基于分组的D2D通信功率控制算法

丁晨 石振刚

摘要：為解决现有蜂窝网络中设备对设备（Device to Device，D2D）通信的功率控制算法中路径损耗补偿系数固定导致基站与D2D用户之间产生同频干扰的问题，文章提出了一种基于分组的功率控制算法。所提算法在传统闭环功率控制算法的基础上，利用D2D用户到基站的距离和D2D用户到蜂窝用户的距离，计算出路径损耗补偿系数增补量，并设定3组干扰区域对路径损耗补偿系数的增补量大小进行区分，最后采用联合闭环功率对系统进行干扰抑制。通过仿真实验可得知，该算法比使用传统闭环功率控制算法的系统的信干噪比（Signal to Interference Plus Noise Ratio，SINR）和吞吐量得到了提高，可以显著提高蜂窝网络中D2D通信的功率控制性能，达到干扰抑制的作用。

关键词：设备对设备  蜂窝网络  功率控制  路径损耗补偿系数  干扰抑制

DING Chen  SHI Zhengang*

（School of Information Science and Engineering， Shenyang Ligong University， Shenyang， Liaoning Province， 110159 China）

Abstract：In order to solve the problem of co-channel interference between the base station and the D2D user caused by the fixed path loss compensation coefficient in the power control algorithm of D2D communication in the existing cellular network， this paper proposes a packet-based power control algorithm. On the basis of the traditional closed-loop power control algorithm， this algorithm  uses the distance from D2D users to base stations and the distance from D2D to cellular users to calculate the supplement of the path loss compensation coefficient， and sets three groups of interference regions to distinguish the size of the supplement of the path loss compensation coefficient， and  finally uses the joint closed-loop power to perform the interference suppression on the system. Through simulation experiments， it can be seen that this algorithm has improved SINR and throughput compared with the system using the traditional closed-loop power control algorithm，  and can significantly improve the performance of power control of D2D communication in cellular networks and achieve the effect of interference suppression.□□□□□□□□□□□□□□□□

Key Words：Device to device;  Cellular network;  Power control;  Path loss compensation factor;  Interference suppression

随着物联网时代的到来，频谱资源也越来越紧缺，如何保持高传输速率、低通信时延来满足各种大规模通信业务，是个非常具有挑战性的问题[1]。于2008年召开的3GPP会议首次提出D2D通信技术的概念，目前，D2D通信技术已经被列入5G移动通信系统发展框架，在未来的移动通信发展中可以发挥更重要的作用[2]。

当用户采用D2D通信技术时，位于彼此传输范围内的两个用户之间可以通过公共信道直接通信，在彼此传输范围外的用户可以使用其他设备中继信号[3]。与D2D通信相似的技术如Wi-Fi、蓝牙等在通信距离增加时会存在一定的干扰，而使用蜂窝网络频段的D2D通信的通信距离相对较短，所以信道质量较高[4]。

目前，D2D通信工作模式主要可以分为蜂窝模式、专用模式和复用模式。蜂窝模式通过基站的转发进行数据传输，专用模式是指基站为D2D用户预留部分空闲频谱资源，D2D用户和蜂窝用户在正交的频谱上进行通信，二者之间不会存在干扰，而复用模式中D2D用户可以共享蜂窝用户资源来提高频谱利用率，但也带来了同频干扰问题[5]。文章将利用功率控制技术减少复用模式下D2D通信产生的同频干扰问题。

孙向艳[6]在其论文中提出采用一种加权和速率最大化二值功率控制方法可使D2D通信和速率最大化。张伟[7]根据D2D用户到基站的路径损耗在小区内划分出两个干扰区，为不同区域的D2D用户分配不同的补偿系数。尹国庆[8]联合了频谱资源分配和功率控制技术，先使用贪婪算法进行频谱资源分配，再使用Q-learning进行功率控制，提高了通信系统容量。BENBRAIKA M K和BITAM S[9]提出增强型蜜蜂生命算法可用来解决联合频谱资源分配和功率控制受到非线性约束控制的问题。文章提出了一种基于分组的功率控制算法，可以有效改进蜂窝网络中D2D通信帶来的同频干扰问题，达到干扰抑制的效果。

1 系统模型

文章针对单个蜂窝小区场景建立了系统模型，将基站eNB建立在小区中心，并采取随机分布的方式在小区分布M个蜂窝用户及N对D2D用户（M>N）。基站首先为蜂窝用户分配频谱资源，然后D2D用户复用蜂窝用户的上行链路资源。如图1所示，蜂窝用户CUE1通过上行链路将信息传给eNB eNB接收到数据后再将数据通过下行链路传输给蜂窝用户CUE2。而DUE1与DUE2之间距离较近，可以利用D2D通信技术直接通信，而DUE1仅需要利用控制指令从基站获取发射功率和频谱资源信息。

其中，D2D用户接收端的SINR可以表示为

蜂窝用户的接收端的SINR可以表示为

式中，表示D2D用户接收端的接收功率，表示D2D用户对基站eNB的干扰，表示基站的接收功率，表示D2D用户受到来自蜂窝用户的干扰，表示热噪声功率。

根据香农公式，D2D用户的吞吐量如下，其中是D2D用户所占的带宽：

蜂窝用户的吞吐量如下，其中BW为蜂窝用户所占的带宽：

2 基于分组的功率控制算法

2.1 开环功率控制和闭环功率控制算法

在LTE协议中，上行功率控制算法一般分为开环功率控制算法和闭环功率控制算法。开环功率控制的计算公式为

其中，为UE的最大发射功率，为标称功率，也是小区特定参数，是分配给小区中用户的资源块数，为路径损耗补偿系数，为路径损耗，表示由调制和编码方式确定的功率偏移量[10]。

闭环功率控制中相比开环功率控制增加了反馈项，其计算公式如下：

式中，为补偿功放误差、路径损耗计算误差及干扰点评突发等情况的闭环修正值，可以利用判断功率控制状态是累积性或绝对性功能函数。其中，闭环功率控制算法的流程图如图3所示。

2.2 基于分组的功率控制算法描述

文章采用了一种基于分组的D2D通信功率控制算法，将蜂窝小区设置了3个干扰组，即高干扰组（High Interference Group，HIG）、中干扰组（Medium Interference Group，MIG）、低干扰组（Low Interference Group，LIG），HIG的路径损耗补偿系数设为，MIG的路径损耗系数设为，LIG的路径损耗系数设为，而D2D用户与eNB的距离越远，的值应该越大，因此本文将设定的增补量，表示为

式中，为蜂窝小区半径，为D2D用户与eNB之间的最小距离，为常数0.1，为D2D用户与eNB之间的距离矩阵。

设定原始路径损耗补偿系数为，经过化简，高干扰组中表示为

此外，闭环功率控制算法只对D2D用户进行闭环功率控制来减少用户间干扰，但D2D用户在复用蜂窝上行链路资源时，也会对蜂窝用户产生干扰[11]，因此文章将在用户分组的基础上，对蜂窝用户和D2D用户采用联合闭环功率控制，算法的具体步骤描述如下：

（1）随机分布通信用户并确定基站位置信息；

（2）D2D用户开始复用蜂窝用户上行链路资源，并计算D2D用户到eNB的距离；

（3）循环初始值；

（4）判断D2D用户是否属于HIG，是则使；否则返回到Step 3；

（5）判断D2D用户是否属于MIG，是则使；否则返回到Step 3；

（6）判断D2D用户是否属于LIG，是则使；否则返回到Step 3；

（7）当时，停止计算；当时，，重复（2）～（6）。

3 仿真结果对比及分析

文章使用MATLAB作为实验平台进行仿真，将改进后的基于分组的功率控制算法（APPC）与传统开环（OLPC）和闭环功率控制算法（CLPC）进行对比分析，系统模型如图3所示。

为了更好地对比算法之间的性能，文章将设为0.7，D2D和蜂窝用户的SINR累积概率分布函数（Cumulative probability distribution function，CDF）曲线如图所示。如图4所示，文章提出的改进控制功率算法得到的D2D用户的SINR性能最好。从图5可知，开环功率和闭环功率控制算法的CDF曲线整体趋于一致，而改进功率控制算法则较好地提高了蜂窝用户的SINR。

D2D用户和小区内所有用户吞吐量的CDF曲线如图6所示，可以看出D2D用户的吞吐量与其SINR的分布类似，文章提出的改进功率控制算法性能最佳。从图7中可知，文章提出的算法提高了小区所有用户的吞吐量。

4 结语

文章提出了一种基于分组的功率控制方法，将小区用户划分不同干扰组并配置不同的路径损耗补偿系数，并采取联合功率控制同时对D2D用户和蜂窝用户进行闭环控制。通过仿真验证，所提出算法可以有效提高小区内用户的SINR和吞吐量，更好地提高了信道容量，维护了系统整体的服务质量。

参考文献

[1] 卓干兵.蜂窩网络中D2D通信无线资源分配算法研究[D].南京：南京邮电大学，2020.

[2] 孙恩昌，屈晗型，袁永仪，等.蜂窝网络中D2D通信资源分配方法综述[J].北京工业大学学报，2021，47（10）：1188-1200.

[3] GHOSAL S，GHOSH S C.A Randomized Algorithm for Joint Power and Channel Allocation in 5G D2D Communication[J].Computer Communications，2021，179：22-34.

[4] 陈青.D2D通信技术干扰抑制方法研究[D].南京：南京邮电大学，2019.

[5] 孟晓宇.蜂窝网络中D2D通信资源分配方案设计[D].南京：南京邮电大学，2018.

[6] 孙向艳.D2D通信模式选择与功率控制研究[D].呼和浩特：内蒙古大学，2019.

[7] 张伟.基于LTE-A的D2D通信系统干扰抑制技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2015.

[8] 尹国庆.D2D通信中设备发现和资源分配的研究[D].武汉：武汉理工大学，2019.

[9] BENBRAIKA M K， BITAM S.Spectrum Allocation and Power Control for D2D Communication Underlay 5G Cellular Networks[J]. International Journal of Communication Networks and Distributed Systems，2021，27（3）：299-322.

[10] 李志华.D2D通信系统功率控制算法研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[11] 翟旭平，龚磊，张男.基于补偿因子的D2D通信自适应联合功率控制算法[J].应用科学学报，2019，37（1）：1-11.