基于D2D中繼的異構網絡負載均衡策略

陳卓　曹洋　江濤

提出了一種基于設備間數據直傳（D2D）中繼的異構網絡負載均衡策略，通過設備之間的直接數據傳輸，將滿載大基站的數據分流到其覆蓋范圍內的空閑小基站中。具體提出了頻譜資源和發射功率的聯合資源分配算法，深入研究了在異構網絡中利用D2D通信進行數據中繼的傳輸速率最大化問題。仿真結果顯示，提出的方法在保證原有用戶的通信性能的前提下，增加了系統的可接入用戶數和總體吞吐率，從而提升了自組織異構網絡的整體性能。

自組織異構網絡；設備間數據直傳中繼；負載均衡；資源分配

隨著智能設備逐步普及，用戶發起的服務請求數量以及用戶對服務質量（QoS）的需求呈爆炸式增長，如何在現有網絡架構基礎上提升網絡整體服務性能，在滿足用戶服務質量的前提下盡可能接入更多用戶，正成為無線網絡目前面臨的最大難題[1]。因此，下一代移動通信網絡（5G）需具備靈活的資源分配機制使得更多用戶同時接入網絡。

目前已有解決方案是跟據頻譜復用原理提出的自組織異構網絡[2]以及認知無線電（CR）[3-4]等方法。自組織異構網絡是指在高性能基站（MBS）服務宏小區（Macrocell）的基礎上，通過架設一定數量、覆蓋范圍有限、由低成本小基站（FBS）服務的自組織微小區（Femtocell）來復用宏小區頻段。自組織即指各微小區通過自行決定服務范圍內無線用戶使用的頻譜資源以及發射功率，將用戶之間的干擾控制在可接受范圍內，以提高頻譜利用率、復用率以及提升整個系統的容量。但是當MBS滿載時，盡管有一部分空閑微小區可供服務，那些處于微小區通信范圍之外的宏小區用戶（MU）仍然無法接入網絡。

設備間數據直傳（D2D）為同一小區內近距離數據傳輸提供了新途徑[5-8]。在D2D模式中，數據在同一小區內的傳輸不通過基站進行中轉，而是在基站參與監控下，直接由發送端向接收端進行傳輸，減少了網絡中基站處數據流量以及服務負擔。D2D通信的近距離直傳特性，使得其通信性能具有以下特點[9]：

（1）低網絡復雜度、低通信延時?；诮嚯x的D2D模式使用單跳直傳方式進行數據收發，相比傳統模式，路由的簡化極大降低了網絡復雜度，通信延時得到控制。

（2）高信道增益、低功率消耗。近距離通信帶來的低鏈路損耗和高信道增益，使得用戶可以使用更低的發射功率就可以保證數據在接收端達到和傳統模式相同的信噪比。低功率消耗使得大多數電池驅動的移動設備使用壽命得到延長。

（3）高傳輸速率、高系統容量。高信道增益特點使得D2D通信能以較高的通信速率進行數據傳輸，整個系統容量較傳統模式得到提升。

（4）高頻譜效率、高頻譜復用系數。通過調節D2D用戶發射功率及使用頻段，可有效地將D2D模式帶來的干擾控制在一定范圍內，為頻譜資源的空間復用提供了可行的解決方案，有效提升了頻譜利用率以及復用系數。

（5）提升網絡邊緣用戶體驗質量（QoE）。網絡邊緣用戶通過D2D通信，將數據中繼到距離基站更近的用戶，通過該用戶進行數據中繼以提升自身QoE。

針對現有研究工作中普遍存在的宏小區和微小區負載不均衡問題，在文獻[10]的基礎上，本文提出了一種基于D2D中繼的異構網絡負載均衡策略，設計了相應的頻譜資源調度以及用戶發射功率控制的算法。通過聯合資源分配，在滿足宏小區以及微小區用戶通信要求基礎上，利用D2D通信，將滿載MBS無法提供服務但處于微小區外側MU的數據中繼到其鄰近的仍有空閑頻譜資源的微小區中，使其以最大傳輸速率完成數據傳輸，提升系統容量。

1 基于D2D中繼的異構

網絡結構

1.1 網絡模型

本文提出的基于D2D中繼的異構網絡結構如圖1所示。異構網絡中宏小區通信、微小區通信、D2D通信3種通信模式共存，宏小區和微小區內用戶均工作在正交頻分多址接入（OFDMA）模式下。由于同一小區內用戶使用正交信道，相互之間無干擾。在距離MBS等長的宏小區邊緣均勻分布著[N]個通過復用宏小區部分頻段進行通信的微小區。每個微小區可復用的頻譜資源集合在系統最初始配置完后保持不變。微小區定時向宏小區上傳其當前頻譜資源使用情況。MBS以列表形式將頻譜使用信息進行保存，并根據微小區定時上傳的內容對該列表進行更新。

由于MBS以及FBS抗干擾能力優于移動設備，為減少D2D用戶在通信過程中給整個系統帶來的干擾，D2D通信使用上行鏈路進行數據傳輸[11]。因此，只有工作在上行鏈路的接收方（即MBS和FBS）以及D2D對中信號接收方會受到相應干擾。

明顯地，在圖1的網絡模型中，在任意頻段上，共計有MU與宏基MBS之間的通信，微小區用戶與FBS之間的通信，D2D對之間的通信，微小區當中的中繼節點與FBS之間的通信4種通信方式，以及4種通信方式相互之間的干擾。

1.2 無線傳播模型

本文考慮了包括路徑損耗、穿透損耗、陰影衰落在內的3個方面的因素來綜合計算數據在異構網絡內傳輸過程中的傳輸損耗[12]。

基于傳輸距離[d]的路徑損耗，具體來說，包括以下幾種情況：

對于宏小區和微小區，計算用戶向與之對應的小區基站數據傳輸的性能時，其路徑損耗表達式為：

[L（d）（dB）=127+30lg（d）][ ]

對于宏小區和微小區，考慮用戶和與之不對應的小區基站之間的干擾信號的傳輸性能時，其路徑損耗表達式為：

[L（d）（dB）=128.1+37.6lg（d）][]

對于D2D用戶，其路徑損耗表達式為：

[L（d）（dB）=148+40lg（d）][ ]

穿透損耗：數據在傳輸過程中每穿過一層建筑，其穿透損耗為20 dB。本文假設MU與MBS之間無建筑阻隔，與FBS有一層建筑阻隔；微小區用戶與對應FBS無建筑阻隔，與不對應FBS有兩層建筑阻隔；D2D對之間無建筑阻隔。處于宏小區的D2D用戶與FBS以及中繼用戶（不管是否服務于它）之間有1層建筑阻隔。

陰影衰落：陰影衰落模型本文采用常用的對數正態陰影衰落過程。取值為均值為0，方差為[σ=8 dB]的隨機變量。

2 聯合資源分配

聯合資源分配包括傳輸頻段的分配以及發射功率的選擇，目的是為了獲得一組對應的傳輸頻段以及發射功率能夠使宏用戶B傳輸速率最大化[13-16]。為方便說明問題，我們記：多個微小區與宏小區可同時使用某一頻段進行數據傳輸。在宏小區當中，有[M]個可用頻段，每個頻段記為[RB（r）（1≤r≤M）]。MBS滿載時，[M]個頻段被[M]個MU占用，記為[m（1≤m≤M）]。[Fn]個微小區傳統用戶以及[Nr]對D2D通信用戶同時工作在頻段[RBr]上，總數為[Fr]。任意微小區[f]含有[Ff]個可用頻段，在其通信半徑[RF]內[Lf]個用戶正處于通信狀態，每個用戶記為[l（1≤l≤Lf）]，未被使用頻段集合記為[Uf]。在頻譜[RBr]上，MU發射功率記為[Pm]，[Fr]個微小區用戶對應發射功率記為[Pf]（涉及多個微小區和用戶時使用[k]，[i]等來進行標記區分）。[N0]表示在單個[RBr]頻帶寬度下所對應的高斯白噪聲強度。[hri，j]表示在用戶[i]利用頻譜[RBr]向用戶[j]進行數據傳輸時獲得的總的信道增益。

優化目標：當宏用戶B向系統發起用戶服務請求時，求出其數據傳輸應使用的頻段以及發射功率，使得宏用戶B的傳輸速率最大，即：

式中：[γmaxC]表示用戶C接收信號信噪比的最大值，[γmaxFBS]為對應頻段下FBS接收信號信噪比的值。[BRB]為每個[RBr]所對應的頻譜帶寬。

當頻段[RBr]被一個MU（圖中用戶A）和[Fr]個微小區共享時，即該頻段上存在同時通信時，對應的MBS、FBS及D2D接收用戶能在該頻段上進行通信時需滿足的約束條件如下：

（1）任意頻段[RBr]上，接收用戶的信噪比大于其門限值，即：

[γrMBS，m=Pmhrm，MBSN0+f∈[1，Fr]Pfhrf，MBS≥γthMBS] （2a）

（2）任意一個用戶發射功率不大于其最大發射功率[P0]，即：

[Pf≤P0] （3）

當用戶B向MBS發起包含位置信息的服務請求后，MBS檢查自身狀態，當其處于滿負荷狀態或者提供的服務性能不能滿足用戶B的需求時，MBS查找微小區頻譜資源使用情況列表，按照下面的步驟建立D2D中繼傳輸：

（1）確定中繼用戶C：MBS找到與用戶B距離最近且仍有空閑頻段的微小區[f]，向該小區下傳用戶B當前信息。該微小區根據用戶B的信息，得到其內部與用戶B具有最大鏈路增益的中繼用戶（圖中用戶C，簡單取為距離用戶B最近的空閑用戶）。

（2）確定用戶B和用戶C的最低發射功率：微小區[f]在確定用戶C之后，結合已獲知的用戶B的信息（包括位置以及服務速率請求等信息），分別根據用戶C以及對應的微小區[f]的服務性能，求得用戶B以及用戶C在集合[Uf]中對應各頻譜資源上所需的最低發射功率。微小區[f]將求得的最低發射功率以及用戶C的信息上傳至宏小區。

（3）MBS向目前正在使用集合[Uf]中各頻段上進行通信的所有微小區下傳用戶B和用戶C的信息。各微小區結合自身用戶情況，在干擾可接受范圍內，求出在集合[Uf]中各頻段上所能允許用戶B和用戶C的最大發射功率，并上傳至宏小區。

（4）宏小區計算用戶B和用戶C的最終發射功率。在集合[Uf]中頻段[RBr]上，MBS取步驟（3）中各微小區求取結果的最小值，若兩者均大于步驟（2）中求取對應值，則將用戶B的取值記為可用功率。宏小區求出各可用功率的最大值，作為用戶B的最終發射功率，得到對應頻段，并求得用戶C在該頻段下的最終發射功率；否則，拒絕用戶B的服務請求。

（5）MBS將用戶B的最終發射功率、使用頻段連同中繼用戶C的信息，發送至用戶B；將用戶C的最終發射功率和頻段通過微小區[f]轉發給用戶C。用戶B與用戶C在獲取相關信息后建立起D2D通信，開始數據傳輸。

按照D2D通信模式建立過程，主要的功率計算分布到了各微小區中，并且所有微小區知曉其覆蓋范圍內所有處于D2D模式的用戶對的信息。

2.1 計算宏用戶B的最小發射功率

對于用戶C與微小區[f]中的FBSf，當用戶B未接入時，兩者在[Uf]集合中頻段[RBr]上所收到的信號的強度[SrC]和[SrFBSf]分別表示為：

[SrC=N0+Pmhrm，C+f∈[1，Ff]Pfhrf，C] （4a）

[SrFBSf=N0+Pmhrm，FBSf+f∈[1，Ff]Pfhrf，FBSf]（4b）

當用戶B以D2D模式接入微小區[f]時，用戶C和對應的FBSf分別收到用戶B和用戶C的信號的信噪比公式為：

[γrC，B=PBhrB，CSrC≥γthC] （5a）

[γrFBSf，C=PChrC，FBSfSrFBSf≥γthFBSf] （5b）

式中：[γthC]和[γthFBSf]分別對應于對用戶C以及FBSf處對接收信號信噪比的最低要求。當公式（5a）和（5b）兩邊取等時，即可得到用戶B和用戶C所需的最小發射功率：

[PrBmin=γthCSrChrB，C] （6a）

[PrCmin=γthBSSrFBSfhrC，FBSf] （6b）

2.2 計算宏用戶B的最大發射功率

在用戶B向宏小區申請接入、但服務質量無法滿足的情況下，其切換至D2D通信模式，將數據中繼到鄰近微小區[f]中進行通信。此時，原有的用戶的信噪比由于中繼的引入變成如下兩個階段。其中用戶C選取為與用戶B具有最大鏈路增益的中繼用戶（圖中用戶C，簡單取為距離用戶B最近的空閑用戶）。

第一階段，宏小區用戶B向微小區用戶C進行中繼通信：

第二階段，微小區用戶C向FBSf進行數據傳輸：

用戶B在向MBS發送接入請求時，公式（2a）—公式（2c）式當中的[γrMBS]，[γri]，[γrFBSk]均為已知值，將其與公式（8a）—公式（9c）式結合，可得到用戶B以及用戶C在頻段[RBr]上的最大發射功率如下：

2.3 計算宏用戶B的傳輸速率

對于頻段[RBr]，如果[PrBmax≥PrBmin]且[PrCmax≥PrCmin]，則該頻段可用。本文中選取各可用頻段下用戶B的功率的最大值作為用戶B最終最大發射功率，同時得到其對應頻段[RBr]，求得用戶C在該頻段下的最大發射功率，即：

[PBmax=maxPrBmax r∈Uf] （12a）

[R=argr max（PrBmax）] （12b）

[PCmax=PRCmax] （12c）

在求得[PBmax]、[R]、[PCmax]后，MBS將用戶B的最終最大發射功率、使用頻段連同中繼用戶C的信息，發送至用戶B；將用戶C的最終最大發射功率和頻段通過微小區[f]轉發給用戶C。用戶B與C在獲取相關信息后建立D2D通信鏈接，開始數據傳輸。

最終用戶B在整個階段的傳輸速率為用戶B和用戶C對應傳輸速率較小值。

3 仿真結果及性能分析

本文通過仿真測試了在OFDMA通信模式下基于D2D中繼的異構網絡負載均衡策略。實驗中，宏小區通信半徑為250 m，MBS處于宏小區中心。在距離MBS 180 m處的宏小區邊緣均勻分布著6個通信半徑[RF]為20 m的微小區，各微小區之間的距離為180 m，FBS處于微小區中心。仿真實驗中，各微小區復用的宏小區內的頻段相同，并且各微小區可用頻段總數[F]取值為40，即最多能同時容納40個用戶進行通信。我們假設宏小區內均勻分布著600個用戶，各微小區中均勻分布著40個用戶。D2D通信半徑最大為10 m。宏、微小區、D2D用戶額定功率為23 dBm。MBS、FBS處噪聲強度為5 dB，D2D接收方處噪聲強度為7 dB，信噪比門限值取為-2.5 dB[16]。

為方便分析，本文取微小區中可用頻段數占微小區總頻段數的比例為微小區的忙閑比，各微小區具有相同的忙閑比。

仿真實驗中，宏小區處于滿載狀態，微小區復用的40個頻段均被MU占用。本文考察了不同忙閑比下對應的異構網絡的總體性能，仿真結果為程序運行1 000次取的平均值。本文考慮了如下兩個場景進行對比：場景（1）：只含有宏小區與微小區兩種通信模式的異構網絡，簡記為傳統模式；場景（2）：含有D2D中繼的宏小區通信、微小區通信以及D2D通信的3種模式共存的異構網絡，簡記為D2D模式。

3.1 微小區忙閑比對系統可接入用戶

數量的影響

圖2分別表示了D2D模式增加的用戶數、傳統模式下的用戶數以及D2D模式下的用戶數隨微小區忙閑比從0.1到0.9的變化趨勢。我們可以得出以下結論：

（1）相比于傳統模式，D2D模式由于引入了中繼，擴大了微小區的覆蓋范圍，使系統可接入更多的用戶。

（2）D2D模式增加的用戶數與微小區的忙閑比近似成反比，即MU在其D2D通信范圍內是否存在未滿載的及空閑的微小區用戶是決定能否構成D2D中繼傳輸的主要因素。

3.2 微小區忙閑比對系統總吞吐率

的影響

圖3表示相比于傳統模式，D2D模式系統總吞吐率增長的百分比隨著微小區用戶忙閑變化的趨勢。我們可以得出以下結論：

（1）相比于傳統模式，D2D模式在保證傳統模式原有用戶的通信需求基礎上，允許更多MU接入的基礎上，增加了系統的總體吞吐率，提升了系統的總體性能；

（2）當微小區的忙閑比較低時，D2D模式的引入可以較大地提升系統的總體吞吐率。當微小區用戶忙閑比接近0.1時，D2D模式可以增105%的系統吞吐率；

（3）隨著微小區忙閑比提高，更多的用戶接入網絡，相互干擾增加，導致D2D模式帶來的吞吐率增長率下降較快。當微小區的忙閑比為0.5時，D2D模式帶來了8%的吞吐率的增長，0.7時則降為5%，之后趨于平緩。

4 結束語

本文提出了一種基于D2D中繼的異構網絡均衡策略，設計了相應的頻譜資源的調度以及用戶發射功率的控制算法，通過聯合資源分配，將因MBS滿載而無法得到服務的MU數據中繼到其鄰近空閑微小區中以其最大速率傳輸，在保證原有用戶通信性能的前提下，增加了系統能容納的用戶總量和系統的吞吐率，當系統忙閑比較低時系統總吞吐率的提升可達105%。當各微小區之間使用的頻譜資源不完全重復時，由于微小區之間的干擾得到進一步的緩解，系統的整體性能可得到更多提升。在本文提出的頻譜資源和發射功率的聯合資源分配算法中，關于微小區內中繼用戶的選擇以及MBS對FBS的數據分流貢獻、FBS對中繼用戶轉發貢獻等方面的回饋的問題還有待進一步研究。

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