0 引言

    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,，減少端到端的時延，尤其是使小區(qū)邊緣用戶通信質(zhì)量得到很大改善,，提高小區(qū)覆蓋率^[1-3],。D2D通信的一個主要問題是干擾問題，即蜂窩用戶對D2D用戶產(chǎn)生的干擾以及D2D用戶對蜂窩用戶的干擾^[4-5],。

    對于D2D通信產(chǎn)生的干擾問題,，中繼輔助通信是一個有效的方法。怎么從候選中繼中選擇一個最優(yōu)的中繼節(jié)點是中繼輔助D2D通信的一個主要問題,。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)蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾，消除相應(yīng)的不合理中繼節(jié)點,，然后在候選中繼中用分布式方法來選擇最優(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用戶之間的社交關(guān)系選擇最優(yōu)中繼節(jié)點。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。文獻(xiàn)[9]調(diào)查了小區(qū)邊緣用戶的中繼節(jié)點選擇的問題,，提出一種雙層博弈模型來找到最優(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QoS的中繼選擇方法,。

    本文集中于社交網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶和與其鄰近的閑置用戶之間的社交關(guān)系,，充分利用基站具有的提高通信質(zhì)量、協(xié)調(diào)用戶之間的通信的功能來記錄所需要的數(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，同時考慮了社交關(guān)系和距離來選擇最優(yōu)中繼節(jié)點,。在社交網(wǎng)絡(luò)中的閑置用戶根據(jù)與D2D用戶之間的社交關(guān)系來選擇是否為D2D用戶傳輸數(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)邊緣用戶進(jìn)行通信的場景。如圖1所示,，小區(qū)中有一個基站,、M個蜂窩用戶（CUE₁，CUE₂,，…,，CUE_M）、N個閑置用戶（IUE₁,，IUE₂,，…，IUE_N）,、K個D2D對,。M個蜂窩用戶通過M個不同的信道與基站進(jìn)行通信。D2D源節(jié)點到中繼節(jié)點,、中繼節(jié)點到D2D目的節(jié)點都可以復(fù)用蜂窩用戶頻譜資源,，此處沒有多余的頻譜資源單獨分配給D2D通信。本文假設(shè)一個D2D鏈路（源節(jié)點到中繼節(jié)點鏈路或者中繼節(jié)點到目的節(jié)點鏈路）可以復(fù)用一個蜂窩用戶信道資源,，不同的D2D鏈路將會選擇不同的蜂窩用戶,，因此不同的D2D鏈路將會復(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)邊緣用戶進(jìn)行D2D通信,，小區(qū)中有蜂窩用戶（CUES）、閑置用戶（IUES）以及D2D用戶（DUES）。假設(shè)D2D對復(fù)用同小區(qū)蜂窩用戶的上行鏈路資源,，當(dāng)D2D對不滿足直接通信要求時,，IUE將會作為中繼輔助通信。因為不同的D2D對復(fù)用不同的蜂窩用戶資源,，所以D2D對間不會產(chǎn)生干擾,，本文只考慮蜂窩用戶的干擾。

    截取小區(qū)邊緣D2D用戶通信模型如圖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。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P_ij,，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d_max,，其中d_max<L。本文把該圓形區(qū)域分為圖3所示的4個區(qū)域,，候選中繼用戶必須遵循以下兩個標(biāo)準(zhǔn),，從兩個標(biāo)準(zhǔn)中可以確定候選中繼的范圍^[8]。

    (1)候選中繼必須是IUE_S,。

    (2)為了保證D2D鏈路質(zhì)量,，中繼節(jié)點不能遠(yuǎn)離D2D源節(jié)點和目的節(jié)點，因此候選中繼區(qū)域必須在D2D源節(jié)點到目的節(jié)點所在線段為邊界的區(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,，T_ij是UE_i到UE_j的連接時間,。分母是UE_i到其他IUES總共的連接時間。假設(shè)基站將會跟蹤聯(lián)系用戶,，可以計算出B_ij,。B_ij代表社交關(guān)系強(qiáng)弱，B_ij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)點都是很弱的，只有少數(shù)節(jié)點具有很強(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用戶進(jìn)行通信可以直接建立通信，也可以通過中繼進(jìn)行通信,。

    從S到D的直接通信傳輸SINR為：

其中,，P_s，d是D2D對的發(fā)送功率,，I_C是蜂窩用戶對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IUE_S是固定的,，d_s,，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,，DUE_S被IUE_S包圍，DUE_S發(fā)送中繼請求,，IUE把社交關(guān)系和距離等信息回復(fù)給DUE_S,，DUE_S根據(jù)IUE的回復(fù)選擇最優(yōu)中繼UE_R進(jìn)行D2D合作通信，中繼用戶R的功率是一個和社交關(guān)系相關(guān)的正線性函數(shù),，即具有較強(qiáng)社交關(guān)系會激勵中繼發(fā)送更大的功率來進(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UE_R對于DUEs有很高的社交關(guān)系權(quán)重,，并且與DUEs和DUE_D距離都較短。需要在最優(yōu)中繼的選擇與中繼探測上的花費中選取一個折中處理,。假設(shè)D2D通信的傳輸時間為T,，探測每個候選中繼的時間為τ，經(jīng)過n次探測之后,，選擇到最優(yōu)中繼進(jìn)行D2D合作通信,。

    經(jīng)過中繼探測后有效的吞吐量為：

    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

    在本節(jié)中，提出一種同時考慮距離和社交關(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)系門限改變的仿真圖。在仿真中，以帕累托分布為模型衡量用戶間的社交關(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d_max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d_max的增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢,。當(dāng)距離很小時，中繼選擇區(qū)域小,，閑置用戶少,，難以找到高容量中繼，導(dǎo)致了吞吐量低,。隨著d_max的增加,，更多的閑置用戶可以利用，可以選擇更高速率的中繼用戶,，吞吐量增大,。當(dāng)d_max變得太大時，會花費大量的時間在探測過程中,，有效的傳輸時間會變短,。本文提出的方案和基于距離的方案有相同的趨勢。不同的是,，在低d_max和高d_max時,，只是輕微降低了吞吐量。這是因為在社交關(guān)系的約束下會有效減少不合適的閑置用戶,，減少探測時間,，從而提高傳輸速率時間。從圖中可以看出,，d_max取值為125 m～150 m時得到最大吞吐量,。

    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,，因為高社交關(guān)系的用戶有可能遠(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)B_th太小時,，花費了很多時間去探測中繼，從而使傳輸時間降低；當(dāng)B_th太大時,，吞吐量減少是因為太高的社交關(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。但是因為本方案同時考慮了距離因素,，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)B_th取值為0.1時得到最大吞吐量,。

5 結(jié)束語

    本文分析了關(guān)于社交關(guān)系的中繼輔助D2D通信的性能,。同時考慮了社交關(guān)系因素和距離因素來選擇最優(yōu)中繼。仿真結(jié)果表明,，距離和社交因素對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)該過大或者過小,，必須足夠大來保證探測到較強(qiáng)社交關(guān)系的閑置用戶，但是又不能花過多的時間在探測過程中,，需要確保有效傳輸時間,。

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作者信息：

李同會1，段紅光1,，2,，唐  虹1，劉夢露1

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,，重慶400065,；2.重慶郵電大學(xué) 新一代寬帶移動通信重點實驗室，重慶400065)