基于補(bǔ)償因子的D2D通信自適應(yīng)聯(lián)合功率控制算法

翟旭平，龔 磊，張 男

1.上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200444

2.上海大學(xué)特種光纖與先進(jìn)通信國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海200444

3.上海大學(xué)上海先進(jìn)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院，上海200444

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)4G 網(wǎng)絡(luò)已不能滿足人們的需求，應(yīng)運(yùn)而生的5G 網(wǎng)絡(luò)不斷推進(jìn)，將使移動(dòng)終端的數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)的勢(shì)頭，到2020年網(wǎng)內(nèi)移動(dòng)終端數(shù)量有望達(dá)到500億[1].因此，頻譜資源短缺將成為移動(dòng)通信面臨的重大挑戰(zhàn).在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，不允許用戶之間直接通信.通信過程由基站轉(zhuǎn)接分為2 個(gè)階段：發(fā)射機(jī)到基站，即上行鏈路；基站到接收機(jī)，即下行鏈路.這種集中式工作方式便于對(duì)資源和干擾進(jìn)行管理與控制，但資源利用效率低.為了提高頻譜利用效率，設(shè)備到設(shè)備（device to device,D2D）通信技術(shù)于2008年被正式提出[2].只要憑借D2D 通信技術(shù)，用戶終端之間的數(shù)據(jù)不必經(jīng)過基站或者核心網(wǎng)絡(luò)即可傳輸[3].它通過復(fù)用小區(qū)頻譜資源的方式提高了蜂窩系統(tǒng)的頻譜效率，降低了終端發(fā)射功率[4-6]，現(xiàn)已成為下一代（5G）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分.

D2D 通信主要有3種工作模式：傳統(tǒng)蜂窩模式、專用模式、復(fù)用模式.傳統(tǒng)蜂窩模式通過基站進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接，專用模式為D2D 用戶預(yù)留專用資源，而復(fù)用模式中的D2D 用戶則可以復(fù)用蜂窩用戶資源[7-8].在擁有D2D 用戶的蜂窩系統(tǒng)中，資源分配方案主要為后兩類.在專用模式下的頻帶資源分兩組分配至D2D 及蜂窩用戶，因?yàn)樵贚TE（long term evolution）上行鏈路采用單載波頻分多址接入（single-carrier frequency-division multiple access,SC-FDMA）技術(shù)，所以分配的頻帶資源之間并不產(chǎn)生同頻干擾，但此方案在小區(qū)內(nèi)用戶負(fù)載較低時(shí)會(huì)因未充分利用資源而降低頻譜效率.在復(fù)用模式下，D2D 用戶通過復(fù)用蜂窩用戶頻帶資源得以提升頻譜使用率，但與此同時(shí)會(huì)帶來(lái)同頻干擾問題.降低同頻干擾主要有資源分配和功率控制兩種方式[9-10]，資源分配根據(jù)信道質(zhì)量以吞吐量等為目標(biāo)對(duì)D2D 用戶的模式選擇和信道分配進(jìn)行最優(yōu)決策，功率控制在D2D 用戶復(fù)用模式下通過功率控制算法對(duì)小區(qū)內(nèi)用戶進(jìn)行干擾協(xié)調(diào).本文則采用功率控制來(lái)改善復(fù)用模式下的同頻干擾情況.

對(duì)于復(fù)用模式下D2D 通信產(chǎn)生的干擾協(xié)調(diào)問題，文獻(xiàn)[11]提出了基于D2D 發(fā)射機(jī)功率上限分配資源塊的功率控制方案，并采用兩級(jí)分配策略降低干擾，但僅考慮了單一功率上限和單條鏈路情況.文獻(xiàn)[12]提出了用D2D 終端調(diào)節(jié)功率方式來(lái)提升蜂窩鏈路的信干噪比，但在D2D 用戶與基站距離較短時(shí)性能不佳，且功率不能隨信道情況及時(shí)調(diào)整.文獻(xiàn)[13]對(duì)蜂窩用戶采用簡(jiǎn)單的開閉環(huán)功率控制方式而對(duì)D2D 用戶采用開閉環(huán)及受限的功率門限方式以降低干擾，此方法雖簡(jiǎn)單卻未考慮D2D 用戶與蜂窩用戶的距離因素.文獻(xiàn)[14]通過控制最大發(fā)射功率而使系統(tǒng)總傳輸速率達(dá)到最大，但需要提前獲取所有鏈路的信道狀態(tài)信息（channel state information,CSI），這在現(xiàn)實(shí)情況下是很難實(shí)現(xiàn)的.文獻(xiàn)[15]將功率控制問題轉(zhuǎn)化為最大化蜂窩用戶和D2D 用戶的能效問題，根據(jù)小區(qū)內(nèi)D2D 用戶是否全部接入的實(shí)際情況采用不同的接入策略，之后按照分式規(guī)劃得出最優(yōu)解，但增加了求解過程中的計(jì)算量，造成了時(shí)延問題.

本文針對(duì)D2D 通信與蜂窩用戶在小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的同頻干擾問題，提出一種自適應(yīng)聯(lián)合功率控制（adaptive joint power control,AJPC）算法，建立了包含D2D 用戶和蜂窩用戶的單小區(qū)模型.為了解決閉環(huán)功率控制（closed-loop power control,CLPC）算法路徑損耗補(bǔ)償因子單一以及控制功率時(shí)未考慮蜂窩用戶與D2D 用戶之間距離等問題，首先采用聯(lián)合功率控制（joint power control,JPC）算法對(duì)D2D 用戶和蜂窩用戶受到的干擾進(jìn)行雙向控制，然后根據(jù)D2D 用戶和蜂窩用戶間的不同距離計(jì)算路徑損耗補(bǔ)償因子增補(bǔ)量，自適應(yīng)地調(diào)整路徑損耗補(bǔ)償因子矩陣，降低了小區(qū)內(nèi)總干擾，進(jìn)一步提升了吞吐量及信干噪比.

1 系統(tǒng)模型

在傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)中，若要實(shí)現(xiàn)用戶間的數(shù)據(jù)傳輸交互，需要發(fā)送方將信息傳輸至基站，再經(jīng)基站轉(zhuǎn)發(fā)至接收方.如圖1所示，蜂窩用戶CU1通過上行鏈路將信息傳輸至基站eNB，基站接收到數(shù)據(jù)后通過下行鏈路傳輸至蜂窩用戶CU2.若兩用戶之間距離較短，則采用此類通信方式將引起不必要的資源浪費(fèi)，可見在蜂窩系統(tǒng)內(nèi)采用D2D 通信模式更加合適.

在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的D2D 網(wǎng)絡(luò)允許兩個(gè)用戶不經(jīng)過基站的轉(zhuǎn)發(fā)直接通信，因此D2D 通信能夠大大提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率，同時(shí)也能降低通信時(shí)延[16].如圖1所示，用戶DU1與DU2之間距離較近，故采用D2D 方式直接通信，DU1只需通過控制信令從基站獲取發(fā)射功率、頻譜資源信息等即可.

圖1 包含D2D 通信的蜂窩系統(tǒng)模型Figure1 Cellular system model containing D2D communication

在D2D 用戶與蜂窩用戶的資源復(fù)用方案中，D2D 用戶既可以復(fù)用上行鏈路資源也可以復(fù)用下行鏈路資源.如圖2所示，當(dāng)DUt1通過D2D 方式與DUr1進(jìn)行通信時(shí)，復(fù)用上行鏈路資源，此時(shí)主要對(duì)eNB 產(chǎn)生干擾.因?yàn)閑NB 位置相對(duì)固定，所以通過功率控制方式對(duì)此干擾進(jìn)行調(diào)整比較容易.當(dāng)DUt2與DUr2進(jìn)行D2D 通信時(shí)，復(fù)用下行鏈路資源，此時(shí)主要對(duì)蜂窩用戶接收端CU2產(chǎn)生干擾.因?yàn)镃U2為移動(dòng)終端，位置相對(duì)不固定，復(fù)用時(shí)不易控制干擾，所以本文主要討論復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源的情況.

為了簡(jiǎn)化問題，本文僅考慮單小區(qū)情況下包含D2D 用戶的蜂窩系統(tǒng)模型，而不考慮相鄰小區(qū)間的用戶干擾.假設(shè)單小區(qū)的中心處存在覆蓋整個(gè)小區(qū)的基站eNB，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布著N對(duì)D2D 用戶（DUt1,DUr1），···，（DUtn,DUrn），···，（DUtN,DUrN）以及K個(gè)蜂窩用戶CU1，···，CUk，···，CUK.基站為蜂窩用戶分配完頻譜資源后允許DU 復(fù)用CU 的上行鏈路資源.當(dāng)?shù)趇對(duì)D2D 用戶（DUti,DUri）復(fù)用第j個(gè)蜂窩用戶CUj的頻譜資源時(shí)，DUti將在eNB 處對(duì)CUj的信號(hào)產(chǎn)生干擾影響，此時(shí)蜂窩用戶CUj的上行鏈路SINR 可表示為

式中，PCj代表第j個(gè)蜂窩用戶的發(fā)射功率，PDTi代表第i對(duì)D2D 用戶發(fā)射端的功率，α為路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)，rCj,b和rDTi,b分別代表第j個(gè)蜂窩用戶及第i對(duì)D2D 用戶發(fā)射端與基站間的距離，hCj,b和hDTi,b分別代表第j個(gè)蜂窩用戶及第i對(duì)D2D 用戶發(fā)射端與基站間的信道系數(shù)，σn為加性噪聲功率.

圖2 D2D 用戶對(duì)蜂窩用戶的干擾模型Figure2 Interference model of D2D users to cellular users

與此同時(shí)，當(dāng)D2D 用戶對(duì)蜂窩用戶產(chǎn)生干擾時(shí)，蜂窩用戶也將對(duì)D2D 用戶的接收端產(chǎn)生干擾，此時(shí)D2D 用戶接收機(jī)DUri處的SINR 可表示為

式中，rDTi,DRi和hDTi,DRi分別代表第i對(duì)D2D 用戶間的距離及信道系數(shù)，rCj,DRi和hCj,DRi分別代表第j個(gè)蜂窩用戶與第i對(duì)D2D 用戶接收端間的距離及信道系數(shù).

2 AJPC 算法

由第1節(jié)的討論可知，融合D2D 通信的蜂窩通信系統(tǒng)雖然能有效提升頻譜利用率并降低基站負(fù)載等，但是也帶來(lái)了同頻干擾問題.為了通過功率控制方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，本文以開環(huán)及閉環(huán)功率控制算法為基礎(chǔ)，首先通過聯(lián)合功率控制算法降低同頻干擾，之后根據(jù)自適應(yīng)功率控制算法進(jìn)一步協(xié)調(diào)同頻干擾，從而提升系統(tǒng)SINR 及吞吐量.

2.1 開環(huán)和閉環(huán)功率控制

3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于上行鏈路功率控制技術(shù)只給出了基本的實(shí)現(xiàn)原則和要求，在LTE 協(xié)議中上行功率控制算法通常為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制[17].

開環(huán)功率控制無(wú)需接收方對(duì)接收情況進(jìn)行反饋，而由發(fā)射端自己判斷發(fā)射功率.開環(huán)功率控制公式如下：

式中，Pmax表示用戶的最大發(fā)射功率；Po表示標(biāo)稱功率，它是小區(qū)特定參數(shù)，取值范圍一般為[–126 dBm,23 dBm]，本文根據(jù)文獻(xiàn)[18]將Po取為–47 dBm；α為路徑損耗補(bǔ)償系數(shù)，其取值范圍為{0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0}，但一般取0.5～0.9 中的值進(jìn)行部分功率控制.LP為用戶測(cè)量的下行參考信號(hào)的路徑損耗.M為分配給小區(qū)用戶的資源塊數(shù)目，本文為每個(gè)用戶分配一個(gè)資源塊，即M=1，故式(3)可簡(jiǎn)化為

當(dāng)α= 0 時(shí)，不必對(duì)用戶進(jìn)行功率補(bǔ)償，此時(shí)所有用戶采用統(tǒng)一的發(fā)射功率；當(dāng)α= 1 時(shí)，為全補(bǔ)償，即對(duì)所有的功率損耗進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)α取其他值時(shí)，進(jìn)行部分路徑損耗補(bǔ)償.在開環(huán)功率控制過程中，基站將Po和α廣播至小區(qū)內(nèi)所有用戶，用戶再根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)及測(cè)量的參考信號(hào)路損LP設(shè)定其初始發(fā)射功率.

在閉環(huán)功率控制中，用戶的發(fā)射端功率大小根據(jù)接收端的接收效果動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，相比于開環(huán)功率控制增加了反饋?lái)?xiàng)f(?)，其計(jì)算公式如下：

式中，?為補(bǔ)償功放誤差、路損計(jì)算誤差及干擾電平突變等情況的閉環(huán)修正值.f(·)根據(jù)?判斷功率控制狀態(tài)為累積性還是絕對(duì)性功能函數(shù)[19]，其中以累積性較為常用，本文后續(xù)閉環(huán)功控內(nèi)f(·)函數(shù)也均為累積性函數(shù)并由無(wú)線鏈路控制層（radio resource control,RRC）廣播至小區(qū)內(nèi)各用戶.在閉環(huán)功率控制過程中，基站根據(jù)信道環(huán)境及通信質(zhì)量傳輸合適的功率控制信令給用戶，用戶則按照控制信令對(duì)發(fā)射功率上調(diào)或下調(diào)一個(gè)步長(zhǎng)以完成功率控制調(diào)整.閉環(huán)功率控制參數(shù)由用戶當(dāng)前的SINRi和f(·)決定.設(shè)定信干噪比上限SINRhigh、下限SINRlow以及累積值f(·)的上限f(·)high、下限f(·)low，其具體功能如圖3所示.

圖3 閉環(huán)功率控制參數(shù)調(diào)整設(shè)置Figure3 Settings of parameter adjustment for closed loop power control

若用戶SINR 小于SINRlow，則?=+1 dB，上調(diào)發(fā)射功率；若用戶SINR 大于SINRhigh，則?=?1 dB，下調(diào)發(fā)射功率；若用戶SINR 處于SINRhigh與SINRlow之間，則不調(diào)整發(fā)射功率[20].

2.2 AJPC 算法描述

本文改善了在LTE 上行鏈路上的開環(huán)和閉環(huán)功率算法，并提出了AJPC 算法.假定單個(gè)蜂窩小區(qū)內(nèi)有N對(duì)D2D 用戶和K個(gè)蜂窩用戶，因不考慮多對(duì)D2D 用戶復(fù)用同一上行鏈路資源的情況，故N≤K.復(fù)用時(shí)為保證用戶間公平性，根據(jù)式(6)對(duì)鏈路資源復(fù)用進(jìn)行規(guī)范限制

式中，Yi,j為1 表示蜂窩用戶j上行鏈路資源被D2D 用戶對(duì)i復(fù)用，Yi,j為0 則表示未被復(fù)用.由此可見，式(6)表示蜂窩用戶的一條上行鏈路資源最多只能被一對(duì)D2D 用戶復(fù)用，式(7)表示一對(duì)D2D 用戶最多僅允許復(fù)用一條上行鏈路資源.

傳統(tǒng)同頻干擾功率控制方法只考慮D2D 用戶復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的干擾而只對(duì)D2D 用戶進(jìn)行閉環(huán)功率控制，如圖2所示.D2D 用戶復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源時(shí)會(huì)對(duì)蜂窩用戶產(chǎn)生干擾，反過來(lái)蜂窩用戶同樣也會(huì)對(duì)D2D 用戶的接收端產(chǎn)生干擾，因此采用聯(lián)合功率控制JPC 算法同時(shí)對(duì)蜂窩用戶和D2D 用戶進(jìn)行功率控制，在分別改善其SINR和吞吐量的同時(shí)也能夠較好地改善系統(tǒng)總吞吐量及通信質(zhì)量.D2D 用戶及蜂窩用戶的閉環(huán)功率控制式如下：

在傳統(tǒng)功率控制中，路徑損耗補(bǔ)償因子α設(shè)置不夠靈活，若兩用戶之間距離較近，則干擾較強(qiáng)，此時(shí)采用較大的路徑損耗補(bǔ)償因子將導(dǎo)致其發(fā)射功率過大，一方面會(huì)增加干擾，另一方面為降低干擾還需要頻繁調(diào)整其發(fā)射功率而增加額外信令開銷.改變傳統(tǒng)功率控制的單一路徑損耗補(bǔ)償因子，根據(jù)D2D 用戶與基站及蜂窩用戶之間的距離為D2D 和蜂窩用戶設(shè)定相應(yīng)的路徑損耗補(bǔ)償因子，距離較近則使用較低的路徑損耗補(bǔ)償因子，距離較遠(yuǎn)則使用較大的補(bǔ)償因子，然后對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，從而降低因功率補(bǔ)償過度或不足而產(chǎn)生的影響.

當(dāng)?shù)趇對(duì)D2D 用戶復(fù)用第j個(gè)蜂窩用戶的上行鏈路資源時(shí)，為減小單一路徑損耗補(bǔ)償因子α所帶來(lái)的影響，可按照下列步驟進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整：

輸入N對(duì)D2D 用戶、K個(gè)蜂窩用戶與基站位置信息；

輸出D2D 用戶和蜂窩用戶的自適應(yīng)路徑損耗補(bǔ)償因子矩陣αD2D、αcell；

初始化基準(zhǔn)路徑損耗補(bǔ)償因子αbase；

步驟1N對(duì)D2D 用戶開始復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源；

步驟2計(jì)算D2D 用戶發(fā)射端至基站的距離矩陣rDT,b，選出最大值rmax,DT,b與最小值rminDT,b；

步驟3循環(huán)初始值i=1；

步驟4計(jì)算第i個(gè)D2D 用戶的路徑損耗補(bǔ)償因子增補(bǔ)量第i個(gè)D2D 用戶發(fā)射端距基站越近，其增補(bǔ)量越低；

步驟5αD2D,i=αbase+x/10；

步驟6計(jì)算第i對(duì)D2D 用戶復(fù)用的蜂窩用戶j至所有D2D 用戶接收端的距離矩陣rCj,DR，選出最大值rmaxCjDR與最小值rminCjDR；

步驟7計(jì)算第j個(gè)蜂窩用戶的路徑損耗補(bǔ)償因子增補(bǔ)量顯然第j個(gè)蜂窩用戶距復(fù)用其上行鏈路資源的D2D 用戶接收端越近，其增補(bǔ)量越低；

步驟8αcell,j=αbase+y/10；

步驟9當(dāng)i=N時(shí)，停止增補(bǔ)量計(jì)算，當(dāng)i

步驟2～8 完成了對(duì)于D2D 用戶和蜂窩用戶路徑損耗補(bǔ)償因子的自適應(yīng)處理，根據(jù)距離因素將其分為3 檔：當(dāng)距離較近時(shí)，選用基準(zhǔn)路徑損耗補(bǔ)償因子為αbase，若距離增加則根據(jù)距離為其分配相應(yīng)增補(bǔ)量；當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，選用基準(zhǔn)路徑損耗補(bǔ)償因子為αbase+0.2；當(dāng)距離適中時(shí)，選用基準(zhǔn)路徑損耗補(bǔ)償因子為αbase+0.1.D2D 用戶和蜂窩用戶的自適應(yīng)路徑損耗補(bǔ)償因子計(jì)算公式如式(10)和(11)所示：

將式(10)和(11)分別代入D2D 與蜂窩用戶的聯(lián)合閉環(huán)功率控制式(8)和(9)，則可得最終表達(dá)式如下：

3 實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比分析

為了驗(yàn)證AJPC 算法的性能，本文在MATLAB 平臺(tái)上對(duì)算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，主要仿真參數(shù)見表1.單蜂窩小區(qū)半徑為500 m；用戶到基站的距離及用戶間的距離均為隨機(jī)分布；由于D2D 用戶間通信距離有限，設(shè)置D2D 用戶對(duì)間最大間距為50 m.用戶初始功率由開環(huán)功率控制獲得，此后分別采用閉環(huán)功率控制CLPC、聯(lián)合功率控制JPC 及自適應(yīng)聯(lián)合功率控制AJPC 這3 種算法，針對(duì)小區(qū)用戶SINR 分布和小區(qū)用戶吞吐量分布進(jìn)行仿真測(cè)試.對(duì)比算法間的性能時(shí)，蜂窩用戶數(shù)為50，D2D 用戶數(shù)為20 個(gè)（10 對(duì)）；研究不同D2D 用戶對(duì)數(shù)量對(duì)小區(qū)吞吐量性能影響時(shí)，其數(shù)量分別取10、20、30、40、50，仿真次數(shù)為5 000 次.

3.1 小區(qū)用戶SINR

在不同功率控制方式下，蜂窩用戶與D2D 用戶的SINR 累積概率分布函數(shù)（cumulative distribution function,CDF）曲線分別如圖4和5 所示.CLPC 和JPC 算法中的路徑損耗補(bǔ)償因子取0.8，AJPC 算法中的αbase取0.7.由圖4和5 可知：僅使用本文中的聯(lián)合功率控制算法JPC 時(shí)，蜂窩用戶和D2D 用戶的SINR 均比傳統(tǒng)CLPC 算法有較大提升，此后結(jié)合了自適應(yīng)算法的AJPC 算法對(duì)小區(qū)內(nèi)用戶SINR 的性能提升效果最好，這是因?yàn)樵陔p向聯(lián)合功率控制情況下蜂窩用戶和D2D 用戶的通信質(zhì)量均得到了提升，同時(shí)采用自適應(yīng)調(diào)整路徑損耗補(bǔ)償因子的方法降低了因功率補(bǔ)償過度或不足而造成的影響，進(jìn)一步改善了同頻干擾.

表1 主要仿真參數(shù)Table1 Main simulation parameters

圖4 蜂窩用戶SINR 分布對(duì)比圖Figure4 Collation map of cellular users’ SINR distribution

圖5 D2D 用戶SINR 分布圖Figure5 D2D users’ SINR distribution

3.2 小區(qū)用戶吞吐量

本節(jié)主要仿真了小區(qū)內(nèi)用戶吞吐量分布情況，圖6中CLPC 及JPC 算法中路徑損耗補(bǔ)償因子仍然取0.8，AJPC 算法中的αbase取0.7.由累積概率分布函數(shù)（CDF）曲線可知：所提出的AJPC 自適應(yīng)聯(lián)合功率控制算法能夠使系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最優(yōu)，僅用聯(lián)合功率控制的JPC算法次之，而采用傳統(tǒng)的CLPC 算法得到的系統(tǒng)吞吐量性能最差.

圖6 路徑損耗補(bǔ)償因子為0.8 時(shí)用戶吞吐量分布圖Figure6 Throughput distribution when path loss compensation factor is 0.8

在圖6中，CLPC 算法和JPC 算法的路徑損耗補(bǔ)償因子為0.8，而AJPC 算法中的路徑損耗因子依據(jù)增補(bǔ)量可取為0.7、0.8、0.9.為驗(yàn)證本文所提算法的有效性，再次對(duì)這3 種路徑損耗補(bǔ)償因子條件下CLPC 算法和AJPC 算法的小區(qū)用戶的總吞吐量進(jìn)行對(duì)比仿真，其累積概率分布函數(shù)曲線如圖7所示.無(wú)論傳統(tǒng)CLPC 算法中的路徑損耗補(bǔ)償因子取何值，小區(qū)吞吐量性能均不如本文所提的AJPC 算法.此外，由圖7可以看出：當(dāng)吞吐量大于1 000 kbit/s時(shí)，若采用CLPC 算法，則路徑損耗補(bǔ)償因子取0.8 比0.9 得到的性能更好，這也表明功率補(bǔ)償并非越大越好，若兩用戶相距較近而采用較大的補(bǔ)償因子，則可能導(dǎo)致干擾更加嚴(yán)重，以致增強(qiáng)同頻干擾，影響系統(tǒng)性能.

圖7 不同路徑損耗補(bǔ)償因子情況下用戶吞吐量分布圖Figure7 Throughput distribution under different path loss compensation factors

在圖8中，對(duì)于AJPC 算法中不同D2D 用戶數(shù)量下的小區(qū)用戶吞吐量分布進(jìn)行了對(duì)比仿真，可以看出D2D 用戶對(duì)數(shù)為20 時(shí)的吞吐量?jī)?yōu)于用戶對(duì)數(shù)為10 的情況，這表明D2D 通信方式可以改善系統(tǒng)的吞吐量性能.然而當(dāng)D2D 用戶對(duì)數(shù)繼續(xù)上升至30、40、50 時(shí)，小區(qū)用戶吞吐量性能開始下降，這是因?yàn)殡S著D2D 用戶數(shù)的不斷上升且逼近小區(qū)內(nèi)蜂窩用戶數(shù)量時(shí)，干擾不斷加劇，吞吐量將受到影響，由此表明小區(qū)內(nèi)的D2D 用戶數(shù)也會(huì)影響系統(tǒng)性能，并非D2D 用戶數(shù)越多，系統(tǒng)的性能改善越大，而是有一個(gè)門限值.

圖8 AJPC 算法中不同D2D 用戶數(shù)下用戶吞吐量分布圖Figure8 Throughput distribution under different number of D2D users by AJPC algorithm

4 結(jié) 語(yǔ)

D2D 通信作為5 G 通信中的關(guān)鍵技術(shù)，若與傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)相結(jié)合，則在提高頻譜利用率、降低基站負(fù)載、提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速率等方面都有重要意義.本文針對(duì)融合D2D 通信方式的蜂窩通信系統(tǒng)中D2D 用戶因復(fù)用蜂窩用戶的上行鏈路資源而產(chǎn)生的同頻干擾問題，提出一種自適應(yīng)聯(lián)合功率控制算法.首先對(duì)系統(tǒng)內(nèi)蜂窩用戶和D2D 用戶進(jìn)行聯(lián)合功率控制，并在此基礎(chǔ)上改善傳統(tǒng)閉環(huán)功率控制方法設(shè)置單一路徑損耗補(bǔ)償因子的問題，根據(jù)D2D 用戶與基站及蜂窩用戶之間的距離對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，降低系統(tǒng)內(nèi)的同頻干擾.仿真結(jié)果表明：若采用本文提出的算法，則小區(qū)內(nèi)D2D 用戶和蜂窩用戶的SINR 和吞吐量都得到了很大的改善；若采用傳統(tǒng)功率控制算法，則僅有10%的蜂窩用戶和60%的D2D 用戶的信干噪比在10 dB 以上；若采用自適應(yīng)功率控制算法，則信干噪比在10 dB 以上的蜂窩用戶和D2D 用戶分別提升至80%和85%，且系統(tǒng)內(nèi)吞吐量在1 000 kbit/s 以上的用戶數(shù)量是傳統(tǒng)功率控制算法的1.7倍，同時(shí)小區(qū)內(nèi)D2D 用戶數(shù)量的不同也將影響系統(tǒng)性能.