终端直通技术中通信系统模式的研究

芦 旭，郭 伟，杨 莹

（①中国科学院国家授时中心，陕西 西安 710600；②中国科学院研究生院，北京 100039）

0 引言

随着移动通信的发展，用户通信需求的不断增加，5 GHz以下的带宽分配已经十分拥挤，预计到2020年，无线通信的带宽需求将在1 200 MHz到1 700 MHz之间，分配的带宽资源已满足不了无线通信发展的需求。新一代移动通信迫切需要新新技术能够在不增加频谱资源要求的前提下提高通信速率[1]。为突破频谱资源对通信系统的束缚，这篇文章面向IMT-Advance[2]后续演进，研究终端间直通技术。D2D通信可以与小区用户共享资源来提高频谱[3]的利用率。此外，它还能减轻蜂窝网络的负担、减少移动终端的电池功耗、增加比特速率、提高网络基础设施故障的鲁棒性等，还能支持新型的小范围点对点数据服务。

D2D技术相比于传统的蜂窝通信模式不需要通过基站中转，因此减少了和基站通信的负担，并节省了所占用的通信资源，D2D用户还可以与蜂窝网用户使用相同的频谱资源，使得通信速率和频谱效率获得大幅提高。基于D2D技术，终端辅助的协作中继通信，能进一步提高通信的质量。因此，对于D2D技术的研究能大幅提高通信的效率。这对于通信技术的发展具有非常重要的意义，也为中国通信产业在国际上的地位奠定坚实基础[4]。

1 D2D系统结构

图1研究小区内D2D方案，考虑只有1个小区的情况，D2D系统结构如图1所示。其中，小区中心基站（BS，Base Station），小区内的用户（UE，User Equipment）。UE1是与蜂窝基站通信的用户，UE2和UE3组成一条D2D链路，他们可以在基站的协调下直接通信。D2D与蜂窝网用户使了相同的网络资源。

图1 D2D通信系统结构

在D2D系统结构中，选择不同的模式，并研究各个模式下的系统性能表现，最终确立一种最优的模式，并进行的大量仿真工作将验证提出的模式选择机制。

2 D2D系统可选择的模式

从资源分配和信道条件等角度，制定不同的模式选择机制，这篇文章研究具体包括：①D2D通信中所使用的频谱资源，可来自自己专用、与蜂窝通信复用等不同方式。从资源复用的角度出发，为D2D与蜂窝通信混合网络构造优化的资源分配模式；②通信设备选择蜂窝模式或是D2D模式，2种模式如何进行切换、效率如何等是此文需要解决的问题[5]；③需要制定高效的模式优化算法，以满足无线通信系统高性能高速度的要求。

3 实施方案及可行性

在通信系统中，采用蜂窝与D2D这2种工作模式[6]，无疑需要极为复杂的算法支持。从频谱资源、功率控制等角度，可以考虑不同的通信模式，从而保证通信效率。在图1这样一个单小区的通信系统中，设备UE1和UE2采用D2D模式工作，另一个设备UE3用小区网络通信。基站内拥有用来为D2D用户和小区用户提供最佳的资源分配的频率状态信息。为了使期望吞吐量最大化，这些信息还起到协调传输功率的作用。图2展示了设备与基站、设备与设备之间的信干连接[7]。

3.1 单小区的最佳模式选择算法

从资源分配的角度考虑，D2D通信模式可分为2种：①在D2D由基站通信，并共享了一半的资源。此时的模式是蜂窝模式；②在D2D直接通信的时候，与小区通信共享同一资源。此时的模式是复用模式。

D2D通信共享了小区通信的资源，通过为小区链路和D2D链路优化传输功率提升系统的运行状态。文献[3]给出了通过D2D复用蜂窝上行链路资源时，最优的模式选择仿真结果。当小区用户和D2D用户接近时，会引起强烈的干扰，此时D2D模式最适宜。当小区用户靠近小区边界时就不可以用D2D模式通信了。

文献[3]同时对小区通信和D2D通信的总比率进行了分析。当进行D2D 通信的设备距离基站较远时，选择复用小区资源对它来说更好，因为此时基站和D2D 通信设备之间的干扰很小。当D2D 通信设备离基站较近时，当UE2 的匹配D2D用户随机分布在以距离为半径的圆形区域内，距离很小时复用资源会带来总比率增益。对于一个短D2D 链路来说，D2D 的传输功率就很小，这样可以提升小区通信的品质[8]。

图2 设备与基站，设备与设备之间的通信链接

3.2 考虑进干扰状况和可用的小区网络的模式选择

在大多数情况下，基站会根据D2D通信设备的传输功率限制和D2D用户使用D2D模式时所用的资源，对基站进行排序。当D2D通信设备接受了专用资源时传输功率会相对高，因为没有小区内的通信被干扰。允许的最大D2D传输功率也不一样，这取决于直接通信模式中选择了上行链路还是下行链路。在大多数情况下下行链路中的D2D传输会比上行链路的低。在单小区的模式选择中发现，简单的就给D2D设备分配D2D资源不能有效的开发潜在的比率增益；另一方面，总是复用小区资源会导致小区和D2D用户的断供。因此，理想的选择算法应该考虑进D2D链路的品质，来自和传向小区用户的干扰以及D2D通信时小区链路的连接品质。表1{4}就给出了不同模式下小区和D2D的平均吞吐量。

表1 小区和D2D 在推荐的选择模式下的平均吞吐量

从表1的数据可以看出，D2D 通信对卸载本地的网络负载很有帮助。强迫所有的D2D 终端去和小区通信复用相同的资源这种简单的模式选择策略，得到了一个较高的小区吞吐量，但是D2D 通信终端中51%的都是接近零吞吐量。若用为所有的指定D2D用户分配指定的资源的方法来代替这种方法的话，仍然有37%的D2D 对的吞吐量接近零。因为推荐的算法，吞吐量低于100 kb/s的D2D对的数量会降低到17%。这里D2D对之间的距离可以高于50 m。文献[3]给出的结论提到:在上行链路里,除了距离限制UE传输功率的基站很近的情况外,重用小区资源是占优势的.同理在下行链路离基站很近时,不重用小区资源，但是更多的会选择D2D模式。结果显示,这个模式选择算法确保了一个在对小区网络有有限干扰下的可靠的D2D通信。

分析结果表明，选择通信模式的算法需要进行精心设计，以防止系统性能恶化。根据研究结果，影响D2D工作状况的主要因素是本地通信的概率，通信设备间的最大距离，还有所选择的模式[9]。由于支持D2D通信的系统中，最棘手的问题之一是通信设备究竟应该选择蜂窝模式还是直通模式，而其目标是使系统具有最优的性能[10]，所以对不同通信模式下的系统性能仿真是及其必要的。考虑2种不同的模式选择标准：①蜂窝模式: 所有设备处于蜂窝通信模式；②D2D模式: 所有设备选择D2D通信模式。

图3是D2D通信系统中2个用户之间的距离为5 m时，蜂窝系统和D2D系统的容量分布曲线。通过仿真可以看出，当两用户之间的距离较近时，直通模式能够用于用户通信的容量均优于蜂窝通信模式。

图3 不同模式下以D2D为底层的通信系统容量分布

4 结语

综上所述得出的结论是在D2D通信系统中对于短距离通信选择直通模式能满足无线通信系统高性能高速度的要求。但是在远距离通信上直通模式的性能是否能够满足通信系统的要求还有待于进一步的研究。

[1] 崔鹏，陈力.D2D 技术在LTE- A系统中的应用[J].现代电信科技,2011(02):1-3.

[2] 李志欣.IMT-Advanced信道建模探讨[J].通信技术，2011,44(10)：1-2.

[3] 杨宗林，刘梅. 第四代移动通信系统中的OFDM技术[J].通信技术，2007,40(11)：1.

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[5] 3GPP TR 36.814 v9.0.0. Further Advancements for EUTRA Physical Layer Aspects（Release 9）[S].USA:3GPP,2010.

[6] DOPPLER K, RINNE M, WIJTING C, et al. Device-to-Device Communicationas an Underlay to LTE-advanced Networks[J]. IEEE,in Communications Magazine,2009(47):42-49.

[7] HAKOLA S,CHEN Tao, LEHTOM J, et al.Device-to-Device(D2D) Communication in CellularNetwork -Performance Analysis of Optimum and Practical Communication Mode Selection[C].USA:IEEE，2010：1-2.

[8] XU Shaoyi, WANG Haiming,CHEN Tao, et al.Effective Interference Cancellation Scheme for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks[C].USA:IEEE Communications Society,2010：2-3.

[9] MIN H, SEO W, LEE J,et al. Reliability Improvement Using Receive Mode Selection in the Device-to-Device Uplink Period Underlaying Cellular Networks[C].USA: IEEE，2011：1-2.

[10] ZULHASNINE M, HUANG Changcheng, SRINIVASAN.Efficient Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network[C].USA:IEEE,2010：2-3.