主頁(yè)（http://www.130131.com）：基于D2D通信的中繼輔助的資源分配算法分析

在D2D（Device-to-Device）通信中引入中繼節(jié)點(diǎn)可以延伸蜂窩覆蓋范圍，提高系統(tǒng)性能。在中繼輔助的D2D通信中，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇是關(guān)鍵。提出了一種中繼輔助的資源分配算法，討論了中繼節(jié)點(diǎn)的選擇問(wèn)題，同時(shí)根據(jù)社交關(guān)系因素和距離因素來(lái)選擇最優(yōu)中繼。該方案保證了通信鏈路的QoS（Quality of Service），并且使得系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大。仿真結(jié)果表明，距離和社交關(guān)系因素都對(duì)D2D通信產(chǎn)生很大影響，同時(shí)考慮兩個(gè)因素比單純考慮社交關(guān)系因素或者距離因素性能提高很多。

　　D2D通信是指在LTE系統(tǒng)控制下，物理距離較近的兩終端之間不經(jīng)過(guò)基站（BS）中繼而直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，從而減輕基站負(fù)載，減少終端與基站之間的路徑損耗，減少端到端的時(shí)延，尤其是使小區(qū)邊緣用戶(hù)通信質(zhì)量得到很大改善，提高小區(qū)覆蓋率［1-3］。D2D通信的一個(gè)主要問(wèn)題是干擾問(wèn)題，即蜂窩用戶(hù)對(duì)D2D用戶(hù)產(chǎn)生的干擾以及D2D用戶(hù)對(duì)蜂窩用戶(hù)的干擾［4-5］。

　　對(duì)于D2D通信產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，中繼輔助通信是一個(gè)有效的方法。怎么從候選中繼中選擇一個(gè)最優(yōu)的中繼節(jié)點(diǎn)是中繼輔助D2D通信的一個(gè)主要問(wèn)題。文獻(xiàn)［6］提出了一種分布式的中繼選擇算法。該方法首先協(xié)調(diào)蜂窩用戶(hù)和D2D用戶(hù)之間的干擾，消除相應(yīng)的不合理中繼節(jié)點(diǎn)，然后在候選中繼中用分布式方法來(lái)選擇最優(yōu)中繼。文獻(xiàn)［7］提出了一種基于社交關(guān)系的中繼選擇方案，考慮候選中繼與D2D用戶(hù)之間的社交關(guān)系選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)［8］提出了一種兩步策略中繼選擇和資源分配的聯(lián)合方案，第一步?jīng)Q定候選中繼范圍，第二步用該中繼選擇方案選出最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)［9］調(diào)查了小區(qū)邊緣用戶(hù)的中繼節(jié)點(diǎn)選擇的問(wèn)題，提出一種雙層博弈模型來(lái)找到最優(yōu)中繼。文獻(xiàn)［10］提出一種最大化D2D中繼鏈路容量，并且保證蜂窩用戶(hù)QoS的中繼選擇方法。

　　本文集中于社交網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶(hù)和與其鄰近的閑置用戶(hù)之間的社交關(guān)系，充分利用基站具有的提高通信質(zhì)量、協(xié)調(diào)用戶(hù)之間的通信的功能來(lái)記錄所需要的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種中繼輔助的資源分配算法，同時(shí)考慮了社交關(guān)系和距離來(lái)選擇最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)。在社交網(wǎng)絡(luò)中的閑置用戶(hù)根據(jù)與D2D用戶(hù)之間的社交關(guān)系來(lái)選擇是否為D2D用戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)以及傳輸多大的功率。

　　1 系統(tǒng)模型

　　本文考慮的是小區(qū)邊緣用戶(hù)進(jìn)行通信的場(chǎng)景。如圖1所示，小區(qū)中有一個(gè)基站、M個(gè)蜂窩用戶(hù)（CUE1，CUE2，…，CUEM）、N個(gè)閑置用戶(hù)（IUE1，IUE2，…，IUEN）、K個(gè)D2D對(duì)。M個(gè)蜂窩用戶(hù)通過(guò)M個(gè)不同的信道與基站進(jìn)行通信。D2D源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)到D2D目的節(jié)點(diǎn)都可以復(fù)用蜂窩用戶(hù)頻譜資源，此處沒(méi)有多余的頻譜資源單獨(dú)分配給D2D通信。本文假設(shè)一個(gè)D2D鏈路（源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路或者中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路）可以復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶(hù)信道資源，不同的D2D鏈路將會(huì)選擇不同的蜂窩用戶(hù)，因此不同的D2D鏈路將會(huì)復(fù)用不同的頻譜資源（本文假設(shè)復(fù)用的資源為上行鏈路資源）。

　　D2D通信建立進(jìn)程如圖2所示。

　　2 社交關(guān)系

　　2.1 候選中繼選擇

　　考慮單小區(qū)邊緣用戶(hù)進(jìn)行D2D通信，小區(qū)中有蜂窩用戶(hù)（CUES）、閑置用戶(hù)（IUES）以及D2D用戶(hù)（DUES）。假設(shè)D2D對(duì)復(fù)用同小區(qū)蜂窩用戶(hù)的上行鏈路資源，當(dāng)D2D對(duì)不滿(mǎn)足直接通信要求時(shí)，IUE將會(huì)作為中繼輔助通信。因?yàn)椴煌�的D2D對(duì)復(fù)用不同的蜂窩用戶(hù)資源，所以D2D對(duì)間不會(huì)產(chǎn)生干擾，本文只考慮蜂窩用戶(hù)的干擾。

　　截取小區(qū)邊緣D2D用戶(hù)通信模型如圖3所示。假設(shè)CUE的位置以及發(fā)送功率是固定的，D2D發(fā)送端到接收端的距離為L(zhǎng)。信道只考慮路徑損耗，路徑損耗和距離L是成比例的，路徑損耗系數(shù)為α，發(fā)送端i的發(fā)送功率為Pij，因此，從接收端j的接收功率為本文假設(shè)中繼選擇區(qū)域是以D2D發(fā)送端為圓心、以R為半徑的圓，假設(shè)最大半徑R為dmax，其中dmax《L。本文把該圓形區(qū)域分為圖3所示的4個(gè)區(qū)域，候選中繼用戶(hù)必須遵循以下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，從兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中可以確定候選中繼的范圍［8］。

　　（1）候選中繼必須是IUES。

　�。�2）為了保證D2D鏈路質(zhì)量，中繼節(jié)點(diǎn)不能遠(yuǎn)離D2D源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，因此候選中繼區(qū)域必須在D2D源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所在線(xiàn)段為邊界的區(qū)域內(nèi)，圖3所示為區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ中。

　　2.2 社交關(guān)系

　　本文考慮社交關(guān)系權(quán)重如下式所示：

　　其中，Tij是UEi到UEj的連接時(shí)間。分母是UEi到其他IUES總共的連接時(shí)間。假設(shè)基站將會(huì)跟蹤聯(lián)系用戶(hù)，可以計(jì)算出Bij。Bij代表社交關(guān)系強(qiáng)弱，Bij為0～1之間的值，值越大，社交關(guān)系越強(qiáng)，反之越弱。和帕累托（Pareto）分布一樣，社交關(guān)系強(qiáng)度在大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都是很弱的，只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的社交關(guān)系。在下文中可以看到，社交關(guān)系對(duì)于中繼輔助D2D通信有重大影響［1］。

　　上文已經(jīng)討論了D2D用戶(hù)進(jìn)行通信可以直接建立通信，也可以通過(guò)中繼進(jìn)行通信。

　　從S到D的直接通信傳輸SINR為：

　　其中，Ps，d是D2D對(duì)的發(fā)送功率，IC是蜂窩用戶(hù)對(duì)D2D接收端產(chǎn)生的干擾，N0是高斯白噪聲功率。本文假設(shè)基站BS和閑置用戶(hù)IUES是固定的，ds，d是D2D發(fā)送端到接收端的距離，B是信道帶寬。因此，S和D之間的直接通信數(shù)據(jù)速率為：

　　對(duì)于中繼輔助D2D合作通信，采用譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）中繼方案。如圖3所示，DUES被IUES包圍，DUES發(fā)送中繼請(qǐng)求，IUE把社交關(guān)系和距離等信息回復(fù)給DUES，DUES根據(jù)IUE的回復(fù)選擇最優(yōu)中繼UER進(jìn)行D2D合作通信，中繼用戶(hù)R的功率是一個(gè)和社交關(guān)系相關(guān)的正線(xiàn)性函數(shù)，即具有較強(qiáng)社交關(guān)系會(huì)激勵(lì)中繼發(fā)送更大的功率來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：

　　從方程（10）中可以看到，不管是距離還是社交關(guān)系在合作通信中都起了關(guān)鍵作用。顯然，最優(yōu)中繼UER對(duì)于DUEs有很高的社交關(guān)系權(quán)重，并且與DUEs和DUED距離都較短。需要在最優(yōu)中繼的選擇與中繼探測(cè)上的花費(fèi)中選取一個(gè)折中處理。假設(shè)D2D通信的傳輸時(shí)間為T(mén)，探測(cè)每個(gè)候選中繼的時(shí)間為τ，經(jīng)過(guò)n次探測(cè)之后，選擇到最優(yōu)中繼進(jìn)行D2D合作通信。

　　經(jīng)過(guò)中繼探測(cè)后有效的吞吐量為：

　　約束式（13）和式（14）表示中繼輔助D2D通信每一跳的SINR需大于D2D通信SINR門(mén)限，式（15）表示需要保證蜂窩通信的最小SINR。更多的約束將在第3節(jié)中介紹。

　　3 中繼算法設(shè)計(jì)

　　在本節(jié)中，提出一種同時(shí)考慮距離和社交關(guān)系的中繼選擇方案。

　　基于距離和社交關(guān)系的中繼算法：

　　4 仿真結(jié)果與分析

　　本節(jié)對(duì)D2D合作通信的吞吐量進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到吞吐量隨著距離和社交關(guān)系門(mén)限改變的仿真圖。在仿真中，以帕累托分布為模型衡量用戶(hù)間的社交關(guān)系。主要參數(shù)如表1所示。

　　圖4描述了基于距離的中繼選擇方案和本文提出的中繼選擇方案在不同dmax下的吞吐量變化情況。

　　從圖4中可以看出，基于距離的中繼選擇方案隨著dmax的增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)距離很小時(shí)，中繼選擇區(qū)域小，閑置用戶(hù)少，難以找到高容量中繼，導(dǎo)致了吞吐量低。隨著dmax的增加，更多的閑置用戶(hù)可以利用，可以選擇更高速率的中繼用戶(hù)，吞吐量增大。當(dāng)dmax變得太大時(shí)，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間在探測(cè)過(guò)程中，有效的傳輸時(shí)間會(huì)變短。本文提出的方案和基于距離的方案有相同的趨勢(shì)。不同的是，在低dmax和高dmax時(shí)，只是輕微降低了吞吐量。這是因?yàn)樵谏缃魂P(guān)系的約束下會(huì)有效減少不合適的閑置用戶(hù)，減少探測(cè)時(shí)間，從而提高傳輸速率時(shí)間。從圖中可以看出，dmax取值為125 m～150 m時(shí)得到最大吞吐量。

　　圖5描述了基于社交關(guān)系的中繼選擇方案和本文提出的中繼選擇方案在不同Bth下吞吐量的變化情況。

　　從圖5中可以看出，如果只考慮社交關(guān)系因素為選擇最優(yōu)中繼的標(biāo)準(zhǔn)，即使選擇了最高的社交關(guān)系的閑置用戶(hù)為最優(yōu)中繼中繼，吞吐量仍然比較低。盡管吞吐量在增加，但是依然遠(yuǎn)小于本文提出的中繼選擇方案，因?yàn)楦呱缃魂P(guān)系的用戶(hù)有可能遠(yuǎn)離D2D發(fā)送端。從圖中可以看出，本文提出的方案先增后減，當(dāng)Bth太小時(shí)，花費(fèi)了很多時(shí)間去探測(cè)中繼，從而使傳輸時(shí)間降低；當(dāng)Bth太大時(shí)，吞吐量減少是因?yàn)樘�高的社交關(guān)系約束使?jié)撛诘闹欣^數(shù)量減少，很難找到具有高速率的最優(yōu)中繼。但是因?yàn)楸痉桨竿瑫r(shí)考慮了距離因素，相比于基于社交關(guān)系的方案仍然有很高的吞吐量。從圖中可以看出，當(dāng)Bth取值為0.1時(shí)得到最大吞吐量。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文分析了關(guān)于社交關(guān)系的中繼輔助D2D通信的性能。同時(shí)考慮了社交關(guān)系因素和距離因素來(lái)選擇最優(yōu)中繼。仿真結(jié)果表明，距離和社交因素對(duì)D2D通信有很大影響，比單純考慮社交因素或者距離因素，性能提高很多。本文還指出中繼選擇區(qū)域不應(yīng)該過(guò)大或者過(guò)小，必須足夠大來(lái)保證探測(cè)到較強(qiáng)社交關(guān)系的閑置用戶(hù)，但是又不能花過(guò)多的時(shí)間在探測(cè)過(guò)程中，需要確保有效傳輸時(shí)間。

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　　作者信息：

　　李同會(huì)1，段紅光1，2，唐 虹1，劉夢(mèng)露1

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