一种基于用户位置的设备到设备模式选择和资源分配方案

张正一, 张道煦, 罗汉文,2

(1.上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)



一种基于用户位置的设备到设备模式选择和资源分配方案

张正一1, 张道煦1, 罗汉文1,2

(1.上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院,上海 200240)

摘要:在蜂窝网络中通过复用蜂窝系统中已使用的频谱资源,来增加蜂窝系统的频谱利用率,减少基站的负载,同时通过基于用户位置的设备到设备(D2D)模式选择和资源分配算法,达到减少同频率之间的用户干扰,降低用户的传输功率的目的.仿真结果显示,相比于传统的蜂窝通信和随机的资源分配模式,基于用户位置的D2D模式选择和资源分配有效地提高了系统总容量,减少了用户之间的干扰.

关键词:模式选择; 端到端; 资源分配

0引言

近年来随着移动通信技术的飞速发展,人们对于数据高速率传输的需求越来越大.但是,移动通信技术能够使用的频谱资源十分有限.由于设备到设备(D2D)通信技术能够提升系统的频谱利用率,减少发射功率的损耗,从而提高蜂窝系统的通信速率,因此得到了许多人的关注.但是,D2D通信对在蜂窝网络中复用频谱资源也存在一些问题.比如复用蜂窝网络中的上行资源会对基站接收的信号造成干扰,而复用下行资源会对传统蜂窝用户信号的接收造成干扰.因此,如何减少D2D用户对蜂窝通信的干扰成为了研究D2D通信的主要问题.

文献[1]介绍了如何减少D2D通信的过程中产生的干扰,主要是通过控制信号发射功率和资源分配的方式来减少D2D对蜂窝用户产生的干扰.文献[2]是通过减少发射功率的方法来达到控制D2D用户对蜂窝用户的干扰.文献[3]是通过发射功率最优化的方法来达到控制D2D用户对蜂窝用户干扰.文献[4]提出了一种干扰地区控制的方法,从而降低用户之间复用频谱的干扰.文献[5]提出了一种基于用户距离的资源分配模型来限制D2D用户所复用的资源,文献[6]对此进行了更深入的研究,从单小区频谱资源复用变为多小区频谱资源的复用.

1系统模型

本文作者假设蜂窝系统中设备到设备之间的通信是可行的.在蜂窝系统中基站将服务的区域分成了3个部分,每个部分使用相同的频谱资源,这个系统允许D2D用户对之间相互通信,而且D2D用户对可以复用蜂窝用户的上行频带资源,这就使得蜂窝系统中使用相同频率的D2D用户和蜂窝用户造成了相互干扰,从D2D通信用户(DU)来看,干扰来自蜂窝用户向基站发射的信号,而对于蜂窝用户来说干扰来自DU发射的信号.D2D用户接收的信号可以表示为:

(1)

(2)

(3)

蜂窝用户的信噪比为:

(4)

通过开环功率控制系统(OLPC)来控制D2D用户和蜂窝用户的发射功率,公式如下:

(5)

在允许D2D通信的蜂窝系统中,用户传输的模式有如下两种选择:

(1) 蜂窝通信模式:用户之间通过基站进行信号传输;

(2) D2D通信:用户之间的通信不经过基站,直接进行信号的传输.

D2D用户在通信过程中也存在着一些局限,例如:D2D通信对的信噪比可能比蜂窝通信的信噪比要低,因此如何选择用户的通信模式就变得至关重要.本文作者提出了基于用户位置的模式选择和资源分配方案,这就需要一些本地位置服务(LBS)来提供用户所在的位置[7],例如用户可以通过卫星定位的方式获取所在的位置并传输给基站.

2基于用户位置的D2D模式选择和资源分配

2.1传输模型选择

D2D通信中基于位置的模式选择是从D2D通信到蜂窝通信直接切换的.模式选择的过程是通过蜂窝网络,然后由基站决定用户要选择的模式.用户模式选择的标准是由用户的传输功率决定的.然而,用户直接通信的模式仍然给蜂窝网络中的用户带来了好处,例如:减少了蜂窝系统的负载.模式选择算法的提出基于用户的位置,该算法的好处还在于基站不需要知道用户通信信道的状态信息,即可决定模式的选择.基站必须要知道用户的位置,这就需要基站接收到基于用户位置的信息,比如GPS中获得用户的位置.

如图1所示,用户位置的信息是用来估计用户与基站之间的距离的,而距离在很大程度上影响着路径衰落和用户的发射功率,基于位置和距离的模式选择如下:

图1　蜂窝通信中用户位置示意图

(6)

D2D用户之间的通信距离是任意调整的,而且它受用户最大传输功率的制约,如果满足(6)的条件,那么D2D通信是可行的,而且基站可以找到最佳的资源来进行频谱复用.

2.2资源分配的调度

基于位置的资源分配方案根据用户的位置信息来估计信道传输的距离,资源分配中最佳候选用户的选择是基于距离的最大化来进行选择的,假设干扰最主要的途径是路径损耗,且随着信道距离的增加可使干扰减小.认为系统中每个部分的D2D用户(DUE)复用的资源仍会对其他相邻部分的DUE造成干扰,假设蜂窝系统中只有上行资源可以被复用,通过如下算法(图2)可以选出为DUE复用资源的最佳候选用户:

图2　基于用户位置的资源分配选择算法

这个简单的资源分配算法的好处就是蜂窝系统只需要了解用户的位置信息而不需要了解D2D通信中信道状态的信息,而且这种集中式的控制方法给了D2D线路更多的选择.

3仿真与结果

本次仿真使用了基于位置的资源分配方案和蜂窝系统中随机的资源分配方案.除此之外,还增加了蜂窝系统中不使用D2D通信的情况来对比.从图3中的累计分布函数曲线可以看出,相比于传统的蜂窝通信模式,基于位置的资源分配模式与随机分配资源复用的模式有效地减少了用户的传输功率.由图4中用户信道干扰和累计分布函数曲线中可以看出,相比于系统中随机资源分配的算法,使用基于位置的资源分配方法在一定的范围内可以减小用户之间的干扰.但随着干扰信号的增加,引入基于位置的资源分配算法并不能减少系统中来自DU的干扰.

图3　D2D通信与蜂窝通信累计分布函数

图4　基于位置分配与随机分配累计分布函数

4结论

本文作者给出了在蜂窝网络中用户基于位置的模式选择和资源分配方案.首先,基于距离的模式选择取决于用户最小的信号发射功率.然后,干扰管理模式的提出在于利用基于位置的资源分配来复用蜂窝系统的上行资源,并减少D2D用户之间的干扰.最后,仿真的结果表明利用所提出的基于用户位置选择模式的方法,来复用蜂窝用户的上行资源可以在对蜂窝用户干扰很小的情况下带来传输功率的减小和频谱利用率的提升.但是由于资源分配的方案是基于用户位置的,即需要用户向基站传输基站中用户的位置信息,因此在蜂窝网络中也占用了一定的带宽,如何有效地减少用户位置信息传输所占用的带宽也是一个值得研究的问题.

参考文献:

[1]Janis P,Doppler K,Ribeiro C,et al.Device-to-device communication underlaying cellular communications systems [J].IEEE ICCT.2013,11:131-135.

[2]Yu C H,Doppler K,Ribeiro C.The performance of device-to-device underlay communication with simple power control [J].IEEE Vehicular Technology Conference.2009,8:1-5.

[3]Yu C H,Doppler K.Power optimization of device-to-device communication underlaying cellular communication systems [J].IEEE International Conference on Communications,2015,10:1-6.

[4]Gu J,Bae S,Choi B.Dynamic Power Control Mechanism for Interference Coordination of Device-to-Device Communication in Cellular Networks [J].IEEE (ICUFN),2011,6:71-75.

[5]Wang H,Chu X.Distance-contrained resource-sharing criteria fordevice-to-device communications underlaying cellular networks [J].IEEE Electronics Letters,2012,4: 528-530.

[6]Janis P,Doppler K,Hugl K.Interference-aware resource allocation for device-to-device radio underlaying cellular networks [J].IEEE Vehicular Technology Conference,2009,4:1-5.

[7]Zulhasnine M,Huang C,Srinivasan A.Efficient resource allocation for device-to-device communication underlaying LTE network [J].IEEE WiMob,2010,10: 368-375.

(责任编辑：包震宇)

A scheme with location-based mode selection and resourceallocation in Device-to-Device communication work

ZHANG Zhengyi1, ZHANG Daoxu1, LUO Hanwen1,2

(1.College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.School of Electronic and Electrical Information Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Abstract:By reusing the the spectrum in cellular network that has been used to increase the spectrum utilization ,reduce the base station load,and at the same time by using the location-based D2D mode selection and resource allocation algorithm,to reduce same frequency interference between the users and reduce transmission power from users.The simulation results show that,compared with the traditional communication in cellular network and resource allocation with random model,the location-based D2D mode selection and resource allocation can improve the capacity of system,and reduce the interference between the users.

Key words:D2D; resource allocation; mode selection

中图分类号:TN 929.5

文献标志码:A

文章编号:1000-5137(2016)02-0137-05

通信作者:罗汉文,中国上海市闵行区东川路800号,上海交通大学电子信息与电气工程学院,邮编:200240,E-mail:hwluo@sjtu.edu.cn

收稿日期:2016-03-03