蜂窝网络下的设备到设备通信的资源分配模式转换及其优势

© 2013 Junshu Gao，Xuewen Liao，Jianguo Deng，Pinyi Ren. Elsevier B. V.出版，美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 5（2013）40 - 472013年AASRI并行和分布式计算与系统蜂窝网络下高俊树，廖学文，邓建国，任品义电子与信息工程Xi摘要作为蜂窝网络基础的设备到设备（D2D）通信是一种有前途的技术，并且其最近已经 提出了蓬勃发展的本地业务，这将大大提高系统容量，通过共享相同的资源块的蜂窝用户在同一时间。然而，不适当的资源重用所带来的相互干扰会恶化整个系统的性能。本文提出了一种无需D2D链路和D2D用户到蜂窝用户链路的信道状态信息（CSI）的模式转移资源分配方案。传统的D2D对利用最佳信道共享蜂窝用户的资源块，以减少对蜂窝链路的相对干扰。而在另一种方式中，出于相同的目的，D2D用户也可以重用其发射机在其自身与基站（BS）之间具有最差信道的资源块，此外，提出了一种简单的策略来选择提供更大容量的重用模式。数值结果表明，该方案在系统容量和中断概率方面明显优于参考方案，且不会带来任何额外的复杂度。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审关键词：设备到设备（D2 D）通信;资源分配模式转换;2212-6716 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。美国应用科学研究所负责的选择和/或同行评审doi：10.1016/j.aasri.2013.10.056Junshu Gao等/ AASRI Procedia 5（2013）4041第1款. 介绍近几年来，频谱资源的稀缺引起了企业和研究机构的广泛关注，为本地服务提供一些额外的技术可能是解决这一问题的一个可行途径。诺基亚的研究人员和他的团队首次将设备到设备（D2D）通信模式的概念引入LTE蜂窝网络[1]。与基于蜂窝网络基础设施的其他技术不同，D2D对可以建立链路并直接通信，如图1所示。在蜂窝网络中，当D2D用户与一些蜂窝用户共享相同的频谱资源块（RB）时，频谱效率将得到提高。同时，蜂窝用户将受到来自D2D发射机的干扰的影响。为了更好地控制干扰，BS将仍然负责将共享RB分配给D2D设备。由于其较高的频谱效率和简单的信令，D2D通信可以作为补充通信成为未来网络的有效部分。现有的研究主要包括两个部分：功率分配和传输模式选择。在文献[2-6]中，在功率控制和通信模式选择的不同情况下都获得了令人满意的结果。图1.具有D2D链路的图2. D2D链路和一个蜂窝用户共享相同RB的系统模型。42Junshu Gao等/ AASRI Procedia 5（2013）40N0DCDDBdP gPGYu等人提出了一种用于D2D发射机的简单功率控制方案，条件是信号与干扰加噪声比（SINR）分布可以通过统计方法导出。因此，系统可以设置一定的阈值来控制来自D2D用户的干扰[2]。此外，他们的先进研究包括另一种功率分配方案，其中BS动态协调蜂窝链路和D2D链路之间的干扰，而不暂停蜂窝链路服务[3]。此外，Hakola通过方程描述了系统吞吐量，以分析系统在D2D通信模式的蜂窝网络中的性能[4]。在[5]中，当D2D用户共享蜂窝上行链路或下行链路资源时，已经总结了考虑链路质量和D2D对的情况的模式选择过程，并且D2D用户的工作模式取决于这两个参数的值。此外，提出了用于D2D设备的更详细的功率控制方案，其在动态调谐步骤中改变D2D发射机功率[6]。事实上，资源分配领域的研究也显著提高了整个系统的性能，并且提出了一种资源分配方案，该方案根据蜂窝用户的最低数据速率按需为D2D用户分配适当的资源，以确保蜂窝用户的QoS [7]。所有这些研究都要求LTE网络中原有的功率分配和信令协议需要改变，这将影响算法与原系统的兼容性。特别是当基站需要知道与其没有直接连接的链路的CSI时，系统将付出更多的信令开销。本文在不改变原有LTE网络中功率分配等相关协议的前提下，主要研究如何利用D2D发射机占用不同RB时信道状态信息（CSI）的差异，提出一种分别增强信号或降低干扰的资源分配方案。根据蜂窝用户的CSI和D2D发射机到BS的CSI，系统将适当地选择出具有较大容量的资源分配模式。本文其余部分的结构如下。第2节描述了LTE网络中存在D2D通信时的基本模型。第3节给出了详细的拟议资源分配机制，第4节给出了一些令人信服的数值结果。最后一部分是结论。第2款.系统模型假设蜂窝用户的资源分配过程已经完成，则BS收集蜂窝用户和D2D发射机的CSI。BS根据与其链接的信道信息为D2D用户分配适当的资源，并最大化系统容量。为了实现更高的吞吐量，我们制定的问题作为一个优化过程分配适当的RB到D2D用户。如图2所示，D2D链路使能网络中的用户可以直接彼此通信。C1、C2、C3和C4代表蜂窝用户。此外，首被告、次被告、次被告及次被告均为D2D用户。D2D对d和蜂窝用户c的SINR被计算为d和c：dP gCCD DD（一）D0cPcgcBCDCCCD（二）这个问题是一个优化问题，如下所示：NJunshu Gao等/ AASRI Procedia 5（2013）4043C C D c C命名法Dc指示变量，Dc当D2D对d与蜂窝用户c共享RB时为1，否则Dc0GCDPd蜂窝用户c与D2D对dD2D对PcgddgcBn0的蜂窝用户的发射功率、D2D对基站和蜂窝用户之间的信道增益c.AWGN功率谱密度最大DC Cdn C n C（3）DC cS. t. PGtarget（NdPg），（四）c换股债券c0天CDDBdP gtarget（NdP g）;（五）CCDddd0cCCCDd1;dCd1;（六）公式（3）是优化目标。（4）和（5）中的条件保证了所述信道的最低SINR蜂窝链路和D2D链路，并且（6）中的约束确保不同的蜂窝用户将占用不同的RB，并且每个RB最多只能被一个D2D对重用。为了将D2D通信平滑地集成到LTE网络中，已经将上行链路功率控制应用于蜂窝用户和D2D发射机[8]，因此在此我们可以忽略到BS的不同距离的影响，并且蜂窝用户和D2D用户的接收功率在BS处相等。然而，在LTE网络中，在如此短的时间延迟内解决上述问题似乎仍然是不可能的。第3款.拟议资源分配方案在前面描述的模型中，我们可以发现，该问题是一个MINLP问题，并且在我们简化问题的一些约束的条件下，穷举搜索方案可以得到解，然而，即使这样，穷举搜索方案的复杂度也是指数级的，并且当蜂窝用户和D2D对的数量变大时，它超出了系统可以支持的范围。因此，需要一些简单的启发式算法。3.1 参考方案在文献[9]中，作者提出了一种改进网络的资源分配算法，CC44Junshu Gao等/ AASRI Procedia 5（2013）40C c D c CC cD cC从系统容量的角度来看。该方案选择出最好的几个蜂窝用户的资源块，然后分配到D2D对按递减顺序。通过仔细观察c的表达式，我们可以看出，从蜂窝用户c到BS的较高信道增益（gcB）可以获得较高的c。因此，具有高信道系数的任何蜂窝用户可以与D2D对共享RB。对于选出的每个RB，其发射机与BS之间的信道增益最低的D2D对将重用它，并且也就是使表达式（7）中的最大值：C细胞CBlog2（1c）C（七）3.2 建议计划在我们提出的方案中，我们不仅遵循为蜂窝用户分配最佳RB的方案，而且还分别关注D2D发射机和BS之间的链路中用于D2D用户的最差资源块以控制干扰源。这将是对参考方案的完美补充，没有任何额外的复杂性。该方案可分为三个步骤。步骤1：BS选择出若干个最佳资源块，如算法1所示，BS最终会得到一个资源分配矩阵d（1）。然后BS计算在该条件下的总容量。C（1）DC Cd（1）n C n C（8）d c c步骤2：BS根据每个RB上的一个特定D2D对的CSI选择出可以重用的资源块。如果每个D2D对的最差资源块不同，则BS将立即更新资源分配矩阵。否则，具有最低信道增益的D2D对将共享资源块，其他D2D对继续检查其第二最差资源块，直到每个D2D对具有一个特定资源块要共享，如算法2所示。然后BS将整个容量计算为（9）：C（2）DC Cd（2）n C n C（9）DC c步骤3：BS比较算法1和算法2的容量，然后选择在时隙内具有较大容量的算法。Cmax（C（1），C（2））（10）在每个时间段重复该过程。实际上，我们所提出的方案的特征是首先考虑蜂窝用户的CSI或首先考虑D2D对。另外，我们还可以看出这两种算法的复杂度是相同的。我们的方案是这两种算法的结合，所以我们提出的方案的复杂度是相同的数量级的参考。CJunshu Gao等/ AASRI Procedia 5（2013）40451 .一、 C：按降序对用户的CSI进行排序的列表D：用于重用RB2. Gd：对每个RB上的D2D对d的CSI以递增顺序排序的列表。D：用于重用RB开始c=1;当D和cCdoN：可以重用开始n =1;选择具有c个最大值的RB，选择其中的D2D发射机d，通道增益gdB最小PcgcBC而N和D做N从Gd中选择具有最小gdB的对于不同的D2D对，较小的gdB将共享RBPcgcBC0DCDDBdP gN0DCDDBdP gCCDDDdP gCCDDDdP gDN0cCCCDdP gDN0CCCCDdP g如果CCtargetandD塔阿格和德如果CCtargetandD塔阿格和德与D2D对dD D{d};c c 1;否则不与D2D配对共享RB端与D2D对dD D{d};d d 1否则不与D2D对d端结束结束容量kbps表1.算法1和算法2第4款.模拟和结果分析在本节中，我们提供了我们提出的方案的数值结果。为了简单起见，我们假设每个蜂窝用户占用的RB具有相同的信道增益。在具有均匀分布的十个蜂窝用户和若干D2D对的单个小区中，我们获得相关蜂窝用户和D2D对的容量，并且也将给出蜂窝用户的中断概率。通过损耗模型是P（d）cd，其中P（d）是距离d处的接收功率。c是发射功率，是通损指数，其他参数的值与[9]中的值相同。1040 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20SNRDB图3（a）容量一个D2D对建议的方案参考方案46Junshu Gao等/ AASRI Procedia 5（2013）401051040 2 4 6 8 10 12 14 16 1820SNR（dB）图3（b）四个D2D对100十比一10-210-30 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20SNRDB图4蜂窝用户图3（a）（b）示出了当在小区中随机地设置一个D2D对或多个D2D对时。如图5所示，我们提出的方案执行更好地与参考方案相比，在相同的复杂度水平的系统容量。图4示出了其资源块被重用的特定蜂窝用户的中断概率。当信噪比为20 dB，门限速率为1bps/Hz时，该方案的中断概率仅为参考方案的十分之一。最后，我们分析了D2D对的数量对我们提出的方案获得的增益的影响。可以清楚地看出，当D2D对的数量增加时，穷举搜索方案与我们提出的方案之间的差距变得更大。对于D2D对的数量增加，BS将选择出更多的资源块。然而，在所选择的要重用的资源块中，我们还没有针对在该条件下提供最大容量的最优分配方案，并且我们仅分配基于一些简单规则（即，具有较低信道增益的D2D发射机将重用RB）选择的资源块，而不增加算法复杂度。当D2D对的数量变得更大时，简单的分配原则将更显著地影响系统的性能。第5款. 结论在本文中，我们研究了在D2D链路使能网络中的资源分配问题，其中D2D用户可以与蜂窝用户共享资源块充分利用BS已知的CSI，我们提出方案参考方案穷举搜索方案建议的方案参考方案容量（kbps）中断Junshu Gao等/ AASRI Procedia 5（2013）4047在保持算法复杂度不变的前提下，提出了一种改进的资源分配方案。仿真结果表明，在平均容量和中断概率方面，该方案优于参考方案。确认本工作得到了国家科技重大专项（2010 ZX 03003 -004-01）、陕西省科技计划（2011 K 06 -10）的引用[1] K. 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