D2D 通信复用异构蜂窝网络中分布式路由资源分配方法

伊学君

（电子科技大学成都学院，四川 成都 611731）

0 引 言

设备到设备（Device-To-Device，D2D）通信作为一种新兴的通信方式，允许终端设备在近距离范围内直接进行通信，无须通过基站中继，从而显著提高通信效率和数据传输速度。因此，对D2D 通信技术的研究具有重要的实际意义和应用价值。文献[1]利用信道模型对D2D 用户进行分簇，再通过Stackelberg博弈实现用户簇和D2D 用户的最佳信道匹配，可以解决车辆密集通信场景下通信质量差的问题。文献[2]将D2D 网络资源分配问题转化为凸优化问题，以系统速率最大化为目标进行多变量耦合资源分配，具有良好的收敛性能。文献[3]利用加权二部图算法进行D2D 网络中的用户资源分配，再基于贪婪策略进行用户资源分配重用，可以同时兼顾用户资源分配的公平性与质量需求。

传统资源分配方法未充分考虑D2D 设备的异构性，使得资源的均衡与高效分配难以实现。因此，文章进一步研究D2D 通信复用异构蜂窝网络中的分布式路由资源分配方法。

1 建立D2D 通信复用异构蜂窝网络的分布式系统模型

为了深入研究D2D 通信复用异构蜂窝网络的路由资源分配问题，建立一个合适的系统模型[4]。采用分布式系统模型来描述D2D 通信复用异构蜂窝网络，将D2D通信复用异构蜂窝网络抽象为一个多层次、多类型的网络拓扑结构，具体如图1 所示[5]。

图1 D2D 通信复用异构蜂窝网络的分布式系统模型

由于设备节点具有不同的处理能力、存储能力以及通信能力，既可以节点直连通信，也可以多节点转发通信。D2D 通信复用异构蜂窝网络的分布式系统模型可以表示为

式中：U表示D2D 通信复用异构蜂窝网络的资源分配模型；η1、η2分别表示D2D 用户的通信速率和通信保密率；ω1、ω2表示权重系数。通过式（1）可以将D2D 通信复用异构蜂窝网络的分布式系统模型进行量化分析，通过调整数据通信速率η1或者通信保密率η2，可以实现路由资源的有效利用与公平分配[6]。

2 分布式D2D 系统中的设备发现与会话建立

在D2D 通信复用异构蜂窝网络中，设备发现与会话建立是实现高效通信的关键步骤。设备发现是在网络中寻找潜在通信伙伴的过程，是建立有效通信链路的前提；而会话建立是在设备发现的基础上，进一步建立可靠的通信链路，确保数据传输的稳定性和可靠性。

文章提出一种基于邻居节点信息交换的机制，以实现高效的设备发现。在分布式D2D 系统中，各节点可以通过广播和监听的方式获取邻居节点的信息，节点间的通信能力为

式中：λij表示D2D 设备节点i和节点j之间的通信能力；f(Dij)表示与节点i和节点j之间距离Dij相关的函数，描述距离对通信能力的影响；(xi,yi)、(xj,yj)分别表示节点i和j的坐标信息。一般来说，在分布式D2D 系统中，每个节点都会根据自身的通信能力，按照预定的时间间隔向周围发送广播消息。这些广播消息包含节点的标识、位置信息以及通信能力等。同时，与之相邻的节点能够监听周围节点的广播消息，收集邻居节点的信息。通过这种方式，分布式D2D系统中各个D2D 设备节点可以快速获取邻居节点的状态和属性，为后续的会话建立奠定基础。在设备发现的基础上，文章引入一种自适应的会话建立策略，以适应不同类型设备的通信需求，建立可靠的通信链路。通信半径和通信阈值是2 个关键参数，通信半径决定了节点能够与哪些邻居节点建立通信链路，通信阈值则用于评估链路的可靠性，对应的计算公式分别为

式中：Ri表示D2D 设备节点i的通信半径；ωi表示节点i的权值；Ti表示节点i的通信阈值；ti表示节点i的通信阈值系数；gi表示节点i的性能指标。权重因子ωi根据设备的处理能力、存储容量和通信能力进行动态调整。通过这种方式，性能较差的设备可以获得更多的通信机会，从而提高整个网络的公平性和稳定性。通过D2D 设备发现与通信链路会话建立，D2D 通信复用异构蜂窝网络可以更好地了解可用路由资源和通信条件，有助于实现更加智能和高效的资源分配。

3 设备发现中的路由资源分配

在D2D 通信复用异构蜂窝网络的路由资源分配时，为了最大化D2D 用户之间数据传输速率，需要将有限的资源（如子信道和功率）有效分配给D2D用户，因此引入贪婪算法设计一种高效资源分配策略。使用贪婪算法为D2D 用户分配子信道，该算法可以根据当前信息进行局部最优决策，以期达到全局最优。具体来说，按照子信道的信道质量对D2D 用户进行排序，优先为信道质量好的用户分配子信道，以确保信道资源被高效利用，并最大化D2D 用户之间数据传输速率。假设D2D 用户数量为N，D2D 通信复用异构蜂窝网络中的子信道数量为M，可以将基于贪婪算法的子信道分配问题表示为

式中：ηn表示D2D 用户n的数据传输速率；xnm表示每个子信道被用户使用的情况，为二进制变量。当D2D 用户n使用子信道m时，其值为1，否则为0。在子信道分配完成后，根据每个用户的信道质量和所需的传输速率来为其分配功率。每个用户根据其信道增益与其所需传输速率成正比地分配功率，表达式为

式中：Pnm表示D2D 用户n在子信道m上分配的功率；F(Pn)表示D2D 用户n最大传输功率的取整函数；gnm表示D2D 用户n在子信道m上的信道增益。通过式（7）的线性功率分配策略可以确保每个用户在已分配的子信道上以最大的传输速率进行通信，进而保障D2D 通信复用异构蜂窝网络在有限的功率资源下最大化用户之间的数据传输速率。这种策略考虑了异构网络中的D2D 设备差异和动态变化，能够自适应地调整路由资源分配，以最大化D2D 用户之间的数据传输速率。

4 仿真实验

4.1 仿真设置

为了评估文章所提D2D 通信复用异构蜂窝网络分布式路由资源分配方法的性能，设计以下仿真对比实验。基于MATLAB 仿真平台，模拟一个包含多种类型设备的D2D 通信复用异构蜂窝网络，相关仿真参数设置如表1 所示。

表1 D2D 通信复用异构蜂窝网络仿真参数设置

本次仿真对比实验共设定了3 种路由资源分配方案作为实验对象：方案一采用文献[2]方法进行D2D 路由资源分配；方案二基于文献[3]方法进行D2D 路由资源分配；方案三采用文章设计的分布式路由资源分配方法进行仿真D2D 通信复用异构蜂窝网络中的资源分配。

4.2 结果分析

采用D2D 用户之间的数据传输速率指标来衡量不同方法在进行D2D 通信复用异构蜂窝网络路由资源分配的性能表现，具体如图2 所示。

图2 D2D 通信复用异构蜂窝网络路由资源分配结果对比

从图2 可以看出，随着D2D 用户数量的增加，3种资源分配方案的D2D 用户之间数据传输速率均呈现出不同的变化趋势。文章设计方法的D2D 用户之间数据传输速率最高，且增长最快。这是因为文章设计的分布式分配方法能够根据D2D 用户需求和信道状态动态分配资源，在这种策略下，每个D2D 用户都能获得一定的通信资源，从而分散网络负载，避免过度的集中和拥塞。因此，随着用户数量的增加，D2D用户之间数据传输速率能够保持较高的增长速度。通过本次仿真对比实验，验证了文章设计方法在提升不同D2D 用户数量下的D2D 用户之间数据传输速率方面的优越性。

5 结 论

在D2D 通信复用异构蜂窝网络中，分布式路由资源分配方法是一种有效的策略，能够根据网络环境和用户需求进行动态的资源优化。通过开展对比实验，验证了该方法在提高D2D 用户之间数据传输速率方面的优势。然而，该方法仍存在一些不足之处，如对网络状态信息的需求可能导致隐私和安全问题。未来研究可考虑结合其他技术，进一步优化资源分配和提高网络性能。