終端直通技術(shù)中通信系統(tǒng)模式的研究

蘆 旭，郭 偉，楊 瑩

（①中國科學(xué)院國家授時中心，陜西 西安 710600；②中國科學(xué)院研究生院，北京 100039）

0 引言

隨著移動通信的發(fā)展，用戶通信需求的不斷增加，5 GHz以下的帶寬分配已經(jīng)十分擁擠，預(yù)計到2020年，無線通信的帶寬需求將在1 200 MHz到1 700 MHz之間，分配的帶寬資源已滿足不了無線通信發(fā)展的需求。新一代移動通信迫切需要新新技術(shù)能夠在不增加頻譜資源要求的前提下提高通信速率[1]。為突破頻譜資源對通信系統(tǒng)的束縛，這篇文章面向IMT-Advance[2]后續(xù)演進，研究終端間直通技術(shù)。D2D通信可以與小區(qū)用戶共享資源來提高頻譜[3]的利用率。此外，它還能減輕蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)、減少移動終端的電池功耗、增加比特速率、提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施故障的魯棒性等，還能支持新型的小范圍點對點數(shù)據(jù)服務(wù)。

D2D技術(shù)相比于傳統(tǒng)的蜂窩通信模式不需要通過基站中轉(zhuǎn)，因此減少了和基站通信的負擔(dān)，并節(jié)省了所占用的通信資源，D2D用戶還可以與蜂窩網(wǎng)用戶使用相同的頻譜資源，使得通信速率和頻譜效率獲得大幅提高。基于D2D技術(shù)，終端輔助的協(xié)作中繼通信，能進一步提高通信的質(zhì)量。因此，對于D2D技術(shù)的研究能大幅提高通信的效率。這對于通信技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義，也為中國通信產(chǎn)業(yè)在國際上的地位奠定堅實基礎(chǔ)[4]。

1 D2D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1研究小區(qū)內(nèi)D2D方案，考慮只有1個小區(qū)的情況，D2D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，小區(qū)中心基站（BS，Base Station），小區(qū)內(nèi)的用戶（UE，User Equipment）。UE1是與蜂窩基站通信的用戶，UE2和UE3組成一條D2D鏈路，他們可以在基站的協(xié)調(diào)下直接通信。D2D與蜂窩網(wǎng)用戶使了相同的網(wǎng)絡(luò)資源。

圖1 D2D通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在D2D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，選擇不同的模式，并研究各個模式下的系統(tǒng)性能表現(xiàn)，最終確立一種最優(yōu)的模式，并進行的大量仿真工作將驗證提出的模式選擇機制。

2 D2D系統(tǒng)可選擇的模式

從資源分配和信道條件等角度，制定不同的模式選擇機制，這篇文章研究具體包括：①D2D通信中所使用的頻譜資源，可來自自己專用、與蜂窩通信復(fù)用等不同方式。從資源復(fù)用的角度出發(fā)，為D2D與蜂窩通信混合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造優(yōu)化的資源分配模式；②通信設(shè)備選擇蜂窩模式或是D2D模式，2種模式如何進行切換、效率如何等是此文需要解決的問題[5]；③需要制定高效的模式優(yōu)化算法，以滿足無線通信系統(tǒng)高性能高速度的要求。

3 實施方案及可行性

在通信系統(tǒng)中，采用蜂窩與D2D這2種工作模式[6]，無疑需要極為復(fù)雜的算法支持。從頻譜資源、功率控制等角度，可以考慮不同的通信模式，從而保證通信效率。在圖1這樣一個單小區(qū)的通信系統(tǒng)中，設(shè)備UE1和UE2采用D2D模式工作，另一個設(shè)備UE3用小區(qū)網(wǎng)絡(luò)通信。基站內(nèi)擁有用來為D2D用戶和小區(qū)用戶提供最佳的資源分配的頻率狀態(tài)信息。為了使期望吞吐量最大化，這些信息還起到協(xié)調(diào)傳輸功率的作用。圖2展示了設(shè)備與基站、設(shè)備與設(shè)備之間的信干連接[7]。

3.1 單小區(qū)的最佳模式選擇算法

從資源分配的角度考慮，D2D通信模式可分為2種：①在D2D由基站通信，并共享了一半的資源。此時的模式是蜂窩模式；②在D2D直接通信的時候，與小區(qū)通信共享同一資源。此時的模式是復(fù)用模式。

D2D通信共享了小區(qū)通信的資源，通過為小區(qū)鏈路和D2D鏈路優(yōu)化傳輸功率提升系統(tǒng)的運行狀態(tài)。文獻[3]給出了通過D2D復(fù)用蜂窩上行鏈路資源時，最優(yōu)的模式選擇仿真結(jié)果。當(dāng)小區(qū)用戶和D2D用戶接近時，會引起強烈的干擾，此時D2D模式最適宜。當(dāng)小區(qū)用戶靠近小區(qū)邊界時就不可以用D2D模式通信了。

文獻[3]同時對小區(qū)通信和D2D通信的總比率進行了分析。當(dāng)進行D2D 通信的設(shè)備距離基站較遠時，選擇復(fù)用小區(qū)資源對它來說更好，因為此時基站和D2D 通信設(shè)備之間的干擾很小。當(dāng)D2D 通信設(shè)備離基站較近時，當(dāng)UE2 的匹配D2D用戶隨機分布在以距離為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)，距離很小時復(fù)用資源會帶來總比率增益。對于一個短D2D 鏈路來說，D2D 的傳輸功率就很小，這樣可以提升小區(qū)通信的品質(zhì)[8]。

圖2 設(shè)備與基站，設(shè)備與設(shè)備之間的通信鏈接

3.2 考慮進干擾狀況和可用的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的模式選擇

在大多數(shù)情況下，基站會根據(jù)D2D通信設(shè)備的傳輸功率限制和D2D用戶使用D2D模式時所用的資源，對基站進行排序。當(dāng)D2D通信設(shè)備接受了專用資源時傳輸功率會相對高，因為沒有小區(qū)內(nèi)的通信被干擾。允許的最大D2D傳輸功率也不一樣，這取決于直接通信模式中選擇了上行鏈路還是下行鏈路。在大多數(shù)情況下下行鏈路中的D2D傳輸會比上行鏈路的低。在單小區(qū)的模式選擇中發(fā)現(xiàn)，簡單的就給D2D設(shè)備分配D2D資源不能有效的開發(fā)潛在的比率增益；另一方面，總是復(fù)用小區(qū)資源會導(dǎo)致小區(qū)和D2D用戶的斷供。因此，理想的選擇算法應(yīng)該考慮進D2D鏈路的品質(zhì)，來自和傳向小區(qū)用戶的干擾以及D2D通信時小區(qū)鏈路的連接品質(zhì)。表1{4}就給出了不同模式下小區(qū)和D2D的平均吞吐量。

表1 小區(qū)和D2D 在推薦的選擇模式下的平均吞吐量

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，D2D 通信對卸載本地的網(wǎng)絡(luò)負載很有幫助。強迫所有的D2D 終端去和小區(qū)通信復(fù)用相同的資源這種簡單的模式選擇策略，得到了一個較高的小區(qū)吞吐量，但是D2D 通信終端中51%的都是接近零吞吐量。若用為所有的指定D2D用戶分配指定的資源的方法來代替這種方法的話，仍然有37%的D2D 對的吞吐量接近零。因為推薦的算法，吞吐量低于100 kb/s的D2D對的數(shù)量會降低到17%。這里D2D對之間的距離可以高于50 m。文獻[3]給出的結(jié)論提到:在上行鏈路里,除了距離限制UE傳輸功率的基站很近的情況外,重用小區(qū)資源是占優(yōu)勢的.同理在下行鏈路離基站很近時,不重用小區(qū)資源，但是更多的會選擇D2D模式。結(jié)果顯示,這個模式選擇算法確保了一個在對小區(qū)網(wǎng)絡(luò)有有限干擾下的可靠的D2D通信。

分析結(jié)果表明，選擇通信模式的算法需要進行精心設(shè)計，以防止系統(tǒng)性能惡化。根據(jù)研究結(jié)果，影響D2D工作狀況的主要因素是本地通信的概率，通信設(shè)備間的最大距離，還有所選擇的模式[9]。由于支持D2D通信的系統(tǒng)中，最棘手的問題之一是通信設(shè)備究竟應(yīng)該選擇蜂窩模式還是直通模式，而其目標(biāo)是使系統(tǒng)具有最優(yōu)的性能[10]，所以對不同通信模式下的系統(tǒng)性能仿真是及其必要的。考慮2種不同的模式選擇標(biāo)準(zhǔn)：①蜂窩模式: 所有設(shè)備處于蜂窩通信模式；②D2D模式: 所有設(shè)備選擇D2D通信模式。

圖3是D2D通信系統(tǒng)中2個用戶之間的距離為5 m時，蜂窩系統(tǒng)和D2D系統(tǒng)的容量分布曲線。通過仿真可以看出，當(dāng)兩用戶之間的距離較近時，直通模式能夠用于用戶通信的容量均優(yōu)于蜂窩通信模式。

圖3 不同模式下以D2D為底層的通信系統(tǒng)容量分布

4 結(jié)語

綜上所述得出的結(jié)論是在D2D通信系統(tǒng)中對于短距離通信選擇直通模式能滿足無線通信系統(tǒng)高性能高速度的要求。但是在遠距離通信上直通模式的性能是否能夠滿足通信系統(tǒng)的要求還有待于進一步的研究。

[1] 崔鵬，陳力.D2D 技術(shù)在LTE- A系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信科技,2011(02):1-3.

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[10] ZULHASNINE M, HUANG Changcheng, SRINIVASAN.Efficient Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying LTE Network[C].USA:IEEE,2010：2-3.