混合D2D蜂窝中基于负载均衡的资源分配方法*

［余翔 张海波 柯文韬］

混合D2D蜂窝中基于负载均衡的资源分配方法*

［余翔 张海波 柯文韬］

D2D通信是指发送终端与接收终端之间数据不需要经过基站转发的近距离直通通信方式，在传统蜂窝网中引入D2D通信可以通过提升复用增益，进而提升系统的总吞吐量和频谱资源的利用率。通过拉格朗日乘数法结合图论中的匈牙利匹配算法，针对密集D2D场景中提出一种均衡化的轮询匹配的资源分配方案，以最大化子信道的复用增益为前提条件，每条蜂窝子信道在每一轮匹配完成后将接入一条D2D链路，直到所有的D2D链路均接入网络位止。经仿真证明，该算法对于密集D2D蜂窝网络中具有提高接入率和吞吐量的效果，且该算法同样适用于稀疏D2D蜂窝网络。

D2D通信 循环匹配 资源分配 拉格朗日乘子法 吞吐量 接入率

余翔

重庆邮电大学，硕士，副教授，主要研究通信网信令、交换技术、计算机网络及信息安全。

张海波

重庆邮电大学，在读研究生，主要研究D2D通信的资源分配与功率控制。

柯文韬

重庆邮电大学，在读研究生，主要研究全双工D2D通信

引言

随着现代化通信发展节奏的加快，人们对于移动通信网络的传输速率的要求不断提高，而频谱资源的局限性使得传统蜂窝模式通信已经逐渐无法满足系统所要承载的系统容量，D2D通信可以通过复用蜂窝资源进行短距离的通信，具有时延小、速率高的优点，更重要的是该通信模式可以不用像蜂窝模式那样必须经过基站转发，对减小基站的负载量具有很大的帮助。目前，对于如何提高引入D2D通信的混合网络的总吞吐量以及系统的公平性成为业界研究的一大重点。

文献［1］中提出了一种基于干扰感知的无线资源分配方案，但是该方案只允许一对 D2D 用户复用一个蜂窝用户的资源。文献［2］中提出了一种基于不同QoS 需求的资源分配方案，通过该方案可以实现一对 D2D 用户复用多个RB，但是该方案不能够将系统内可复用的RB进行最优的分配。文献［3-4］研究了D2D通信技术引入 LTE-A系统后，D2D对的发现、 连接和通信过程，以及 D2D对之间的距离对吞吐量的影响。D2D 用户在复用模式下，选择复用资源的过程，实际上是 D2D 用户和蜂窝用户的匹配问题。由于用户之间的干扰和它们之间的距离是密切相关的，因此针对此问题，一些文献首先提出了基于地理位置信息的资源分配算法。

本文通过拉格朗日乘数法结合图论中的匈牙利匹配算法，提出一种循环匹配的资源分配方案，以最大化蜂窝信道的复用增益为前提条件，每一轮匹配完成时，每条蜂窝信道将接入一条D2D链路。为了防止算法最后没有足够的D2D链路与蜂窝信道匹配，本文在系统中加入虚拟D2D用户，使系统D2D用户数N与蜂窝用户数M呈整数倍关系，每条蜂窝信道可以被N/M条D2D链路复用。该方法不但适用于稀疏D2D网络，更适用于密集D2D网络，而且在接入D2D链路对时同时使系统的负载均衡化，提升系统公平性。

1 系统场景

如图1所示，在一个小区中存在M个蜂窝用户、N条D2D链路和M条正交子带宽，蜂窝用户满载，D2D链路只能通过复用蜂窝上行信道接入网络中。蜂窝用户的集合为，D2D链路的集合为。设定以基站为中心，半径的R的区域为D2D限制区域以保护蜂窝用户的QoS，即此区域内不得存在D2D用户。

假设小区通信环境稳定，在资源调度周期内，小区的CSI不会发生改变，所有用户以及信道资源通过基站的控制在资源调度周期内进行分配。

图1 D2D通信场景

2 数据分析

则D2Dj与蜂窝信道可以进行匹配的条件为：

D2Dj接入蜂窝信道的功率限制条件为：

3 负载均衡化的循环匹配算法

在初始状态时，规定所有的蜂窝用户均以最大功率接入蜂窝网络，可得各个蜂窝信道上吞吐量为:

使用拉格朗日算法求出满足匹配条件的蜂窝用户与D2D用户共用信道时达到最大传输速率的功率解：

图2 加权匹配

KM匹配算法步骤如下：（1）由以上拉格朗日乘数法求出满足接入条件的D2D用户接入各个蜂窝信道的复用增益，此一步完成权值的初始化过程；（2）根据匈牙利匹配算法寻找蜂窝信道的一个完备匹配；（3）修改顶标继续寻找完备匹配；（4）重复（2）（3）操作，直到所有蜂窝信道均匹配到一条D2D链路为止。本算法将整个匹配周期分为多个匹配时隙，每一个时隙完成一轮匹配过程，每一轮匹配结束后，每条蜂窝子信道接入一条D2D链路。对于稀疏D2D蜂窝网，第一轮匹配结束即可完成整个系统的资源分配与功率分配过程，但是，对于密集D2D网络，蜂窝用户数小于D2D数目，则需要进行多轮匹配，由于第一轮匹配已经接入了M个D2D用户，所以此时令：

重复以上算法步骤，只是在以后的匹配过程中必须考虑前面几次匹配过程已经接入的D2D链路所带来的干扰，直到所有D2D用户均接入系统为止。假定在第q轮匹配时，最大吞吐量求解如下：

整体算法流程如图3所示。

图3 算法流程

4 公平性分析

其中，Nd表示系统总共有Nd个用户，ϕd（Δt ）表示用户在时间间隔Δt内实际的吞吐量，公平性因子越高，整个系统的公平性就越好。本文将D2D链路均匀分配到每一条子信道上，使每条蜂窝子信道上的负载均衡化，相比于传统匈牙利匹配算法可以有效提升系统的公平性。

5 仿真结果

为了验证以上理论所述，本文在LTE-TDD 蜂窝系统小区场景下，使用维也纳仿真平台进行系统级仿真。仿真参数如表1所示。

表1

本文采用循环匹配算法进行资源分配，其目的一是解决传统匹配算法的局限性；二是使蜂窝信道上可以接入多条满足接入条件的D2D对，使频谱资源得到充分利用。由图4可知系统频谱资源利用率相对于文献［9］所使用的匈牙利算法以及文献［11］所使用的根据信道状况随机选择满足接入条件的D2D对接入的算法具有部分提升。图5是系统总吞吐量的累积分布状况，由图可知本文算法与文献［9］在蜂窝吞吐量对比而言，当系统D2D数目较少时，两种算法为蜂窝小区带来的吞吐量不相伯仲，但是，对于密集D2D蜂窝网络而言，本文算法则具有一定的优越性，这是由于本算法将系统内所有D2D终端平均的分配到每一条子信道上，使每条子信道的信道容量尽可能最大化而不是单独使链路上的数据率最大化，所以该算法可以有效提升系统的总吞吐量，尤其对于密集D2D蜂窝网络而言。

图4 频谱资源利用率

6 结束语

图5 系统吞吐量累积分布

图6

本文针对传统匹配算法只适用于稀疏D2D蜂窝网络资源分配的局限性，通过拉格朗日乘数法结合图论中的匈牙利匹配算法，提出一种循环匹配的资源分配方案。首先在系统中加入若干虚拟D2D用户，使系统D2D用户数N与蜂窝用户数M呈整数倍关系，每条蜂窝信道可以被N/M条D2D链路复用，即保证每一轮匹配为完备匹配过程。以最大化蜂窝信道的复用增益为前提条件，选取合适的D2D链路接入对应的蜂窝信道，每一轮匹配完成时，每条蜂窝信道将接入一条D2D链路，直到所有的D2D链路接入完毕为止，虚拟D2D对只参与匹配过程，无功率分配过程，且只参与最后一轮匹配。经仿真验证该算法解决了传统匹配算法的局限性，同时也为蜂窝系统带来一定的吞吐量增益。

1JANISP，KOIVUNENV，IBEIOC，et al.Interferenceaware resource allocation for D2D radio underlaying cellular networks［C］//Proc of Vehicular Technology Conference.［S.1］ IEEE Press，2014: 1-5

2ZHU Xiao-yue，WEN Si，CAO Gen，et al.QoS-based resource allocation scheme for device-to-device （ D2D）radio underlaying cellular networks［C］//Proc of the 19th International Conference on Telecommunications ［S.1］: IEEE Press，2012: 1-6

3DOPPLER K，RINNE M，WIJTING C，et al.Device-toDevice communication as an under-lay to LTE-advanced networks［J］.IEEE Communications Magazine.2009，47 （12）:42-49

4FODOR G，DAHLMAN E，MILDH G，et al.Designaspects of network assisted device-to-device communications［J］.IEEE Communications Magazine，2012，50（ 3）: 170-177

5ODUOLA W O，LI Xiangfang，QIAN Lijun，et al.Power control for device-to-device communications as an underlay to cellular system［C］//IEEE International Conference on Communication（ICC）.Piscataway；IEEE.Sydney，Australia.2014；5257-5262

6荣涛，吴斌，糜正琨.一种 LTE 网络 D2D 通信资源共享算法 ［J］.南京邮电大学学报 （自然科学版），2013

7CHIAHAO Y，OLAV T，KLAUS D，et al.Power optimization of Device-to-Device communication underlaying cellular communication［C］//IEEE International Conference on Communications，2009：1-5

8Zulhasnine M，Huang C，Srinivasan A.Efficient resource allocation for device-to-device communication underlaying LTE network［C］//Proc of the 6th Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications..2010: 368-375

9Hungarian Method Based Joint Transmission Mode and Relay Selection in Device-to-Device Communication.R.Chithra； Robert Bestak； Sarat Kumar Patra 2013 8th IFIP Wireless and Mobile Networking Conference （WMNC）

10WANG H，CHU X.Distance-constrained resource-sharing criteria for Device-to-Device communications underlaying cellular networks ［J］.Electronics Letters，2012，48（9）:528-530

11ZULHASNINE M，HUANG C C，SRINIVASAN A.Efficient resource allocation for Device-to-Device communication underlaying LTE Network［C］//IEEE 6th International Conference

图4 K=2048时2种频偏估计方法比较

表1 2种算法的的仿真时间

4 结束语

频偏估计在信号解析、多用户检测中有着重要的作用，是能否正确解析信号，进行多用户检测的关键。

本文首先对FFT载波频偏估计算法进行了改进，减少了分裂基FFT算法中需要计算的旋转因子数。然后本文提出了基于前向导频信道的频偏估计的高效方法。对FFT载波频偏估计算法和基于前向导频信道的频偏估计法进行了详细比较，先从理论上剖析了两种算法的原理，针对算法性能和运算复杂度两方面又进行了实验对比。

结果表明，在相同频偏估计性能的情况下，导频频偏估计算法的运算复杂度要远低于FFT载波频偏估计算法，但导频频偏估计算法的抗噪性能较差。除此之外，FFT载波频偏估计算法可以通过提高分辨率来提高频偏估计的精度。

1da Silva M M，Correia A.Joint multi-user detection and intersymbol interference cancellation for WCDMA satellite UMTS［J］.International journal of satellite communications and networking，2003，21（1）: 93-117

2Moon J，Lee Y H.Cell search robust to initial frequency offset in WCDMA systems［C］//Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2002.The 13th IEEE International Symposium on.IEEE，2002，5: 2039-2043

3谭晓衡，张毛.一种高精度的改进 FFT 频偏估计算法［J］.重庆理工大学学报: 自然科学，2010 （7）: 71-75

4程款.WCDMA 中的频偏估计算法研究与仿真 ［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010

5Duhamel P.Algorithms meeting the lower bounds on the multiplicative complexity of length-2 n DFTs and their connection with practical algorithms［J］.IEEE transactions on acoustics，speech，and signal processing，1990，38（9）: 1504-1511

6何方白，张德民，阳莉，等 数字信号处理［M］.北京：高等教育出版社，2009:152-162

73GPP.TS 25.213（v13.0.0），Spreading and modulation （FDD）（Release 13），2015

8Schmidl T M，Sriram S.Joint position and carrier frequency estimation method of initial frequency acquisition for a WCDMA mobile terminal: U.S.Patent 6，597，729［P］.2003-7-22

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.012

TD-LTE专网宽带多媒体集群系统设备研发及规模组网应用验证（国家科技重大专项2015ZX03004004）

（2016-09-19）