伊學(xué)君

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引 言

設(shè)備到設(shè)備（Device-To-Device，D2D）通信作為一種新興的通信方式，允許終端設(shè)備在近距離范圍內(nèi)直接進(jìn)行通信，無(wú)須通過(guò)基站中繼，從而顯著提高通信效率和數(shù)據(jù)傳輸速度。因此，對(duì)D2D 通信技術(shù)的研究具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[1]利用信道模型對(duì)D2D 用戶進(jìn)行分簇，再通過(guò)Stackelberg博弈實(shí)現(xiàn)用戶簇和D2D 用戶的最佳信道匹配，可以解決車輛密集通信場(chǎng)景下通信質(zhì)量差的問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]將D2D 網(wǎng)絡(luò)資源分配問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題，以系統(tǒng)速率最大化為目標(biāo)進(jìn)行多變量耦合資源分配，具有良好的收斂性能。文獻(xiàn)[3]利用加權(quán)二部圖算法進(jìn)行D2D 網(wǎng)絡(luò)中的用戶資源分配，再基于貪婪策略進(jìn)行用戶資源分配重用，可以同時(shí)兼顧用戶資源分配的公平性與質(zhì)量需求。

傳統(tǒng)資源分配方法未充分考慮D2D 設(shè)備的異構(gòu)性，使得資源的均衡與高效分配難以實(shí)現(xiàn)。因此，文章進(jìn)一步研究D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的分布式路由資源分配方法。

1 建立D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)模型

為了深入研究D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的路由資源分配問(wèn)題，建立一個(gè)合適的系統(tǒng)模型[4]。采用分布式系統(tǒng)模型來(lái)描述D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，將D2D通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)抽象為一個(gè)多層次、多類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體如圖1 所示[5]。

圖1 D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)模型

由于設(shè)備節(jié)點(diǎn)具有不同的處理能力、存儲(chǔ)能力以及通信能力，既可以節(jié)點(diǎn)直連通信，也可以多節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)通信。D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)模型可以表示為

式中：U表示D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源分配模型；η1、η2分別表示D2D 用戶的通信速率和通信保密率；ω1、ω2表示權(quán)重系數(shù)。通過(guò)式（1）可以將D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)模型進(jìn)行量化分析，通過(guò)調(diào)整數(shù)據(jù)通信速率η1或者通信保密率η2，可以實(shí)現(xiàn)路由資源的有效利用與公平分配[6]。

2 分布式D2D 系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)現(xiàn)與會(huì)話建立

在D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備發(fā)現(xiàn)與會(huì)話建立是實(shí)現(xiàn)高效通信的關(guān)鍵步驟。設(shè)備發(fā)現(xiàn)是在網(wǎng)絡(luò)中尋找潛在通信伙伴的過(guò)程，是建立有效通信鏈路的前提；而會(huì)話建立是在設(shè)備發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立可靠的通信鏈路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

文章提出一種基于鄰居節(jié)點(diǎn)信息交換的機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)備發(fā)現(xiàn)。在分布式D2D 系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)廣播和監(jiān)聽(tīng)的方式獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，節(jié)點(diǎn)間的通信能力為

式中：λij表示D2D 設(shè)備節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的通信能力；f(Dij)表示與節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間距離Dij相關(guān)的函數(shù)，描述距離對(duì)通信能力的影響；(xi,yi)、(xj,yj)分別表示節(jié)點(diǎn)i和j的坐標(biāo)信息。一般來(lái)說(shuō)，在分布式D2D 系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)根據(jù)自身的通信能力，按照預(yù)定的時(shí)間間隔向周圍發(fā)送廣播消息。這些廣播消息包含節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、位置信息以及通信能力等。同時(shí)，與之相鄰的節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)聽(tīng)周圍節(jié)點(diǎn)的廣播消息，收集鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。通過(guò)這種方式，分布式D2D系統(tǒng)中各個(gè)D2D 設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以快速獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和屬性，為后續(xù)的會(huì)話建立奠定基礎(chǔ)。在設(shè)備發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，文章引入一種自適應(yīng)的會(huì)話建立策略，以適應(yīng)不同類型設(shè)備的通信需求，建立可靠的通信鏈路。通信半徑和通信閾值是2 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，通信半徑?jīng)Q定了節(jié)點(diǎn)能夠與哪些鄰居節(jié)點(diǎn)建立通信鏈路，通信閾值則用于評(píng)估鏈路的可靠性，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式分別為

式中：Ri表示D2D 設(shè)備節(jié)點(diǎn)i的通信半徑；ωi表示節(jié)點(diǎn)i的權(quán)值；Ti表示節(jié)點(diǎn)i的通信閾值；ti表示節(jié)點(diǎn)i的通信閾值系數(shù)；gi表示節(jié)點(diǎn)i的性能指標(biāo)。權(quán)重因子ωi根據(jù)設(shè)備的處理能力、存儲(chǔ)容量和通信能力進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過(guò)這種方式，性能較差的設(shè)備可以獲得更多的通信機(jī)會(huì)，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的公平性和穩(wěn)定性。通過(guò)D2D 設(shè)備發(fā)現(xiàn)與通信鏈路會(huì)話建立，D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以更好地了解可用路由資源和通信條件，有助于實(shí)現(xiàn)更加智能和高效的資源分配。

3 設(shè)備發(fā)現(xiàn)中的路由資源分配

在D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的路由資源分配時(shí)，為了最大化D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率，需要將有限的資源（如子信道和功率）有效分配給D2D用戶，因此引入貪婪算法設(shè)計(jì)一種高效資源分配策略。使用貪婪算法為D2D 用戶分配子信道，該算法可以根據(jù)當(dāng)前信息進(jìn)行局部最優(yōu)決策，以期達(dá)到全局最優(yōu)。具體來(lái)說(shuō)，按照子信道的信道質(zhì)量對(duì)D2D 用戶進(jìn)行排序，優(yōu)先為信道質(zhì)量好的用戶分配子信道，以確保信道資源被高效利用，并最大化D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率。假設(shè)D2D 用戶數(shù)量為N，D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的子信道數(shù)量為M，可以將基于貪婪算法的子信道分配問(wèn)題表示為

式中：ηn表示D2D 用戶n的數(shù)據(jù)傳輸速率；xnm表示每個(gè)子信道被用戶使用的情況，為二進(jìn)制變量。當(dāng)D2D 用戶n使用子信道m(xù)時(shí)，其值為1，否則為0。在子信道分配完成后，根據(jù)每個(gè)用戶的信道質(zhì)量和所需的傳輸速率來(lái)為其分配功率。每個(gè)用戶根據(jù)其信道增益與其所需傳輸速率成正比地分配功率，表達(dá)式為

式中：Pnm表示D2D 用戶n在子信道m(xù)上分配的功率；F(Pn)表示D2D 用戶n最大傳輸功率的取整函數(shù)；gnm表示D2D 用戶n在子信道m(xù)上的信道增益。通過(guò)式（7）的線性功率分配策略可以確保每個(gè)用戶在已分配的子信道上以最大的傳輸速率進(jìn)行通信，進(jìn)而保障D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)在有限的功率資源下最大化用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。這種策略考慮了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的D2D 設(shè)備差異和動(dòng)態(tài)變化，能夠自適應(yīng)地調(diào)整路由資源分配，以最大化D2D 用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真設(shè)置

為了評(píng)估文章所提D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)分布式路由資源分配方法的性能，設(shè)計(jì)以下仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)?；贛ATLAB 仿真平臺(tái)，模擬一個(gè)包含多種類型設(shè)備的D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)設(shè)置

本次仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)共設(shè)定了3 種路由資源分配方案作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象：方案一采用文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行D2D 路由資源分配；方案二基于文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行D2D 路由資源分配；方案三采用文章設(shè)計(jì)的分布式路由資源分配方法進(jìn)行仿真D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的資源分配。

4.2 結(jié)果分析

采用D2D 用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸速率指標(biāo)來(lái)衡量不同方法在進(jìn)行D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)路由資源分配的性能表現(xiàn)，具體如圖2 所示。

圖2 D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)路由資源分配結(jié)果對(duì)比

從圖2 可以看出，隨著D2D 用戶數(shù)量的增加，3種資源分配方案的D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率均呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。文章設(shè)計(jì)方法的D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率最高，且增長(zhǎng)最快。這是因?yàn)槲恼略O(shè)計(jì)的分布式分配方法能夠根據(jù)D2D 用戶需求和信道狀態(tài)動(dòng)態(tài)分配資源，在這種策略下，每個(gè)D2D 用戶都能獲得一定的通信資源，從而分散網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，避免過(guò)度的集中和擁塞。因此，隨著用戶數(shù)量的增加，D2D用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率能夠保持較高的增長(zhǎng)速度。通過(guò)本次仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了文章設(shè)計(jì)方法在提升不同D2D 用戶數(shù)量下的D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率方面的優(yōu)越性。

5 結(jié) 論

在D2D 通信復(fù)用異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，分布式路由資源分配方法是一種有效的策略，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和用戶需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)的資源優(yōu)化。通過(guò)開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法在提高D2D 用戶之間數(shù)據(jù)傳輸速率方面的優(yōu)勢(shì)。然而，該方法仍存在一些不足之處，如對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的需求可能導(dǎo)致隱私和安全問(wèn)題。未來(lái)研究可考慮結(jié)合其他技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化資源分配和提高網(wǎng)絡(luò)性能。