设备到设备通信中的吞吐量与容量增益及其影响分析

⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 1（2015）67www.elsevier.com/locate/icte关于设备到设备通信YoungJu Hwanga，Jihong Parka，Ki Won Sungb，Seong-Lyun Kimaa延世大学电气和电子工程系，50 Yonsei-ro，Seodaemun-Gu，Seoul 120-749，Republic of Korea bKTH Royal Institute ofTechnology，Wireless@KTH，Stockholm，Sweden接收日期：2015年1月5日;接受日期：2015年2015年10月23日在线发布摘要在上行链路底层设备到设备（D2D）蜂窝网络中，本文考虑其吞吐量改善的两个方面。该两倍增益包括通过将下行链路蜂窝业务卸载到D2D通信而增加的吞吐量（吞吐量增益）以及通过重用D2D传输的上行链路资源而增加的容量增益。这两种影响进行了调查，利用随机几何。在分析的基础上，针对不同的网络拥塞环境提供吞吐量最优D2D操作准则。2016年12月制作和托管由Elsevier B.V.代表韩国通信信息科学研究所这是一个开放在CC BY-NC-ND许可下访问文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：设备到设备; OFDMA蜂窝网络;底层频谱共享;双工增益;容量增益;密集化;随机几何1. 介绍作为对有增无减的蜂窝频谱紧缩的有效补救，设备到设备（D2 D）通信最近受到了极大的关注[1它在蜂窝吞吐量方面的主要改进是并矢的：吞吐量增益和容量增益。首先，通过将蜂窝业务分流到用户的直接D2D通信，从下行链路资源节省中获得第二，容量增益来自经由具有上行链路蜂窝操作的底层D2D通信重用上行链路资源上行链路底层网络保护下行链路用户免受D2D干扰，但反过来可能在上行链路基站（BS）处招致严重干扰。为了减轻这样的上行链路干扰问题，仅允许D2D通信到来自每个基站的特定保护区域之外的用户。本文从保护区大小和基站密度两个角度出发，利用随机几何的方法给出了这两种增益的特性。因此，提出了吞吐量最优D2D网络设计准则。*通讯作者。电子邮件地址：juju.hwang@ gmail.com（Y。jhpark.james@ yonsei.ac.kr（J. Park），sungkw@kth.se（K.W.Sung），slkim@yonsei.ac.kr（S.- L. Kim）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。2. 系统模型2.1. 网络模型考虑上行链路蜂窝网络，其中BS根据具有密度λBS的齐次泊松点过程（PPP）定位。不能D2 D的用户设备（C-UE）和能够D2 D的用户设备（D-UE）根据分别具有密度λC和λD的同构PPP独立地分布。C-UE与最近的BS相关联另一方面，D-UE的关联取决于它们的操作模式。在蜂窝模式中，它们与最近的BS相关联，如在C-UE中一样。在D2D模式中，每个D-UE与其对等UE相关联以用于具有平均关联距离d的直接通信。为了指定这样的模式选择，将d小区定义为距D-UE的最近BS距离，并且将dth定义为BS处的D2 D保护区域半径[4]。然后，D-UE的传输模式选择如下给出：如果第d个小区，<则D-UE选择小区模式;否则，它选择D2 D模式。图1显示了模式选择。为了方便起见，蜂窝用户在下文中表示C-UE和蜂窝模式D-UE，并且D2 D用户表示D2 D模式中的D-UE。在正交频分复用（OFDM）下，上行链路频谱被划分为M个正交子信道。每个蜂窝用户访问单个子信道http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2015.09.0052405-9595/c2016由Elsevier B. V.代表韩国通信信息科学研究所制作和主办。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。r（4.第五章）：={≥}=−>1−−λBS πdth2CD1e+你好！+四、5=CRD（）68岁。Hwang等人/ICT Express 1（2015）67F=expC-πr（2不e−1）2p（λα一D2 DBS）λM∞1α Duλ（e−不 第一章− α2 1+u2+D2DM∞2（dth/r）（et−1）1α2 1+（P P/）uDuD2（一）FD1=exp2p（λFD2 =exp-πr（2不e−1）α一D2D）λBSM∞2（1−η）1αλ1+uDu2+D2DM∞2（dth/r）1α Du（二）F=exp01+（P P/）uD2不22-πd（2不e−1）2p（λ）λαaD2DBSM（e−1）α∞（e−1）α不1Duλ01 +P P（/D）uα2+D2DM∞101+uα2 Du（三）-πr（2不e−1）2p（λ）λα一细胞BSM∞1α Du（e−1）不− 2α 1+u（四）2FDL=exp-πr（2不e−1）2p（λα一DL BSM）λ∞1α（e−1）不− 2α 1+uDu（五）2方框一以均匀随机的方式将用户分配给M个子信道之一。根据[5]，稍作修改，这样的概率被给出为pa（λu）=1−（1+3. 5−1λ）−3. 第五条（六）<$∞<$M<$−1（λ<$y）ne−λ<$y0n=0∞Mn=M（λy）ne−λ y你好！其中λ×fY（ y）dy（7）表示λBS 由关联用户图1.一、具有多个D2D用户的上行链路蜂窝网络的图示与不能进行D2D传输的C-UE不同，D-UE能够与它们最近的BS（如果第d个小区，则与它们最近的BS）或者与具有平均关联距离d的对等UE（如果第d个小区多第d个小区，则与它们最近的BS或者具有平均<由相关BS分配。另一方面，单个D2D用户访问由他自己随机选择的单个子信道。2.2. 信道模型密度λu和f Y（y）3。5y3. 5e−3。单个BS的服务区域，即Voronoi小区区域的概率密度函数（pdf）。接下来，考虑上行链路D2D底层蜂窝网络。对于每个D-UE，其以概率η选择D2 D模式Pd细胞% dthX-ray（λBSπdth2）。在这种网络中，τC和τD分别表示每个C-UE和D-UE的每用户吞吐量，定义为遍历容量。利用[6]中的方法进行微小修改，蜂窝和D2D用户以功率PPD分别。传输的信号然后经历τC=ps（λD2D）<$t0∞fR（ r）FCdr dt（8）0路径损耗指数为α的距离衰减和单位均值的瑞利衰落。如[2]中所提出的，用户的两个传输共享上行链路频谱因此，不仅需要考虑小区间干扰，而且还需要考虑小区间干扰。τD=最大值>0（1−η）ps（λD2D）%dth0fRD（r）FD1dr+ηFD2r中国（9）干扰为简单起见，假设给定网络是干扰受限的，其中噪声功率与干扰相比可以忽略不计。3. D2D通信本节定义并制定D2D通信中的带宽和容量增益。3.1. 预赛其中λD2D：=λC+（1−ηλD），C-UE到BS关联不一致。距离pdffR（ r）= 2πλBSre−λBSπr2，D-UE-to-BS关联距离pdf fr=2 πλBSre−λBSπr2，F和F以及FD2在框I中给出。此外，考虑传统的上行链路蜂窝网络其中网络仅由密度为λcell的C-UE组成。为了公平比较，将λcell设置为λCλD。然后，常规蜂窝网络提供每用户吞吐量τ0，给出为令Pa表示单个BS被开启的概率，即，至少有一个服务用户。考虑一个BS-τ0=ps（λcell）<$t0ps（λu）=n+1>∞F0fR0（r）dr dt（10）用户关联。设ps表示一个单一的概率，其中F0在框I中给出.C→ ∞--=-==>Y. Hwang等/ ICT Express 1（2015）67-7069这意味着通过将流量分配给上行链路D2D传输节省了多少下行链路资源。这样的增益取决于D2D保护区半径d_th。d_th的增加通过允许更多的D-UE在D2 D模式中操作来提供更高的同步增益。另一方面，对于给定的dth，BS密度的增加降低了这使得更多的D-UE与BS相关联，并且因此蜂窝模式中的D-UE的数量增加。 图 二是体现了这样的效果。它示出了当dth→0时实现最大的同步增益，使得所有D-UE处于D2 D模式，即n→1。当dth → ∞时，出现最小增益1。3.3. 容量增益考虑面积频谱效率（ASE），单位带宽和单位面积的总吞吐量[7]。则容量增益GCap为图二.作为用于各种BS密度λBS的距离阈值dth的函数的干扰增益，其确定网络中从UE到其最近BS的距离的分布。定义为D2D底层网络与传统蜂窝网络的ASE比，表示如下。λCτC+λDτDG帽=.（十三）（λC+λD）τ0容量增益捕获通过D2D传输增加的上行链路资源效率。D-UE对等体距离d的减小和/或D2 D传输功率Pd的增加产生容量增益改进。然而，dth的增加并不总是保证容量增益的增加。原因是太多D-UE处于D2 D模式可能导致严重的上行链路干扰，导致容量增益降低。图3显示了这些影响。当第d时，整个D-UE变为在蜂窝模式下操作，并且因此容量增益收敛到1。4. 吞吐量增益对D2D网络设计的在上一节中，容量增益和压缩增益的行为并不相同。为了同时考虑这两种影响，我们将总增益定义如下。图三.对于不同的D2D传输距离d和传输功率Pd，作为距离阈值d_th的函数的容量增益。红色和G=ω1G DUP+ω2G 帽（十四）绿色箭头表示容量增益最佳dth变化的趋势：对于d1，最优d_th随着D2D传输功率P_D而减小;对于 D另一方面，最优dth随着PD（λBS）的增大而增大10- 2，λCλD10−1，d5个P20 dBm，M16，α4）; for为了解释该图图例中对颜色的引用，读者参考了这篇文章的网络版本。最后，考虑具有下行链路用户密度λDL的上行链路D2D底层蜂窝网络的下行链路操作。将λDL的值设置为λC，因为D2D传输仅经由上行链路资源可用。网络的下行链路每用户吞吐量τDL被给出为其中ω1和ω2是非负常数。图4表示总增益行为。首先，我们可以发现，D2D通信的最大效益可以通过尽可能地缩短D2D链路距离来实现。其次，即使在不协调的D2D系统（或dth0）中，我们也可以看到存在确定的增益。此外，通过D2D通信的下行链路资源节省为D2D底层蜂窝网络带来了很多增益。当共享上行链路频谱时，D2D传输可能由于在网络中引起很多干扰而使上行链路资源效率（容量增益）降级。然而，D2D传输τDL=ps（λDL）<$t0∞FDLfR0（r）dr dt（11）（容量增益）可以超过上行链路中的损耗，从而导致总体频谱效率的提高。总计式中，FDL在方框I中给出。3.2. 双工增益按如下方式定义滤波增益GDupGDup：= ηλDτDL。（十二）增益最佳ω1和ω2是一个有趣的话题，但被推迟到未来的工作。为了研究D2D通信减少了多少部署的蜂窝BS的数量以支持给定数量的用户，我们比较了D2D底层蜂窝网络的每用户吞吐量和传统的仅蜂窝网络的每用户吞吐量。C70岁。Hwang等人/ICT Express 1（2015）67超过用户密度[8]。在这样的网络中，D2D传输仅招致不必要的干扰，同时既不提供缩小的传输距离也不减轻多用户接入拥塞。 因此，为D2D底层蜂窝网络找到最佳BS密度可能是未来研究的另一个有趣途径。5. 结论见图4。- D2 D通信的总增益，其中，归一化增益的加权系数为容量增益的加权系数。图五、发 射 用 户的平均可达速率是BS密度的函数（λBS= 10 −2，λC=λD= 10 −1，d= 5，P= 20 dBm，PD= 0. 5P，M=16，α=4）。图5首先示出了仅蜂窝或D2D底层网络的容量不与BS的数量成比例地增长。这是因为当BS密度增加时，许多BS可能没有用户可服务，如[5，8]中所研究的。结果还表明，对于足够低的BS密度，D2D重叠是优选的。 作为示例，考虑超密集蜂窝网络，其中平均BS密度本文研究了上行链路D2D底层蜂窝网络的吞吐量通过吞吐量和容量增益。结果表明，D2D优势的相当一部分来自于经由其蜂窝业务卸载的无线电资源这可以补偿由于D2D上行链路干扰引起的附加上行链路干扰的影响。此外，阐明了性能和容量增益的行为，并从总增益的角度分析了它们对吞吐量的总体影响。此外，BS致密化的影响 在D2D底层网络吞吐量的规定，从而建议不仅网络设计准则，但也有前途的研究问题，为未来的蜂窝系统。确认这项工作得到了IITP ICT研发计划[B 0126 -15-1017，频谱感知和未来无线电通信平台]的支持。引用[1] G. 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