陆音;王慧茹;孙丹丹
【摘 要】设备直连(Device-to-device,D2D)通信用户通过复用蜂窝用户的频谱资源可提高频谱利用率和系统的整体通信容量,但复用蜂窝网络频谱资源会带来严重的干扰,影响整体通信质量.针对干扰问题,本文通过建立通信系统模型,研究系统的线性规划问题以及相应的最佳资源分配算法.考虑到最佳算法复杂度较高,本文提出一种启发式算法来分配通信资源,通过遍历D2D对用户与蜂窝用户之间的干扰矩阵到最小干扰值,分配复用资源给相应的蜂窝用户和D2D对用户.在蜂窝用户都分配到通信资源之后,对D2D对用户进行专用通信资源分配.仿真结果表明,该算法在降低算法复杂度的基础上显著地减小了D2D对用户对蜂窝用户的干扰,能够最大程度地增加D2D对用户的数量. 【期刊名称】《数据采集与处理》
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【年(卷),期】2018(033)006
【总页数】7页(P1034-1040)
【关键词】设备直连通信;蜂窝网络;资源分配;干扰抑制
矩阵干扰【作 者】陆音;王慧茹;孙丹丹
【作者单位】期后事项南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室 ,南京 ,210003;南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室 ,南京 ,210003;南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室 ,南京 ,210003
【正文语种】中 文
【中图分类】TN929.5
埃舍尔的矛盾空间引 言
随着移动多媒体业务和相关应用的快速发展，高清视频、在线直播等多媒体业务呈爆发式增长，其大流量特性给运营商的核心网和频谱资源带来巨大压力，移动通信网络面临严峻的挑战[1]。在蜂窝网络中引入D2D通信技术不仅可以改善系统性能，还能进一步改善用户体验，因而受到广泛关注，但同时也带来了复杂的干扰问题。
D2D技术无需转接而直接实现数据交换和服务提供，可有效地减轻蜂窝用户的网络负担，降低移动终端功耗，提升传输效率，提高网络基础设施的健壮性。文献[2]指出基于D2D技术的本地媒体业务利用D2D通信的短距离通信特点，可实现频谱资源的有效利用，获得资源空分复用的增益。然而，在蜂窝网络中引入D2D技术会带来D2D通信链路建立、资源调度、实时性、可靠性以及干扰抑制等问题。其中，干扰抑制问题是研究的难点和关键问题，文献[3-4]针对D2D干扰抑制展开了研究。干扰抑制研究一般包含以下几个方面工作：(1)模式选择；(2)资源分配；(3)功率控制；(4)中继选择。文献[5]研究了在跨小区、多小区存在D2D通信链路的情况下，借助中继来改善通信链路的质量。文献[6]针对D2D对用户与蜂窝用户复用信道资源的优先级提出一种启发式算法，动态地调整这两种用户复用信道资源的情况，有效地增加了允许D2D通信的用户对数，同时降低了其对蜂窝用户的干扰。文献[7]提出了基于系统最大吞吐量的贪婪算法，从D2D通信用户复用蜂窝用户上、下行资源两方面提出优化策略，把D2D对用户使用小区无线资源的分配问题总结为混合整数非线性规划问题。文献[8]提出了D2D对用户在下行链路的模式选择方案，降低了通信用户之间的干扰。文献[9-10]提出了联合模式选择和资源分配算法，该算法达到了通信系统的容量最大以及干扰最小的效果。文献[11]从D2D对用户和蜂窝用户发送功率方面进行算法研究，
提出在不同通信模式下调节用户的发送功率来控制通信用户间干扰的方案。文献[12]针对最小化系统干扰同时保持目标系统总和速率提出了一种两阶段资源分配算法，首先使用加权二分匹配算法使干扰最小化并获得可行的初始解，然后用本地搜索技术来改进解决方案。文献[13-14]从用户所处小区的地理位置进行研究，根据用户之间的干扰情况建立通信受限区域，在不同的区域内实行不同的通信模式策略，使得系统的整体通信质量得到提高。文献[15]提出一种无线资源分配和功率控制方案，使用小区扇区化方法来减少D2D对复用上行链路蜂窝资源造成的干扰。文献[16]提出一种资源分配与功率控制相结合的方案，通过为D2D用户分配合理的复用资源，适当调整D2D用户的发射功率，以保证蜂窝链路干扰可控。在实际应用场景中，一个小区随机地分布着若干对D2D对用户。本文在文献[6]的基础上，提出一种启发式算法。在D2D对用户和蜂窝用户共存的通信系统中，蜂窝用户与D2D对用户按照干扰最小的规则分配复用资源。复用资源分配完成之后，给剩下的蜂窝用户分配通信资源，最后按照干扰最小的规则给D2D对用户分配通信资源。该算法与文献[6]所提算法相比，能够在保证用户通信质量的前提下，合理地为用户分配通信资源，将D2D对用户对蜂窝用户的干扰降至最低，同时使得D2D对用户通信数尽可能的多。
图1 系统模型Fig.1 System model
1 系统模型
为研究方便，本文仅考虑下行链路D2D对用户复用蜂窝用户通信资源的场景。假设小区中存在围绕均匀分布的M个蜂窝用户(CU1，CU2，…，CUm，…，CUM)和N对D2D对用户(D2D1，D2D2，…，D2Dn，…，D2DN)，每个D2D对用户包含发射用户Dn和接收用户Dn′，系统模型如图1所示。
在下行链路中，会对D2D对用户的接收用户Dn′产生干扰，蜂窝用户会受到与其复用相同通信资源的D2D对用户的通信干扰。假设该小区中存在K个通信信道资源，K，M，N三者满足N<M<K<N+M，表示系统的通信资源数大于蜂窝用户数，同时又小于D2D对用户数与蜂窝用户数两者之和；也表明有一部分D2D对用户可以使用专用资源，另一部分D2D对用户复用蜂窝用户资源。
在下行通信链路中，D2D对用户接收端Dn′的信干噪比(Signal to interference plus noise ratio, SINR)为[6]
(1)
式中：αn,m表示第n对D2D对用户复用第m个蜂窝用户资源；Pn,m是第n个D2D对用户复用第m个蜂窝用户资源时发送端Dn的发射功率；Gn,n′是第n对D2D对用户之间的链路增益；IBS,n′是BS对D2D对用户Dn′的干扰，IBS,n′=PBS,n′GBS,n′，PBS,n′是接收到的发射功率，GBS,n′是与之间的链路增益。因为是第n对D2D对用户复用蜂窝用户CUm的链路资源，IBS,n′也可记为Im,n。N0是Dn′的接收噪声功率。
GYNOCLINICD妇科检查蜂窝用户CUm的SINR为
(2)
式中：PBS,m是蜂窝用户CUm接收到的发射功率；GBS,m是与蜂窝用户CUm之间的链路增益；In,m是复用蜂窝用户CUm通信资源的第n对D2D对发送端Dn对CUm产生的干扰，In,m=Pn,mGn,m，其中Pn,m是蜂窝用户CUm接收到的D2D对用户发送端Dn的干扰功率，Gn,m是Dn与CUm间的链路增益，N0是CUm的接收噪声。
根据香农公式，该系统的通信容量为
(3)
式(3)表示蜂窝用户和D2D对用户通过共同复用通信资源，蜂窝用户与D2D对用户分别占用系统的通信资源达到的整体容量。k代表单位通信资源值，将所有的k进行求和乘以单位带宽就是系统的通信带宽。
2 问题描述
针对如何合理地分配通信资源，使蜂窝用户与D2D对用户之间干扰降低的问题，本文建立了系统优化模型。求系统的最大和容量，本质上是求蜂窝用户与D2D对用户的最大SINR之和。假设用户之间的链路增益G以及接收的噪声功率N0是固定值，用户的发射功率可根据接收的干扰来确定，将求最大系统容量问题进一步转变成求最小干扰问题。式(3)可优化为
(4)
吐火罗文式中：表示第n对D2D对用户复用第m个蜂窝用户的通信资源，它们共同占用通信资源块k。实际通信系统中，K，M，N三者满足N<M<K<N+M，一部分D2D对用户复用蜂窝资源，另一部分D2D对用户分得专用资源，该情况下D2D对用户不会对蜂窝用户产生干扰，也不会受到其他蜂窝用户的通信干扰。假设复用蜂窝资源的D2D对用户数为N′，那么这部分用户将对蜂窝用户产生干扰以及受到的干扰，可将式(4)进一步简化为
(5)
式中：C5表示一个D2D对用户只能分配一个蜂窝用户资源，C6表示一个资源块k只能分配给一个D2D对用户或者一个蜂窝用户或者一个D2D对用户和一个蜂窝用户，等式C7表示任何一个蜂窝用户通信资源只能分配给一个D2D对用户，等式C8表示每个D2D对用户只能分配到一个通信资源块。
式(5)是一个非确定性多项式(Non-deterministic polynomial, NP)问题，可通过穷举搜索法求得最优解。穷举搜索算法的复杂度达到OK2logK，在实际情况中算法复杂度呈指数上升且K的数值很大，不利于通信系统整体性能提升。
3 资源分配算法
文献[16]提出一种资源分配与功率控制相结合的方案，通过为D2D用户分配合理的复用资源，在一定程度上降低了D2D引入的干扰，通过适当调整D2D用户的发射功率，在保证蜂窝链路干扰可控的前提下，有效地提高了D2D用户的通信性能。但该方案仅考虑了D2D用户对分布较少的场景，没有考虑D2D用户大规模分布的实际场景。
本文所提算法在保证系统通信容量最大化以及允许尽可能多地D2D对用户接入系统的前提下，能合理分配用户通信资源，使系统整体通信性能达到最优。该算法复杂度为ON′2M，因为N′<N，所以相比最佳算法可有效降低算法复杂度。在对通信资源进行分配时，假设所有的通信资源块是一样的。为保证通信质量，预设最大的可忽略干扰阈值：D2D对用户为蜂窝用户为算法具体步骤如下。
(1) 计算所有的D2D对用户复用所有蜂窝用户资源的N×M维干扰矩阵IN×M，以及对复用蜂窝用户通信资源的D2D对用户的干扰矩阵IM×N。
(2) 循环遍历干扰矩阵IN×M，到该矩阵的最小干扰值若满足则到矩阵IM×N中的Im,n，且需满足从资源块集合K中挑选一个资源块k给蜂窝用户CUm和用户对D2Dn使用。否则再次遍历矩阵IN×M，到次最小值以及满足干扰关系的行列。
(3) 把资源块k从集合K中删除，将干扰矩阵IN×M中的第n行和第m列的干扰值全部设置为∞，表示第n对D2D对用户及第m个蜂窝用户不再参与资源分配。
(4) 循环执行步骤(2，3)，直到不到满足关系式和的和Im,n时终止循环。
(5) 若未分配通信资源的蜂窝用户数不为0，则将集合K中的资源块分配给这些蜂窝用户，直到未分配蜂窝用户数为0，再对D2D用户进行专用通信资源分配。
(6) 给D2D对用户分配专用通信资源，只需到干扰矩阵IN×M中的最小值然后直接给D2D对用户分配专用通信资源块k*。
(7) 将资源块k*从集合K中删除，把干扰矩阵IN×M中的n*行m*列干扰值全部置为∞，表示第n*对D2D对用户不再参与专用通信资源的分配。
(8) 循环执行步骤(6，7)，直到通信集合K为空集，结束循环。
算法执行完毕，所有的蜂窝用户都分配到通信资源，部分D2D对用户分配到复用通信资源或专用通信资源，复用相同通信资源对蜂窝用户造成干扰较大的D2D对用户不被允许接入通信系统。
表1 系统仿真参数Tab.1 System simulation parameters参 数数 值小区半径/m500系统总带宽/MHz10路径损耗模型/dB128.1+37.6lgd噪声功率谱密度/(dBm·Hz-1)-174D2D对用户的SINR阈值/dB-10蜂窝用户的SINR阈值/dB-7.2D2D对用户之间最大距离/m50仿真次数10 00
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