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，…，CUE_M）、N個閑置用戶（IUE₁，IUE₂，…，IUE_N）、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）。

    D2D通信建立進(jìn)程如圖2所示。

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P_ij，因此，從接收端j的接收功率為本文假設(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d_max，其中d_max<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]。

    (1)候選中繼必須是IUE_S。

    (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：

其中，T_ij是UE_i到UE_j的連接時間。分母是UE_i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B_ij。B_ij代表社交關(guān)系強(qiáng)弱，B_ij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：

其中，P_s，d是D2D對的發(fā)送功率，I_C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IUE_S是固定的，d_s，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：

    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，DUE_S被IUE_S包圍，DUE_S發(fā)送中繼請求，IUE把社交關(guān)系和距離等信息回復(fù)給DUE_S，DUE_S根據(jù)IUE的回復(fù)選擇最優(yōu)中繼UE_R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：

    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UE_R對于DUEs有很高的社交關(guān)系權(quán)重，并且與DUEs和DUE_D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：

    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：

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。

    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d_max下的吞吐量變化情況。

    從圖4中可以看出，基于距離的中繼選擇方案隨著d_max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d_max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)d_max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d_max和高d_max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，d_max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。

    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)B_th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)B_th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)B_th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。

參考文獻(xiàn)

[1] PAN X，WANG H.On the performance analysis and relay algorithm design in social-aware D2D cooperated communications[C].2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference(VTC Spring)，2016：1-5.

[2] IMT-Advanced推進(jìn)組，3GPP項(xiàng)目組.IMT-Advanced D2D(Device-to-Device)技術(shù)白皮書[R].2014.

[3] HASAN M，HOSSAIN E.Distributed resource allocation for relay-aided Device-to-Device communication：A message passing approach[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2014，13(11)：6326-6341.

[4] WEI D，ZHU K，WANG X.Fairness-aware cooperative caching scheme for Mobile Social Networks[C].IEEE International Conference on Communications，IEEE，2014：2484-2489.

[5] WANG F，XU C，SONG L，et al.Energy-efficient resource allocation for Device-to-Device underlay communication[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2014，14(4)：2082-2092.

[6] MA X，YIN R，YU G，et al.A distributed relay selection method for relay assisted Device-to-Device communication system[C].International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications.IEEE，2012：1020-1024.

[7] ZHANG M，CHEN X，ZHANG J.Social-aware relay selection for cooperative networking：An optimal stopping approach[C].IEEE International Conference on Communications.IEEE，2014：2257-2262.

[8] Zhao Ming，Gu Xinyu，Wu Di，et al.A two-stages relay selection and resource allocation joint method for D2D communication system[C].2016 IEEE Wireless Communications and Networking Conference.IEEE，2016：1-6.

[9] ZHAO J，CHAI K，CHEN Y，et al.Two-level game for relay-based throughput enhancement via D2D communications in LTE networks[C].ICC 2016 IEEE International Conference on Communications.IEEE，2016：1-6.

[10] CHEN Z，SU Z，SHAO S.Research on relay selection in device-to-device communications based on maximum capacity[C].International Conference on Information Science，Electronics and Electrical Engineering.IEEE，2014：1429-1434.

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)