基于认知的D2D通信在广义k分布信道衰落下的性能分析*

［李笠 张俊 理艳荣 杨亮］

基于认知的D2D通信在广义k分布信道衰落下的性能分析*

［李笠 张俊 理艳荣 杨亮］

认知无线电 D2D通信 广义K分布

李笠

硕士研究生，广东工业大学信息工程学院，主要研究方向是新型5G通信中核心技术D2D通信。

张俊

硕士研究生，广东工业大学信息工程学院，主要研究方向是新型光通信技术。

理艳荣

硕士研究生，广东工业大学信息工程学院，主要研究方向是智能电网通信。

杨亮

硕士生导师，广东工业大学信息工程学院，教授，主要研究大规模MIMO技术，新型无线通信技术等。

认知无线电（Cognitive radio）是一种新兴的智能频谱共享技术，能够对无线频谱进行感知，感知周围存在的频谱空洞，重新利用空闲频谱，其目的是为了增加频谱利用率。频谱共享技术可分为Overlay 频谱共享技术和Underlay 频谱共享技术。其中Overlay 频谱共享技术是通过检测空闲频谱，从而来利用空闲频谱；而Underlay频谱共享技术则是通过引进次用户，并与主用户共同通信。次用户在对主用户干扰可控制的前提下，次用户复用主用户的频谱进行通信，其关键技术是如何减少次用户对主用户的干扰［1-2］。

D2D通信（Device-to-Device）是一种在蜂窝系统下允许距离相互较近的移动通信设备之间通过复用小区频谱资源进行通信的近场通信技术，也是未来5G通信技术中的核心技术之一。在蜂窝系统引进D2D通信一个主要目的就是提高频谱利用率。然而通过D2D通信采用Underlay频谱共享技术与蜂窝用户共存，将对蜂窝链路产生干扰。故其关键问题是如何解决D2D通信系统与蜂窝系统间的干扰协调［3-4］。文献［5］中讲述了一种减少D2D通信与蜂窝通信之间干扰的资源分配方案，主要通过相同频率复用在不同的时间或相同时间利用不同的频率来消除干扰，提出的方案是建立一个独立的D2D带（只允许D2D通信用的频带）正交于蜂窝链路，再利用不重叠的子帧去传输D2D链路。该方法消除了D2D通信与蜂窝系统间的干扰，但不足之处是频谱的利用率非常低。

本文是基于前人研究D2D通信性能的基础上进行了改进，结合了认知无线电技术中的Underlay频谱共享技术，将D2D通信引进蜂窝系统中，并与蜂窝系统共同通信。在减少次用户（D2D通信用户）对主用户（蜂窝用户）的干扰下，引进了一种能够精确描述现实移动通信环境中信号遇到的多径衰落和阴影衰落的混合衰落模型-广义 分布衰落信道模型［6-7］。研究D2D通信在广义 分布信道衰落下的性能分析，如中断概率。

1 系统模型与通信性能分析

本文研究的是在蜂窝系统中采用认知无线电中Underlay频谱共享技术引用D2D通信，同时加入了能够精确描述现实移动通信环境中信号遇到的多径衰落和阴影衰落的广义K 分布衰落信道模型，研究次用户D2D通信的性能分析。

1.1系统模型

文章的系统模型如图1。蜂窝用户UE为主用户（PU），D2D用户为次用户（SU），BS为基站，其中实线代表有用信号，虚线代表干扰信号。假设主用户和次用户共同复用相同的窄带带宽B，且在信道为广义K 分布衰落信道模型下共同通信。各通信链路在完全的信道状态信息（CSI）下，可以假设信道的增益为：

图1 系统模型

广义K 分布衰落信道模型是一种能够精确描述现实移动通信环境中信号遇到的多径衰落和阴影衰落的混合衰落模型。文献［8］中可知，广义K 分布衰落信道近似于其他衰落信道，比如Nakagami-m信道和Rayleigh-Lognormal（R-L）信道。且可知广义K 分布的概率密度函数（pdf）为：

其中k 和m 为广义K 分布的形状参数且都为大于零的实数。其中α=k-m，β=k+m -1，Kα（·）为第二类修正贝塞尔函数，阶数为α。广义K 分布可以通过改变形状参数k 和m 的值来描述不同衰落和阴影模型。比如当k 趋向无穷时，广义K分布可近似等于Nakagami-m分布；当m 等于1时，广义K 分布可转化为K分布（K 分布是广义K 分布的一个特例），也近似的等于Rayleigh-Lognormal（R-L）分布；当m 趋于无穷并且k 也趋于无穷时，广义K 分布近似等于加性高斯白噪声（AWGN）分布。假设各信道链路中的高斯白噪声（AWGN）为n0，且服从相同的分布CN（0，σ2）。

1.2通信性能分析

为了减少次用户复用主用户频段带来的干扰，认知无线电在主用户接收端采用了两种干扰功率限制技术。一种是均值功率干扰限制，另一种是峰值功率干扰限制。本篇文章中将采用后一种峰值干扰技术进行研究，假设蜂窝主用户接收端UE能够容忍的最大峰值干扰功率为Q（干扰温度），假设次用户D2D发送端的最大发送功率为Pm。根据信道估计，次用户D2D发送端的发送功率可表示为：

因此，次用户D2D接收端的信干噪比（SINR）可表示为：

其中σ2为噪声功率，P0为基站发送功率。根据定义公式可以求得中断概率为：

其中γth为预定中断概率门限值，是达到一定通信性能所必须的最小信噪比，即当信噪比低于这个门限值时便会发生中断。根据上式（4）可以计算D2D用户接收端的信干噪比γ的概率分布函数Fγ（x ）为：

其中随机变量g 服从广义K 分布，概率密度函数如公式（2）所示。根据fg（x ）可以计算出随机变量g 的概率分布函数：

其中Γ（α）为伽马函数，表达式为：

将（2）和（8）代入（7）中可求得Fτ（x ），再将Fτ（x ）代入（6）中。在此为了简化运算，假设信道增益随机变量g 都服从相同的广义K 分布，最后计算可求得Fγ（x ）：

根据文献［10］，Eg.（8.432.3），可以找到第二类修正贝塞尔函数Kα（·）的积分表达式：

其中z≥0。若将式（14）直接代入Fγ（x ）中计算，计算过程不仅会变得很复杂，而且最终得到的最简公式Fγ（x ）也不利于仿真研究。本篇文章为了得到更为简洁的Fγ（x ）表达式，将（14）做了简化处理，求得出一个Kv（z）的下限值。公式（14）中，因为t≥0，故有

令y=t-1，代入上式不等式中，通过分步积分法可以计算为：

通过以上不等式化简得到Kv（z ）的下限值，再将该不等式代入公式（10）中，经过计算化简后，可以得到Fγ（x ）的下限值：

其中x≥0，由文献［10，Eq.（8.350.2）］可知，Γ（α，x ）为不完整的伽马函数，B 、Γ（α，x ）表达式分别如下式：

2 仿真结果与分析

根据以上的推导公式，对次用户D2D通信的中段概率进行仿真结果分析。仿真中，令次用户D2D发送端的最大发送功率为Pm为10db，噪声功率为1db，预定中断概率门限值γth为3db，且k 和m 分别取正整数，并使得α=k-m 、β=k+m -1都为大于零的整数。各仿真结果如图2，图3。

图2 中断概率随发送功率的变化

图3 中断概率随干扰温度的变化

如图2仿真的是中断概率随发送功率的变化，其中设干扰温度Q为5db。随着基站发送功率P0不断增加，信干噪比减小，中断概率会不断增加，D2D通信性能变差。当发送功率P0增加到一定值时，中断概率将会保持不变。当m 保持不变，k 不断增加时，即第二类修正贝塞尔函数Kα（·）的阶数α在不断增加时，从图中可看出中断概率在减小，D2D通信性能变好。如图3仿真的是中断概率随干扰温度的变化，其中基站发送功率P0为1db，随着干扰温度Q 不断增加，信干噪比增大，中断概率会变小，此时D2D通信性能变好。但当干扰温度Q 增加到一定值时，D2D发送端的发送功率变成稳定值，即为Pm，此时中断概率将会保持不变。

3 结束语

本文最主要的贡献是通过在D2D通信中采用认知无线电中Underlay频谱共享技术，使其与蜂窝通信系统共存，增加了频谱的利用率，同时在系统中引入能够精确描述现实移动通信环境中信号遇到多径衰落和阴影衰落的广义k 分布衰落信道模型，对D2D的通信性能进行分析。在分析计算时，为了简化计算结果，对第二类修正贝塞尔函数Kα（·）进行简化处理，计算出一个简化的下限值进行分析。仿真结果表明，基于认知的D2D通信在广义k 分布信道衰落下的具有良好的通信性能。

1Mitola J.Cognitive radio； An integrated agent architecture for software defined radio［J］.Doctor of Technology，Royal Inst.Technol.（KTH），Stockholm，Sweden，2000:271-350

2I.F.Akyildiz，W.-Y.Lee，M.C.Vuran，and S.Mohanty.Next generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks:A survey.Comput.Netw.，2006，50（13）:2127-2159

3Hongian Xing，Sami Hakola.The investigation of power control schemes for a device -to-device communication integrated into OFDMA celluar system ［C］.IEEE Personal，Indoor and Mobile Raido Communications，S et.2010:1775-1780

4Zhang H，Wang T，Song L，et al.Radio resource allocation for physical-layer security in D2D underlay communications［C］，2014 IEEE International Conference on.IEEE，2014:2319-2324

5Kim H，Na J，Cho E.Resource allocation policy to avoid interference between cellular and D2D Links/and D2D links in mobile networks［C］，2014 International Conference on.IEEE，2014: 588-591

6J.Cao，L.-L.Yang，Z.Zhong.Performance analysis of multihop wireless links over generalized-K fading channels.IEEE Trans.on Vehicular Tech.，2012，61:1590-1598

7C.K.Datsikas，K.P.Peppas，F.I.Lazarakis， G.S.Tombras.Error rate performance analysis of dual-hop relaying transmissions over generalized-K fading channels.AEU，2010，64:1094-1099

8Laourine A，Alouini M S，Affes S，et al.On the capacity of generalized-K fading channels［C］// IEEE GLOBECOM 2007-IEEE Global Telecommunications Conference.IEEE，2007:3306-3310

9Suraweera H A，Smith P J，Shafi M.Capacity limits and performance analysis of cognitive radio with imperfect channel knowledge［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2010，59（4）:1811-1822

10I.S.Gradshteyn and I.M.Ryzhik Table of Integrals，Series and Products，6th ed.San Diego，CA:Academic，2000

11IMT-2020（5G）推进组.5G愿景与需求白皮书_V1.0［R］，北京，2014

12IMT-2020（5G）推进组.IMT-Advanced D2D（Device-to-Device）技术白皮书_V1.9.1［R］，北京，2014

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.09.005

2016-07-08）

广东省自然科学基金（2014A030311009）；东南大学移动通信国家重点实验室开放研究基金资助课题（2014D11）；中讯广东分公司5G发明专利科研项目技术服务项目。

设备与设备通信（Device-to-Device，D2D）是一种通过复用小区蜂窝用户资源来实现端对端通信的近场通信技术。但是，在小区中引入D2D通信技术，不可避免地会给蜂窝用户带来干扰。因此，论文主要研究在蜂窝通信与D2D通信组成的混合网络系统下，将D2D通信（次用户）采用认知无线电技术中的Underlay频谱共享技术与蜂窝用户（主用户）共存，复用蜂窝用户频谱。在减少次用户对主用户的干扰下研究D2D通信在广义 分布信道衰落下的性能分析，如中断概率。