蜂窝网络下异构多小区毫米波D2D通信模型研究

李卓尔 徐家品

摘 要：随着微波频谱波段的日益稀缺，毫米波波段通信因其有足够的带宽而受到广泛关注，同时也被认为是第五代移动通信网络的关键技术之一。与微波不同的是，毫米波适用于短距离通信，与D2D通信要求的通信场景非常契合。为了充分利用宽频带，并假设通信时无阻塞，提出一种短距离通信场景下无阻塞毫米波D2D通信模型。以随机几何作为理论工具，即基站、终端用户的分布服从泊松分布，这样更具有实际研究意义，推导出用闭合形式表达的通信系统模型覆盖概率与面积频谱效率并进行分析。仿真数值结果表明，与单独使用微波的通信模型相比，毫米波通信模型在中断概率、面积频谱效率以及小区覆盖率方面具有更好的性能。

关键词：5G；D2D通信；毫米波技术；中断概率；覆盖率

DOI：10.11907/rjdk.173127

中图分类号：TP393

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）005-0191-04

Abstract：With the increasing scarcity of microwave spectral bands， millimeter-wave band communication has drawn extensive attention due to its sufficient bandwidth and is also considered as one of the key technologies of the fifth generation mobile communication network.Unlike microwaves， millimeter waves are suitable for short-range communications and are well suited to the communication scenarios required for D2D communications.In order to make full use of the wideband and assuming no congestion during communication， a millimeter-wave D2D communication model is proposed when there is no blockage in the short-distance communication scenario. Taking stochastic geometry as the theoretical tool， which meas， the distribution of base stations and end users follow the Poisson distribution， is of more practical significance. The coverage probability and area spectrum efficiency of the communication system model expressed in closed form are deduced and analyzed.The simulation results show that the millimeter-wave communication model has better performance in terms of outage probability， area spectrum efficiency and cell coverage compared with the communication model using microwave alone.

Key Words：5G； device-to-device communication； millimeter-wave technology； interrupt probability； coverage rate

0 引言

终端直通（D2D）通信是允许两个相距较近的D2D用户设备（UE）通过共享正常蜂窝用户设备（CUE）的无线电频谱资源，在链路上交换信息的一种技术[1]，它可以减少基站（BS）的业务负载，提高系统的频谱效率，提高小区边缘用户设备的覆盖范围。因此，D2D通信已被视为5G的关键推动者。

5G的另一个关键技术是毫米波（mmWave）通信，毫米波指波长小于10mm的无线电波。毫米波技术中非常短的波长在移动终端中采用较大的天线阵成为可能，并且在这样的高频率下大量可用带宽也使其成为解决频谱稀缺问题的方案。利用定向天线或波束形成技术，毫米波中的无线电能量可以高度集中在用户所期望的方向上，减少不同毫米波链路之间的干扰与能量浪费。 通信在毫米波波段上会比在微波波段中有更严重的路径损耗，并且对固体材料和人体更敏感，因此通信距离较短，适用于短距离通信场景[2]。

D2D通信已经在资源分配[3]、中继选择[4]、能量效率[5]等方面产生了较多研究成果。D2D用户设备（DUE）与BS或CUE之间的干扰抑制了系统频谱效率。通过在DUE中运用毫米波和波束形成技术，可以减少干扰，并且可以进一步改善系统频谱。在D2D通信情况下，毫米波波束窄的宽度，其天线高度与基站相比相对较低的特性，使得D2D毫米波通信路径损耗较大，因此假定通信无阻塞的场景。本文提出一种毫米波D2D通信模型，无阻塞情况下在毫米波波段上工作，并且使用定向天线技术帮助毫米波波束的对准。利用空間泊松点过程对BS与DUE的位置进行分析，了解系统的干扰情况，并据此导出用闭合式表达的覆盖概率与面积频谱效率。仿真结果表明，该方法比传统的微波D2D通信系统在中断概率、面积频谱效率以及小区覆盖率方面具有更好的性能。

将毫米波与D2D通信技术单独研究，毫米波作为高频段传输，是非常适用于实现短距离传输的移动通信，对于系统的容载量以及传输速率方面都有大幅度提高。将D2D通信场景设想为规则的几何形状，这种情况是非常理想的。因此本文提出一种结合毫米波技术与D2D通信技术的新模型，通过优化频谱资源，进一步提高通信性能。

1 系统模型与问题描述

D2D通信多小区模型如图1所示。异构多小区通信模型中三角形是基站，黑色圆圈是毫米波的DUE，空心圆圈是微波的DUE， 其中BS、DUE的位置形成泊松点分布。DUE、CUE与BS三者可以在微波和毫米波波段上工作，而D2D链路工作时是复用其中的一个蜂窝通信下行链路信道。

假设有①BS和DUE的位置分别在密度为λB和λD的平面上形成随机的泊松点分布，前者用φB表示，后者用φD表示，且模型中所有BS下行链路的恒定传输功率均用PB表示；②毫米波通信时，BS和DUE采用天线阵进行定向数据传输，发射机和接收机波束间的角度放大倍数为G（θ1，θr），最大值G（0，0）[6]，在微波波段，它们采用全向天线；③微波通信模型中，路径损耗指数由α表示，并且所有链路经历的瑞利衰落遵循E[H]=1的指数函数分布；④毫米波在通信路径中传播时，只考虑大尺度衰落[7]。⑤毫米波的天线设备尺寸小，可以在终端设备中大规模使用。 毫米波在发射机与接收机上使用大阵列以获得足够的信号放大倍数来满足高数据速率通信。本文中定向波束形成被用于毫米波模式。 在所有DUE中天线规格是相同的，并假设收发天线的主波束在传输过程中完全对齐。

包含不同工作波段的D2D通信如图2所示，模型中DUE可以使用微波和毫米波通信。在此模型下，设所有D2D链路都有相同的链路距离，进行分析追踪。

在异构多小区通信模型中，①基站收集有通信的请求D2D用户对之间的链路信道信息；②依据预设功率阈值进行判断，选择应该采用微波或者毫米波；③通知D2D用户采用哪种波段进行通信。通信过程主要有如下4个步骤：

（1）基站发现存在想要与其小区中的另一用户进行通信的用户设备，并将该信息作为D2D链路建立请求广播给两个用户。 因此，D2D用户对接收请求并准备接下来的一个光束对准过程。这是在微波波段完成的。

（2）假设DUE A（发射机）、DUE B（接收机）在其毫米波天线设置中分别有AK个发射波束和Bn个接收波束。A将在一个周期内发送信道探测信号，B接收时记录信号强度。在完成整个循环后，终端测试所有可能的组合。这是在毫米波波段完成的。

（3）B把收到的信号强度反馈给BS，BS将信息传递给A，存在两个由B保存的接收功率强度决定的情况。如果B在某个接收机接收的毫米波功率大于最小功率阈值，基站将发送给A应该以毫米波与B沟通的信息；如果B的接收机没有接收到足够高于门限的功率，基站将通知A在微波波段与B通信。

（4）A开始用微波或者毫米波与B通信。无论是在微波还是毫米波频段，D2D用户对只有在向基站报告后才能开始以D2D模式通信。一旦D2D链路启动，在会话超时或链路故障的情况下，它们需要再次向基站报告，且可能需要切换到蜂窝模式。

2 系统性能分析

本部分将推导微波通信、毫米波通信的有效覆盖面积和单位面积的频谱效率。

本文分析了2种D2D通信模式（即毫米波模式、微波模式）的覆盖范围与区域频谱效率。

覆盖概率可以定义为信号干扰噪声比（SINR）的补充累积分布函数，表示为：

式（1）中T表示SINR门限，区域频谱效率是所定义区域的通信空间中平均链路覆盖率与频率谱的比值[8-9]。因此，ASE即面积频谱效率表示为：

2.1 微波D2D通信模型

由于DUE以overlay的方式复用了蜂窝用户的下行通信链路时频资源，这必然会导致干扰，此干扰来自基站以及其他D2D用户的相互作用，表示为：

式（3）中μmicro表示微波通信系统模型中DUE的发射功率，α是大尺度链路损耗系数，hDD是小尺度模型中的瑞利衰落系数，IBD表示基站作用于D2D的干扰信号，IDD表示D2D用户相互间的干扰信号，σ＼+2是加性高斯白噪声。

小区覆盖率表示[10]为：

2.2 毫米波D2D通信模型

D2D毫米波通信模型中的发射机天线采用一样的波束形状，并运用泊松点随机过程。综上所述，此模型信噪比为：

式（8）中F是一个与无线增益以及放大热噪声有关的调节因子[12]。把σ＼+2定义为热噪声的功率，μmm是用户发射功率，rk是第一个基站到第k个基站之间的距离，g（r0）代表接受机端的放大系數。只有与其天线对准的波束才会被接收机接收，虽然减少了大部分干扰，但仍存在部分波束在接收机端发生交叠。由此得到毫米波D2D通信模型的通信覆盖率：

在毫米波D2D通信模型中，UE不会受到CUE和BS的干扰影响，只有来自其它毫米波通信设备的干扰。其干扰用公式（10）表示：

3 仿真结果分析

使用Matlab进行仿真，来比较上述两种D2D通信模式的性能，主要仿真参数设置如表1所示。

两种D2D通信模型的中断率比较如图3所示，区域覆盖率方面，毫米波D2D通信优于微波D2D通信模式，从图中可以看出，通信链路越长，优势越显著。毫米波通信中添加了波束成形技术，受到的干扰比微波通信小。由前面部分的推导公式可以看出，在毫米波D2D通信模型中，由于设备的干扰很小，并有角度增益，这使得系统中来自其他用户的干扰减少了很多。

两种D2D通信模型中ASE与D2D距离的关系如图4所示，这两种模式相比较，毫米波D2D通信的区域面积频谱效率（ASE）较优，且随着通信链路长度的增加，其ASE减小变得迟缓。当通信链路距离增大时，微波D2D通信的ASE并不发生变化，这是由于微波通信中不存在阻碍物引起的通信中断。

4 结语

D2D通信与毫米波技术作为两种5G新兴技术，有无限潜力等待被挖掘，它们能为传统蜂窝通信用户带来便利。 以随机几何作为理论工具，即基站、终端用户的分布服从泊松分布，这样更具有实际研究意义，并对微波D2D通信与毫米波D2D通信的中断率和覆盖率进行分析，推导出其数学表达式，计算结果与最后实验仿真均表明，在短距离通信场景中毫米波D2D通信模式较于微波D2D通信模式性能更优越，能给用户带来更好的体验。

在未来，通信用户数量肯定会增加，随着频谱资源愈来愈紧张，技术合作是一个必然趋势，不可否认的是资源分配始终是一个热点话题，如何在异构蜂窝网络中找到用户体验和频谱资源的最佳平衡是未来研究的方向。

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（責任编辑：刘亭亭）