基于分区和干扰限制区域的多小区D2D资源分配策略*

［凌亚 张勇 庄园］



基于分区和干扰限制区域的多小区D2D资源分配策略*

［凌亚 张勇 庄园］

摘要

在蜂窝网络与D2D(Device-to-Device，终端与终端直接的信息传输)网络构成的混合网络中，针对多小区建立D2D通信链路后，存在由于距离较远等其他因素导致通信链路质量不佳的情况，建立新的D2D中继两跳链路，针对引入中继后小区内与小区间的干扰问题，提出一种新颖的资源分配策略，首先对小区进行分区，选择合适的可复用区域，然后对分区后可能存在的几种情况进一步分析，提出基站协作机制和干扰受限区域对其进行解决。仿真结果表明，引入中继后可提高通信链路的速率，且提出的资源分配策略有效提高了系统吞吐量，提升了系统性能。

关键词：干扰 资源分配 分区 干扰限制区域

凌亚

重庆邮电大学 通信新技术应用研究中心。

张勇

重庆邮电大学 通信新技术应用研究中心，重庆信科设计有限公司。

庄园

重庆邮电大学 通信新技术应用研究中心。

0 引言

随着各种移动通信系统的演进，分配的带宽资源或许将无法满足无线通信发展的需求。为了提升蜂窝网络的性能，满足用户对速率的要求，提高频谱利用率的相关技术成为近几年研究的热点，而可直接在现网中升级而来的D2D技术更是受到大家的关注。但是由于D2D终端直接通信可能会因为距离等其他因素而导致通信链路质量不佳的问题，有些学者提出的D2D中继技术可以很好地解决这一问题。

然而引入中继后也会引起更为复杂的干扰问题。如何对复用模式下的D2D通信链路选择合适的复用资源成为研究的一大难点，既要能保证蜂窝通信链路的正常通信，又要保证D2D通信链路受到的干扰在可接受的范围。尤其是对于多小区场景下，不仅要考虑小区内干扰，还要顾及小区间干扰。针对这些分析，本文提出了一种合理的资源分配方法来减小各种干扰，从而保证系统内链路的正常通信。

现有的关于D2D通信链路资源分配的研究多是考虑在单小区场景下。文献[1]提出了基于系统最大吞吐量的贪婪算法，从D2D通信用户复用蜂窝用户上、下行资源两方面提出优化策略，把D2D用户使用小区无线资源的分配问题总结为混合整数非线性规划问题。这是此文献的一个难点。文献[2]提出一种解决D2D用户组间干扰的新方案。通过在用户组间干扰最小化和频率复用因子最大化建立一种平衡，从而达到减小干扰和小区阻塞率的目的。文献[3]结合模式选择与资源分配算法，对单蜂窝场景下的通信场景做出研究，提出并验证D2D通信链路并非复用最大的蜂窝用户资源才能获得最佳性能。

借助中继后的资源分配的研究如今仍是研究的热点，但也多考虑单小区场景。文献[4]研究了单小区场景下有中继协作的D2D通信系统中的最优中继选择和功率分配问题。在满足D2D发射端对蜂窝链路干扰可控的前提下，最大化D2D链路的吞吐量。文献[5]提出了一种帕累托最佳功率分配方法使得系统内D2D链路和蜂窝链路获得的总速率最大。文献[6]从节能的想法出发，提出一种启发式的绿色中继分配算法，达到在中继节点处以最小的数据传输速率得到最大容量的绿色中继方案。

考虑单小区场景时，通常把其他小区对其的干扰直接当作噪声或者直接忽略了。

然而现有的D2D中继都是考虑单小区场景，也就是说把其他小区对其的干扰直接当作噪声或者直接忽略了，由文献[7]可推出一种新的场景，即在跨小区或者多小区存在D2D通信链路时可能也会需要借助中继来改善通信链路质量。

本文就以上分析，研究了多小区场景下跨小区D2D通信链路的资源分配问题。针对多小区复杂场景下的干扰问题，提出了一种有效的减少干扰的资源分配方法。

本文将分以下几个部分进行研究：第一部分描述了一个新的存在中继的D2D通信的混合网络场景；第二部分对新场景的干扰问题提出一种能够有效减少干扰的资源分配方法；第三部分给出了几种算法的比较并进行分析；第四部分对本文进行总结。

1 系统模型

一个多小区D2D通信的无线混合系统如图1所示，系统采用全频率复用方式进行通信，每个蜂窝用户分配的资源是正交的，且每个小区一个蜂窝用户的资源只能被一条D2D链路复用。设小区数量为K，每个小区蜂窝数量为C ，总D2D链路为D ，资源块数目为N。本文针对多小区场景复杂的干扰问题，提出了一种减小干扰的资源分配方法。

图1 多小区D2D中继通信模型图

如图1所示，DTx3-DRx3是一条D2D直连链路，DTx1-R1-DRx1与DTx2-R2-DRx2是两条D2D中继通信链路。本文考虑选择信道较好的空闲蜂窝用户做中继。当D2D链路复用蜂窝用户上行链路的资源进行通信时，D2D发射端会对本小区和邻小区的基站造成干扰，而中继节点和D2D中继两跳链路的接收端则都会受到来自使用相同资源的蜂窝用户的干扰。

2 基于分区的资源分配方法

对系统内的每个小区进行等大小的分区，并对其进行编号，由于边缘区域蜂窝用户普遍来说没有中心用户的信道质量好，所以本文考虑边缘区域的D2D中继链路复用中心区域蜂窝用户的资源。如图2所示，每个小区中小六边形内的是中心区域，小六边形与大六边形之间的是边缘区域。

图2 多小区分区示意图

当D2D中继链路上的3个终端如DTx1、R1、DRx1所示的位置时，则Cell1（小区1）内A2、A3和Cell2内B5中3个区域内的资源不能被复用，即用户所在位置相邻的所划分的中心区域不能被此用户所在的链路复用。若用户处于划分线上时，如DTx2所在位置，则Cell1内的A1和A6区域都不能被DTx2所在的区域复用。以DTx1-R1

-DRx1通信链路为例，Cell1中可复用的区域为:

Cell2中可复用的区域为:

由于DTx1-R1-DRx1通信链路上的任何用户都不在Cell3内，所有Cell3的中心区域都是可复用区域，设为Ω3。则DTx1-R1-DRx1通信链路的总可复用区域为：

2.1 小区基站间的协作机制

以此类推分析，会发现可能存在两种情况：

第一种情况：当多条链路的可复用区域有重叠区域时，即可能多条D2D通信链路复用相同的资源块时，会增大干扰。若复用相同资源块的两条链路较远，则链路间的干扰可通过对发射端的发射功率控制；若复用相同资源块的两条链路较近，则链路间的干扰也需要解决。

针对这种情况，本文考虑借助小区基站间的协作机制，具体步骤如下：

（1）小区基站对小区内的所有信息都已知，且对小区内的资源分配和复用资源情况进行监控；

（2）当确定每条D2D通信链路的可复用区域后，监控在可复用区域内是否有相同的资源块，如果没有，则确定了各条链路的可复用区域，可暂时放弃监控；如果有，则对相同的资源块进行监控，如果发现有资源块被D2D通信链路复用，则被标记，其他的D2D通信链路不能再复用此资源块，以避免相互间干扰。

2.2 发射端与接收端干扰受限区域

第二种情况：当通信链路DTx1-R1 -DRx1选定的Cell1中可复用的区域Ω1内的蜂窝用户资源可能位于Cell2中不可复用的区域，此时也会增大干扰。

针对这种情况，本文考虑借助干扰受限区域来解决[8]，给每条链路的发射端和接收端都设定一个干扰限制区域。以DTx1-R1- DRx1通信链路为例。

如图3所示，此通信链路上DTx1和R1分别是两跳中继的第一个时隙和第二个时隙的发射端。为了保证蜂窝链路的正常通信，减小D2D通信链路对基站的干扰，给两个发射端设定如图3所示的干扰限制区域。

图3 D2D通信链路发射端干扰受限示意图

设定基站BS1，BS2的干扰门限值都为Ith0，则其接收到的干扰满足：

联合(4)-(9)可得：

由式(10)(11)可知，干扰限制区域只与终端的最大发射功率和衰减系数α1有关。

如图4所示，设定接收端的干扰受限区域，选择区域外的蜂窝用户资源复用，也能减少链路上的干扰。设D2D中继链路上中继与接收端在数据传输时所能承受的来自蜂窝用户的干扰的门限值都为Ith1。

图4 D2D通信链路接收端干扰受限示意图

中继与D2D链路接收端的SINR 应满足：

当SINR最小时，D2D链路受到的干扰最大。

又D2D通信链路的干扰门限设为dδ，且

联合(12)-(16)，得：

式(11)(17)均为中继R1的受限区域，由于其作为D2D通信链路第二跳的发射端时，发射功率相比于作为蜂窝用户时的功率要小，所以对基站的干扰没有作为接收端时的干扰大，所以中继R1的受限区域半径为:

3 仿真分析

为了验证所提策略的性能，本文基于Matlab环境进行仿真实现。考虑考虑一个3小区的D2D通信混合网络场景。仿真参数设置如下：系统带宽为10MHz，小区的站间距为500m，各小区内随机分布10个蜂窝用户，小区相邻区域有3条跨小区D2D中继链路。蜂窝用户的最大发射功率为23dBm，D2D用户最大发射功率为10dBm；系统的热噪声密度为-174dBm/Hz。蜂窝链路的路损模型为：128.1+37.6log10(d)；D2D链路的路损模型为：148+40log10(d)。

图5描述的是D2D用户速率随着D2D发射功率的变化趋势。随着D2D通信链路发射功率的增大，D2D用户速率也随之增大，而引入中继后的速率明显高于无中继时D2D通信链路的速率。该仿真表明在此场景下，D2D通信链路质量不佳时，引入中继确实能改善链路的信道质量，提升用户速率。

图5 D2D用户速率随发射功率变化趋势

图6描述的是采用3种不同资源分配的方法时，系统总吞吐量随D2D发射功率的变化趋势。由图可知，当发射功率一定时，本文所提方案优于随机资源分配方案和单一的分区资源分配方案。随着D2D发射功率的增大，吞吐量的增长越来越缓慢，这是由于D2D发射功率越大，其对基站的干扰就越大，对使用相同资源块的蜂窝链路的影响也就越大，因此系统吞吐量的增长趋势渐于平缓。由于分区考虑的情况较单一，对于本文所提的后两种情况没有深入考虑，所以分区之后受到特殊情况下的干扰对链路吞吐量仍有影响。

图6 吞吐量随D2D发射功率变化趋势

4 总结

随着D2D通信在5G技术领域越来越深入的研究，其干扰问题仍是人们研究的重点。现有的研究仍多是对单小区内存在的问题进行研究，本文考虑了一个新的多小区D2D混合网络场景，针对跨小区D2D直连链路可能存在通信质量不佳的问题，建立一个D2D中继两跳链路改善信道质量。对系统内的干扰问题提出合理分区选择的策略避免干扰，进一步分析分区策略可能存在的问题，提出借助基站协助机制和干扰限制区域对其进行解决。仿真结果表明，本文所提两跳中继链路能够提高通信链路速率，且所提分配策略能够有效减少系统内干扰，提高系统吞吐量，提升系统性能。

参考文献

1Mohammad Zulhasnine, Changcheng Huang,An and Srinivasan. Efficient Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network. [C]. IEEE 6th International Conference on Wireless and Mobile Computing Networking and mmunications. 2010,pp. 368-375

2员陈军, 王晓湘, 王冬宇. 基于用户分组的D2D通信资源分配方案[J]. 成都信息工程学院学报, 2012, 27(6): 594-598

3林楠. 蜂窝网络下D2D通信重用多用户资源研究[J]. 软件, 2012, 33(12): 242- 245

4李方健. D2D通信系统中的最优中继选择及功率分配策略研究[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版), 2014,(05), pp.605-610

5Ni Y, Jin S, Zhu H, et al. Pareto-optimal power allocation of device-to-device communication with two-way decodeand-forward helping relay[C]// Wireless Communications & Signal Processing (WCSP), 2013 International Conference on. IEEE, 2013:1-6

6Han T, Ansari N. Heuristic relay assignments for green relay assisted device to device communications[C]// Global Communications Conference (GLOBECOM), 2013 IEEE. IEEE, 2013:468-473

7Xu S, Wang H, Chen T. Effective Interference Cancellation Mechanisms for D2D Communication in Multi-Cell Cellular Networks[C]// Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2012 IEEE 75th. IEEE, 2012:1-5

8Min H, Lee J, Park S, et al. Capacity Enhancement Using an Interference Limited Area for Device-to-Device Uplink Underlaying Cellular Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2011, 10(12):3995-4000

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.02.011

收稿日期：（2016-01-15）

基金项目：重庆市自然科学基金资助项目(cstc2012jjA40054)。