū),其他仿真參數(shù)為:小區(qū)半徑為500m,簇半徑為100m,dkm蜂窩鏈路路徑損耗為:128.1+37.6lgd,D2D通信鏈路路徑損耗為127+30lgd,噪聲頻譜密度為-174dBm/Hz,系統(tǒng)帶寬為5MHz,基站發(fā)送功率為46dBm,CU最大發(fā)送功率為24dBm,DU最大發(fā)送功率為20dBm,N=6,M=6,7,…,15,c=3,D2D通信對(duì)最大距離為40m.

圖6 系統(tǒng)容量對(duì)比圖

將仿真結(jié)果與蜂窩系統(tǒng)中隨機(jī)的資源分配方案的性能方針結(jié)果比較,將兩種方案迭代10次求平均值如圖6所示.從圖6中可以看出,相比于隨機(jī)資源分配的蜂窩通信模式,D2D通信復(fù)用蜂窩系統(tǒng)頻帶資源時(shí),FCM與貪婪算法相結(jié)合的頻帶資源分配方案可有效減少同頻帶用戶之間的干擾,系統(tǒng)的總?cè)萘?總速率)得到相對(duì)提升.

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種結(jié)合FCM分簇算法與貪婪算法的資源分配方案.首先將DU對(duì)按照地理位置及之間的歐式距離進(jìn)行分簇,每一個(gè)D2D通信簇分別復(fù)用相同的頻帶資源集,減小DU對(duì)之間的同頻帶干擾.再經(jīng)過貪婪算法選擇出D2D通信對(duì)CU上行頻帶資源的復(fù)用情況,使得DU對(duì)CU的上行干擾進(jìn)一步的減小.仿真結(jié)果表明,在D2D通信對(duì)數(shù)量相同的情況下,相比于隨機(jī)頻帶資源分配方案,本方案提升了小區(qū)的通信總速率.隨著D2D通信對(duì)數(shù)量的增多,本方案提升系統(tǒng)總速率就越明顯.但本方案需要用戶向基站傳輸基站中用戶的位置信息,用以進(jìn)行分簇和頻帶資源分配,占用了一定的帶寬資源,因此仍有待進(jìn)一步優(yōu)化.

[1] Janis P,Yu C H,Doppler K,et al.Device-to-device communication underlaying cellular communications systems [J].International Journal of Communications Network & System Sciences,2009,2(3):169-178.

[2] 楊敬文,李莉,邱昊.對(duì)稱無線網(wǎng)絡(luò)下干擾對(duì)齊算法的研究 [J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,44(1):32-38.

Yang J W,Li L,Qiu H.Distributed interference alignment iterative algorithms in symmetric wireless network [J].Journal of Shanghai Normal University(Natural Sciences),2015,44(1):32-38.

[3] Sun J,Zhang T,Liang X,et al.Uplink resource allocation in interference limited area for D2D-based underlaying cellular networks [C]//IEEE.IEEE Vehicular Technology Conference,Nanjing:IEEE,2016.

[4] Gu J,Bae S J,Choi B G,et al.Dynamic power control mechanism for interference coordination of device-to-device communication in cellular networks [C]// IEEE.IEEE Third International Conference on Ubiquitous and Future Networks (ICUFN),Dalian:IEEE,2011.

[5] Wang H,Chu X.Distance-constrained resource-sharing criteria for device-to-device communications underlaying cellular networks [J].Electronics Letters,2012,48(9):528-530.

[6] Li Y,Gursoy M C,Velipasalar S.Joint mode selection and resource allocation for D2D communications under queueing constraints [C]// IEEE.IEEE Conference on Computer Communications Workshops,San Francisco:IEEE,2016.

[7] Cai X J,Zheng J,Zhang Y.A Graph-coloring based resource allocation algorithm for D2D communication in cellular networks [J].IEEE International Conference on Communications (ICC),2015,64(8):5429-5434.

(責(zé)任編輯：顧浩然,郁 慧)

Resource allocation based on capacity optimization fordevice-to-device communication

Zhang Zhengyi1, Li Li1*, Luo Hanwen1,2, Wang Lu1

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

To reduce the base station load,spectrum utilization in cellular network is increased by reusing the spectrum that has been used.At the same time,the users that use same spectrum are clustered via using the fuzzy c-means (FCM) algorithm to reduce interference among device-to-device (D2D) users who use the same frequency.Resource allocation is realized by using greedy algorithm to reduce interference between D2D users and cellular users.The simulation result shows that,compared with random clustering and random resource allocation,resource allocation scheme based on the FCM algorithm and greedy algorithm can improve system capacity more effectively.

device-to-device communication; resource allocation; fuzzy c-means algorithm; greedy algorithm

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.007

2016-11-26

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

張正一(1991-)，男，碩士研究生，主要從事LTE系統(tǒng)下D2D通信方面的研究.E-mail：zhangzycn@foxmail.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介: 羅漢文(1949-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事無線通信與個(gè)人通信方面的研究.E-mail：hwluo@sjtu.edu.cn

TN 929.5

A

1000-5137(2017)01-0037-05

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