文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170281
中文引用格式： 薛建彬,，梁艷慧. 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中D2D資源優(yōu)化算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2017，43(10)：99-102.
英文引用格式： Xue Jianbin,，Liang Yanhui. Research on D2D resource optimization algorithm in heterogeneous network[J].Application of Electronic Technique,，2017，43(10)：99-102.
0 引言
隨著5G的迅速推進(jìn),，傳統(tǒng)蜂窩通信的頻譜資源已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足越來(lái)越高的通信要求[1]。因此引入D2D通信顯得至關(guān)重要,，它在一定程度上減緩了資源短缺的問(wèn)題[2],。D2D通信是一種短距離的端到端通信,，不需要基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)信息。它以非正交的方式復(fù)用蜂窩用戶(hù)的無(wú)線資源,，大大提高了系統(tǒng)的頻譜利用率[3],。但當(dāng)D2D用戶(hù)去復(fù)用蜂窩用戶(hù)的資源時(shí)，必定會(huì)給蜂窩用戶(hù)帶來(lái)同頻干擾,。因此如何找到一種有效的機(jī)制來(lái)減輕兩個(gè)子系統(tǒng)之間的干擾,，使系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大化，具有很重要的研究意義[4],。文獻(xiàn)[5]提出了一種魯棒分布式資源分配方案,，顯著改善了網(wǎng)絡(luò)性能，但是成本較高,，并且用戶(hù)和中繼之間的干擾沒(méi)有得到有效控制,。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于地理位置的資源分配方案，這種方案適用于多小區(qū)的場(chǎng)景,，但是沒(méi)有考慮到詳細(xì)的功率控制方案,。文獻(xiàn)[7]提出了兩種資源分配方案，即雙重度量方案和容限干擾度方案,，實(shí)現(xiàn)了資源的平均分配,，但系統(tǒng)的吞吐量相對(duì)其他方法沒(méi)有顯著的提高。文獻(xiàn)[8]提出了一種交替優(yōu)化算法,，用凸優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)功率的分配,，但該方法忽略了對(duì)D2D的干擾問(wèn)題，影響了引入D2D用戶(hù)的通信質(zhì)量,。
為了有效控制D2D用戶(hù)和蜂窩用戶(hù)之間的干擾,，增加系統(tǒng)的吞吐量，并且使無(wú)線資源塊得到充分利用,，本文提出了一種資源選擇和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法,。該算法避免了D2D用戶(hù)對(duì)蜂窩用戶(hù)造成嚴(yán)重干擾，同時(shí)保證了引入次用戶(hù)的吞吐量,。
1 系統(tǒng)模型
假設(shè)在一個(gè)小區(qū)內(nèi),，基站可以獲取所有鏈路的信道質(zhì)量狀況,。D2D用戶(hù)對(duì)有M個(gè),，表示為D={Di|i=1，2,，…,，M}，蜂窩用戶(hù)有N個(gè),，表示為C={Cj|j=1,，2,，…，N},。為了充分利用小區(qū)中的頻譜資源,，D2D用戶(hù)對(duì)選擇性地復(fù)用蜂窩用戶(hù)的上行資源，K={1,，2,，…，k}表示可復(fù)用的頻率資源塊,。系統(tǒng)模型如圖1所示,。
式中，gm為D2D通信鏈路的信道增益,，gn.m為蜂窩用戶(hù)到D2D用戶(hù)接收端干擾鏈路的信道增益,。
2 基于拉格朗日對(duì)偶的資源分配優(yōu)化算法
基于系統(tǒng)模型的分析，本文首先在保證蜂窩用戶(hù)QoS的前提下給D2D用戶(hù)分配資源,。其次,，利用拉格朗日對(duì)偶算法對(duì)D2D用戶(hù)的發(fā)射功率進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，從而得到D2D用戶(hù)的最佳發(fā)射功率,。 既保證了通信質(zhì)量,，又提高了系統(tǒng)的吞吐量以及頻譜利用率。
2.1 資源分配算法
在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載嚴(yán)重時(shí),，D2D通信會(huì)選擇復(fù)用蜂窩用戶(hù)的資源,。作為終端直通系統(tǒng)的主要通信方式，蜂窩通信的傳輸速率必須得到保障,，蜂窩用戶(hù)被D2D用戶(hù)復(fù)用之后的數(shù)據(jù)傳輸速率可由香農(nóng)公式表示為：
D2D用戶(hù)對(duì)m要選擇復(fù)用的資源塊k要滿(mǎn)足的條件如下：
式中,，Cmin表示蜂窩用戶(hù)的傳輸速率閾值。若D2D用戶(hù)接入無(wú)線資源塊時(shí),，原有的蜂窩用戶(hù)無(wú)法達(dá)到正常通信時(shí)的傳輸速率,，D2D用戶(hù)將不復(fù)用此資源塊。
從式(5)可以看出,，在達(dá)到蜂窩用戶(hù)傳輸速率閾值的前提下,，D2D用戶(hù)選擇復(fù)用了負(fù)載最小的一個(gè)上行資源塊。然而資源的分配不但要控制D2D通信鏈路對(duì)蜂窩鏈路的干擾在一定范圍內(nèi),，而且還要保障D2D用戶(hù)的傳輸質(zhì)量,。D2D用戶(hù)信噪比滿(mǎn)足的條件如下：
式中，TargetγD表示D2D用戶(hù)的信噪比閾值,。滿(mǎn)足此條件,，系統(tǒng)的吞吐量才能得到提升。但D2D信噪比越高,，對(duì)蜂窩通信的干擾也會(huì)越大,，成本,、能耗以及對(duì)設(shè)備的要求也會(huì)越來(lái)越高。所以,，對(duì)D2D用戶(hù)發(fā)射端的功率進(jìn)行控制很有必要,。
式(7)說(shuō)明，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,，D2D用戶(hù)的發(fā)射功率不超過(guò)其允許的最大發(fā)射功率pmax,。因?yàn)镈2D用戶(hù)只能選擇一個(gè)資源塊去復(fù)用，則有：
式中,，a表示一個(gè)D2D用戶(hù)只能復(fù)用一個(gè)資源塊,。這個(gè)公式說(shuō)明進(jìn)行協(xié)作通信時(shí)，首先要保證蜂窩用戶(hù)正常通信質(zhì)量,。然后通過(guò)對(duì)D2D用戶(hù)對(duì)m的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)節(jié),，最大化所有無(wú)線資源塊上吞吐量。
2.2 最優(yōu)功率分配
基于以上的資源分配方法,，構(gòu)造了以D2D用戶(hù)吞吐量為目標(biāo)的函數(shù),。它是一個(gè)以D2D用戶(hù)的發(fā)射功率為自變量的非線性函數(shù)。為了求解這個(gè)函數(shù),，把效用函數(shù)變?yōu)椋瑿k,，也就是把最大化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了最小化問(wèn)題。所以,，式(10)可寫(xiě)為：
3 仿真與性能分析
為了驗(yàn)證提出方案的性能及其對(duì)系統(tǒng)的影響,，進(jìn)行了一系列的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真場(chǎng)景為在半徑為1 km的LTE單小區(qū),，D2D用戶(hù)復(fù)用蜂窩用戶(hù)上行資源,。主要的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。通過(guò)將提出的資源分配(TPRA)方法與隨機(jī)資源分配(RRA)方法,，以及考慮D2D速率的資源分配(RCRA)方法進(jìn)行比較,，主要對(duì)比了系統(tǒng)的吞吐量和不同算法下功率的分配情況。
圖2比較了兩種算法下系統(tǒng)吞吐量的CDF分布圖,。由圖可知,，RRA的吞吐量明顯低于TPRA的吞吐量。因?yàn)镽RA算法沒(méi)有合理地給主次用戶(hù)分配資源,，導(dǎo)致主次用戶(hù)之間的干擾沒(méi)有得到有效控制,。而TPRA算法，通過(guò)高效的干擾協(xié)調(diào),，提高了系統(tǒng)性能,。
由圖3可知，TPRA算法下D2D的發(fā)射功率要高于RRA和RCRA算法,，并且隨著迭代次數(shù)的增加,，發(fā)射功率隨之增加。當(dāng)?shù)螖?shù)超過(guò)21次時(shí),，發(fā)射功率逐漸趨于平衡,，達(dá)到0.864 W。此功率值小于本文給出的最大發(fā)射功率,。因?yàn)楸舅惴ㄊ窃诒ＷC蜂窩用戶(hù)正常通信的情況下對(duì)D2D用戶(hù)的發(fā)射功率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行迭代調(diào)節(jié),，大大增加了頻譜利用率。
由圖4可知,，當(dāng)D2D對(duì)數(shù)增加時(shí),，系統(tǒng)的吞吐量也會(huì)隨之增加。但是根據(jù)接入系統(tǒng)的D2D對(duì)數(shù)不同,，不同算法表現(xiàn)出了不同的優(yōu)劣性,。D2D用戶(hù)對(duì)數(shù)M≤14時(shí)，算法RCRA的系統(tǒng)吞吐量高于其他算法,。而當(dāng)M≥16時(shí),，本文提出的方法TPRA開(kāi)始占優(yōu)勢(shì)。相反,，RCRA算法只是增加了次用戶(hù)的傳輸速率,，忽略了其與主用戶(hù)之間的干擾。所以當(dāng)系統(tǒng)接入的D2D用戶(hù)對(duì)的數(shù)量較多時(shí),，TPRA算法的性能是最佳的,。
4 結(jié)論
本文使用了拉格朗日對(duì)偶以及迭代算法解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中D2D的資源分配問(wèn)題。研究結(jié)果表明：此算法相比其他兩種算法,，更適用于D2D對(duì)數(shù)多的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),。并且對(duì)D2D發(fā)射功率的迭代計(jì)算，有效減少了系統(tǒng)損耗,，且保證了D2D通信的吞吐量,。避免了負(fù)載重的資源塊超負(fù)荷，而負(fù)載輕的資源塊不被充分利用的問(wèn)題,，使系統(tǒng)的通信質(zhì)量得到了顯著提高,。
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作者信息：
薛建彬1，2,，梁艷慧1
(1.蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院,，甘肅 蘭州730050；2.東南大學(xué) 移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，江蘇 南京210096)