蜂窩網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D通信功率控制

趙季紅，何強，曲樺，欒智榮

（1.西安郵電大學通信與信息工程學院，陜西 西安 710061；2.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西 西安 710049）

研究與開發(fā)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中全雙工D2D通信功率控制

趙季紅1,2，何強1，曲樺2，欒智榮2

（1.西安郵電大學通信與信息工程學院，陜西 西安 710061；2.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西 西安 710049）

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，采用全雙工傳輸?shù)脑O(shè)備直通（D2D）通信可以共享蜂窩通信的信道資源，提升頻譜利用率和系統(tǒng)吞吐量。針對單對全雙工D2D用戶復(fù)用單個蜂窩用戶的上行信道資源時，用戶之間會產(chǎn)生同頻干擾的問題，提出了一種低復(fù)雜度的功率控制算法。該算法在保證全雙工D2D用戶和蜂窩用戶（CU）的服務(wù)質(zhì)量（QoS）的前提下，最大化全雙工D2D鏈路的吞吐量。仿真結(jié)果表明，該算法能夠提高全雙工D2D鏈路的吞吐量；全雙工D2D鏈路吞吐量取決于蜂窩用戶的QoS要求、相對距離以及自干擾消除數(shù)量的限制。

設(shè)備直通通信；全雙工；功率控制

1 引言

隨著局域應(yīng)用和智能終端的不斷涌現(xiàn)，近距離移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增多，兩種作為未來5G無線網(wǎng)絡(luò)[1,2]中潛在的關(guān)鍵技術(shù)，即基于近距離傳輸?shù)腄2D（device-to-device，設(shè)備直通）通信技術(shù)[3]和無線全雙工（full-duplex，F(xiàn)D）傳輸技術(shù)[4,5]被廣泛討論和研究。D2D通信的特點是D2D用戶的發(fā)射功率較低，且用戶的數(shù)據(jù)信息不經(jīng)過基站而直接在D2D終端之間傳輸。無線全雙工傳輸技術(shù)的特點是用戶可以在同一時間以相同的頻率進行接收和發(fā)射信號，用戶會接收到自身所發(fā)射的信號，業(yè)界稱之為自干擾信號。正是由于D2D的發(fā)射功率較低，有利于無線全雙工通信中自干擾信號的消除，因此可以將無線全雙工技術(shù)與D2D通信相結(jié)合，并且運用目前已提出的先進的自干擾消除（self-interference cancellation，SIC）技術(shù)[6,7]，能夠有效地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。

目前，關(guān)于基于傳統(tǒng)半雙工（half-duplex，HD）傳輸?shù)腄2D（HD-D2D）通信，國內(nèi)外已有大量的研究，而基于FD傳輸?shù)腄2D（FD-D2D）通信也被業(yè)界迅速地關(guān)注，并且有大量的工作圍繞FD-D2D通信功率控制問題展開。參考文獻[8]探究了單對FD-D2D用戶復(fù)用單個蜂窩用戶 （cellular user，CU）的上行信道資源時，F(xiàn)D-D2D系統(tǒng)的遍歷和速率問題，通過設(shè)置最大干擾門限保證CU的最低QoS （quality of service，服務(wù)質(zhì)量），而沒有處理CU對D2D用戶的干擾，因此不能保證 FD-D2D用戶的 QoS，更不能實現(xiàn)最大化FD-D2D系統(tǒng)的遍歷和速率。參考文獻[9]在單對FD-D2D用戶復(fù)用單個CU的下行信道資源的場景中，從FD-D2D鏈路的成功接入概率和CU的中斷概率出發(fā)，最大化系統(tǒng)的吞吐量，同樣沒有考慮如何通過功率控制來抑制用戶間的同頻干擾問題。參考文獻[10]在單對FD-D2D用戶復(fù)用單個CU的上行和下行信道資源的復(fù)用模式中，探究了殘留自干擾對FD-D2D通信的影響，在蜂窩鏈路上行期間采用了固定點迭代法求解CU和FD-D2D用戶的發(fā)射功率，使蜂窩鏈路和D2D鏈路功率之和最小，同時保證了FD-D2D用戶和CU的QoS。參考文獻 [11]考慮了在單個小區(qū)中僅有一對FD-D2D用戶復(fù)用多個CU的上行信道資源的情況，通過設(shè)置CU的干信比門限確定FD-D2D用戶的發(fā)射功率大小。與參考文獻[11]中的復(fù)用情況相反，參考文獻[12]考慮了單個小區(qū)中多對FD-D2D用戶復(fù)用單個CU的上行信道資源，其功率控制方案與參考文獻[11]類似，但是并沒有考慮FD-D2D鏈路之間的干擾。

綜上所述，除參考文獻[10]以外，針對FD-D2D在復(fù)用模式下的通信中，絕大多數(shù)是通過設(shè)置用戶的干擾閾值設(shè)定FD-D2D用戶設(shè)備的發(fā)射功率，此方法雖然簡單，但是不能同時保證FD-D2D用戶與被復(fù)用的CU的QoS，達不到通過復(fù)用模式盡可能提升系統(tǒng)容量的目的。因此，考慮在單個蜂窩小區(qū)場景下單個FD-D2D鏈路復(fù)用單個CU的上行鏈路信道資源，以提升FD-D2D鏈路的吞吐量為目標，通過分析目標函數(shù)在可行性限制區(qū)域內(nèi)部和邊界上的特性，提出一種復(fù)雜度低、運算速度快的功率控制算法，可以應(yīng)用于時變的場景中。仿真結(jié)果顯示，該算法在保證CU的QoS要求的同時，能夠提升FD-D2D鏈路的吞吐量。

2 系統(tǒng)模型

本文考慮的單個蜂窩小區(qū)的FD-D2D通信系統(tǒng)模型如圖1所示，有多個 FD-D2D對和多個CU，演進型基站（evolved node B，eNode B）和CU均采用HD傳輸模式。為了提高無線頻譜資源效率和減少由復(fù)用產(chǎn)生的干擾，單個CU的上行鏈路信道資源只能被一個D2D對用戶復(fù)用，同時單對FD-D2D用戶也只能復(fù)用一個CU的上行信道資源。而對于同一頻譜的資源，CU相較于FD-D2D用戶具有優(yōu)先使用權(quán)。

圖1 單個蜂窩小區(qū)的FD-D2D通信系統(tǒng)模型

在實際情況下，CU的發(fā)射功率是固定不變的[13]，本文也設(shè)CU的發(fā)射功率固定不變。為了使網(wǎng)絡(luò)更加容易協(xié)調(diào)FD-D2D和CU通信，eNode B能夠有效地執(zhí)行資源分配以滿足小區(qū)中通信節(jié)點的QoS要求，采用基站全控制機制[14]來管理FD-D2D通信，包括D2D發(fā)現(xiàn)、連接、功率控制和信道分配。最優(yōu)功率控制的過程是基站測量接收到的FD-D2D用戶的干擾后，通過控制信道來協(xié)調(diào)FD-D2D設(shè)備的發(fā)射功率，以滿足CU的QoS要求，本文以用戶的信干噪比（signal to interference plus noise ratio，SINR）為QoS標準。

根據(jù)香農(nóng)公式可以得到FD-D2D鏈路的吞吐量為：

Pi、Pc和γi分別表示Di設(shè)備的發(fā)射功率、CU的發(fā)射功率和自干擾消除因子，i∈{1，2}；g12表示 D2D對中兩個用戶之間的信道增益，gi表示 Di用戶與被復(fù)用CU之間的信道增益；σ2N表示高斯白噪聲的功率。

3 功率控制算法

3.1 問題描述

基于FD傳輸模式的D2D通信，通過復(fù)用CU的上行信道資源能夠有效提高資源復(fù)用增益和鏈路增益，進一步提高系統(tǒng)的頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。當FD-D2D鏈路建立時，既要滿足最小的 SINR要求，又要保證對被復(fù)用的CU產(chǎn)生較小的干擾。因此，在同一時間相同的無線信道資源共同服務(wù)一個CU用戶和FD-D2D對用戶時，在保證CU用戶最小SINR要求和FD-D2D設(shè)備功耗的前提下，以最大化FD-D2D鏈路的吞吐量為目標，求解FD-D2D設(shè)備的最優(yōu)發(fā)射功率，構(gòu)建優(yōu)化問題模型如下：

3.2 算法描述

對于第3.1節(jié)提出的優(yōu)化問題，很難直接求得全局最優(yōu)解。因此，下面將通過分析優(yōu)化問題的目標函數(shù)、可行性限制區(qū)域邊界以及邊界拐點的特性，提出一種運算復(fù)雜度低的算法尋找問題的最優(yōu)解。

FD-D2D設(shè)備發(fā)射功率限制區(qū)域由式（3）～式（6）決定，并假設(shè)分別由直線l1、l2和lc代表，并且，直線l1、l2和lc作為FD-D2D設(shè)備發(fā)射功率可行解的邊界，其位置在式（3）～式（6）取等的時候確定。此外，當自干擾消除系數(shù)γ1=γ2時，直線l1和l2的斜率的乘積為1。本文假設(shè)FD-D2D設(shè)備的自干擾消除數(shù)量相等，即自干擾消除系數(shù)γ1=γ2。如果直線 l1的斜率小于直線l2的斜率，這兩個約束沒有共同的可行解區(qū)域，原問題將無解。因此，要使原問題有解，直線l1的斜率必須大于直線l2的斜率，即：

此時，直線 l1和 l2的交點為：

定理1FD-D2D設(shè)備的最優(yōu)發(fā)射功率對）至少有一個最優(yōu)發(fā)射功率P*i位于可行區(qū)域 邊界上。

證明根據(jù)參考文獻[15]，在功率可行性區(qū)域內(nèi)任意一個功率對（P1，P2），在該區(qū)域總存在另一個功率對（κP1，κP2）（κ＞1）滿足：

圖2 FD-D2D設(shè)備發(fā)射功率限制區(qū)域

定理2當時，R（P1）是關(guān)于P1的凸函數(shù)；同時，當時，R（P2）是關(guān)于P2的凸函數(shù)。證明過程與參考文獻[16]證明過程相似。

引理1

利用多項式分解理論，Q（P1）可進一步表示為：

對Q（P1）求一階導(dǎo)數(shù)：

綜上所述，Q（P1）是擬凸的，P1=1。

由定理1、定理2和引理1可得，式（2）～式（6）的最優(yōu)發(fā)射功率（）位于可行區(qū)域 的拐點。

下面給出滿足圖 2中的 3種情況的不同限制區(qū)域下的FD-D2D設(shè)備的最優(yōu)發(fā)射功率。

4 仿真分析

本文仿真只考慮單個小區(qū)場景，D2D對和CU均勻地分布在小區(qū)中。此外，主要的仿真參數(shù)設(shè)置見表1。為了比較所提算法的性能，仿真時將與HD-D2D鏈路的性能做比較。其中，HD-D2D設(shè)備的發(fā)射功率為在滿足被復(fù)用的CU的SINR要求時的最大發(fā)射功率。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖3比較了兩種FD-D2D功率控制算法的性能，并與HD-D2D鏈路的吞吐量做比較，設(shè)置CU和FD-D2D用戶的最小SINR要求分別為12 dB和8 dB，自干擾消除數(shù)量為120 dB。根據(jù)圖3提供的仿真參數(shù)信息并追蹤仿真過程，可發(fā)現(xiàn)本仿真場景對應(yīng)的功率限制區(qū)域是第三類中的直線所圈定的限制區(qū)域。首先，可以發(fā)現(xiàn)對于不同的功率控制算法，D2D鏈路的吞吐量隨著D2D用戶之間的距離增加而逐漸降低。因為隨著距離增加，D2D用戶之間的增益減小，為了滿足D2D用戶的SINR要求，就必須提高發(fā)射功率，這樣就導(dǎo)致對復(fù)用的CU產(chǎn)生了更大的干擾。其次，由于所提算法總是最優(yōu)功率控制，因此所提算法的性能優(yōu)于參考文獻[11]的功率控制算法。最后，當自干擾消除為120 dB時，殘留自干擾信號的功率相對較小，采用FD傳輸模式的D2D鏈路的吞吐量均優(yōu)于HD-D2D鏈路的吞吐量。

圖3 FD/HD-D2D鏈路吞吐量與D2D用戶間距離的關(guān)系

不同的SIC數(shù)量對FD-D2D鏈路吞吐量的影響如圖4所示，其中CU和FD-D2D用戶的最小SINR要求分別為12 dB和8 dB。與圖4的仿真場景對應(yīng)的功率限制區(qū)域和圖3對應(yīng)的功率限制區(qū)域一樣。隨著 SIC數(shù)量增大，F(xiàn)D-D2D鏈路的吞吐量也增大，并且逐漸接近于殘留自干擾信號的功率時對應(yīng)的吞吐量，這是由于自干擾消除越多，殘留自干擾信號也就越小，因此得到的FD-D2D用戶的SINR就越大。然而，當SIC數(shù)量僅為105 dB且D2D對中兩個用戶之間的距離大于34 m時，F(xiàn)D-D2D鏈路的吞吐量反而低于HD-D2D鏈路的吞吐量?？梢姰敋埩糇愿蓴_信號的功率時，SIC數(shù)量對FD-D2D鏈路的吞吐量有很大的影響。

圖4 不同SIC數(shù)量與FD-D2D鏈路吞吐量的關(guān)系

當D2D對中兩個用戶之間的距離為20 m且D2D用戶的最小SINR要求為8 dB時，F(xiàn)D/HD-D2D鏈路的吞吐量與CU的最低SINR要求的變化關(guān)系如圖5所示。追蹤仿真過程可發(fā)現(xiàn)，隨著CU的最低SINR由8 dB逐漸遞增至15 dB，圖5對應(yīng)的仿真場景的功率可行性限制區(qū)域?qū)儆诘?類，其變化過程是由直線逐漸向左下方平移，經(jīng)歷直線和所圈定的功率限制區(qū)域。由圖5所示，基于兩種雙工傳輸模式的D2D所實現(xiàn)的鏈路吞吐量均隨著被復(fù)用的CU的最低SINR要求增大而降低。由式 （5）可知，當CU的發(fā)射功率固定不變時，隨著CU的最低SINR要求增大，D2D用戶的發(fā)射功率的最大值被限制得越多，D2D用戶可實現(xiàn)的SINR就越低，最終導(dǎo)致D2D鏈路的吞吐量降低。然而，當CU的最低SINR小于10 dB時，式（5）對應(yīng)直線的位置為圖 2（c）中的直線的位置，此位置不會限制D2D用戶的發(fā)射功率，此時FD-D2D鏈路的吞吐量與CU的最低SINR無關(guān)，因此FD-D2D鏈路的吞吐量并不隨著CU的最低SINR增大而降低。

圖5 FD/HD-D2D鏈路吞吐量隨CU最低SINR要求變化的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文考慮在單個蜂窩小區(qū)中單對 FD-D2D用戶復(fù)用單個CU的上行信道資源的情況，在同時保證D2D用戶和被復(fù)用 CU的SINR要求的前提下，提出了一種協(xié)調(diào)同頻干擾的功率控制算法以最大化 FD-D2D鏈路的吞吐量，應(yīng)用該算法時可針對相應(yīng)的功率限制區(qū)域場景直接使用算法的結(jié)論。經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在同時滿足FD-D2D用戶和CU的SINR要求時，該算法能夠提高FD-D2D鏈路的吞吐量；另外，在 FD-D2D復(fù)用CU的信道資源情況下，F(xiàn)D-D2D用戶間距離、CU的最低SINR要求和 SIC數(shù)量都是限制 FD-D2D鏈路吞吐量的主要因素。

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Power control for full-duplex D2D communications underlaying cellular networks

ZHAO Jihong1,2,HE Qiang1,QU Hua2,LUAN Zhirong2
1.School of Telecommunication and Information Engineering, Xi’an University of Posts&Telecommunications,Xi’an 710061,China
2.School of Electronic and Information Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China

Device-to-device(D2D)communications that based on the wireless full-dup lex transmission mode can not only reuse the cellular users’spectrum resource,but also significantly improve the spectral efficiency and the system throughout in wireless cellular networks.However,full-duplex D2D communications may generate same frequency interference to the reused cellular user(CU)while full-dup lex D2D users share the same resources as CU in uplink.A low-complexity power control algorithm was proposed to maximize the full-duplex D2D links throughput while guaranteeing the quality ofservice(QoS)requirements for full-duplex D2D users and CU.Numerical results show that the proposed algorithm can improve the full-duplex D2D links throughput.Moreover,the performance of full-duplex D2D communications depend on the QoS requirements of CU,the distance of D2D pair and self-interference cancelation amounts.

D2D communication,full-duplex,power control

TN929

：A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017056

趙季紅（1963-），女，博士，西安郵電大學教授，西安交通大學教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為寬帶通信網(wǎng)、新一代網(wǎng)絡(luò)的管理與控制、5G網(wǎng)絡(luò)等。

何強（1990-），男，西安郵電大學碩士生，主要研究方向為全雙工自干擾消除和全雙工D2D功率控制。

曲樺（1961-），男，博士，西安交通大學教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為現(xiàn)代通信網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等。

欒智榮（1988-），男，西安交通大學博士生，主要研究方向為新一代天線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線資源管理技術(shù)、密集部署小區(qū)網(wǎng)絡(luò)無線資源管理等。

2016-09-20；

2017-02-23

國家自然科學基金資助項目（No.61372092，No.61531013）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2014AA01A706）

Foundation Item s：The National Natural Science Foundation of China (No.61372092,No.61531013),The National High Technology Research and Development Program(863 Program)(No.2014AA01A706)