基于系統(tǒng)容量最大化的D2D通信資源分配算法的研究

王振宇，張美娟

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

基于系統(tǒng)容量最大化的D2D通信資源分配算法的研究

王振宇，張美娟

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京210003)

設備到設備(Device-to-Device，D2D)通信技術近年來一直是蜂窩移動通信領域的一個重要內容。D2D通信系統(tǒng)中的資源分配直接影響到D2D通信能否提高頻譜利用率以及降低功耗。研究了基于系統(tǒng)容量最大化的資源分配算法，詳細論證了該算法在D2D通信技術中運用的可行性，并與傳統(tǒng)的隨機資源分配算法的性能作比較。仿真表明，不管在系統(tǒng)總容量還是所有蜂窩用戶的容量損失方面，基于系統(tǒng)容量最大化的資源分配算法的性能明顯優(yōu)于隨機資源分配算法。

D2D通信；系統(tǒng)容量；資源分配

0 引言

隨著移動通信技術的不斷提升，高通公司在2008年第一次給出了實際意義上的設備到設備(Device-to-Device,D2D)通信技術的概念。緊接著摩托羅拉、諾基亞、愛立信等公司以及一些研究機構紛紛開始對D2D通信技術進行深入研究。近年來，我國不僅在5G領域扮演領頭羊的角色，而且對D2D技術也開始進行深入探究[1]。

D2D技術是新一代的通信模式，能讓移動終端與其他終端不需要透過網(wǎng)絡傳遞就可實現(xiàn)相互之間的通信[2]。在蜂窩網(wǎng)絡中引入D2D通信可以增大系統(tǒng)吞吐量,提升資源利用率,減小終端功耗[3]。很多文獻中提出的資源分配算法迭代多、計算過程復雜、使用性能低效，不能應用在實際場景中。由于這些算法中存在著諸多的缺點，本文提出一種基于系統(tǒng)容量最大化的資源分配算法(Capacity-Maximization Resource Allocation,CMRA)。

本文首先介紹了CMRA算法的系統(tǒng)模型，接下來對CMRA算法進行了數(shù)學描述，然后引入了限制區(qū)域CORE的概念并且就如何確定CORE區(qū)域進行了闡述，緊接著介紹了CMRA算法的兩個主要階段的基本思想和資源分配步驟，最后通過仿真實驗對CMRA算法進行了性能評估。

1 CMRA算法的系統(tǒng)模型

假設該模型是一個單小區(qū)環(huán)境，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型

為了對下文中的方法進行更簡便的研究，假定該系統(tǒng)模型滿足如下幾個條件：

(1)D2D通信對采用共享頻譜資源使用模式，該系統(tǒng)模型中共享下行頻譜資源；

(2)小區(qū)中存在M個蜂窩用戶表示為Ci(i=0,1,…，M)，N個D2D用戶對表示為Dj(j=0,1,…，N)，且M?N；

(3)D2D用戶對Dj的發(fā)射機表示為TDj，接收機表示為RDj；

(4)TDj與RDj間的連接共享蜂窩用戶C1、C2之間的資源；

(5)該通信系統(tǒng)發(fā)射機TDj對其共享蜂窩用戶Ci的干擾表示為ICi，基站對系統(tǒng)接收機RDj的干擾表示為IDj；

(6)小區(qū)中的信道增益的符號表示：基站與系統(tǒng)用戶之間表示為GBCi，D2D用戶對之間表示為GDDj，基站與D2D用戶對接收機表示為GBDj，該系統(tǒng)用戶對發(fā)射機與蜂窩用戶之間表示為GDjCi，其中GBCi較大；

(7)噪聲功率均表示為N0；

(8)該系統(tǒng)發(fā)射機的發(fā)射功率表示為Pd，基站的發(fā)射功率表示為PB，且PB>>Pd；

(9)基站與移動用戶u之間的路徑損耗為LB,u。

2 問題描述

(1)

(2)

(3)

其中，N0代表接收到的高斯白噪聲功率。

設定一個M×N的矩陣Π=[πij]M×N來代表資源分配的情況，其中系統(tǒng)用戶Ci已被D2D通信對Dj復用和未被D2D通信對Dj復用的資源塊分別用[πij]=1、[πij]=0表示。將該環(huán)境中的所有D2D的通信對和所有用戶表示成集合的形式，即集合C與D[4-5]。

這樣干擾ICi與IDj可表示為：

(4)

IDj=PB·GBDj

(5)

由式(4)和式(5)可以得出，干擾ICi與IDj分別與各自對應的信道增益成正比。

全部用戶的容量Rc以及全部通信對的容量Rd分別為：

(6)

(7)

因此，系統(tǒng)的總容量為：

Rsum=Rc+Rd

(8)

將本文提出的算法轉換為數(shù)學語言就是：尋找到一個矩陣，將系統(tǒng)的容量最大化，從而得到下面的一個混合整數(shù)非線性規(guī)劃(Mixed Integer Non-Linear Programming,MINLP)問題：

(9)

并滿足以下約束條件：

γi≥SINRc， ?Ci∈C

(10)

γj≥SINRd， ?Dj∈D

(11)

(12)

(13)

對上述約束條件分析如下：

(1)式(10)用來最小化已被D2D通信對Dj選擇復用的蜂窩用戶Ci的信噪比；

(2)式(11)用來最小化D2D接收機RDj的信噪比；

(3)式(12)確保了已被選擇復用的蜂窩用戶Ci只能被唯一選擇；

(4)式(13)確保了該系統(tǒng)通信對可以將用戶頻譜資源進行復用。

3 D2D通信對的限制區(qū)域CORE

定義D2D通信對的限制區(qū)域CORE為使得系統(tǒng)容量增益為大于零的蜂窩用戶集。

本文算法的實現(xiàn)，首先必須確定每個D2D通信對Dj的限制區(qū)域CORE，接著在該CORE區(qū)域分配資源。

設Dj對Ci的頻譜資源共享后產(chǎn)生的容量增益為δi,j，按下式計算：

(14)

結合前面系統(tǒng)模型假設，可知PB>>Pd，且CBCi相對較大，因此式(14)可進一步簡化為：

(15)

為了保證D2D通信對復用系統(tǒng)容量增益為正的蜂窩用戶的頻譜資源，δi,j必須滿足：

(16)

將式(16)化簡可得到：

(17)

由式(17)可得到D2D通信對Dj的限制區(qū)域CORE的半徑為：

(18)

所以，根據(jù)式(18)可以得出各個Dj的限制區(qū)域CORE，如圖1所示，系統(tǒng)環(huán)境中的陰影圓是以D2D發(fā)射機TDj為圓心、rj為半徑的圓。由該圖得知，若蜂窩用戶Ci位于圖中的圓形陰影區(qū)域內，則D2D通信對Dj不會共享其頻譜資源[6]。

綜上所述，每個D2D通信對Dj只能復用在它限制區(qū)域CORE外的蜂窩用戶Ci，而不能復用位于其限制區(qū)域CORE內的蜂窩用戶Ci。

4 CMRA算法的兩個主要階段

要實現(xiàn)CMRA算法，第一步要求出分配資源時的各個通信對的候選用戶集，并且讓通信對按次序從中選擇最優(yōu)的用戶來復用，然后給系統(tǒng)中CORE區(qū)域外未被選擇復用的蜂窩用戶按次序選擇一個最優(yōu)的D2D通信對，與其共享頻譜資源。

CMRA算法可以分為兩個主要的階段：最優(yōu)蜂窩用戶選擇階段和最優(yōu)D2D通信對選擇階段。

4.1 最優(yōu)蜂窩用戶選擇階段

該階段確定每個通信對的用戶集，即限制區(qū)域CORE，并且讓通信對按次序從中選擇最優(yōu)的用戶來復用。

首先要對系統(tǒng)中每個D2D通信對Dj(j=1,2,…,N)進行優(yōu)先級的判斷，優(yōu)先級根據(jù)接收機RDj與基站BS之間的距離來判斷，距離越遠優(yōu)先級越高。接著讓系統(tǒng)中每個D2D通信對Dj(j=1,2,…,N)按次序從中選擇最優(yōu)的用戶來復用[7]。

用Φj代表區(qū)域內用戶集合，Sj代表通信對可復用的所有蜂窩用戶的集合，由前文知，集合C表示系統(tǒng)中所有蜂窩用戶的集合，則這些集合之間的關系為：

Sj={Ci|Ci∈C,Ci?Φj}

(19)

于是，D2D通信對Dj選擇最優(yōu)蜂窩用戶CDj為：

(20)

因此，由式(20)可知，D2D通信對Dj選擇使得GBCi/GDjCi比值最大的蜂窩用戶來復用。

4.2 最優(yōu)D2D通信對選擇階段

該階段的基本思想是沒有被復用的用戶按次序選擇最優(yōu)的通信對[8]。

令集合Φk1,Φk2,…，Φkl,0≤l≤N分別表示Dj的CORE區(qū)域內蜂窩用戶的集合，且用Ωi表示Φki,Φk2,…,Φkl這些集合的交集,則有:

Ci∈Ω=Φk1∩Φk2…∩Φkl

(21)

蜂窩用戶Ci的候選D2D通信對集合為：

Si={Dj|Dj∈D,Dj?Ωi}

(22)

那么，蜂窩用戶Ci的最優(yōu)D2D通信對可以表示為：

(23)

因此，由式(23)可知，未被復用的蜂窩用戶Ci選擇最優(yōu)D2D通信對的標準就是與具有最小信道增益GDj,Ci的D2D通信對復用頻譜資源，并與其共享其頻譜資源。

5 仿真與性能分析

仿真實驗中的參數(shù)設定如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

在本文的性能評估中，采用了兩個性能指標，分別是系統(tǒng)總容量、所有蜂窩用戶的容量損失(RL，Rate Loss)。仿真結果及性能分析如下。

5.1 系統(tǒng)總容量

系統(tǒng)總容量對比如圖2所示。

由圖2可以看出，采用CMRA算法和傳統(tǒng)的RANDOM算法所獲得的系統(tǒng)總容量與用戶數(shù)成正比，但是在獲得的系統(tǒng)容量方面CMRA算法略大[9-10]。因此，可以知道，在系統(tǒng)總容量方面，CMRA算法優(yōu)于RANDOM算法。

圖2 系統(tǒng)總容量對比圖

5.2 所有蜂窩用戶的容量損失

所有蜂窩用戶的容量損失(RL，Rate Loss)表達式為:

RL=Rcb-Rca

(24)

其中，Rcb、Rca分別表示資源共享前后所有蜂窩用戶的容量。容量損失對比如圖3所示。

圖3 所有蜂窩用戶容量損失對比圖

由圖3可以看出，采用CMRA算法和RANDOM算法所獲得的容量損失也隨用戶數(shù)量增多而增大，但是在容量損失方面前者遠小于后者。因此，可以知道，在容量損失方面，CMRA算法優(yōu)于RANDOM算法。

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Research on D2D communication resource allocation algorithm based on system capacity maximization

Wang Zhenyu,Zhang Meijuan

(College of Communication & Information Engineering,Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The Device-to-Device(D2D) communication technology has been an important content in the field of cellular mobile communication in recent years. The allocation of resources in D2D communication system has a direct impact on whether D2D communication can improve spectrum efficiency and reduce power consumption. The resource allocation algorithm based on the maximum capacity of the system is studied in this paper ,the feasibility of the algorithm in D2D communication technology is demonstrated in detail and and compared with the performance of the traditonal algorithm of random resourse allocation. The simulation results show that the resource allocation algorithm based on the maximum capacity of the system is superior to the algorithm of random resourse allocation in terms of the total capacity of the system or the capacity loss of all cellular users.

D2D communication; system capacity; resource allocation

TN911.4

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.020

王振宇，張美娟.基于系統(tǒng)容量最大化的D2D通信資源分配算法的研究J.微型機與應用，2017,36(24)：69-71，75.

2017-05-30)

王振宇(1992-)，男，碩士，主要研究方向：通信與信號處理。

張美娟(1991-)，女，碩士，主要研究方向:信息處理。