《电子技术应用》

密集D2D网络中提升接入率的资源分配研究

2017年电子技术应用第3期 作者:余 翔,张海波,柯文韬
2017/4/18 14:41:00

余  翔,张海波,柯文韬

(重庆邮电大学 通信学院,重庆400065)


    摘  要: 在蜂窝网络中引入D2D通信可以增大系统吞吐量,提升资源利用率,减小终端功耗。传统资源分配算法只解决稀疏D2D网络中资源分配的问题,如何以有限的频谱资源将所有设备用接入网络是目前急需解决的问题。提出一种高接入率的资源分配算法,在基站的控制下为每条蜂窝信道选取满足接入条件的最优D2D链路接入。仿真验证表明,该算法有效提高了混合网络中D2D链路的接入率,同时有效增加了每条蜂窝信道的复用增益。

    关键词: 终端直通;资源分配;密集D2D蜂窝网负载均衡;接入率

    中图分类号: TN929

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.024


    中文引用格式: 余翔,张海波,柯文韬. 密集D2D网络中提升接入率的资源分配研究[J].电子技术应用,2017,43(3):96-99,103.

    英文引用格式: Yu Xiang,Zhang Haibo,Ke Wentao. Research on resource allocation for enhancing access rate in dense D2D networks[J].Application of Electronic Technique,2017,43(3):96-99,103.

0 引言

    终端直通(Device-to-Device)技术是通过复用蜂窝用户的资源进行近距离通信的一种通信方式,该技术有效地提高了频谱效率和系统吞吐量。D2D通信时不经过基站的中继便实现彼此间的直接通信, 因此有效地减轻了基站的处理负担。D2D通信受基站控制,并工作在许可的频段下,从而拥有稳定的通信环境。

    随着车联网、物联网等网络的不断发展,未来近距离通信需求量将越来越大,越来越多的通讯将划入直通通信领域,因此,如何增大系统的接入率是目前急需解决的问题。文献[1]提出了一种基于分布式高校招生博弈的多标准分配方案,D2D链路通过相互竞争进行资源分配。文献[2]提出了基于干扰对齐技术的方案来降低D2D用户对蜂窝网络的影响。以上方案可以有效协调稀疏D2D蜂窝网络中蜂窝用户与D2D用户之间的干扰,但是不适用于高密度D2D蜂窝网络中。文献[3]提出了一种基于博弈论的D2D资源分配算法。首先构造基于最小化系统整体干扰的非合作博弈效用函数, 同时考虑了系统中D2D用户之间的干扰以及D2D用户与蜂窝用户之间的干扰,以干扰量的总和作为博弈结局的判定条件。但是该方法采用的竞争博弈思想,当D2D用户足够多时,可能在达到纳什均衡状态之前,D2D用户对蜂窝用户的干扰就已经超出了基站所能容忍的范围。文献[4]将小区边缘地区划分为若干个区域, 并定义了3种区域划分方式,对称区域所在D2D用户可同时共享同一蜂窝用户的频谱资源。但是将小区边缘分为若干个区域的实现也较为复杂。

    针对以上存在的缺陷,本文采用多对一的D2D传输模式,即多个D2D对能同时复用同一个蜂窝用户的资源,提出一种以最大化接入率为目的的资源分配算法,所有的蜂窝信道在基站的管理下,根据限制条件不断接入最适合接入该信道的D2D用户,然后使用拉格朗日算法求出最大吞吐量的功率解,直到最终没有任何一条D2D链路满足接入条件或者系统内所有D2D用户接入完毕为止。此时,说明信道已达到最大负载状态。

1 系统场景

    如图1所示,终端直通链路如图中的D2D,蜂窝链路如图中的CU,D2D链路通过复用蜂窝信道进行通信,取其中一条复用对为例,T_x表示D2D发射端,R_x表示D2D接收端,干扰情况如图所示。假定在一个小区中存在M个蜂窝用户和N条D2D链路对,D2D链路通过复用蜂窝用户的上行信道进行通信。蜂窝用户的集合为C={ci|i=1,2,3,…,M},D2D链路的集合为D={dj|j=1,2,3,…,N}。由于基站的抗干扰能力比终端强,所以,规定D2D用户复用蜂窝上行信道,则D2D链路对蜂窝用户的干扰主要集中于基站端。为了保护蜂窝用户,设置以基站为中心、半径为R的区域为D2D限制区域[4],即所有D2D通信均不得在此区域内进行,对于该区域内的D2D对只能以蜂窝模式接入网络。

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2 数据分析

    以RB表示蜂窝信道,Φ表示空集,定义3个集合Qi、Ri、U,其中,Qi表示已经接入RBi的D2D集合,Ri表示满足接入RBi条件的D2D集合,U表示还未接入网络的D2D集合。规定初始态时Ri=Qi=Φ,本文通过信干比以及功率的门限条件求解集合Ri,然后从Ri选取信道增益最优的D2D链路接入RBi,同时使用拉格朗日乘数法求出最优功率解,计算出接入增益。当出现其他蜂窝信道竞争该D2D链路时,则通过竞争过程将此D2D链路接入一条能为系统带来最大复用增益的蜂窝信道中。直到蜂窝信道RBi上的干扰已经无法容忍其他的接入者接入为止,如此,则蜂窝信道RBi达到最大负载状态[5]

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即所有当前接入RBi的D2D发射端都不可以对此用户的接收端构成不可容忍的干扰,同时,该用户也不可以对当前已经接入RBi的D2D用户构成不可容忍的干扰,且该用户必须是当前未被接入网络的用户,以及该用户与蜂窝用户CUi功率对存在可行域[6]。使用拉格朗日乘数法求出集合Ri内所有用户接入增益,选择接入增益最大的一个D2D对接入信道RBi。根据香农公式,RBi中总信道容量为:

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    对于式(3),若要求出其最大化值,可以通过拉格朗日算法加以求解,构造拉格朗日方程如下:

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    由于系统中统一由蜂窝用户自行选择接入者,可能存在一个D2D用户被多条蜂窝信道竞争的情况,因此,此处存在一个资源竞争过程,若假设有w个参与者,则收益模型如下:

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    对于某一条D2Dl链路,其接入蜂窝信道RBi的接入增益可以表示为:

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    在竞争过程中所有竞争者统一出价,如果RBi出价所得的收益比其他竞争者都高,则D2Dl接入RBi信道,否则,将由其他出价最高者获得该D2D链路,而RBi返回重新更新Ri,重新选取最优D2D链路接入,随着接入D2D数目的不断增多,引入的同频干扰也在逐步增大,直到Ri为空集或者所有用户均已无法满足以下条件为止:

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    此时,说明信道RBi上已经达到最大接入状态。算法流程如图3所示。

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3 仿真分析

    本文使用LTE蜂窝模型,在LTE-FDD单小区蜂窝系统中作系统级仿真[7],所有的D2D用户均复用蜂窝上行信道进行通信,具体仿真参数见表1。

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    由图4可以看出KM匹配算法[8]只能适用于稀疏D2D网络,当系统中D2D用户数N大于蜂窝用户数目M时,最终只有M个D2D链路可以通过匹配接入网络,而本文算法以及文献[9]的基于博弈论的D2D资源分配算法可以使更多的D2D用户接入网络,且随着D2D数目增多,本文算法比博弈论具有一定的优势。图5反映的是D2D链路对的空间距离与接入率的关系,当D2D对的空间距离达到一定程度时,D2D对的信道增益将非常小,直到最终没有达到信干比要求的功率解,则D2D接入率降为零,而D2D通信距离一般选择40~80 m距离,由图中可见在该区间内本文算法较前面两种算法有一定优越性。图6反映的是系统吞吐量的累计分布状况,系统接入率的增大将引入更大的复用增益[10]

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4 结束语

    D2D通信是一种复用蜂窝资源进行通信的近距离数据传输技术,在蜂窝网中引入D2D通信可以提高系统吞吐量以及频谱资源利用率[11,12]。随着物联网的发展,传统的蜂窝模式频谱资源利用率较低,D2D通信可以很好地解决频谱稀缺的问题[13]。本文针对密集D2D网络中提升D2D接入率的问题,提出一种信道负载最大化(Channel load maximization)接入的资源分配方法。经仿真验证,该算法相比传统资源分配算法拥有更高的D2D接入率,而且随着D2D密集程度的增大,该算法的优势愈加明显。

参考文献

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