摘  要： D2D（Device-to-Device）通信技術(shù)是一種能夠降低基站負(fù)載率和提高系統(tǒng)資源利用率的新型近場(chǎng)通信技術(shù)。本文根據(jù)D2D接收端與蜂窩端的相對(duì)距離關(guān)系,，分別討論了傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)以及引入中繼技術(shù)后的模式選擇問題,，給出了一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關(guān)系的模式選擇方案。仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了D2D系統(tǒng)采用復(fù)用模式的概率與設(shè)定的系統(tǒng)信干噪比閾值成反比關(guān)系,，表明引入中繼技術(shù)后的D2D系統(tǒng)采用復(fù)用模式的概率大大增加，意味著在混合網(wǎng)絡(luò)中加入中繼節(jié)點(diǎn)能夠有效地提高系統(tǒng)的頻譜利用率,。

　　關(guān)鍵詞： D2D通信,；混合網(wǎng)絡(luò)；模式選擇,；信干噪比,；中繼技術(shù)

0 引言

　　伴隨移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)，帶寬需求不斷加大,，頻譜資源分配日益緊張[1],。由于移動(dòng)用戶不斷增加，同時(shí)可用于無線通信的頻譜資源有限,，所以可分配的帶寬已經(jīng)難以滿足實(shí)際系統(tǒng)的需求,。為縮小帶寬供給和帶寬需求之間的差異，更加高效地利用已有帶寬十分必要,。D2D通信[2-3]與傳統(tǒng)蜂窩通信技術(shù)不同,，D2D用戶之間傳輸信息不需經(jīng)基站轉(zhuǎn)發(fā)，地理位置相近的D2D用戶之間通過復(fù)用蜂窩用戶的無線頻譜資源直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，基站只需通過鏈路信息控制D2D用戶的通信,，不需要與D2D通信用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此,，D2D技術(shù)不僅降低了基站負(fù)載,，還有效提升了系統(tǒng)頻譜資源利用率。

　　D2D用戶根據(jù)復(fù)用蜂窩資源的情況,，有兩種工作模式[4-5]：正交模式（overlay）和復(fù)用模式（underlay）,。其中,，正交模式又稱為專用模式，指D2D用戶利用專用無線資源進(jìn)行通信,，此時(shí),，小區(qū)內(nèi)的蜂窩用戶與D2D用戶利用相互正交的無線資源進(jìn)行通信；復(fù)用模式又稱為共用模式,，是指D2D用戶共享小區(qū)內(nèi)某蜂窩用戶的頻譜資源進(jìn)行通信,。

　　D2D系統(tǒng)采取正交模式通信時(shí)不會(huì)對(duì)原蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的通信產(chǎn)生影響。但若D2D通信被分配到非正交的信道資源,，即工作在復(fù)用模式下時(shí),，D2D通信將會(huì)對(duì)蜂窩鏈路的接收端產(chǎn)生干擾。因此,，如果網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載較小,，可以為D2D系統(tǒng)分配多余的正交資源，這樣顯然能獲得更佳的網(wǎng)絡(luò)總體性能,。但是,，由于分配給蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源有限，考慮到通信業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的要求越來越高,，而采用非正交資源共享的方式可以使網(wǎng)絡(luò)獲得更高的資源利用率,。這也是在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用D2D技術(shù)的主要目的。

　　復(fù)用模式下,，當(dāng)基站選擇相距D2D用戶距離較近的蜂窩資源進(jìn)行復(fù)用時(shí),，它們之間容易產(chǎn)生干擾[6]。當(dāng)基站選擇距離D2D用戶較遠(yuǎn)的蜂窩用戶的資源來進(jìn)行資源復(fù)用時(shí),，由于D2D用戶的發(fā)射功率較小,，對(duì)蜂窩用戶產(chǎn)生的有害干擾相對(duì)也較小甚至可以忽略，這樣就保證了它們之間干擾盡可能地小,。本文將混合系統(tǒng)中的干擾問題考慮其中,，基站能夠通過功率控制[7]和資源分配[8-10]的方式來協(xié)調(diào)蜂窩和D2D系統(tǒng)的干擾問題。首先介紹傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中引入D2D技術(shù)后面臨的模式選擇問題,，給出一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關(guān)系的模式選擇方案,。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)有的一些中繼傳輸技術(shù)方案,，在混合系統(tǒng)中引入中繼節(jié)點(diǎn),，并分析了D2D用戶采用復(fù)用模式通信的概率與系統(tǒng)信干噪比門限值之間的關(guān)系。

1 D2D模式選擇方案

　　1.1 無中繼場(chǎng)景

　　本文將分別分析在無中繼和有中繼兩種場(chǎng)景下,，D2D用戶進(jìn)行模式選擇的條件,。首先，以傳統(tǒng)無中繼情況的蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)為背景，設(shè)定場(chǎng)景如圖1,。

　　場(chǎng)景中包括一個(gè)蜂窩用戶和2個(gè)D2D用戶,，它們是一對(duì)正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄2D通信對(duì)，D2D鏈路距離為R,，D2D接收機(jī)（D2D Rx）位于以D2D發(fā)射機(jī)（D2D Tx）為中心,，R為半徑的圓周上，并假設(shè)D2D用戶對(duì)采用固定的發(fā)射功率PD,。

　　為便于分析,，以基站BS為極點(diǎn)建立一個(gè)極坐標(biāo)系。D2D Rx坐標(biāo)為（x,，θD）,，蜂窩用戶坐標(biāo)為（y，θC）,，得出它們之間所處地理位置的夾角θ=|θD-θC|,，由余弦定理可得到D2D Rx與蜂窩用戶端的距離為：

　　在基站上行鏈路中，假設(shè)蜂窩用戶到D2D Rx的距離為dCD,，D2D Rx與D2D Tx之間的距離為r,，噪聲功率密度為N0。蜂窩用戶采用路徑損耗補(bǔ)償?shù)姆椒▉砭S持一個(gè)恒定的接收信噪比SNRBS,。

　　上式變換得到蜂窩用戶的發(fā)送功率為：

　　PC=N0SNRBSyα（3）

　　D2D Rx的信干噪比SINRD為：

　　由式（4）可以看出干擾項(xiàng)受參數(shù)dCD的影響,，即蜂窩用戶與D2D接收機(jī)的具體地理位置關(guān)系很大程度上決定了干擾強(qiáng)弱，從而影響了D2D接收機(jī)端的信干噪比,。

　　在實(shí)際通信過程中，D2D工作模式由D2D Rx的信干噪比SINRD決定,。為SINRD設(shè)定一個(gè)門限值Vf,，則模式選擇的條件關(guān)系為：

　　當(dāng)SINRD≥Vf時(shí)，D2D端采用underlay模式當(dāng)SINRD<Vf時(shí),，D2D端采用overlay模式

　　因此,，由underlay模式時(shí)的條件SINRD≥Vf可得：

　　將式（1）代入式（5），變換得：

　　由式（10）可以看出,，Q值決定了判決式?駐的取值,，下面將分區(qū)間討論Q值范圍。

　　情況1：Q＞1

　　若Q＞1,，則＞0與K＜0同時(shí)成立,，則：

　　由與K的值可知，不等式（9）的解為：

　　由于,，因此不等式（9）成立的條件即為：

　　時(shí),，的值將恒為負(fù)，即不等式（9）恒成立。若θ在上述范圍以外,，則需要解＞0,。

　　由于恒成立，且Q值越小,，θ值越大,，當(dāng)θ滿足以下條件：

　　時(shí)，不等式（9）的解為：

　　中第二個(gè)不等式的上限與Q＞1的情況完全相同,。

　　根據(jù)上述對(duì)Q值的討論可知,，模式選擇的影響因素為參數(shù)θ與X的取值情況。由θ=|θD-θC|,，θ值反映了D2D用戶與蜂窩用戶之間的夾角,，并且，當(dāng)D2D用戶處于蜂窩小區(qū)邊緣時(shí),，模式選擇結(jié)果受θ值影響較小,，因此僅由X的值決定；當(dāng)D2D用戶位于小區(qū)中心地帶時(shí),，則X與θ值同時(shí)影響D2D模式選擇結(jié)果,。

　　另外，由X=x/y可以看出,，X的值表示了D2D接收機(jī)到基站的距離與蜂窩用戶端到基站的距離的比值,，若x＞y，則X＞1,；若x≤y,，則X≤1。

　　綜合以上討論情況,，得出如下結(jié)論：在蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)無中繼場(chǎng)景下,，D2D用戶采用固定發(fā)送功率時(shí)，采用underlay通信模式需滿足的條件是X＞1+Q,，其中,，X表示D2D Rx與蜂窩用戶端分別到基站的距離的比值，Q為常數(shù),，其取值由混合系統(tǒng)參數(shù)決定,。

　　1.2 有中繼場(chǎng)景

　　當(dāng)在蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中設(shè)置中繼站Rn時(shí)，蜂窩用戶有兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，即利用BS直接通信或通過Rn轉(zhuǎn)發(fā)通信,。在蜂窩用戶與中繼節(jié)點(diǎn)距離較近時(shí)，獲得等鏈路容量所需要的發(fā)射功率較低,，這種情況可以考慮采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式,。

　　圖2為單小區(qū)混合系統(tǒng)中設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)的場(chǎng)景圖,，假設(shè)基站BS位于小區(qū)的中央位置，以基站為中心,，將小區(qū)平均劃分成3個(gè)扇區(qū),，每個(gè)扇區(qū)中分別設(shè)有一個(gè)中繼站，即Rn1,，Rn2,，Rn3，且其中任意中繼節(jié)點(diǎn)Rni（i=1,，2,，3）到BS的距離都為D。

　　采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式可以使蜂窩用戶以更小的發(fā)送功率獲得更高的系統(tǒng)容量,，但缺點(diǎn)會(huì)成倍消耗資源,，因此為了達(dá)到相同的系統(tǒng)容量，需要更高的信噪比,，來達(dá)到與無中繼情況下的信噪比等效的效果,。

　　為便于下文分析，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)Rni到BS的回傳鏈路可靠,。并且蜂窩用戶到Rn的鏈路容量決定兩跳鏈路總?cè)萘?，滿足下述公式：

　　式（18）表示，當(dāng)蜂窩用戶到BS鏈路的容量為蜂窩用戶到Rni的容量的一半時(shí),，中繼通信的系統(tǒng)容量與蜂窩通信系統(tǒng)容量達(dá)到一致,。對(duì)式（18）進(jìn)行變換得到中繼站Rni的信噪比公式如下：

　　下面的分析與無中繼場(chǎng)景類似，首先以BS為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系,，由于對(duì)稱性,，此處僅分析圖2中Rn1所在的扇區(qū)，為使公式表達(dá)簡(jiǎn)潔,，將中繼節(jié)點(diǎn)Rn1設(shè)在橫坐標(biāo)軸上,，其坐標(biāo)為（D，0）,，蜂窩用戶坐標(biāo)為（y，θc）,，PCB與PCR分別代表蜂窩用戶和中繼站的發(fā)送功率,，dCB表示蜂窩用戶與BS之間的距離，dCR表示蜂窩用戶到中繼節(jié)點(diǎn)的距離,，可知：

　　當(dāng)蜂窩用戶與BS進(jìn)行通信與蜂窩用戶采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行通信時(shí)的容量達(dá)到一致時(shí),，分別消耗的功率如下：

　　將式（19）與式（21）分別代入式（23）可得：

　　若PCB﹥PCR，則蜂窩用戶采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行通信,，變換即得到：

　　與無中繼情況類似,，利用信干噪比SINR的閾值Vf對(duì)D2D用戶采取何種通信模式進(jìn)行判斷。D2D接收端的信干噪比以及滿足的閾值條件為：

　　其中，dCD代表蜂窩用戶與D2D接收機(jī)Rx的距離,；dCR代表蜂窩用戶到中繼Rn的距離,；PCi取值為PCB與PCR值中的較小者，即PCi=min{PCB,，PCR},。

　　由式（30）與式（31）變形可得：

　　在有中繼節(jié)點(diǎn)的蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中，蜂窩用戶依據(jù)其到中繼節(jié)點(diǎn)Rn的距離信息來決定是否采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,；D2D用戶端則依據(jù)如下準(zhǔn)則來選擇用overlay模式或underlay模式進(jìn)行通信,。

　　準(zhǔn)則：在有中繼節(jié)點(diǎn)的蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中，若蜂窩用戶決定采取中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行通信,，則D2D用戶模式選擇公式如下：

　　上式中,，dCD代表蜂窩用戶與D2D接收機(jī)Rx的距離；dCR代表蜂窩用戶到中繼Rn的距離,。

　　若蜂窩用戶在中繼區(qū)域外,，工作在非中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式下，則D2D用戶模式選擇公式如下：

　　上式中,，dCB代表基站BS與蜂窩用戶之間的距離,。上述準(zhǔn)則的所有距離值及相關(guān)參數(shù)值都可以在網(wǎng)絡(luò)中獲得，并且通過公式可以分析得出蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶端在不同模式通信時(shí)所適用的位置區(qū)域,。

2 仿真

　　假設(shè)小區(qū)半徑為1（真實(shí)仿真中設(shè)為500 m）,，D2D接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間距離R設(shè)為0.1，中繼節(jié)點(diǎn)Rn與BS距離設(shè)為0.7,，將D2D Rx與BS的距離dDB分別設(shè)為0.8,，0.5及0.3。

　　實(shí)際生活中,，采取D2D通信方式的用戶彼此之間距離較近,，并且相對(duì)處于靜態(tài)，因此仿真過程中,，將D2D用戶的位置固定不變,，同時(shí)蜂窩用戶遍歷該小區(qū)的所有位置信息，即文中所有距離參數(shù)都能夠通過蜂窩用戶遍歷得知,。本小節(jié)將根據(jù)推導(dǎo)的公式來對(duì)D2D用戶選擇underlay模式通信的概率值進(jìn)行仿真,。圖3為仿真結(jié)果。

　　仿真圖的虛線部分表示了在混合網(wǎng)絡(luò)無中繼場(chǎng)景下,，當(dāng)D2D用戶與BS的距離分別為0.8,，0.5及0.3時(shí)，D2D用戶選擇underlay模式通信的概率隨D2D用戶端信干噪比的門限值的變化曲線,?？梢钥闯?，在無中繼場(chǎng)景下，D2D用戶選用underlay模式的概率隨選用underlay模式的SINR閾值Vf的升高而降低,，并且D2D端與BS距離dDB值影響該概率值,。由于D2D Rx位置固定，并且為防止D2D用戶通信時(shí)對(duì)蜂窩用戶產(chǎn)生有害干擾,，因此蜂窩用戶不會(huì)出現(xiàn)在以D2D Tx為圓心,、到D2D Rx的距離為通信半徑的圓形區(qū)域內(nèi)。在此前提下,，dDB越小,，即D2D端與BS相距越近，則蜂窩用戶比D2D用戶出現(xiàn)在小區(qū)邊緣區(qū)域的概率越大,。然而,，蜂窩用戶的發(fā)送功率與其離BS距離的遠(yuǎn)近成正比，即蜂窩用戶離BS越遠(yuǎn),，發(fā)送功率越大,，對(duì)D2D用戶端的相對(duì)干擾越強(qiáng)，因此,，D2D用戶端的信干噪比SINRD超過閾值Vf的比率越小,。

　　圖3的實(shí)線部分表示在混合網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置中繼站的場(chǎng)景下，同樣將D2D用戶與BS的距離分別設(shè)為0.8,，0.5及0.3時(shí)的D2D用戶選擇underlay模式通信的概率曲線,。與無中繼情況的曲線走勢(shì)類似，D2D用戶選擇underlay模式的概率與閾值Vf成反比,。

　　對(duì)比可知,，在dDB取值相同時(shí)，有中繼時(shí)D2D端選擇underlay模式的概率比無中繼情況的概率有較大提高,。當(dāng)混合系統(tǒng)中引入中繼后,，從D2D角度來看，復(fù)用蜂窩資源的幾率將大大提高,，傳輸效率得到提升,。

3 結(jié)論

　　本文研究了一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關(guān)系的模式選擇策略，并引入中繼節(jié)點(diǎn),，分析D2D用戶采用underlay模式通信的概率與系統(tǒng)信干噪比門限值之間的關(guān)系,。仿真結(jié)果表明，引入中繼后的D2D系統(tǒng)將更有機(jī)會(huì)復(fù)用上行鏈路資源,。從蜂窩用戶角度來看，當(dāng)蜂窩端與中繼距離較近時(shí),，獲得等鏈路容量所需發(fā)射功率較低,，可考慮采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式,；從D2D角度來看，其復(fù)用蜂窩資源的幾率將提高,，傳輸效率得到提升,。本文僅研究單小區(qū)單中繼情況，在未來的研究中,，將考慮多小區(qū)以及多中繼的系統(tǒng)模型,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] HUANG K B， LAU K N. Spectrum sharing between cellular and mob Ad Hoc networks： transmission-capacity trade-off[C]. IEEE J. Sel. Ar Commun.,， 2009：1-5.

　　[2] DOPPLER K,， RINNE M， WIJTING C,， et al. Device-to-Device communication as an underlay to LTE-advanced networks[J]. IEEE Communication. Mag.,， 2009，47（12）：42-49.

　　[3] JANIS P,， YU C,， DOPPLER K， et al. Device-to-Device communication underlaying cellular communications systems[J]. Int. J.Commun.,， Network and Sys. Sci.,，2009，2（3）：169-178.

　　[4] HAKOLA S,， CHEN T,， LEHTOM J， et al. Device-to-Device（D2D） communication in cellular network-performance analysis of optimum and practical communication mode selection[C]. In Proc. IEEE WCNC 2010,， 2010：1-6.

　　[5] DOPPLER K,， YU C H， RIBEIRO C B,， et al. Mode selection for Device-to-Device communication underlaying an LTE-advanced network[C]. In Proc. IEEE WCNC 2010,， 2010：1-6.

　　[6] PENG T， LU Q X. Interference avoidance mechanisms in the hybrid cellular and device-to-device systems[C]. PIMRC,，2009：1-7.

　　[7] YU C,， TIRKKONEN O， DOPLER K,， et al. Power optimization of device-to-device communication underlaying cellular communication[C]. In Proc. IEEE ICC ′09,，2009：1-5.

　　[8] SU L， JI Y,， WANG P,， et al. Resource allocation using particle swarm optimization for D2D communication underlay of cellular net-works[C]. In Proc. 2013 IEEE Wireless Commun. Network. Conf.， 2013：129-133.

　　[9] PHUNCHONGHARN P,， HOSSAIN E,， KIM D. Resource allocation for device-to-device communications underlaying LTE-advanced networks[J]. IEEE Wireless Commun,， 2013，20（4）：91-100.

　　[10] HASAN M,， HOSSAIN E. Resource allocation for network-integrated Device-to-Device communications using smart relays[C]. In Proc. 2013 IEEE Global Commun. Conf.,， 2013： 1-6.