基于用户分组的D2D通信资源分配方案

员陈军, 王晓湘, 王冬宇

（北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室,北京 100876）

0 引言

下一代宽带蜂窝移动通信系统中以基站为中心的通信方式存在局限性,系统仍存在覆盖和容量等方面的问题。研究表明D2D通信技术在节省资源、减小干扰和提升传输效率等多方面有巨大优势。因此D2D通信技术成为近几年业界研究的热点[1-3]。OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）的接入模式作为一种高速数据接入的模式,被LTE系统所采用。因此,假设该混合网络中的UE,包括蜂窝模式和D2D模式,均采用相同参数的OFDMA接入方式,以便于资源的充分利用[4-5]。在参考文献[6]中,采取将特定的资源分配给D2D通信的方式。用分配特定资源方式来代替与蜂窝通信共享资源方式的优点是:D2D通信不会干扰蜂窝通信,反过来蜂窝通信也不会干扰D2D通信,所得结果是系统变得更简单了。但是这种方案的负面影响是:蜂窝通信会话期间的效率并没有增加,蜂窝链路的通信时隙仍只被一条蜂窝链路所占用。在参考文献[7]中,D2D通信共享蜂窝链路的频谱。在这种情况下,D2D链路会扰乱正常的蜂窝通信,同时蜂窝通信也将会对处于接收状态的D2D节点造成干扰,特别是当BS发送信号给靠近小区边缘的节点,同时D2D接收机又位于靠近BS的位置时。它的优点是可为D2D通信提供更多的可用带宽,是频谱利用率得到大幅度的增加。

D2D用户复用蜂窝小区用户资源时,可以利用功率控制来减少用户组间的干扰。然而,随着小区频率复用因子越来越高,相同频带的相邻用户组之间的干扰就越来越严重,甚至会导致小区性能的严重衰减。因此需要对相邻用户组间进行干扰协调。

若D2D通信分配到正交的信道资源时,它不会对原来的蜂窝网络中的通信造成影响。若D2D通信被分配到非正交的信道资源时,D2D通信将会对蜂窝链路中的接收端造成干扰。所以,在通信负载较小的网络中,可以为D2D通信分配多余的正交的资源,这样显然可以取得更好的网络总体性能。但是,由于蜂窝网络中的资源有限,考虑到通信业务对频率带宽的要求越来越高,而采用非正交资源共享的方式可以使网络有更高的资源利用效率。这也是在蜂窝网络中应用D2D通信的主要目的。

文中在D2D用户组与小区用户组之间,利用用户组间协调资源分配方案能够有效的减少用户组间的干扰IUI。在参考文献[8-9]中,介绍了3种资源分配方案:

非正交共享模式（NOS）:D2D用户和小区用户复用相同的资源,彼此之间会产生干扰,可以通过基站对两条链路进行干扰协调。

正交共享模式（OS）:D2D通信被分到一部分特定的小区资源,剩下的小区资源分配给普通的小区用户,因此小区用户通信和D2D通信之间不存在干扰。分配给小区用户通信和D2D用户通信的资源需要进进行一步优化。

蜂窝小区模式（CM）:D2D用户之间通过基站彼此进行通信,基站被看做是中继节点。分配给每一个用户的资源需要进行进一步优化。注意:这种模式的D2D通信在概念上与传统蜂窝小区通信是相同的。

文中提出一种解决D2D用户组间干扰问题的新方案,这种方案能够使D2D用户组在不同的情况下对NOS和OS这两种共享方案进行结合。首先,在地理位置上相邻的小区边缘D2D用户被分成一个组,称它为D2D用户组（DG）,给这个DG分配小区部分正交资源,未分配的资源分配给蜂窝小区用户,称它为小区用户组（CG）。因此,当DG处于轻负载工作时,D2D用户利用预先分配的部分正交资源通信,提出的方案能够有效的避免用户组间的干扰;随着DG链路负载的增加,预先分配的部分正交资源不能满足DG现有的通信时,即DG处于满链路负载状态,DG采用用户组间协商的方式复用CG的频率资源,以避免小区的阻塞率,使更多的用户得到小区服务。因此,该方案能够根据链路负载的大小进行自适应,有效地降低用户组间的干扰,提高小区吞吐量,降低小区阻塞率。

1 系统模型

在多用户组的OFDMA系统中,D2D共享蜂窝小区的采用下行信道资源。小区边缘地区,地理位置相邻较近的用户采用D2D方式实现通信。小区边缘D2D通信模式的用户分组如图1所示。把 N个子载波中的一个子载波称为频域的基本资源单位。采用AMC来满足不同传输数据的速率要求,相同信道的所有子载波采用相同的MCS等级。假设D2D用户的数据服务采用排队的方式,那么对D2D用户的资源分配在时域表现为用户到用户的循环使用。

图1 小区边缘D2D通信用户分组模型

2 提出的资源分配方案

考虑到OS和NOS现有的优点和缺点,针对DG提出了一种新奇

的资源分配方案。该方案分为两步:第一步,小区用户分组;第二步,分配子载波序列。第一步定义资源分配的基本单元,第二步定义为DG分配的子载波序列。

2.1 小区用户分组

在OFDMA系统中,小区边缘的D2D用户进行通信,发起会话过程的细节如图2所示。

假设用户k需要对用户j发起D2D会话,那么用户k首先需要给它的服务基站发送会话发起请求信息。一旦服务基站收到该请求信息,它要求用户 k和用户j返回D2D通信的可行性分析和可利用资源的测量结果。然后,用户k和用户j返回基站要求的测量结果,基站根据用户返回的信息估计D2D通信在对应频率资源中的传输速率。如果基站判断用户k和用户j之间的D2D通信比传统的基站作为中继的通信方式能够实现更高的数据传输速率,那么在用户k和用户j之间建立新的D2D通信会话。用户k和用户j称为一对D2D用户对,地理位置相邻的D2D用户对被分在一组,组成DG。

图2 D2D发起过程

2.2 分配子载波序列

DG子信道的获得分为两步:OBTAIN OS和OBTAIN NOS。

OBTAIN OS:起初,小区资源的全部子信道被分为两部分子信道序列集,分别记作F1和F2:

其中 fi为第i条子信道（i=1,2,…,M）,M为小区资源子信道总数目,N为DG拥有的子信道数目,即F1的信道资源被分配给DG,CG只允许接入F2进行通信。如图1所以,DG预先分配的子信道并不与CG分配的子信道重叠。当DG处于轻链路负载时,DG中的用户能够以设备允许的最大传输速率和MCS等级直接接入F1进行通信,DG并不会对C产生干扰。

OBTAIN NOS:当处于过链路负载状态的DG用完小区资源分配初始阶段预先分配的子信道资源时,仍有部分DG中用户需要通信。这时,DG将对CG发起子信道资源的借用请求信息,借用请求信息中包含DG中用户与任意DG中其他用户进行D2D通信时的最小传输功率P。

如果CG中有空闲的子信道资源,那么CG直接返回ACK,宣布可以借用子信道资源。然后,基站分配CG中的空闲子信道资源给DG。DG以接入F1时一样的功率和MCS等级接入该子信道。如果CG没有空闲的子信道资源,那么CG返回NACK,如图3所示。

如果CG并没有空闲的子信道资源,基站将会随机的选择F2中的子信道i给DG中的用户进行通信。这时CG中正在使用子信道i进行通信的用户i将会得到一个新的SINR:

PLi和SLi分别表示用户i和其服务基站之间的路径损耗和阴影损耗,SNRi为分配给用户i的子信道的信噪比,P为DG中D2D用户与其它用户通信时所需的最小发送功率,PL0为用户i与DG间的路径损耗。因此,DG对子信道i产生的干扰为（P-PL0）。

用户i利用接收到的信息估计受到DG干扰时的SINR,进而决定能否用更低的MCS等级来维持当前服务。若低MCS等级不能满足当前服务的要求,则返回NACK拒绝接入请求,基站将重新选择、计算和决定其它子信道为DG服务;否则,CG返回ACK声明协调成功,基站为DG分配子信道 i,如图4所示。

因此,可以根据链路负载动态地进行资源分配的调节,从而最大化频谱利用率。尽管共享非正交资源不如共享正交资源那样能够给小区带来更多的吞吐量,但是共享非正交资源能够有效的降低阻塞率。DG中,一部分通信用户接入正交资源,另一部分通信接入非正交资源,这种资源分配方案能够在小区吞吐量和小区阻塞率之间得到一种折中。

图3 简单的借用过程

图4 子信道的分配、重选过程

3 仿真结果分析

首先给出系统仿真的参数,主要的仿真参数如表1所示,并对前面提出的新的资源分配方案进行仿真。仿真场景如下:仿真取单个蜂窝用户,给定蜂窝用户的空间位置以及发送功率等相关参数。在不同地理位置上放置单个D2D用户,DG的传统资源共享模式是NOS,根据地理位置分布情况将用户分为CG和DG用户,位于整个小区覆盖区域外围1/20范围的用户定义为小区边缘DG用户,其他用户定义为CG用户。假设用户均匀分布在整个区域,分配1/40的子信道资源给DG用户。每个活跃用户只允许分配一个子信道,因此,用活跃用户的数量除以所有子信道的数量,即可很容易的得到DG链路负载比例。分配子信道时,在所有可用子信道中随机选择一个进行分配,同时,在组水平的资源分配中引入轮流调度的方式进行用户的调度。

表1 仿真参数

图5 不同SIN R下累积相对频率变化的规律

图6 不同DG链路负载情况下用户阻塞率变化的规律

仿真结果如下:文中提出的方案所得出用户的SINRs与累计相对频率的关系如图5中所示。所有用户的SINR均分布在-15.8dB和25.3dB之间。由于LTE系统中的编码调制方案不支持SINR低于-10dB的用户通信过程[10],因此在传统共享模式的资源分配方案中,将有20%的用户不能正常通信。然而,在提出的资源分配方案中,用户的最低SINR为-9.1dB,所有用户均可以与其它用户正常通信。另外,相比传统共享模式的资源分配方案,文中提出的方案中,所有用户的SINR平均提高8dB,提高了小区的整体性能。

图6展示了在文中提出的方案和传统方案中,小区用户阻塞率随着DG链路负载增加的变化关系。随着DG链路通信量的增加,提出的方案能大幅度降低小区用户的阻塞概率。在满链路负载状态下,提出的方案与传统方案相比,小区用户的阻塞率降低了约20%。仿真结果表明利用动态资源分配算法和用户间组IUIC协调方案能够给显著的系统性能,并能够根据DG链路负载情况实现子信道的有效分配。

4 结束论

D2D通信能够提高移动网络的频谱利用效率,并且能够提升空中接口的容量,但是与蜂窝用户共享无线资源时会造成传统蜂窝用户组和D2D用户组之间产生有害干扰。为了有效的解决这一问题,提出一种解决D2D用户组间干扰问题的新方案,该方案同时分配正交资源和非正交资源给DG,在减小IUI的同时,最大化频谱利用率。仿真结果表明该方案在使用相同资源同时操作时,频谱效率能够得到尤为明显的提高,并且当链路处于满负载状态时能够有效减小小区用户的阻塞概率,从而提高整个系统的吞吐量。

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