中繼協(xié)助下的D2D通信干擾抑制算法研究

魏素盼 焦銳麗

【摘要】本文分析了在LTE網(wǎng)絡中引入D2D通信后所帶來的干擾協(xié)調問題及功率控制問題，針對單小區(qū)環(huán)境下D2D通信引入的干擾問題，提出了一種基于中繼技術的干擾抑制算法模型。該算法對于滿足中繼觸發(fā)條件的D2D通信對，在K個候選中繼用戶組成的集合中選擇基于容量最優(yōu)的中繼。與傳統(tǒng)蜂窩通信相比，帶有中繼的D2D通信能充分利用小區(qū)空閑資源來有效提高用戶容量，從而提升系統(tǒng)性能。

【關鍵詞】 D2D;干擾協(xié)調;網(wǎng)絡容量;中繼

1. 中繼通信

一個終端能否以網(wǎng)絡通信，以及可以用的數(shù)據(jù)速率，取決于幾個因素，終端和基站之間的路徑損耗是其一。LTE鏈路性能已經(jīng)比較接近香農極限，而且從一個單純的鏈路預算的角度而言，LTE支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率要求比較高的信噪比。除非，可以通過使用不同類型的波束賦形解決方案等來改善鏈路預算，否則就需要一種密集的網(wǎng)絡結構來降低終端到基站的距離，從而提高鏈路預算。

一個密集的基礎設施主要是從部署方面講，但在后期版本的LTE中，還包括了各種支持低功耗基站的方法。中繼就是其中一種，它可用于降低終端和基礎設施之間的距離，從而提高鏈路預算，進而可能提高數(shù)據(jù)速率。原則上，可以通過部署傳統(tǒng)的基站來達到減少終端到基礎設施之間距離的目的。這些傳統(tǒng)基站有線鏈接到網(wǎng)絡的其余部分。然而，在一個較短的部署時間中，中繼往往是一個有吸引力的選擇，因為部署中繼不需要一個特定的回程鏈路。

2. 中繼的基本分類

中繼有以下幾個基本的大類：

（1）根據(jù)從信源基站到用戶終端的傳遞次數(shù)，可以分為兩跳中繼和多跳中繼。在中繼的理論研究中，多跳（multi-hop）中繼是一個熱點。多跳十分適用于應急網(wǎng)絡，每個節(jié)點可以移動，組成mesh network，使得用戶與用戶以及用戶與系統(tǒng)的通信不會因為局部的一兩個節(jié)點的失效而無法進行。一些研究也表明如果資源調配合理，多跳中繼可以帶來容量的提升。

（2）按照是否有基站處理，中繼可以分為放大轉發(fā)中繼（Amplify and Forward，AF）和譯碼轉發(fā)中繼（Decoding and Forwarding，DF）。前者基本不需要基帶處理，跟直放站有些類似，所以時延很小，可以做到全雙工。但是兩段鏈路之間需要足夠的隔離，以防止信號間的串擾，因此部署場景有些限制。而譯碼轉發(fā)中繼需要基帶處理，可以抑制干擾的再次放大，有一定的處理時延，一般是半雙工工作，對兩段鏈路之間的隔離度要求不高。

（3）按照回傳鏈路（基站到中繼）和接入鏈路（中繼到終端）是否在同一頻帶工作，可以分為帶內中繼（inband relay）和帶外中繼（outband relay）。帶外中繼需要有兩套射頻電路，可以全雙工工作，但運營商得有足夠頻譜分別用于回傳鏈路和接入鏈路。帶內中繼只需要一套射頻，成本稍低，但需要考慮回傳鏈路和接入鏈路的資源如何分配。

（4）按照回傳鏈路和接入鏈路的資源復用，可分為頻分（Frequency Division Multiplexed， FDM）和時分（Time Division Multiplexed， TDM）。頻分方式在一個系統(tǒng)帶寬內，屬于帶內中繼。頻分方式的優(yōu)點是資源分配的靈活性較高，在回傳鏈路和接入鏈路都可以動態(tài)的調度資源。但頻分方式存在一個問題，即頻域的保護間隔。為了防止兩條鏈路間的串擾，一般要求隔離深度在50-60dB，而根據(jù)一般射頻器件能達到的濾波水平，隔離帶寬可能會吃掉很大一部分系統(tǒng)帶寬，這將十分影響頻譜利用率。

（5）按照中繼節(jié)點的移動性可以分為移動中繼（mobile relay）和靜止中繼（stationary/fixed relay）。靜止中繼回傳鏈路的質量較高，對網(wǎng)絡架構的影響較小。移動中繼比較適合組群移動或應急部署場景，由于快衰和部署地點的欠優(yōu)化，回傳鏈路的質量不容易保持很高水平。而且因為節(jié)點本身的移動性，對網(wǎng)絡架構的影響比較大。

3. 中繼技術在D2D通信中的應用

在D2D通信中，為了保證通信的可靠性和有效性，干擾問題的解決成為現(xiàn)階段研究的熱點問題之一。目前的很多研究都將重點放在了蜂窩網(wǎng)絡中引入D2D 通信的單個小區(qū)性能，如吞吐量、中斷概率等，而很少有將中繼節(jié)點應用到D2D 通信后系統(tǒng)的性能的研究。而事實上，在D2D通信的過程中，當用戶位置、信道增益產生變化從而導致信道衰落無法繼續(xù)滿足通信質量要求時，那么D2D間的正常通信將會中斷。此時，考慮在D2D通信鏈路中加入合適的中繼來保證通信的正常進行，并且，中繼的加入將會給D2D通信帶來如下改進：

（1）降低系統(tǒng)功耗：在如今5G關鍵技術的研究中，D2D技術因其能有效的提高資源利用率而受到廣泛關注，但當D2D鏈路受傳輸環(huán)境影響而導致信道衰落較大時，那么將中繼引入到D2D通信過程可以降低D2D發(fā)送端的發(fā)射功率，減小系統(tǒng)功耗。

（2）提高系統(tǒng)吞吐量：當直通鏈路因信道衰落而不能滿足正常通信數(shù)據(jù)業(yè)務的要求時，利用中繼來對信號進行轉發(fā)，可以提高資源利用率，從而提高系統(tǒng)總吞吐量。

（3）提高 D2D通信的可靠性：將D2D直通通信的過程轉化為經(jīng)過中繼進行數(shù)據(jù)轉發(fā)的過程，雖然會增加通信時延，但如果將時延控制在用戶通信業(yè)務的要求范圍內，并且整個過程對用戶透明，則帶給用戶最直接的體驗便是通信中斷概率的降低。因此，整體而言，中繼的加入提升了通信的服務質量。

（4）減小基站通信負擔：當D2D直通鏈路信道狀況發(fā)生改變時通過中繼的接入，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)靡哉＿M行，這個過程不需要向基站要求分配額外的上/下行資源，只要被復用資源的蜂窩用戶受到的干擾在容許范圍內，就可以直接使用原有頻譜資源進行通信，該方式為基站減輕了負擔，尤其在小區(qū)業(yè)務量較多，基站負荷較大的情況下。

4. 算法描述

針對系統(tǒng)容量的非線性規(guī)劃問題，我們利用一種簡單有效的調度算法來進行求解。當D2D通信及蜂窩通信滿足最低通信要求時，即兩種通信的信號干擾噪聲比大于系統(tǒng)設定的閾值時，采用正常的D2D通信模式進行通信，當D2D直通鏈路的信道質量下降時，且蜂窩通信的發(fā)射功率已經(jīng)達到系統(tǒng)預設終端發(fā)射功率最大值時，D2D的發(fā)射端可以通過中繼選擇來滿足接收端的信干噪比要求。

5. 小結

本文首先對中繼技術進行了簡單介紹，并對D2D系統(tǒng)引入中繼的場景進行簡要分析，然后在上述分析的基礎上提出了一種基于中繼技術的D2D干擾抑制算法。文中以容量最優(yōu)為標準，分析了中繼技術的加入對D2D通信帶來的改進。提出的算法旨在有效減少通信間干擾，提高系統(tǒng)總容量。但是文中的研究考慮了單向數(shù)據(jù)傳送。在實際系統(tǒng)中，不管是直通通信還是傳統(tǒng)的蜂窩通信，其數(shù)據(jù)傳輸通信都是雙向的。因此，為雙向數(shù)據(jù)傳輸設計基于中繼技術的干擾抑制算法將是進一步研究的方向。

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