D2D通信中基于服务质量的资源分配算法

孙文胜，苗红亮

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

D2D通信中基于服务质量的资源分配算法

孙文胜，苗红亮

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

直连通信技术可以提升频谱效率，改善频谱资源日益紧张的现状.当直连用户复用蜂窝用户的频谱资源时，会产生同频干扰.为此，提出了一种基于服务质量的资源分配算法，以两种用户的发射功率为约束条件，以最大化直连通信用户总容量为目标函数，建立凸优化问题，通过拉格朗日乘子法求得最优解.仿真结果显示，与已有的贪婪算法和随机分配算法相比，在保证服务质量的同时能够有效地协调干扰，增加系统总容量.

直连通信；服务质量；资源分配；拉格朗日乘子法

0 引 言

直连通信(Device-to-Device，D2D)就是当两个用户终端距离较近时，在基站的控制下直接传输数据，而不需要经过基站中继转发.D2D用户可复用蜂窝用户频谱资源，提高频谱资源利用率，但频谱复用会产生同频干扰[1].文献[1]通过迭代组合拍卖算法为D2D用户分配信道资源，利用线性价格匿名提高资源分配的公平性.文献[2]提出了基于贪婪策略集中式资源调度算法，证明了以非合作博弈论建立的问题可收敛到唯一的纳什均衡点.文献[3]提出了比率公平资源调度算法，用权重因子表示系统公平性，有效地解决了边缘用户长期分配不到资源的问题.文献[4]通过自适应学习过程分配资源，以蜂窝用户和D2D对之间的干扰为效用函数，对应策略是D2D对在各个信道上的功率.文献[5]引入了复用限制域的概念，以系统容量最大化为目标进行资源分配，允许单个D2D对复用多个蜂窝用户资源，提高了系统总容量.

以上研究主要通过信道分配和功率控制来协调干扰，但都假设D2D对的发射功率相同且为固定值，只对蜂窝用户进行功率控制[2].该假设不具有一般性，实际情况下D2D对的发射功率也可以根据干扰情况不同而不同.比如，文献[5]只考虑了对蜂窝用户进行功率控制，未考虑D2D对的发射功率.本文针对当前研究的不足，在文献[5]的基础上，提出了一种基于蜂窝系统服务质量(Quality of Service，QoS)的资源分配算法，以蜂窝用户和D2D对的发射功率为约束条件，建立凸优化问题并利用拉格朗日乘子法求解最优功率，在频谱效率和系统性能上都有较大的提升.

1 系统模型及问题描述

1.1 系统模型

D2D对可复用蜂窝用户的上行频段或下行频段[3].复用上行频段时，D2D发射端会对基站造成干扰，但基站抗干扰能力强，可以较好地协调干扰.同时，上行频段的资源利用率较低，有一部分空闲资源.鉴于以上原因，本文在LTE-FDD系统下复用蜂窝用户的上行频段.

图1 单小区环境下系统模型

1.2 问题描述

假设系统中D2D对j复用蜂窝用户i的信道k.此时基站受到来自D2Dj发射端的干扰，同时蜂窝用户CUi也会对D2Dj接收端产生干扰.在蜂窝系统中，QoS是反映系统性能的重要指标，信干噪比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，SINR)是保证QoS的重要指标，因此本文用SINR作为保证QoS的指标[4].由信道增益可求得CUi和D2Dj的SINR分别为

(1)

(2)

2 资源分配算法

本文所提出的资源分配算法可概括为以下两个步骤：1)设计一种信道分配方案，使单个D2D对尽可能多地复用蜂窝用户的信道资源；2)在限制蜂窝用户和D2D对发射功率的基础上，最大化D2D用户总容量.假设每个D2D对可以复用多个信道，但每个信道只能被一个D2D对复用[5].首先，以最大化D2D用户总容量为目标建立优化问题.优化函数表示为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由此根据式(3)和约束条件式(5)定义一个拉格朗日函数

(9)

其中，λ≥0为拉格朗日乘子，拉格朗日对偶函数可表示为

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

最后，求出最大化的最优λ.可采用次梯度方法求最优λ，λ根据下式迭代更新：

(19)

其中，θ(t)>0为步长序列.文献[7]中证明了只要θ(t)足够小，上述基于次梯度的迭代方程可以收敛于最优值[7].

3 仿真分析

为了验证基于服务质量的资源分配算法的性能，假定在LTE-FDD系统单小区场景下，使用MATLAB进行系统级仿真，并将本文算法与文献[5]提出的CORAL算法、贪婪算法和随机分配算法进行对比.

D2D用户总容量与用户间距离关系如图2所示.D2D用户间距离增加会导致由多径效应和远近效应产生的路径损耗加大，影响到D2D用户总容量.由图2中可知，当用户间距离逐渐增大，4种算法的D2D用户总容量均呈现下降趋势.但从曲线下降速度来看，本文所提出的算法下降速度较为缓慢，性能优于其他3种算法.原因是：本文算法动态调整蜂窝用户和D2D对的发射功率，可以随着距离变大而提高发射功率.

D2D用户总容量与蜂窝用户数关系如图3所示.本文所提出的算法和其他3种算法都允许单个D2D对复用多个蜂窝用户的信道资源.蜂窝用户数越多，D2D对可复用的信道资源也越多，D2D用户总容量也越大.由图3中可知，随着蜂窝用户数的增加，本文所提出的算法在D2D用户总容量的提升上优于其他3种算法.原因是：本文算法通过将信道分配给最大化用户容量的D2D对，尽可能使D2D对复用更多的蜂窝用户信道资源.另一方面，本文算法还通过限制蜂窝用户和D2D对的发射功率来减小干扰，进一步增大D2D用户总容量.

图2 用户总容量与用户间距离关系

图3 用户总容量与蜂窝用户数关系

4 结束语

为了解决频谱资源复用带来的干扰问题，本文提出了一种基于蜂窝系统服务质量的资源分配算法，动态调整蜂窝用户和D2D对的发射功率，最大化D2D用户总容量.本文通过求解凸优化函数的拉格朗日对偶形式，得到最优发射功率.但本文算法的迭代次数较多，因此，下一步研究方向是如何降低计算复杂度.

[1]NGUYEN H H, HASEGAWA M, HWANG W J. Distributed Resource Allocation for D2D Communications Underlay Cellular Networks[J]. IEEE Communications Letters, 2016,20(5):942-945.

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[4]WU D, CAI Y, HU R Q, et al. Dynamic distributed resource sharing for mobile D2D communications[J]. Wireless Communications, IEEE Transactions on, 2015,14(10):5417-5429.

[5]DAI Z, LIU J, WANG C. QoS-based device-to-device communication schemes in heterogeneous wireless networks[J]. Iet Communications, 2015,9(3):335-341.

[6]PALOMAR D P, CHIANG M. A tutorial on decomposition methods for network utility maximization[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2006,24(8):1439-1451.

[7]RE JI M, CAIRE G, MOLISCH A F. Fundamental Limits of Caching in Wireless D2D Networks[J]. Information Theory, IEEE Transactions on, 2016,62(2):849-869.

A QoS-based Resource Allocation Algorithm for D2D Communication

SUN Wensheng, MIAO Hongliang

(SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Device-to-Device(D2D) communication technology can improve the spectrum efficiency, improve increasingly tense situation of spectrum resources. However, reusing the spectrum resources of the cellular users will create co-channel interference. To this, a QoS-based resource allocation algorithm is proposed. By using the transmit power of two users as the constraint condition and maximizing the total capacity of D2D communication users as the objective function, the convex optimization problem is established and the optimum solution can be obtained with the Lagrange multiplier. The simulation result shows that compared with the greedy algorithm and the random allocation algorithm, this algorithm can effectively coordinate the interference and increase the system capacity with the service quality guaranteed.

D2D communication; service quality; resource allocation; Lagrange multiplier

10.13954/j.cnki.hdu.2017.03.006

2016-10-08

孙文胜(1966-)，男，安徽巢湖人，副教授，无线通信.

TN929.5

A

1001-9146(2017)03-0024-05