《電子技術(shù)應(yīng)用》
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D2D通信系統(tǒng)中中繼輔助的資源分配算法研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
李同會1,段紅光1,2,唐 虹1,劉夢露1
1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶400065;2.重慶郵電大學(xué) 新一代寬帶移動通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065
摘要: 在D2D(Device-to-Device)通信中引入中繼節(jié)點(diǎn)可以延伸蜂窩覆蓋范圍,提高系統(tǒng)性能。在中繼輔助的D2D通信中,中繼節(jié)點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵。提出了一種中繼輔助的資源分配算法,討論了中繼節(jié)點(diǎn)的選擇問題,同時根據(jù)社交關(guān)系因素和距離因素來選擇最優(yōu)中繼。該方案保證了通信鏈路的QoS(Quality of Service),并且使得系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大。仿真結(jié)果表明,距離和社交關(guān)系因素都對D2D通信產(chǎn)生很大影響,同時考慮兩個因素比單純考慮社交關(guān)系因素或者距離因素性能提高很多。
中圖分類號: TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170472
中文引用格式: 李同會,段紅光,唐虹,等. D2D通信系統(tǒng)中中繼輔助的資源分配算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(10):89-93.
英文引用格式: Li Tonghui,Duan Hongguang,Tang Hong,et al. A relay-aided resource allocation algorithm for D2D communication system[J].Application of Electronic Technique,2017,43(10):89-93.
A relay-aided resource allocation algorithm for D2D communication system
Li Tonghui1,Duan Hongguang1,2,Tang Hong1,Liu Menglu1
1.School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065,China; 2.Key Lab of New Generation Broadband Mobile Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065,China
Abstract: Introducing the relay nodes in D2D(Device-to-Device) communication can extend the range of cellular coverage and improve the system performance. The selection of relay nodes is the key point in relay-assisted D2D communication. In this paper, a relay-assisted resource allocation algorithm is proposed. The selection of relay nodes is discussed, and the optimal relay nodes is considered both social relation factors and distance factors. This scheme guarantees the QoS(Quality of Service)of the communication link and maximizes the system throughput. The simulation results show that both distance and social factors have great influence on D2D communication, and considering the two factors are much better than only considering the social factors or distance factors.
Key words : relay node;relay-aided;social relation;distance

0 引言

    D2D通信是指在LTE系統(tǒng)控制下,物理距離較近的兩終端之間不經(jīng)過基站(BS)中繼而直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù),從而減輕基站負(fù)載,減少終端與基站之間的路徑損耗,減少端到端的時延,尤其是使小區(qū)邊緣用戶通信質(zhì)量得到很大改善,提高小區(qū)覆蓋率[1-3]。D2D通信的一個主要問題是干擾問題,即蜂窩用戶對D2D用戶產(chǎn)生的干擾以及D2D用戶對蜂窩用戶的干擾[4-5]

    對于D2D通信產(chǎn)生的干擾問題,中繼輔助通信是一個有效的方法。怎么從候選中繼中選擇一個最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)是中繼輔助D2D通信的一個主要問題。文獻(xiàn)[6]提出了一種分布式的中繼選擇算法。該方法首先協(xié)調(diào)蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾,消除相應(yīng)的不合理中繼節(jié)點(diǎn),然后在候選中繼中用分布式方法來選擇最優(yōu)中繼。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于社交關(guān)系的中繼選擇方案,考慮候選中繼與D2D用戶之間的社交關(guān)系選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]提出了一種兩步策略中繼選擇和資源分配的聯(lián)合方案,第一步?jīng)Q定候選中繼范圍,第二步用該中繼選擇方案選出最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]調(diào)查了小區(qū)邊緣用戶的中繼節(jié)點(diǎn)選擇的問題,提出一種雙層博弈模型來找到最優(yōu)中繼。文獻(xiàn)[10]提出一種最大化D2D中繼鏈路容量,并且保證蜂窩用戶QoS的中繼選擇方法。

    本文集中于社交網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶和與其鄰近的閑置用戶之間的社交關(guān)系,充分利用基站具有的提高通信質(zhì)量、協(xié)調(diào)用戶之間的通信的功能來記錄所需要的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,提出了一種中繼輔助的資源分配算法,同時考慮了社交關(guān)系和距離來選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。在社交網(wǎng)絡(luò)中的閑置用戶根據(jù)與D2D用戶之間的社交關(guān)系來選擇是否為D2D用戶傳輸數(shù)據(jù)以及傳輸多大的功率。

1 系統(tǒng)模型

    本文考慮的是小區(qū)邊緣用戶進(jìn)行通信的場景。如圖1所示,小區(qū)中有一個基站、M個蜂窩用戶(CUE1,CUE2,…,CUEM)、N個閑置用戶(IUE1,IUE2,…,IUEN)、K個D2D對。M個蜂窩用戶通過M個不同的信道與基站進(jìn)行通信。D2D源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)到D2D目的節(jié)點(diǎn)都可以復(fù)用蜂窩用戶頻譜資源,此處沒有多余的頻譜資源單獨(dú)分配給D2D通信。本文假設(shè)一個D2D鏈路(源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路或者中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路)可以復(fù)用一個蜂窩用戶信道資源,不同的D2D鏈路將會選擇不同的蜂窩用戶,因此不同的D2D鏈路將會復(fù)用不同的頻譜資源(本文假設(shè)復(fù)用的資源為上行鏈路資源)。

tx1-t1.gif

tx1-gs1-3.gif

    tx1-gs4.gif

    D2D通信建立進(jìn)程如圖2所示。

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2 社交關(guān)系

2.1 候選中繼選擇

    考慮單小區(qū)邊緣用戶進(jìn)行D2D通信,小區(qū)中有蜂窩用戶(CUES)、閑置用戶(IUES)以及D2D用戶(DUES)。假設(shè)D2D對復(fù)用同小區(qū)蜂窩用戶的上行鏈路資源,當(dāng)D2D對不滿足直接通信要求時,IUE將會作為中繼輔助通信。因?yàn)椴煌腄2D對復(fù)用不同的蜂窩用戶資源,所以D2D對間不會產(chǎn)生干擾,本文只考慮蜂窩用戶的干擾。

    截取小區(qū)邊緣D2D用戶通信模型如圖3所示。假設(shè)CUE的位置以及發(fā)送功率是固定的,D2D發(fā)送端到接收端的距離為L。信道只考慮路徑損耗,路徑損耗和距離L是成比例的,路徑損耗系數(shù)為α,發(fā)送端i的發(fā)送功率為Pij,因此,從接收端j的接收功率為tx1-t3-s1.gif本文假設(shè)中繼選擇區(qū)域是以D2D發(fā)送端為圓心、以R為半徑的圓,假設(shè)最大半徑R為dmax,其中dmax<L。本文把該圓形區(qū)域分為圖3所示的4個區(qū)域,候選中繼用戶必須遵循以下兩個標(biāo)準(zhǔn),從兩個標(biāo)準(zhǔn)中可以確定候選中繼的范圍[8]

tx1-t3.gif

    (1)候選中繼必須是IUES

    (2)為了保證D2D鏈路質(zhì)量,中繼節(jié)點(diǎn)不能遠(yuǎn)離D2D源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn),因此候選中繼區(qū)域必須在D2D源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所在線段為邊界的區(qū)域內(nèi),圖3所示為區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ中。

2.2 社交關(guān)系

    本文考慮社交關(guān)系權(quán)重如下式所示:

    tx1-gs5.gif

其中,Tij是UEi到UEj的連接時間。分母是UEi到其他IUES總共的連接時間。假設(shè)基站將會跟蹤聯(lián)系用戶,可以計算出Bij。Bij代表社交關(guān)系強(qiáng)弱,Bij為0~1之間的值,值越大,社交關(guān)系越強(qiáng),反之越弱。和帕累托(Pareto)分布一樣,社交關(guān)系強(qiáng)度在大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都是很弱的,只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的社交關(guān)系。在下文中可以看到,社交關(guān)系對于中繼輔助D2D通信有重大影響[1]

    上文已經(jīng)討論了D2D用戶進(jìn)行通信可以直接建立通信,也可以通過中繼進(jìn)行通信。

    從S到D的直接通信傳輸SINR為:

    tx1-gs6.gif

其中,Ps,d是D2D對的發(fā)送功率,IC是蜂窩用戶對D2D接收端產(chǎn)生的干擾,N0是高斯白噪聲功率。本文假設(shè)基站BS和閑置用戶IUES是固定的,ds,d是D2D發(fā)送端到接收端的距離,B是信道帶寬。因此,S和D之間的直接通信數(shù)據(jù)速率為:

    tx1-gs7.gif

    對于中繼輔助D2D合作通信,采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)(DF)中繼方案。如圖3所示,DUES被IUES包圍,DUES發(fā)送中繼請求,IUE把社交關(guān)系和距離等信息回復(fù)給DUES,DUES根據(jù)IUE的回復(fù)選擇最優(yōu)中繼UER進(jìn)行D2D合作通信,中繼用戶R的功率是一個和社交關(guān)系相關(guān)的正線性函數(shù),即具有較強(qiáng)社交關(guān)系會激勵中繼發(fā)送更大的功率來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸:

tx1-gs8-10.gif

    從方程(10)中可以看到,不管是距離還是社交關(guān)系在合作通信中都起了關(guān)鍵作用。顯然,最優(yōu)中繼UER對于DUEs有很高的社交關(guān)系權(quán)重,并且與DUEs和DUED距離都較短。需要在最優(yōu)中繼的選擇與中繼探測上的花費(fèi)中選取一個折中處理。假設(shè)D2D通信的傳輸時間為T,探測每個候選中繼的時間為τ,經(jīng)過n次探測之后,選擇到最優(yōu)中繼進(jìn)行D2D合作通信。

    經(jīng)過中繼探測后有效的吞吐量為:

     tx1-gs11-15.gif

    約束式(13)和式(14)表示中繼輔助D2D通信每一跳的SINR需大于D2D通信SINR門限,式(15)表示需要保證蜂窩通信的最小SINR。更多的約束將在第3節(jié)中介紹。

3 中繼算法設(shè)計

    在本節(jié)中,提出一種同時考慮距離和社交關(guān)系的中繼選擇方案。

    基于距離和社交關(guān)系的中繼算法:

     tx1-4-s1.gif

4 仿真結(jié)果與分析

    本節(jié)對D2D合作通信的吞吐量進(jìn)行了數(shù)值仿真,得到吞吐量隨著距離和社交關(guān)系門限改變的仿真圖。在仿真中,以帕累托分布為模型衡量用戶間的社交關(guān)系。主要參數(shù)如表1所示。

tx1-b1.gif

    圖4描述了基于距離的中繼選擇方案和本文提出的中繼選擇方案在不同dmax下的吞吐量變化情況。

tx1-t4.gif

    從圖4中可以看出,基于距離的中繼選擇方案隨著dmax的增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當(dāng)距離很小時,中繼選擇區(qū)域小,閑置用戶少,難以找到高容量中繼,導(dǎo)致了吞吐量低。隨著dmax的增加,更多的閑置用戶可以利用,可以選擇更高速率的中繼用戶,吞吐量增大。當(dāng)dmax變得太大時,會花費(fèi)大量的時間在探測過程中,有效的傳輸時間會變短。本文提出的方案和基于距離的方案有相同的趨勢。不同的是,在低dmax和高dmax時,只是輕微降低了吞吐量。這是因?yàn)樵谏缃魂P(guān)系的約束下會有效減少不合適的閑置用戶,減少探測時間,從而提高傳輸速率時間。從圖中可以看出,dmax取值為125 m~150 m時得到最大吞吐量。

    圖5描述了基于社交關(guān)系的中繼選擇方案和本文提出的中繼選擇方案在不同Bth下吞吐量的變化情況。

tx1-t5.gif

    從圖5中可以看出,如果只考慮社交關(guān)系因素為選擇最優(yōu)中繼的標(biāo)準(zhǔn),即使選擇了最高的社交關(guān)系的閑置用戶為最優(yōu)中繼中繼,吞吐量仍然比較低。盡管吞吐量在增加,但是依然遠(yuǎn)小于本文提出的中繼選擇方案,因?yàn)楦呱缃魂P(guān)系的用戶有可能遠(yuǎn)離D2D發(fā)送端。從圖中可以看出,本文提出的方案先增后減,當(dāng)Bth太小時,花費(fèi)了很多時間去探測中繼,從而使傳輸時間降低;當(dāng)Bth太大時,吞吐量減少是因?yàn)樘叩纳缃魂P(guān)系約束使?jié)撛诘闹欣^數(shù)量減少,很難找到具有高速率的最優(yōu)中繼。但是因?yàn)楸痉桨竿瑫r考慮了距離因素,相比于基于社交關(guān)系的方案仍然有很高的吞吐量。從圖中可以看出,當(dāng)Bth取值為0.1時得到最大吞吐量。

5 結(jié)束語

    本文分析了關(guān)于社交關(guān)系的中繼輔助D2D通信的性能。同時考慮了社交關(guān)系因素和距離因素來選擇最優(yōu)中繼。仿真結(jié)果表明,距離和社交因素對D2D通信有很大影響,比單純考慮社交因素或者距離因素,性能提高很多。本文還指出中繼選擇區(qū)域不應(yīng)該過大或者過小,必須足夠大來保證探測到較強(qiáng)社交關(guān)系的閑置用戶,但是又不能花過多的時間在探測過程中,需要確保有效傳輸時間。

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作者信息:

李同會1,段紅光1,2,唐  虹1,劉夢露1

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶400065;2.重慶郵電大學(xué) 新一代寬帶移動通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065)

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