蜂窝网络终端直通通信功率控制研究

杨亚飞+李晖

【摘要】 随着智能用户设的普及和高速网络应用爆炸式增长，人们对移动网络的系统容量和服务质量的要求不断提高。设备到设备（D2D： Device-to-device）通信是在系统的控制下，允许终端直接通过复用网络资源并提升网络容量。D2D通信复用上行链路资源时，基站容易受到干扰，复用下行链路资源时，下行链路的用户容易受到干扰。为了构建一个高效的移动网络，通过功率控制来抑制基站或终端用户之间的干扰，以满足用户服务质量的要求。

【关键词】 移动网络 D2D 功率控制 干扰 终端用户

Power control for device-to-device communication in cellular networks Yang Ya-Fei， Li Hui （College of Information Science and Technology， Hainan University， Haikou， 570228， China）

Abstract： With the popularity of intelligent user and explosive growth of high-speed networks， the requirements for system capacity and quality of service （QoS） improve continuously. Device-to-device （D2D） communication is under the control of the system， the terminal is allowed to communicate directly through multiplexing network resources and enhance network capacity. When D2D communication multiplexes the uplink resources， the base-stations are easily to be disturbed； when the downlink resources are multiplexed， the users of downlink are susceptible to interference. In order to build a high-efficient mobile network， we can meet the QoS requirements by controlling the power to suppress the interference between the base station or a terminal user.

Key words： Mobile network； D2D； Power control； Interference； Terminal user

一、 引言

无线通信中数据业务的急剧增长，使得频谱资源短缺成为移动通信面临的挑战，因而推动了一些先进无线网络和系统的出现，目的是为大量用户提供一个高速率、高质量的通信网络。在传统蜂窝网络中，不允许用户之间直接通信。通信过程由基站转接分为两个阶段：一是发射机到基站，即上行链路；二是基站到接收机，即下行链路。这种集中式工作方式便于对资源和干扰的管理与控制，但资源利用效率低。为了提高频谱利用效率，2008 年高通公司首次提出设备到设备（D2D： Device-to-device）通信技术[1～3]。近年来，D2D通信引起了广泛关注，诺基亚、爱立信、华为等也一直致力于此项技术的研究。D2D 通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术，如图1所示。传统的蜂窝网络[4]通信是发射机到基站，在由基站到接收机，如图2所示。

这种集中式的控制方式资源利用效率低。蜂窝网络引入D2D 通信，可以减轻基站负担[5，6]，减小通信时延[5]。与蜂窝通信相比，D2D 通信仅占用一半的频谱资源。此外，距离较近的用户利用 D2D 通信可减小传输功率[6，7]，节约能耗。因此，D2D 通信有望成为未来移动通信的关键技术[5～7]。当然，蜂窝网络通信系统和D2D通信之间以及D2D用户之间的干扰也是个关键问题，为了实现它们直接通信的整体利益，可以采用一系列功率控制和干扰抑制方法来实现通信利益的最大化以满足用户要求。

二、D2D通信存在的问题

D2D通信适用于当地的业务，所以如果基站前端预留资源给D2D通信，则会引发资源的有效使用率降低，特别当是D2D出现的概率较低的情况下。当普通用户和D2D用户共享相同使用资源的时候，就会在小区中产生一定的干扰，导致使用性能的损失。当出现这种问题时，从保证原有蜂窝用户的使用性能的角度来说，D2D用户必须适当控制其发射功率。然而，如果D2D移动通信用户和复用相同的资源的蜂窝用户的距离近，那么，D2D用户控制和抑制干扰效果是不理想的，值得注意的是，造成此种结果的原因是由于基站与用户间的发送功率差别太大。

D2D 通信的主要问题之一是复用小区用户的资源所带来的干扰问题。D2D 通信复用上行链路资源时，系统中受D2D通信干扰的是基站。D2D通信复用下行链路资源时，系统中受D2D通信干扰的是下行链路的用户。而受干扰的下行用户的位置决定于基站的短期调度。因此受D2D传输干扰[8]的用户可能是小区服务的任何用户。

三、功率控制方案

由于频谱的复用，D2D通信不能没有适当的控制，严重的干扰可能会违背D2D通信的原始意图。功率控制（PC： Power control）可以抑制同信道干扰和优化系统的性能，是实现个人QoS要求的一个有效途径。近年来，国内外的研究机构已经开展了功率控制方面的研究， 取得了一定的研究进展。由于对蜂窝网络[11]终端直通通信的质量和要求不一，实现功率控制的方案灵活多样，但是主要目的都是为了抑制干扰。在此主要介绍三种功率的方案。

3.1分布式功率控制

分布式功率控制（DPC： Distributed power control）方案最先进的目前主要有两大类型：目标追踪型（TPC：Target-tracking DPC）和机会主义型（OPC： Opportunistic DPC）[9]。在TPC方案中，一旦实际的信噪比水平与我们设定的信噪比目标不一致，发射功率将会调整以实现与信噪比目标预定的功率值[10]。简而言之，就是实现目标信噪比水平的同时实现总功率消耗最小[11]。

在OPC方案中，低SINR（Signal to interference and noise ratio）水平不满足用户对QoS要求，高SINR水平会导致系统容量缩水[12]。OPC提出了一个信号干扰产品（SIP： Signal interference product）[13]利用多用户冲突链接的多样性，检测用户的传输欲望，如果发送功率大的话，用户减小他的信噪比目标，避免不成比例的功率消耗；否则，增加其SINR的目标，相应地，利用有限的信道条件，提高无线资源的利用率。OPC避免功率发射每个用户有机会合理的设置自己的SINR目标，从而提高系统的容量。

可以充分利用干扰避免算法，建立功率控制的约束条件模型[14]，设定蜂窝网络覆盖范围、天线增益，噪声系数功率谱密度等参数，设立两个终端通信的距离、信噪比、发送功率设立门限值，然后增加偏置方案和接纳控制，模拟蜂窝网小区内两个终端通信，通过系统仿真来验证DPC方案的收敛性和性能，以规避无效的功耗，并保持系统的可行性，从而实现功率控制和抑制干扰的目的。

3.2联合功率和速率控制

发送功率和速率[15-16]的联合控制[17]，可以使蜂窝通信速度实现最大化的同时又保证D2D通信的服务质量。一对D2D用户在共享蜂窝网络资源时，可以实现连续干扰消除（SIC： Successive interference cancellation）和单用户监测（SUD： Single user detection）[18]。蜂窝用户对D2D接收机干扰很强时SIC是有益的，当干扰较弱时，D2D接收机可以直接处理噪声，因此对于弱干扰，蜂窝通信的发送速率和发送功率不需要控制。蜂窝网络下D2D通信如图3所示，当蜂窝网用户对D2D接收机干扰强时实行发送功率最优化策略对发送速率进行控制，干扰弱时实行发送速率最优化策略，对发送功率进行控制。针对不同场景和用户的要求也可以在此方案基础上自行设定一个接近最优算法，找出功率和速率的最优值，满足自身需求。

3.3功率和波束成形联合控制

考虑到D2D和蜂窝网整个系统的特点，可以使用支持向量机（SVM： Support vector machine）[19]为基础的方案，来解决蜂窝网用户终端和D2D用户终端共存的约束优化问题[20]。SVM是一种监督计算机学习算法，利用已知（或相似）场景来识别未知（或相似）情况[21]。首先，把这个约束优化问题转换成在满足两者服务质量要求和一定干扰水平下的所有终端发送总功率的最小化问题。利用已有的统计信道状态信息[22-23]提出一个近似的方法来放松约束条件，用支持向量机算法求解每个用户的发送功率和波束成形权向量的优化问题。然后得出在网络中每个用户的遍历容量（EC： Ergodic capacity）的解析表达式和平均误符号率（ASER： Average symbol error rate）。以此，针对不同的场景要求，可以通过仿真作出合理的性能分析，来实现功率控制的目的。

四、结束语

未来的通信系统被描述为高速率、大容量，而可用于移动通信的频谱资源十分有限，更加充分、高效的利用频谱资源在未来的通信系统中变得十分重要。D2D 通信应用于许可频段，相对于WLAN、蓝牙等应用于非许可频段的通信技术相说，有干扰可控等优点。资源复用模式下的 D2D 通信进一步提升了蜂窝网络的频谱效率，但却带来了新的干扰问题。目前，国内外学术领域对功率控制和干扰抑制的研究还在不断进行中，各种功率控制方案层出不穷，蜂窝网络终端直通通信干扰环境复杂，但是通过一系列的实验研究发现，功率控制是抑制干扰的一种有效手段。可以提高整个蜂窝小区的通信速率，并且在保证用户服务质量的同时实现较低的能耗支出，延长移动终端电池的使用时间，从而为用户提供更加稳定、可控的通信环境。

参 考 文 献

[1]Asadi A， Wang Q， Mancuso V. A Survey on Device-to-Device Communication in Cellular Networks[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2014， 16（4）：1801-1819.

[2]Fodor G， Dahlman E， Mildh G， et al. Design aspects of network assisted Device-to-Device communications[J]. IEEE Communications Magazine， 2012， 50（3）：170-177.

[3]Lei L， Zhong Z， Lin C， et al. Operator controlled Device-to-Device communications in LTE-Advanced networks[J]. IEEE Wireless Communications， 2012， 19（3）：96-104.

[4] Corson M S， Laroia R， Li J， et al. Toward proximity-aware internetworking[J]. IEEE Wireless Communications， 2010， 17（6）：26-33.

[5]Janis P， Chiahao Y U， Doppler K， et al. Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Communications Systems[J]. International Journal of Communications Network & System Scienc， 2009， 02（3）：169-178.

[6]Wijting C， Ribeiro C， Doppler K， et al. Device-to-Device Communication as an Underlay to LTE-Advanced Networks[J]. IEEE Communications Magazine， 2010， 47（12）：42-49.

[7] Fodor G， Dahlman E， Mildh G， et al. Design aspects of network assisted Device-to-Device communications[J]. IEEE Communications Magazine， 2012， 50（3）：170-177.

[8] 刘圣洁， 王斌， 王文鼐. 一种新型的LTE系统干扰协调算法[J]. 计算机工程与应用， 2014， 50（03）：207-210.

[9] Tang R， Zhao J， Hua Q U. Distributed Power Control for Energy Conservation in Hybrid Cellular Network with Device-to-Device Communication[J]. Wireless Communication Over Zigbee for Automotive Inclination Measurement China Communications， 2014， 11（3）：27-39.

[10] Foschini G J， Miljanic Z. A simple distributed autonomous power control algorithm and its convergence[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 1993， 42（4）：641-646.

[11] Grandhi S A， Zander J. Constrained power control in cellular radio systems[C]// IEEE Vehicular Technology Conference. IEEE， 1994：824-828 vol.2.[12] Chi W S， Leung K K. A generalized framework for distributed power control in wireless networks[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2005， 51（7）：2625-2635.

[13] Leung K K， Chi W S. An opportunistic power control algorithm for cellular network[J]. IEEE/ACM Transactions on Networking， 2006， 14（3）：470-478.[14] Lee N， Lin X， Andrews J G， et al. Power Control for D2D Underlaid Cellular Networks： Modeling， Algorithms and Analysis[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2013， 33（1）：1-13.

[15] Yu C H， Doppler K， Ribeiro C B， et al. Resource Sharing Optimization for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks[J]. Wireless Communications IEEE Transactions on， 2011， 10（8）：2752-2763.

[16] Wang J， Zhu D， Zhao C， et al. Resource Sharing of Underlaying Device-to-Device and Uplink Cellular Communications[J]. IEEE Communications Letters， 2013， 17（6）：1148-1151.

[17] Song H， Ryu J， Choi W， et al. Joint Power and Rate Control for Device-to-Device Communications in Cellular Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2015， 14（10）：1-1.

[18] Pratas N K， Popovski P. Underlay of low-rate machine-type D2D links on downlink cellular links[C]// 2014 ICC - 2014 IEEE International Conference on Communication Workshop （ICC）. 2014：423-428.

[19] Zhang C H， Tian Y J， Deng N Y. The new interpretation of support vector machines on statistical learning theory[J]. Science China Mathematics， 2010， 53（1）：151-164.

[20] Lin M， Ouyang J， Zhu W P. Joint Beamforming and Power Control for Device-to-Device Communications Underlaying Cellular Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2016， 34（1）：138-150.

[21] Gaudes C C， Santamaría I， Vía J， et al. Robust Array Beamforming With Sidelobe Control Using Support Vector Machines[J]. IEEE Transactions on Signal Processing， 2007， 55（2）：574-584.

[22] Li M， Lin M， Yu Q， et al. Optimal Beamformer Design for Dual-Hop MIMO AF Relay Networks over Rayleigh Fading Channels[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2012， 30（8）：1402-1414.

[23] Alrabadi O N， Tsakalaki E， Huang H， et al. Beamforming via Large and Dense Antenna Arrays Above a Clutter[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2013， 31（2）：314-325.