混合D2D蜂窩中基于負載均衡的資源分配方法*

［余翔 張海波 柯文韜］

混合D2D蜂窩中基于負載均衡的資源分配方法*

［余翔 張海波 柯文韜］

D2D通信是指發(fā)送終端與接收終端之間數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過基站轉發(fā)的近距離直通通信方式，在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中引入D2D通信可以通過提升復用增益，進而提升系統(tǒng)的總吞吐量和頻譜資源的利用率。通過拉格朗日乘數(shù)法結合圖論中的匈牙利匹配算法，針對密集D2D場景中提出一種均衡化的輪詢匹配的資源分配方案，以最大化子信道的復用增益為前提條件，每條蜂窩子信道在每一輪匹配完成后將接入一條D2D鏈路，直到所有的D2D鏈路均接入網(wǎng)絡位止。經(jīng)仿真證明，該算法對于密集D2D蜂窩網(wǎng)絡中具有提高接入率和吞吐量的效果，且該算法同樣適用于稀疏D2D蜂窩網(wǎng)絡。

D2D通信 循環(huán)匹配 資源分配 拉格朗日乘子法 吞吐量 接入率

余翔

重慶郵電大學，碩士，副教授，主要研究通信網(wǎng)信令、交換技術、計算機網(wǎng)絡及信息安全。

張海波

重慶郵電大學，在讀研究生，主要研究D2D通信的資源分配與功率控制。

柯文韜

重慶郵電大學，在讀研究生，主要研究全雙工D2D通信

引言

隨著現(xiàn)代化通信發(fā)展節(jié)奏的加快，人們對于移動通信網(wǎng)絡的傳輸速率的要求不斷提高，而頻譜資源的局限性使得傳統(tǒng)蜂窩模式通信已經(jīng)逐漸無法滿足系統(tǒng)所要承載的系統(tǒng)容量，D2D通信可以通過復用蜂窩資源進行短距離的通信，具有時延小、速率高的優(yōu)點，更重要的是該通信模式可以不用像蜂窩模式那樣必須經(jīng)過基站轉發(fā)，對減小基站的負載量具有很大的幫助。目前，對于如何提高引入D2D通信的混合網(wǎng)絡的總吞吐量以及系統(tǒng)的公平性成為業(yè)界研究的一大重點。

文獻［1］中提出了一種基于干擾感知的無線資源分配方案，但是該方案只允許一對 D2D 用戶復用一個蜂窩用戶的資源。文獻［2］中提出了一種基于不同QoS 需求的資源分配方案，通過該方案可以實現(xiàn)一對 D2D 用戶復用多個RB，但是該方案不能夠將系統(tǒng)內可復用的RB進行最優(yōu)的分配。文獻［3-4］研究了D2D通信技術引入 LTE-A系統(tǒng)后，D2D對的發(fā)現(xiàn)、 連接和通信過程，以及 D2D對之間的距離對吞吐量的影響。D2D 用戶在復用模式下，選擇復用資源的過程，實際上是 D2D 用戶和蜂窩用戶的匹配問題。由于用戶之間的干擾和它們之間的距離是密切相關的，因此針對此問題，一些文獻首先提出了基于地理位置信息的資源分配算法。

本文通過拉格朗日乘數(shù)法結合圖論中的匈牙利匹配算法，提出一種循環(huán)匹配的資源分配方案，以最大化蜂窩信道的復用增益為前提條件，每一輪匹配完成時，每條蜂窩信道將接入一條D2D鏈路。為了防止算法最后沒有足夠的D2D鏈路與蜂窩信道匹配，本文在系統(tǒng)中加入虛擬D2D用戶，使系統(tǒng)D2D用戶數(shù)N與蜂窩用戶數(shù)M呈整數(shù)倍關系，每條蜂窩信道可以被N/M條D2D鏈路復用。該方法不但適用于稀疏D2D網(wǎng)絡，更適用于密集D2D網(wǎng)絡，而且在接入D2D鏈路對時同時使系統(tǒng)的負載均衡化，提升系統(tǒng)公平性。

1 系統(tǒng)場景

如圖1所示，在一個小區(qū)中存在M個蜂窩用戶、N條D2D鏈路和M條正交子帶寬，蜂窩用戶滿載，D2D鏈路只能通過復用蜂窩上行信道接入網(wǎng)絡中。蜂窩用戶的集合為，D2D鏈路的集合為。設定以基站為中心，半徑的R的區(qū)域為D2D限制區(qū)域以保護蜂窩用戶的QoS，即此區(qū)域內不得存在D2D用戶。

假設小區(qū)通信環(huán)境穩(wěn)定，在資源調度周期內，小區(qū)的CSI不會發(fā)生改變，所有用戶以及信道資源通過基站的控制在資源調度周期內進行分配。

圖1 D2D通信場景

2 數(shù)據(jù)分析

則D2Dj與蜂窩信道可以進行匹配的條件為：

D2Dj接入蜂窩信道的功率限制條件為：

3 負載均衡化的循環(huán)匹配算法

在初始狀態(tài)時，規(guī)定所有的蜂窩用戶均以最大功率接入蜂窩網(wǎng)絡，可得各個蜂窩信道上吞吐量為:

使用拉格朗日算法求出滿足匹配條件的蜂窩用戶與D2D用戶共用信道時達到最大傳輸速率的功率解：

圖2 加權匹配

KM匹配算法步驟如下：（1）由以上拉格朗日乘數(shù)法求出滿足接入條件的D2D用戶接入各個蜂窩信道的復用增益，此一步完成權值的初始化過程；（2）根據(jù)匈牙利匹配算法尋找蜂窩信道的一個完備匹配；（3）修改頂標繼續(xù)尋找完備匹配；（4）重復（2）（3）操作，直到所有蜂窩信道均匹配到一條D2D鏈路為止。本算法將整個匹配周期分為多個匹配時隙，每一個時隙完成一輪匹配過程，每一輪匹配結束后，每條蜂窩子信道接入一條D2D鏈路。對于稀疏D2D蜂窩網(wǎng)，第一輪匹配結束即可完成整個系統(tǒng)的資源分配與功率分配過程，但是，對于密集D2D網(wǎng)絡，蜂窩用戶數(shù)小于D2D數(shù)目，則需要進行多輪匹配，由于第一輪匹配已經(jīng)接入了M個D2D用戶，所以此時令：

重復以上算法步驟，只是在以后的匹配過程中必須考慮前面幾次匹配過程已經(jīng)接入的D2D鏈路所帶來的干擾，直到所有D2D用戶均接入系統(tǒng)為止。假定在第q輪匹配時，最大吞吐量求解如下：

整體算法流程如圖3所示。

圖3 算法流程

4 公平性分析

其中，Nd表示系統(tǒng)總共有Nd個用戶，?d（Δt ）表示用戶在時間間隔Δt內實際的吞吐量，公平性因子越高，整個系統(tǒng)的公平性就越好。本文將D2D鏈路均勻分配到每一條子信道上，使每條蜂窩子信道上的負載均衡化，相比于傳統(tǒng)匈牙利匹配算法可以有效提升系統(tǒng)的公平性。

5 仿真結果

為了驗證以上理論所述，本文在LTE-TDD 蜂窩系統(tǒng)小區(qū)場景下，使用維也納仿真平臺進行系統(tǒng)級仿真。仿真參數(shù)如表1所示。

表1

本文采用循環(huán)匹配算法進行資源分配，其目的一是解決傳統(tǒng)匹配算法的局限性；二是使蜂窩信道上可以接入多條滿足接入條件的D2D對，使頻譜資源得到充分利用。由圖4可知系統(tǒng)頻譜資源利用率相對于文獻［9］所使用的匈牙利算法以及文獻［11］所使用的根據(jù)信道狀況隨機選擇滿足接入條件的D2D對接入的算法具有部分提升。圖5是系統(tǒng)總吞吐量的累積分布狀況，由圖可知本文算法與文獻［9］在蜂窩吞吐量對比而言，當系統(tǒng)D2D數(shù)目較少時，兩種算法為蜂窩小區(qū)帶來的吞吐量不相伯仲，但是，對于密集D2D蜂窩網(wǎng)絡而言，本文算法則具有一定的優(yōu)越性，這是由于本算法將系統(tǒng)內所有D2D終端平均的分配到每一條子信道上，使每條子信道的信道容量盡可能最大化而不是單獨使鏈路上的數(shù)據(jù)率最大化，所以該算法可以有效提升系統(tǒng)的總吞吐量，尤其對于密集D2D蜂窩網(wǎng)絡而言。

圖4 頻譜資源利用率

6 結束語

圖5 系統(tǒng)吞吐量累積分布

圖6

本文針對傳統(tǒng)匹配算法只適用于稀疏D2D蜂窩網(wǎng)絡資源分配的局限性，通過拉格朗日乘數(shù)法結合圖論中的匈牙利匹配算法，提出一種循環(huán)匹配的資源分配方案。首先在系統(tǒng)中加入若干虛擬D2D用戶，使系統(tǒng)D2D用戶數(shù)N與蜂窩用戶數(shù)M呈整數(shù)倍關系，每條蜂窩信道可以被N/M條D2D鏈路復用，即保證每一輪匹配為完備匹配過程。以最大化蜂窩信道的復用增益為前提條件，選取合適的D2D鏈路接入對應的蜂窩信道，每一輪匹配完成時，每條蜂窩信道將接入一條D2D鏈路，直到所有的D2D鏈路接入完畢為止，虛擬D2D對只參與匹配過程，無功率分配過程，且只參與最后一輪匹配。經(jīng)仿真驗證該算法解決了傳統(tǒng)匹配算法的局限性，同時也為蜂窩系統(tǒng)帶來一定的吞吐量增益。

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圖4 K=2048時2種頻偏估計方法比較

表1 2種算法的的仿真時間

4 結束語

頻偏估計在信號解析、多用戶檢測中有著重要的作用，是能否正確解析信號，進行多用戶檢測的關鍵。

本文首先對FFT載波頻偏估計算法進行了改進，減少了分裂基FFT算法中需要計算的旋轉因子數(shù)。然后本文提出了基于前向導頻信道的頻偏估計的高效方法。對FFT載波頻偏估計算法和基于前向導頻信道的頻偏估計法進行了詳細比較，先從理論上剖析了兩種算法的原理，針對算法性能和運算復雜度兩方面又進行了實驗對比。

結果表明，在相同頻偏估計性能的情況下，導頻頻偏估計算法的運算復雜度要遠低于FFT載波頻偏估計算法，但導頻頻偏估計算法的抗噪性能較差。除此之外，F(xiàn)FT載波頻偏估計算法可以通過提高分辨率來提高頻偏估計的精度。

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