協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡基礎理論與關鍵技術*

周明昕，許 晨，楊 坤，余 揚，趙凱飛，宋令陽

（北京大學信息科學技術學院 北京 100871）

無線網(wǎng)絡技術高速發(fā)展導致許多新型的無線異構網(wǎng)絡出現(xiàn)。如圖1所示，以TDMA為多址接入主要技術的第二代移動通信系統(tǒng)（2G）已經(jīng)成熟，以CDMA為物理層核心技術的第三代移動通信系統(tǒng) （3G）已經(jīng)全面部署，以OFDMA為多址接入的主要技術，以LTE及LTE-Advanced為代表的第四代移動通信系統(tǒng)（4G）發(fā)展在穩(wěn)步推進[1]。顯而易見，多網(wǎng)共存的局面已經(jīng)基本形成。各種新型增值數(shù)據(jù)業(yè)務如高速數(shù)據(jù)、流媒體等需求的不斷增長，給無線通信的發(fā)展帶來了機遇，也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。人們逐步認識到，已有的和即將推出的系統(tǒng)在無線資源綜合優(yōu)化利用等方面存在局限性，不能很好地解決有限的頻譜資源與迅速增長的業(yè)務需求之間的矛盾，由此產(chǎn)生的無線通信瓶頸問題日益突出。

圖1 無線通信發(fā)展歷程

盡管以無線IEEE 802協(xié)議為基礎的無線局域自組織網(wǎng)絡得到了廣泛的發(fā)展，信息局部高效率流通問題得以解決，但是由于其使用非授權頻譜，因此無法保證用戶服務質(zhì)量（QoS）[2]。簡而言之，未來移動通信網(wǎng)絡的發(fā)展將會遇到兩個顯著的瓶頸問題:

·數(shù)據(jù)流量需求大規(guī)模提升，但是無線網(wǎng)絡帶寬無法滿足這種需求；

·移動互聯(lián)網(wǎng)和社會網(wǎng)絡興起，信息流向會呈現(xiàn)熱點區(qū)域的局域化特點，但是現(xiàn)有的網(wǎng)絡技術無法保證服務質(zhì)量。

導致“瓶頸”問題的主要原因是當今的移動網(wǎng)絡主要是以固定基礎設施（例如基站）為“通信核心”，即接入點與終端間通信。如圖2所示，根據(jù)香農(nóng)定理，由于“固定基礎設施數(shù)量以及接入信道”的限制，進一步開展容量提升研究的空間微乎其微，從而造成了網(wǎng)絡容量的局限性，難以支持井噴式增長的數(shù)據(jù)業(yè)務需求。但是，一方面，終端數(shù)量是巨大的，傳統(tǒng)通信方式忽略了終端側的充分連接，為滿足不斷增長的數(shù)據(jù)流量需求，解決無線通信瓶頸問題，異構層疊網(wǎng)絡研究需要進一步突破原有的通信體系架構，提高無線頻譜資源利用的有效性；另一方面，學術界和產(chǎn)業(yè)

圖2 網(wǎng)絡容量

首席科學家

宋令陽 男，北京大學“百人計劃”研究員、博士生導師，英國約克大學博士、挪威奧斯陸大學和美國哈佛大學博士后，2008-2009年任英國飛利浦研究院高級研究員，2013年國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“973”計劃）青年科學家專題項目（首屆青年專題項目）首席科學家，獲得IEEE通信學會亞太區(qū)杰出青年研究獎、國家自然基金委員會優(yōu)秀青年科學基金（首屆）、北京市科技新星稱號、北京市五四青年獎章。主要研究方向為多天線、協(xié)作通信以及同構和異構網(wǎng)絡。

近5年，共發(fā)表SCI收錄文章50余篇，授權國際專利5項，申請國內(nèi)專利22項，出版4部英文著作，論文成果引用累計近1000次，獲得5個國際學術會議的最佳論文獎，擔任3個頂級學術期刊編委。其中，"小區(qū)內(nèi)多點協(xié)作技術"轉(zhuǎn)化為國際專利，并成為第四代移動通信標準的重要內(nèi)容。界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡可以大大提升無線頻譜利用率。近年來，在異構網(wǎng)絡中異構層疊的概念已經(jīng)在基站側得到了廣泛的應用，例如宏小區(qū)、微小區(qū)、家庭基站等網(wǎng)絡的同頻融合的實現(xiàn)，成為異構網(wǎng)絡資源優(yōu)化的有效手段[1,3]。關于終端通信方面，2009年諾基亞公司提出了兩個D2D（device-to-device）的方法，為面向多終端層疊網(wǎng)絡的發(fā)展提供了參考依據(jù)[5,6]，而2011年高通公司提出將D2D技術在3GPP會議中立項也彰顯了此研究工作的重要性[7]。

另外，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，資源協(xié)同的概念已經(jīng)深入滲透到無線通信的新技術研究中，如空時頻編碼探索了空間、時間、頻率三域協(xié)同，取得了有意義的理論成果；MIMO-OFDM融合了多天線和OFDM抗多徑能力，成為無線環(huán)境下提高頻譜效率的有效手段[4]。MIMO-OFDMA系統(tǒng)中資源協(xié)同和跨層優(yōu)化已經(jīng)廣泛采用，基于多載波/多天線寬帶無線網(wǎng)絡已經(jīng)向著多射頻多信道的復雜系統(tǒng)發(fā)展[4]，其突出特征就是無線資源的多域性，即無線網(wǎng)絡資源可分別從時間域（時隙）、頻率域（子載波）、空間域（天線）、功率域（功率）、用戶域（多用戶）及網(wǎng)絡域（多網(wǎng)絡）進行調(diào)度與控制的特點實現(xiàn)多域協(xié)同優(yōu)化。

可以看出，上述傳統(tǒng)的多域協(xié)同優(yōu)化忽略了終端側的充分連接，通過在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡中引入D2D通信，將其作為蜂窩移動通信系統(tǒng)的下層進行工作，可與宏小區(qū)、微小區(qū)、家庭基站等異構層疊蜂窩網(wǎng)絡使用相同的頻譜資源，以提高系統(tǒng)吞吐量[3,8,9]。采用蜂窩網(wǎng)頻段，從通信發(fā)起時到連接建立后，D2D設備間通信始終受基站控制，以保持處于網(wǎng)絡受控的狀態(tài)，隨時可進入蜂窩通信模式?；咀鳛榉涓C鏈路和D2D鏈路的資源控制中心，可同時對D2D發(fā)射端的傳輸參數(shù)（例如發(fā)射功率和通信時長）設置約束，限制其對蜂窩接收端造成的同頻干擾。

然而，現(xiàn)有關于D2D的層疊網(wǎng)絡研究都剛剛起步，并沒有考慮局域網(wǎng)的架構，大多基于無線資源的簡單分割，或者是技術方案的簡單疊加，對于如何有效地加入現(xiàn)有移動蜂窩網(wǎng)絡，提高頻譜資源利用的有效性和網(wǎng)絡無縫性仍然是當前寬帶無線通信發(fā)展所迫切需要解決的問題。

本文主要介紹本項目在協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的基礎理論和關鍵技術方面的相關研究成果。

2 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的基礎理論

為了實現(xiàn)D2D-LAN（device to device local area network）技術的核心目標，即采取網(wǎng)絡優(yōu)化、信息處理等手段，填補從物理層、媒體訪問控制（media access control，MAC）層、網(wǎng)絡層到應用層的理論與實際之間的空白，設計無線蜂窩網(wǎng)絡的架構和協(xié)議，解決數(shù)據(jù)流量激增問題?，F(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)了關于D2D-LAN的基礎理論研究成果。

2.1 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的體系架構

以動態(tài)層疊為特點的未來蜂窩網(wǎng)絡體系結構是異構無線網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵問題，可以為面向多用戶、多業(yè)務、高數(shù)據(jù)流量的發(fā)展和實現(xiàn)空間、頻率、時間、功率、終端等資源綜合利用，增加基于授權頻譜通信的D2D通信，構建支持高效動態(tài)組網(wǎng)、資源協(xié)同利用及網(wǎng)絡無縫配合的蜂窩局域?qū)盈B通信體系框架，研究信息容量限、自由度等網(wǎng)絡要素之間的相互關系，支持并推動基礎理論與應用的發(fā)展等需求提供辦法。如圖3所示為D2D-LAN系統(tǒng)的主要架構。在 TDD（time division duplex，時分雙工）系統(tǒng)中，D2D用戶發(fā)送和接收信號時在不同的時隙均使用相同的頻段?，F(xiàn)有研究主要針對以下幾個方面:D2D和蜂窩網(wǎng)絡之間的互聯(lián)組網(wǎng)、運營商控制整個網(wǎng)絡的方法以及模式轉(zhuǎn)換、設備發(fā)現(xiàn)、同步、移動管理、安全等[9,10]。

項目簡介

協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的3個關鍵科學問題為:新型的異構動態(tài)拓撲層疊網(wǎng)絡體系框架理論；高效無線網(wǎng)絡傳輸機理與抗干擾理論；網(wǎng)絡資源跨層優(yōu)化機理與節(jié)能方法。

“973”計劃“協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡基礎理論與關鍵技術”項目面向國家在信息領域方面的重大需求，主要針對“智能協(xié)同網(wǎng)絡理論研究”方向中的異構網(wǎng)絡資源認知和協(xié)同調(diào)度方法、動態(tài)適配機制以及跨網(wǎng)資源高效利用等方面開展深入研究，通過引入終端直通層，創(chuàng)建新型的異構蜂窩層疊通信體系框架，通過合理地利用包括空間、頻率、時間、信號、功率、終端、網(wǎng)絡等資源最大限度地提高頻譜效率和資源共享系統(tǒng)容量，重點研究逼近性能容量限的網(wǎng)絡傳輸機理與干擾應對策略以及跨層資源高效共享機理和節(jié)能方法，在此基礎上構建適應未來高數(shù)據(jù)流量的無線通信基礎理論與技術新體系。

圖3 D2D-LAN的系統(tǒng)模型和配置

普遍認為，無線網(wǎng)絡編碼是一種有效提升網(wǎng)絡性能（主要是頻譜效率）的方法。在對傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡不構成嚴重干擾的前提下，如何實現(xiàn)D2D網(wǎng)絡中有效的數(shù)據(jù)傳播成為實現(xiàn)D2D通信技術的阻礙之一。在新的場景中，功率控制、合作傳輸、多址接入等技術都需要進行進一步的研究。

D2D通信的引入使得正交頻分多址接入（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）的網(wǎng)絡優(yōu)化問題變得更為復雜。由于多對D2D用戶可與蜂窩用戶同時存在，在這樣的情況下，如何有效協(xié)調(diào)空間、時間、頻率、功率和設備之間的關系顯得尤為重要。此外，D2D通信面臨的其他挑戰(zhàn)還包括:有效服務的識別、D2D鏈路的無限資源分配和管理、自組織D2D鏈路、基于位置靠近的網(wǎng)絡卸載以及D2D通信的容量和性能評估等。最后，無線社交網(wǎng)絡、車載自組網(wǎng)甚或機器類型通信等許多基于D2D技術的應用也有深入研究的價值。

2.2 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡信道和干擾建模

任何通信系統(tǒng)的成功設計都需要精確且易于使用的信道模型，新興的D2D-LAN通信系統(tǒng)也不例外。然而不同于傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)，D2D-LAN通信系統(tǒng)的收發(fā)端高度都比較低，而且通信距離比較短，一般是在干擾受限的情況下工作。因而，現(xiàn)有的很多信道模型，甚至建模方法都不能直接應用于D2D信道建模。新穎的D2D信道建模方法和模型，受到越來越多的重視，也成為D2D通信系統(tǒng)快速和成功設計的關鍵一步和基石。

作為新興的通信模式，D2D的信道測量和建模還處在非常初級的階段。目前來說，學術界和工業(yè)界公認的觀點是，D2D的信道模型可以通過選取合適的通信場景，將以前給出的針對蜂窩通信系統(tǒng)的經(jīng)典模型，結合D2D通信

學術團隊

“973”計劃“協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡基礎理論與關鍵技術”項目由北京大學牽頭，主要承擔單位包括深圳大學、香港中文大學深圳研究院。圍繞3個關鍵科學問題，本項目分為以下6個子課題。

課題一:異構層疊網(wǎng)絡體系框架理論。承擔單位為北京大學，負責人為宋令陽。主要研究內(nèi)容包括:蜂窩異構層疊網(wǎng)絡體系結構設計；滿足層疊結構的協(xié)議原型設計；基于認知的動態(tài)無縫自組織網(wǎng)絡研究。

課題二:層疊網(wǎng)絡信道特性及干擾建模。承擔單位為北京大學，負責人為程翔。主要研究內(nèi)容包括:直通信道的非平穩(wěn)特性以及深衰落研究；協(xié)同直通信道之間的空間相關特性研究；層疊網(wǎng)絡干擾建模研究。

程翔，博士，英國赫瑞-瓦特大學和愛丁堡大學博士后，北京大學信息科學技術學院副教授。主要研究方向為無線信道的建模及仿真、車載通信網(wǎng)絡技術、綠色通信技術、協(xié)同MIMO通信技術、第四代（4G）及超四代(B4G)移動通信技術等。的特點，稍作修改后得到。比如，利用經(jīng)典的Rayleigh模型、SCM模型和WinnerⅡ模型等，稍作修改便應用到D2D的通信信道建模中。作為D2D通信系統(tǒng)研究的初期階段，為了盡快得到較為精確的信道模型，方便D2D通信系統(tǒng)的初步設計和對比，上述觀點和方法是正確的。但是，隨著D2D通信系統(tǒng)的深入研究和設計，如何合理且全面地挖掘D2D通信信道的特性，結合D2D通信的特點進行更合理的建模，便成為一個急需攻克的難題。

由于D2D通信不同的研究方向，所需要的模型要求不同，例如理論分析需要盡量簡單且易于分析的模型，而對于實際系統(tǒng)設計，需要設計出參數(shù)較多、更能反映實際情況的D2D信道模型，所以考慮了以下3種D2D信道模型。

（1）經(jīng)典的抽頭延遲線（TDL）建模方法生成了基于TDL的D2D信道模型，如圖4所示，主要為了支持D2D通信系統(tǒng)資源配置和管理方面的工作。

（2）基于幾何的統(tǒng)計建模方法生成了基于幾何統(tǒng)計的D2D信道模型，如圖5所示，主要為了支持D2D通信系統(tǒng)容量分析和物理層設計方面的工作。

（3）基于參數(shù)的統(tǒng)計建模方法，如圖6所示，生成了基于參數(shù)統(tǒng)計的D2D信道模型，主要為了支持D2D通信系統(tǒng)平臺搭建和性能分析方面的工作。

基于上面的工作，在全面梳理和分析現(xiàn)有建模方法和模型的基礎之上，發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)有建模方法和模型生成的D2D信道模型都無法很好地呈現(xiàn)出D2D通信系統(tǒng)的特有性質(zhì)?？紤]到D2D通信系統(tǒng)收發(fā)端高度比較低、通信距離較近等特點以及D2D通信系統(tǒng)的復雜移動環(huán)境和協(xié)同設備 （蜂窩網(wǎng)中的基站）周圍環(huán)境所呈現(xiàn)出的互異性（non-homogeneous），D2D通信信道往往呈現(xiàn)出較明顯的非線性。嘗試提出一種新穎的信道建模方法，可以很好地捕捉到上述特性。為此，參考文獻[11]引入α-μ分布來建模呈現(xiàn)非線性傳播環(huán)境的直通信道的深衰落特性，以幾何統(tǒng)計建模方法為主，結合參數(shù)統(tǒng)計建模參數(shù)化和系統(tǒng)化的優(yōu)點，直接針對散射體建模，并考慮散射體和收發(fā)端移動軌跡，可以得到一種新穎的幾何—參數(shù)統(tǒng)計建模方法[11]。

圖4 基于TDL的D2D信道模型

2.3 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的網(wǎng)絡容量研究

無線自組織網(wǎng)絡的容量一直是人們關心的重要問題，2000年，美國UIUC的Kumar教授開創(chuàng)了大規(guī)模無線網(wǎng)絡容量研究的先河，提出了網(wǎng)絡信息論的研究框架，為更好地研究大規(guī)模無線網(wǎng)絡的容量提供了基礎。針對不同的應用場景和物理層假設，大規(guī)模網(wǎng)絡的容量有待人們的深入分析。

以前的無線自組織網(wǎng)絡的網(wǎng)絡容量研究主要集中在對于理想傳輸模型的研究上，即假設當接收節(jié)點的信干噪比（SINR）大于某一界限時，接收節(jié)點可以無錯地接收信號。參考文獻[12]考慮了更為實際的傳輸模型，考慮了非零的錯誤概率，分析了具有傳輸不確定性的無線自組織網(wǎng)絡多播容量。通過考慮節(jié)點多跳傳輸時接收（中繼）節(jié)點的接收錯誤概率，分析其對大規(guī)模網(wǎng)絡的多播吞吐量的影響。從理論上可以證明，非零的接收概率對網(wǎng)絡的吞吐量具有積累效果，從而會影響網(wǎng)絡的總體容量，進而，給出了一種新的調(diào)度策略克服這一影響，提高網(wǎng)絡的多播吞吐量容量。

學術團隊

課題三:異構層疊網(wǎng)絡的信息論容量域。承擔單位為香港中文大學深圳研究院，負責人為陳名華。主要研究內(nèi)容包括:蜂窩異構層疊網(wǎng)絡的信息論容量區(qū)間；多用戶協(xié)議以及有限反饋的容量；基于物理層抽象的大規(guī)模網(wǎng)絡容量以及傳輸時延機理。

陳名華，博士，美國微軟研究院博士后，香港中文大學深圳研究院研究員、香港中文大學副教授，主要研究方向為網(wǎng)絡信息理論、網(wǎng)絡編碼和數(shù)據(jù)挖掘。

課題四:網(wǎng)絡適配的信號傳輸機理與處理方法。承擔單位為深圳大學，負責人為張勝利。主要研究內(nèi)容包括:發(fā)送機協(xié)同傳輸理論與方法；面向動態(tài)拓撲結構的路由優(yōu)化算法以及數(shù)據(jù)傳播；基于物理層網(wǎng)絡編碼的干擾利用理論與方法。

張勝利，博士，深圳大學副教授，2009年獲深圳市高層次專業(yè)人才、地方級領軍人物稱號，主要研究方向為物理層網(wǎng)絡編碼、信息論、信道編碼、無線局域網(wǎng)、協(xié)作通信等。

課題五:異構層疊網(wǎng)絡跨層資源管理和優(yōu)化機制。承擔單位為香港中文大學深圳研究院，負責人為張穎珺。主要研究內(nèi)容包括:支持層疊網(wǎng)絡的協(xié)同資源分配和用戶調(diào)度；面向多播和廣播服務的有效資源分配研究；節(jié)能雙跳蜂窩層疊網(wǎng)絡資源分配研究。

張穎珺，博士，香港中文大學深圳研究院研究員、香港中文大學副教授，主要研究方向為資源分配和認知無線電。

圖5 基于幾何統(tǒng)計的D2D信道模型

圖6 基于參數(shù)統(tǒng)計的D2D信道模型

2.4 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的連接性問題

在多跳環(huán)境下，任意兩個D2D用戶間存在一條可用于通信的多跳路徑的概率是一個值得深入研究的問題。此項研究有利于了解在蜂窩系統(tǒng)中采用多跳D2D網(wǎng)絡的可行性，同時亦對于維持網(wǎng)絡連接性的功率控制提供了理論基礎。

考慮圖7中蜂窩系統(tǒng)和D2D網(wǎng)絡共存的場景。圓心為蜂窩網(wǎng)基站，a是小區(qū)半徑。介于D2D傳輸對蜂窩系統(tǒng)造成的干擾，靠近基站的灰色區(qū)域內(nèi)不能有D2D用戶活躍。此區(qū)域半徑b取決于基站的抗干擾能力和D2D用戶的傳輸功率。另外，D2D傳輸功率還直接決定了D2D用戶的傳輸范圍。

圖7 D2D網(wǎng)絡連接性問題

研究表明[13]，D2D網(wǎng)絡連接性和用戶密度以及（a-b）/ro存在直接關系。圖8顯示，當（a-b）/ro>2時，網(wǎng)絡連接性較強，并且主要由用戶密度λ決定，與（a-b）/ro的具體取值關系不大；相反，當（a-b）/ro<2時，網(wǎng)絡連接性較弱，并且隨著（a-b）/ro取值的下降急速變差。

圖8 D2D網(wǎng)絡連接性與用戶密度的關系

3 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的關鍵技術

為了確保和已存在的蜂窩網(wǎng)絡達成互通性，D2D-LAN將面臨亟待解決的重要問題，比如D2D用戶和蜂窩用戶之間的干擾管理、頻譜資源分配等問題。下面給出這些重要問題的一些關鍵技術手段。

3.1 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的干擾管理

3.1.1 干擾分析

在D2D-LAN系統(tǒng)中，由于有頻率復用和設備聚集的情況，D2D網(wǎng)絡在向用戶提供覆蓋服務的同時，也輻射到鄰近的移動用戶，帶來不可避免的信號干擾。因此，干擾信號的處理與協(xié)調(diào)是D2D系統(tǒng)的一個關鍵問題。根據(jù)系統(tǒng)中的具體干擾信號的特點，可以將干擾分為3種:相對干擾、已知干擾和其他干擾，如圖9所示。存在3種相應的干擾處理方案:干擾利用、干擾消除與干擾抑制。由基站實時監(jiān)測這3種情況，并協(xié)調(diào)各個節(jié)點采用相應的傳輸方式與干擾處理方案。

圖9 D2D系統(tǒng)的干擾分類

3.1.2 干擾管理

（1）干擾利用

2018年高考，筆者所執(zhí)教的班級又取得了理想的成績，關鍵是學生的語文素養(yǎng)得到了明顯的提升。細細想來，這與筆者一直以來挖掘文言文教學這座富礦息息相關。多年前，筆者曾就文言文教學寫了一篇《以言為本，一石三鳥——文言文教學成效初探》的文章；多年后，筆者想就文言文教學成效進行再探——文言為根，開枝散葉。

如圖10所示，如果節(jié)點A、B、C處于非常接近的位置，并且A、C希望通過B傳輸信號。在此情況下，基站可以控制節(jié)點A、B、C采用物理層網(wǎng)絡編碼的傳輸方法，利用干擾信號的疊加，提高頻譜效率。

針對此情況，參考文獻[14]提出一種新的物理層網(wǎng)絡編碼算法——信道采樣物理層網(wǎng)絡編碼。該算法實現(xiàn)簡單，僅需要符號級時間同步和接收端信道信息，算法復雜度與VBLAST算法相同。如果中繼有K根天線，兩端有1根天線，該算法可以得到理論上的最大分級增益K，并且該算法具有天然的安全性。

（2）干擾消除

對于非雙向傳輸，干擾利用算法就不再適用。但是D2D系統(tǒng)中有一個特點，就是節(jié)點聚集，只有當節(jié)點非常接近的時候，才適合用D2D。此時，當一個節(jié)點傳輸?shù)臅r候，信號通常會被其他節(jié)點監(jiān)聽到，當此信號再次被發(fā)送時，即成為一支干擾。但是由于節(jié)點聚集，干擾的功率通常很大，普通的干擾消除算法不適用。因此可以從中抽象出已知干擾信道，并對此信道做深入研究。

圖10 雙向中繼中的相對干擾

已知干擾信道模型如圖11所示，即干擾數(shù)據(jù)已知，干擾信道未知的點對點傳輸信道。對該類信道，傳統(tǒng)的做法是利用已知干擾信號估計信道系數(shù)，然后將此干擾減掉再檢測目標信號。從信息論的角度，首先得到一個已知干擾信道的信道容量上界（1-1/K）log（），其中，c是一個給定常數(shù)，K是數(shù)據(jù)分組的長度。而最近參考文獻[15]提出了一種已知干擾消除算法BKIC（blind known interference cancellation），該算法可以達到的傳輸速率為（1-1/K）log（）。在高信噪比區(qū)間或者大數(shù)據(jù)分組長度的時候，該可達速率無限接近上界。

圖11 已知干擾信道

圖12給出了不同信號功率下，傳統(tǒng)算法和BKIC算法的可達容量?？梢钥吹?，傳統(tǒng)算法的可達容量由于殘留干擾的原因，很快就飽和了；而BKIC算法，其可達容量隨著發(fā)送功率會一直增加。

圖12 傳統(tǒng)算法和BKIC算法的可達容量

（3）干擾抑制

對于D2D系統(tǒng)中不能利用也不是已知的干擾，通常只能采取功率控制的方法。由基站計算各個節(jié)點的發(fā)送功率，從而保證整個小區(qū)所有節(jié)點都可以正確傳輸。

針對兩條D2D鏈路情況，考慮這兩條鏈路之間互相干擾及對基站的干擾，應用基站的功率控制算法。D2D接收端可以使用高級干擾處理算法，比如串行干擾消除（SIC）等來提高性能，從而得出新的干擾控制結果。在D2D通信中，可以證明該算法可以接近理論上系統(tǒng)最大效用的上界。

3.2 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的資源分配

3.2.1 頻譜分配方式

頻譜分配主要分為機會式 （overlay）和覆蓋式（underlay）兩種方式。

在機會式頻譜分配下，注冊頻譜的一部分被蜂窩用戶占用，另一部分由D2D網(wǎng)絡使用。D2D用戶占用與蜂窩用戶正交的頻段進行通信，這種方式雖然能夠完全避免D2D用戶與蜂窩用戶之間的干擾，卻對提高頻譜復用率無效。

覆蓋式頻譜分配允許多個D2D用戶和蜂窩用戶在同一頻段上工作，以此提高頻譜效率。對于運營商來說，D2D用戶和蜂窩用戶的同頻分配更有利、更高效；但是從技術的角度出發(fā)，實現(xiàn)起來也更為復雜?？偟膩碚f，覆蓋式頻譜分配可以獲得更好的系統(tǒng)性能，但是要求也更加復雜。

覆蓋式方法需要有一個中央實體負責智能地通知每個通信單元 （包括蜂窩用戶和D2D用戶）使用哪些子信道。但是，由于大量D2D用戶的存在和有多個D2D用戶和蜂窩用戶共享相同頻譜的情況，導致了優(yōu)化問題的復雜化；此外，用戶和中央控制實體進行通信也會導致時延問題。在這種情形下，分布式而非集中式的資源分配方法（在這種方法中，D2D用戶可以管理自己的子信道）更加適用。

分布式的資源分配可以采用非合作和合作兩種解決方案。在非合作解決方案（即自組織方法）中，每個D2D用戶僅以最大化自身吞吐量和QoS為目標自行選擇子信道。但是，由于忽視分配結果對同頻D2D和蜂窩用戶產(chǎn)生的影響，可能受到由此帶來的干擾的影響。而在合作的解決方案（即網(wǎng)絡輔助式方法）中，D2D用戶不僅考慮自身的吞吐量和QoS等目標，還能夠通過收集到的子信道占用情況的部分信息，評估自身對其他同頻用戶造成的干擾情況，進而合理選擇子信道。通過合作的解決方案，蜂窩用戶和D2D用戶的平均吞吐量、QoS及其整體性能均得到了優(yōu)化。

比較而言，機會式頻譜分配比較容易實現(xiàn)，但頻譜效率較低。覆蓋式頻譜分配要求相對復雜，但可以獲得更好的系統(tǒng)性能。采取合作的分布式資源分配無疑能獲得最好的優(yōu)化效果。

3.2.2 利用博弈論的資源分配算法實例

合理地選擇資源分配方案對于減小同頻干擾對D2D-LAN性能的影響有著重要作用?；诓┺恼撝蟹聪虻M合拍賣而產(chǎn)生的頻譜資源分配算法或許能夠作為頻譜分配問題的一個良好解決方案[16]?；诮M合拍賣的資源分配機制通過允許競拍者一次性收購若干資源組合包，以此激勵競拍者充分表達喜好，從而提升系統(tǒng)效率和拍賣收益。組合拍賣中存在的獲勝者確定問題（winner determination problem，WDP）導致的NP難問題，通過采用迭代組合拍賣（iterative combinatorial auction，ICA）機制可以解決。ICA的設計，特別是集中式的ICA設計，通常基于要價機制。在ICA機制中，競拍者被允許多次迭代提交競標，拍賣者則計算臨時分配結果，并在每一輪競拍中要價。在反向迭代組合拍賣中，價格通過貪婪模式不斷地進行更新:如果有競拍者對競購物品提交申請競購，對應競購物品的價格就固定；如果沒有，則對應物品就會降價。

將反向迭代組合拍賣應用于頻譜分配，其目標是解決任意數(shù)量的D2D通信鏈接復用同一蜂窩頻段的問題。在這里，“物品包”指多個D2D用戶對的組合 ；“競拍者”是蜂窩信道在被D2D占用后可獲得的額外的信道速率增益 ；D2D通信需要耗費信令傳輸代價和同頻干擾代價，被抽象為“代價”。為了避免來自D2D鏈路的干擾，蜂窩信道需要在D2D接入之前確保蜂窩系統(tǒng)的性能。因此，只有在代價不至影響本身性能的前提下，“競購”才能夠進行。這一過程迭代進行，直到所有的D2D通信鏈路均被“拍賣”，或者所有蜂窩信道都贏得了一個“物品包”，“拍賣”才算結束。

系統(tǒng)和速率隨著資源量的增加而上升，不同D2D用戶對數(shù)量的系統(tǒng)和速率如圖13所示。在幾種不同分配算法中，R-ICA（reverse ICA）代表反向迭代組合拍賣算法；窮舉搜索最優(yōu)選擇（exhaustive optimal）算法給出了和速率的上界；簡化R-ICA（reduced reverse ICA）算法限制了共享同一蜂窩信道的D2D用戶對數(shù)量。從圖13可以看出，R-ICA算法的性能遠高于隨機分配 （random allocation）；R-ICA算法相比最優(yōu)選擇而言，后者雖然能給出最高的系統(tǒng)和速率，但是當蜂窩資源量增大的時候，這種優(yōu)勢就微不足道了。

圖13 不同分配算法得到的系統(tǒng)和速率

3.3 協(xié)同異構蜂窩層疊網(wǎng)絡的室內(nèi)頻譜檢測

D2D-LAN系統(tǒng)可以允許用戶以自組織的方式接入:D2D用戶自發(fā)性地通過發(fā)現(xiàn)頻譜空洞進行自組織方式的通信。這種配置方式類似于認知無線電，它允許D2D用戶感知周圍環(huán)境，獲取CSI、干擾以及蜂窩系統(tǒng)信息。這種分布式的方法能有效防止控制信令過載和時延，但自組織的通信形式可能會造成通信混亂。D2D的主要應用場景之一是室內(nèi)通信，因而研究如何在室內(nèi)使用空白頻譜意義重大。

針對這一問題，香港中文大學聯(lián)合美國微軟公司研發(fā)了WISER系統(tǒng)[17]，能有效而低成本地檢測室內(nèi)的空白頻譜，具體部署如圖14所示，主要貢獻如下。

圖14 WISER架構示意

·提出了室內(nèi)電視白頻譜檢測系統(tǒng)，稱為WISER，能夠有效地檢測室內(nèi)額外的白頻譜。這是世界上首個可以在不干擾現(xiàn)有頻譜使用的情況下，成功檢測到最多白頻譜的系統(tǒng)。該白頻譜檢測系統(tǒng)可以用于任何建筑物內(nèi)以檢測電視白頻譜，從而為更好的無線應用提供可能。

·提出了基于信道和位置信息的聚合算法，能夠顯著減少WISER系統(tǒng)中傳感器的使用數(shù)量，從而降低WISER的搭建成本，為將來的大規(guī)模應用提供基礎。

·利用研發(fā)設計的WISER原型機，在中國香港的室內(nèi)和室外進行了大量的測量，測量結果表明，室外和室內(nèi)各有大于50%和70%的電視頻譜是白頻譜。另外，室內(nèi)白頻譜分別呈現(xiàn)出關于地理位置的相關性和關于信道的相關性特點，這一分析結果提供了發(fā)掘和利用室內(nèi)白頻譜的切入點。

4 結束語

當今投入使用的移動網(wǎng)絡主要是以基站為通信核心的具有固定設施的網(wǎng)絡，而忽略了終端側的充分連接。在協(xié)同異構層疊網(wǎng)絡下引入D2D通信技術，將其作為蜂窩移動通信系統(tǒng)的下層進行工作，可與宏小區(qū)、微小區(qū)、家庭基站等異構層疊蜂窩網(wǎng)絡使用相同的頻譜資源，在原有無線通信網(wǎng)絡基礎上進一步增大頻譜利用效率、提升系統(tǒng)容量。目前的研究表明，D2D-LAN技術將發(fā)展成為下一代蜂窩網(wǎng)絡支持的關鍵技術。D2D-LAN也將應用近年來無線通信中的先進技術以保證網(wǎng)絡性能，這些技術包括無線網(wǎng)絡編碼、效用優(yōu)化、擁塞和接入控制、博弈理論、物理層安全等，D2D通信技術表現(xiàn)出能夠獲得系統(tǒng)高容量和充分利用無線資源的巨大潛力。

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