文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.024
中文引用格式： 余翔，張海波，柯文韜. 密集D2D網絡中提升接入率的資源分配研究[J].電子技術應用，2017，43(3)：96-99，103.
英文引用格式： Yu Xiang，Zhang Haibo，Ke Wentao. Research on resource allocation for enhancing access rate in dense D2D networks[J].Application of Electronic Technique，2017，43(3)：96-99，103.
0 引言
終端直通（Device-to-Device）技術是通過復用蜂窩用戶的資源進行近距離通信的一種通信方式，該技術有效地提高了頻譜效率和系統(tǒng)吞吐量。D2D通信時不經過基站的中繼便實現彼此間的直接通信， 因此有效地減輕了基站的處理負擔。D2D通信受基站控制，并工作在許可的頻段下，從而擁有穩(wěn)定的通信環(huán)境。
隨著車聯(lián)網、物聯(lián)網等網絡的不斷發(fā)展，未來近距離通信需求量將越來越大，越來越多的通訊將劃入直通通信領域，因此，如何增大系統(tǒng)的接入率是目前急需解決的問題。文獻[1]提出了一種基于分布式高校招生博弈的多標準分配方案，D2D鏈路通過相互競爭進行資源分配。文獻[2]提出了基于干擾對齊技術的方案來降低D2D用戶對蜂窩網絡的影響。以上方案可以有效協(xié)調稀疏D2D蜂窩網絡中蜂窩用戶與D2D用戶之間的干擾，但是不適用于高密度D2D蜂窩網絡中。文獻[3]提出了一種基于博弈論的D2D資源分配算法。首先構造基于最小化系統(tǒng)整體干擾的非合作博弈效用函數， 同時考慮了系統(tǒng)中D2D用戶之間的干擾以及D2D用戶與蜂窩用戶之間的干擾，以干擾量的總和作為博弈結局的判定條件。但是該方法采用的競爭博弈思想，當D2D用戶足夠多時，可能在達到納什均衡狀態(tài)之前，D2D用戶對蜂窩用戶的干擾就已經超出了基站所能容忍的范圍。文獻[4]將小區(qū)邊緣地區(qū)劃分為若干個區(qū)域， 并定義了3種區(qū)域劃分方式，對稱區(qū)域所在D2D用戶可同時共享同一蜂窩用戶的頻譜資源。但是將小區(qū)邊緣分為若干個區(qū)域的實現也較為復雜。
針對以上存在的缺陷，本文采用多對一的D2D傳輸模式，即多個D2D對能同時復用同一個蜂窩用戶的資源，提出一種以最大化接入率為目的的資源分配算法，所有的蜂窩信道在基站的管理下，根據限制條件不斷接入最適合接入該信道的D2D用戶，然后使用拉格朗日算法求出最大吞吐量的功率解，直到最終沒有任何一條D2D鏈路滿足接入條件或者系統(tǒng)內所有D2D用戶接入完畢為止。此時，說明信道已達到最大負載狀態(tài)。
1 系統(tǒng)場景
如圖1所示，終端直通鏈路如圖中的D2D，蜂窩鏈路如圖中的CU，D2D鏈路通過復用蜂窩信道進行通信，取其中一條復用對為例，T_x表示D2D發(fā)射端，R_x表示D2D接收端，干擾情況如圖所示。假定在一個小區(qū)中存在M個蜂窩用戶和N條D2D鏈路對，D2D鏈路通過復用蜂窩用戶的上行信道進行通信。蜂窩用戶的集合為C={ci|i=1，2，3，…，M}，D2D鏈路的集合為D={dj|j=1，2，3，…，N}。由于基站的抗干擾能力比終端強，所以，規(guī)定D2D用戶復用蜂窩上行信道，則D2D鏈路對蜂窩用戶的干擾主要集中于基站端。為了保護蜂窩用戶，設置以基站為中心、半徑為R的區(qū)域為D2D限制區(qū)域[4]，即所有D2D通信均不得在此區(qū)域內進行，對于該區(qū)域內的D2D對只能以蜂窩模式接入網絡。
2 數據分析
以RB表示蜂窩信道，Φ表示空集，定義3個集合Qi、Ri、U，其中，Qi表示已經接入RBi的D2D集合，Ri表示滿足接入RBi條件的D2D集合，U表示還未接入網絡的D2D集合。規(guī)定初始態(tài)時Ri=Qi=Φ，本文通過信干比以及功率的門限條件求解集合Ri，然后從Ri選取信道增益最優(yōu)的D2D鏈路接入RBi，同時使用拉格朗日乘數法求出最優(yōu)功率解，計算出接入增益。當出現其他蜂窩信道競爭該D2D鏈路時，則通過競爭過程將此D2D鏈路接入一條能為系統(tǒng)帶來最大復用增益的蜂窩信道中。直到蜂窩信道RBi上的干擾已經無法容忍其他的接入者接入為止，如此，則蜂窩信道RBi達到最大負載狀態(tài)[5]。
即所有當前接入RBi的D2D發(fā)射端都不可以對此用戶的接收端構成不可容忍的干擾，同時，該用戶也不可以對當前已經接入RBi的D2D用戶構成不可容忍的干擾,且該用戶必須是當前未被接入網絡的用戶，以及該用戶與蜂窩用戶CUi功率對存在可行域[6]。使用拉格朗日乘數法求出集合Ri內所有用戶接入增益，選擇接入增益最大的一個D2D對接入信道RBi。根據香農公式，RBi中總信道容量為：
對于式(3)，若要求出其最大化值，可以通過拉格朗日算法加以求解，構造拉格朗日方程如下：
由于系統(tǒng)中統(tǒng)一由蜂窩用戶自行選擇接入者，可能存在一個D2D用戶被多條蜂窩信道競爭的情況，因此，此處存在一個資源競爭過程，若假設有w個參與者，則收益模型如下：
對于某一條D2Dl鏈路，其接入蜂窩信道RBi的接入增益可以表示為：
在競爭過程中所有競爭者統(tǒng)一出價，如果RBi出價所得的收益比其他競爭者都高，則D2Dl接入RBi信道，否則，將由其他出價最高者獲得該D2D鏈路，而RBi返回重新更新Ri，重新選取最優(yōu)D2D鏈路接入，隨著接入D2D數目的不斷增多，引入的同頻干擾也在逐步增大，直到Ri為空集或者所有用戶均已無法滿足以下條件為止：
此時，說明信道RBi上已經達到最大接入狀態(tài)。算法流程如圖3所示。
3 仿真分析
本文使用LTE蜂窩模型，在LTE-FDD單小區(qū)蜂窩系統(tǒng)中作系統(tǒng)級仿真[7]，所有的D2D用戶均復用蜂窩上行信道進行通信，具體仿真參數見表1。
由圖4可以看出KM匹配算法[8]只能適用于稀疏D2D網絡，當系統(tǒng)中D2D用戶數N大于蜂窩用戶數目M時，最終只有M個D2D鏈路可以通過匹配接入網絡，而本文算法以及文獻[9]的基于博弈論的D2D資源分配算法可以使更多的D2D用戶接入網絡，且隨著D2D數目增多，本文算法比博弈論具有一定的優(yōu)勢。圖5反映的是D2D鏈路對的空間距離與接入率的關系，當D2D對的空間距離達到一定程度時，D2D對的信道增益將非常小，直到最終沒有達到信干比要求的功率解，則D2D接入率降為零，而D2D通信距離一般選擇40~80 m距離，由圖中可見在該區(qū)間內本文算法較前面兩種算法有一定優(yōu)越性。圖6反映的是系統(tǒng)吞吐量的累計分布狀況，系統(tǒng)接入率的增大將引入更大的復用增益[10]。
4 結束語
D2D通信是一種復用蜂窩資源進行通信的近距離數據傳輸技術，在蜂窩網中引入D2D通信可以提高系統(tǒng)吞吐量以及頻譜資源利用率[11，12]。隨著物聯(lián)網的發(fā)展，傳統(tǒng)的蜂窩模式頻譜資源利用率較低，D2D通信可以很好地解決頻譜稀缺的問題[13]。本文針對密集D2D網絡中提升D2D接入率的問題，提出一種信道負載最大化(Channel load maximization)接入的資源分配方法。經仿真驗證，該算法相比傳統(tǒng)資源分配算法擁有更高的D2D接入率，而且隨著D2D密集程度的增大，該算法的優(yōu)勢愈加明顯。
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作者信息:
余 翔，張海波，柯文韜
（重慶郵電大學 通信學院，重慶400065）