D2D通信資源調度研究現狀綜述

文 凱，盧彥博，夏 威，范文倩

(1.重慶郵電大學 通信新技術應用研究中心，重慶 400065；2.重慶信科設計有限公司，重慶 400065)

D2D通信資源調度研究現狀綜述

文 凱1,2，盧彥博1，夏 威1，范文倩1

(1.重慶郵電大學 通信新技術應用研究中心，重慶 400065；2.重慶信科設計有限公司，重慶 400065)

終端直通技術(D2D)是一種終端在基站控制下直接進行通信而不需要基站轉發的新型通信技術。D2D引入LTE-A蜂窩系統雖然可以帶來吞吐量和頻譜效率的提升，但是也會帶來很大的干擾。綜合近些年來的研究成果，合理的資源調度算法成為降低干擾、提升系統性能的關鍵。首先，描述了D2D通信技術引入LTE-A蜂窩網絡后的系統干擾模型。然后，從模式選擇、資源分配和功率控制3個方面綜述了目前國內外文獻關于資源調度算法的研究成果。

D2D；QoS；吞吐量；模式選擇；資源分配；功率控制

最近幾年，隨著智能手機的大幅度發展，多媒體業務需求急劇的增長，同時根據我國移動通信的發展狀況，在很長的一段時間里，2G、3G、4G甚至5G將同時存在。因此移動通信傳輸速率不足和頻譜資源的稀缺成為目前移動通信面臨的主要挑戰。而終端直通技術(D2D)引入蜂窩系統能夠不僅提高整個系統的吞吐量和頻譜利用率，而且還能極大地提高邊緣用戶的吞吐量以改善服務質量。因此，作為5G通信的候選技術之一的D2D通信技術有著巨大的發展空間。

D2D通信技術可以在不需要通過基站轉發的情況下，實現設備與設備之間的直接通信[1-2]。在這種情況下，D2D技術引入蜂窩小區可以帶來許多的優勢。首先由于D2D用戶之間的距離較近，進行端到端的直接通信，因此D2D通信引入蜂窩小區不僅可以獲得更高的數據傳輸速率，同時還可以降低功耗[3-4]。其次D2D可以復用蜂窩用戶的無線資源進行通信，從而提升頻譜利用率，節省頻譜資源[5]。最后D2D通信可以利用蜂窩小區中廣泛存在的通信終端來擴展網絡的覆蓋范圍，提升邊緣小區的吞吐量[5]。

雖然D2D通信技術引入LTE-A蜂窩小區能帶來如此多的好處，但是D2D通信技術引入蜂窩小區也會帶來新的變化。此時D2D用戶可以分別采用正交模式和復用模式進行通信。為了節省頻譜資源，提高頻譜利用率，一般D2D用戶使用復用方式和蜂窩用戶共享資源。這就必然給整個小區帶來干擾[5]。因此如何降低D2D通信引入小區所帶來的干擾，以最大化蜂窩小區的吞吐量，成為研究的重點。

1 系統模型

假設一個LTE-A蜂窩小區，小區中央配有一個全向的eNodeB。蜂窩小區用戶分為兩類：蜂窩用戶和D2D用戶。當D2D用戶使用正交模式通信時，D2D占有蜂窩小區空閑的RB傳輸信號，不會帶來小區內干擾。當D2D用戶使用復用模式進行通信時，由于D2D用戶和蜂窩用戶占用相同的RB傳輸信號，會帶來嚴重的干擾[6]。此時，系統模型如圖1所示。

圖1 D2D通信在蜂窩小區的干擾模型

在圖1中，D2D用戶復用蜂窩用戶CUi的上行資源進行通信，D2Dj,tx為D2D用戶對的發射端，D2Dj,tx為蜂窩用戶的接收端，D2Dj,tx發送信號給D2Dj,tx接收，CUi發送信號給基站eNodeB進行接收。在這種情況下，CUi的發射信號會對D2Dj,rx產生干擾，由圖1中虛線hi,j表示，D2Dj,tx也會對BS的接收CUi產生干擾，由圖中虛線hj,b表示。為了減小這兩種干擾，必須要合理地給D2D用戶分配資源和功率控制，以提升系統吞吐量、能效、系統公平性等蜂窩小區系統性能。

2 D2D通信

資源分配算法研究的意義在于通過分配和管理無線資源以提高系統吞吐量，提升資源利用效率，進而提升整個蜂窩系統的性能。D2D資源分配主要的研究內容包括模式選擇、功率控制、信道分配等。

2.1 模式選擇

D2D用戶在進行通信時，既可以在基站的控制下直接通信，也可以通過基站轉發進行通信。同時，D2D用戶既可以占用蜂窩系統的空閑資源進行信號傳輸，又可以復用蜂窩用戶的資源傳輸信號。如何根據不同的通信環境進行選擇，以優化系統性能，就是D2D通信過程中需要面臨的模式選擇的問題。

D2D的3種通信模式如下：

1)蜂窩模式：D2D用戶通過基站轉發進行通信，D2D用戶在蜂窩模式下與蜂窩用戶沒有區別。

2)專用模式：D2D用戶在基站的控制下占用蜂窩系統空閑資源進行通信，此時D2D用戶占用的資源與蜂窩用戶的資源相互正交，沒有干擾。

3)復用模式：在基站的控制下，D2D用戶復用蜂窩用戶的資源進行通信。此時，D2D用戶和蜂窩用戶之間會有同頻干擾。

文獻[7]研究了D2D通信引入單小區蜂窩系統時模式選擇問題，提出了蜂窩模式、專用模和復用模式。在蜂窩模式下，蜂窩用戶占用50%的無線資源，D2D發射用戶占用25%的無線資源，D2D接收用戶占用25%的無線資源。在正交模式下，蜂窩用戶和D2D用戶分別占用一半的無線資源進行通信。而在復用模式下，文獻把復用無線資源進一步細分為復用上行資源和復用下行資源，通過計算兩者的最大吞吐量來確定復用上行資源還是復用下行資源。但是文獻[7]作為提出模式選擇問題的初始文獻，只是對模式選擇進行了簡單的研究且場景設計過于簡單，因此通過模式選擇來進一步提高系統性能的策略還有待進一步探討。

文獻[8]分別計算上行鏈路和下行鏈路3種模式的用戶的吞吐量，并選擇使吞吐量最大化的通信模式進行通信。相比于文獻[7]，文獻[8]所提出的模式選擇方法能夠獲得更大的吞吐量。與此同時，文獻[8]還把上述模式選擇的方法推廣到多小區，相比于文獻[7]，場景更貼近實際，有更大的實用價值。

文獻[9]探討了基于隨機過程的D2D用戶的模式選擇和子信道分配問題，相比于文獻[7]和文獻[8]，文獻[9]把子信道分配問題和模式選擇問題聯合優化，并保證用戶的服務質量(QoS)。但是在文獻[9]中，D2D用戶只能選擇蜂窩模式或者專用模式，而對復用模式沒用任何的探討。

文獻[10]把D2D通信網絡中的模式選擇問題引入到D2D中繼網絡中，并提出了6種通信模式。其中3種與文獻[7]一致，其他3種模式分別為：中繼蜂窩模式、中繼專用模式和中繼復用模式。在保證QoS的基礎上，文獻[10]把這6種模式聯合進行優化選擇以最大化系統吞吐量。

文獻[8-10]從不同的角度討論了模式選擇問題，并提出了行之有效的解決方案，但是綜合大部分研究文獻和實際情況來看，D2D用戶在復用模式下的通信是研究的重點。這樣做主要是為了節省頻譜資源，提高頻譜效率。其他兩種模式只有在蜂窩系統有空閑資源時，才有研究的價值。

2.2 資源分配

2.2.1 復用下行資源

LTE-A通信系統中有兩種無線資源：上行鏈路無線資源(上行資源)和下行鏈路無線資源(下行資源)。D2D用戶在選擇復用模式進行通信時，首先面對的是資源復用的選擇問題。

文獻[11]使用頻率復用的方法減少小區間的干擾，使用劃定干擾限制區域的方法減少小區內的干擾。文獻[12]提出了資源分配和資源復用的聯合分配算法，首先使用比例公平算法給蜂窩用戶分配資源，然后使用啟發式的貪婪算法給D2D用戶分配復用資源。文獻[13]提出了一種下行資源分配和下行功率分配的聯合優化方案，在保證蜂窩用戶QoS的情況下，最大化D2D用戶的總效用。對于文獻[11]來說，頻率復用的方法雖然可以減少干擾，但是會造成極大的頻譜資源浪費，在頻譜資源稀缺的現實情況下，此種方法顯然實際使用價值不大。文獻[12]割裂了D2D用戶和蜂窩用戶在資源分配時的聯系，且沒有功率控制方案，因此對系統性能提升作用不大。相比于文獻[11]、[12]，文獻[13]所提算法不僅能夠保證蜂窩用戶的QoS，而且能夠獲得更高的頻譜效率和吞吐量。

但是文獻[11-13]是對蜂窩小區下行資源進行分配，而在實際的LTE-A蜂窩小區中，下行資源使用較為頻繁，且在基站測量和計算復用上行資源時的干擾較為簡單，因此一般D2D用戶復用蜂窩用戶的上行資源進行通信。

2.2.2 基于地理位置信息的資源分配算法

在D2D通信網絡中，D2D用戶在復用模式下，選擇適當的蜂窩用戶并復用資源進行通信。故可以把D2D用戶選擇復用資源的過程，看成D2D用戶和蜂窩用戶的匹配問題。針對此種問題，一些文獻根據用戶的地理位置信息進行D2D用戶和蜂窩用戶的匹配。

文獻[14]為了降低D2D用戶發射信號對BS接收信號的干擾，提出一種基于D2D和BS距離的功率控制策略。為降低D2D接收端所受到的蜂窩用戶發射信號的干擾，提出了干擾限制區域的方法，并根據干擾限制區域的方法選擇復用的蜂窩用戶。

文獻[15]首先在D2D信道分配問題上提出了基于干擾受限區域的信道分配思想。在上行信道復用情況下，通過設置D2D通信的信干比下限，基站在D2D接收端周圍規劃出一個干擾受限區域。干擾受限區域內的蜂窩用戶信道不能分配給這對D2D用戶，否則D2D接收端接收信號的SIR將無法滿足門限要求。

分析上述文獻可以看出，文獻[14]和[15]都是把基站接收功率固定，然后計算出保證蜂窩用戶最小SIR的最小復用距離。但是它們不能保證D2D用戶的QoS，且只是根據距離對蜂窩用戶進行簡單的選擇，干擾水平降低有限。在實際場景下，直接把接收功率看成一個定值是不切實際的。文獻[16]在資源分配算法上與文獻[14]、[15]很相似，只是使用頻率復用的方法把相關資源分配算法推廣到多小區。而且沒有進一步詳細的功率控制方案，系統性能還有進一步提升的潛力。文獻[17]相比于其他文獻保證了D2D用戶的QoS。

2.2.3 保證QoS的資源分配算法

QoS(服務質量)是網絡的一種安全機制，是通信系統中用來解決阻塞和延遲等問題的一種技術。QoS參數包含延遲、丟包率、誤碼率、信干噪比保證和最小速率保證等。所以說，QoS是通信系統中衡量系統性能的一個非常重要的標志。D2D資源分配算法中的QoS保證一般是速率或者是SINR保證。

文獻[18]提出了一種保證蜂窩用戶QoS以及D2D最小傳輸速率條件下的資源分配算法。文獻首先把小區蜂窩用戶資源分成不同的RB組(RBG)，通過計算找出保證蜂窩用戶最小SINR和D2D用戶最小速率的RB數最小的RBG分配給D2D進行復用。但是該文獻僅僅進行了資源分配而沒有進行功率控制，使用功率控制蜂窩系統的吞吐量可以得到進一步的提高。

文獻[19]提出了一種在分別保證蜂窩用戶和D2D用戶QoS的條件下，最小化D2D用戶的發射功率從而提高蜂窩系統的能效的功控方案。文獻根據蜂窩用戶和D2D用戶的最小信噪比以及用戶設備最大發射功率求出了D2D用戶的發射功率取值范圍。然后分別給出了該問題的集中式和分布式解決方案。但是該文獻資源分配方案過于簡單，且把蜂窩用戶發射功率當做定值，系統性能還有較大提升的可能。

文獻[20]的目標是在保證D2D用戶和CUE用戶的QoS的前提下最大化系統吞吐量。首先在保證蜂窩用戶和D2D用戶QoS的條件下，文獻使用線性規劃的方法給出一個D2DRx與CUE之間的D2D的接入的最小距離。其次使用線性規劃和數學方法證明D2D與其潛在復用CUE最大化系統吞吐量的最佳發射功率是在可行域的的邊界點。最后使用KM算法從潛在用戶中為D2D對分配一個使整個系統吞吐量最大化的CUE。

文獻[21]把資源調度問題分解為頻譜資源分配問題和終端功率控制問題。文獻首先在限制最大發射功率和滿足終端最小傳輸速率的條件下，對最大化系統吞吐量進行建模。然后通過拉格朗日乘數求解法求得上述優化問題的最優解，并由此看出資源塊確定和功率分配互為條件選擇關系，最后據此采用注水算法進行功率分配。

文獻[20]、[21]相比于文獻[18]、[19]在功率控制方面有著巨大的優勢。文獻[18]、[19]雖然保證了蜂窩用戶和D2D用戶的QoS，但是功率控制方案簡單，系統吞吐量沒有達到最大。文獻[20]是在蜂窩用戶資源分配已定的情況下，運用KM算法給D2D用戶選擇最優的蜂窩用戶資源。文獻[21]直接分配資源塊給D2D用戶，并在每一個資源塊上進行功率分配。相比于文獻[20]，文獻[21]所提算法能更進一步提升系統性能。

2.2.4 提高系統公平性的資源分配算法

系統公平性是衡量蜂窩網絡不同終端之間資源分配是否平均的重要指標，同時也直接關系到用戶體驗的好壞。蜂窩系統公平性因子公式如下[22]

(1)

文獻[14-21]都是以最大化系統吞吐量為目標，對系統公平性研究較少。而D2D復用蜂窩用戶的資源時，勢必會對該蜂窩用戶產生干擾。此時被復用的蜂窩用戶和正常的蜂窩用戶相比，在吞吐量上差異較大，進而降低了系統的公平性。

文獻[23]首先給D2D用戶分配資源，之后根據D2D用戶在每個RB的分配情況再給蜂窩用戶分配資源，最后在通過功率控制在保證蜂窩用戶QoS的前提下，最大化系統總的吞吐量。由于一般情況下，是先給蜂窩用戶分配資源，再給D2D分配資源，這樣蜂窩用戶在進行比例公平調度時就改變了權重值，從而降低系統公平性。文獻[24]提出了D2D用戶公平策略和蜂窩用戶公平策略兩個資源分配策略來提高系統吞吐量。相比于文獻[23-24]，文獻[20]雖然不是以提高系統公平性為主要目標，但是文獻[20]以資源塊為單位選取復用資源，間接地把干擾平均到不同的蜂窩用戶中，提高了系統公平性。因此文獻[20]在吞吐量和公平性上都優于文獻[23-24]。

2.3 功率控制

為了減少LTE系統中，D2D用戶和蜂窩用戶之間的干擾，優化系統性能，采用功率控制也是一個行之有效的方法。通過合適的功率控制方法，既能保證蜂窩通信和D2D通信的質量，又能提高系統吞吐量。目前針對D2D通信混合網絡的功率控制方案主要分為：集中式和分布式、開環和閉環。

2.3.1 集中式和分布式

集中式功率控制就是在基站端確定發射功率的大小。分布式功率控制是用戶終端在沒有基站參與下確定發射功率。集中式復雜度較高，精度也較高。分布式復雜度相對較低，復雜度也相對較低。

文獻[25]研究了一種動態的集中式功率控制方案，以降低蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾。該方案根據蜂窩用戶和D2D用戶之間的信道質量，向D2D用戶發送功率調整指示信令，D2D用戶接收指示信令后，按照接收到的功率調整指示動態的調整發射功率。

文獻[26]首先設定蜂窩用戶的最小SINR門限值以保障蜂窩用戶的QoS，然后通過調整D2D用戶的發射功率使得蜂窩用戶的SINR大于門限值。文獻同時指出：距離基站較近的D2D中心用戶適合復用蜂窩系統的上行資源，距離基站較遠的D2D邊緣用戶適合復用蜂窩系統的下行資源。

文獻[27]研究了一種分布式功率控制方案，解決了帶有D2D通信的混合蜂窩網絡中最小化發射功率的問題。文獻首先通過多次的迭代以得到一個確定的最小SINR值，并在保證蜂窩用戶最小SINR和D2D用戶最小速率的前提下，最小化系統發射功率，以達到節能的目的。

相比于文獻[26-27]，文獻[25]雖然能夠實時地調整D2D用戶的發射功率，但是該方案復雜度較高，不易于實現。而且文獻[25]所提功控方案不能保證用戶的QoS。文獻[27]相比于文獻[26]，不僅能夠保證蜂窩用戶的QoS，而且能夠提升D2D用戶的QoS。

2.3.2 開環和閉環

閉環功控是指發射端根據接收端送來的反饋信息對發射功率進行控制的過程。而開環功控不需要接收端的反饋，發射端根據自身測量得到的信息對發射功率進行控制。

文獻[28]中提出了多種帶有D2D通信的混合蜂窩網絡的功率控制方案，以優化蜂窩系統的性能。文獻首先研究了固定D2D用戶發射功率的功控方案，其次對保證用戶最小SINR進行了研究，最后把LTE系統的開環功控和閉環功控方案引入到帶有D2D通信的混合蜂窩網絡中。文獻[28]指出邊緣小區的蜂窩用戶由于可能存在信道質量較差的情況，因此需要比較高的發送功率，這會對系統的功率控制的效果產生不良的影響。相對來說，D2D用戶可以通過閉環功率控制使得用戶的SINR一直保持大于預先設定的目標值。此時通過文獻中的功控方案可以盡可能地降低D2D用戶對蜂窩用戶的干擾。此時，D2D用戶資源調度的過程可以精簡為只需要處理SINR的D2D用戶的過程，而且SINR較差的用戶出現的概率很低，大大降低了算法復雜度。

3 結束語

D2D通信技術引入LTE-A蜂窩網絡，雖然能夠提高系統吞吐量和頻譜效率，但是當D2D用戶復用蜂窩用戶資源時，也會給蜂窩系統帶來干擾。為了解決D2D引入LTE-A蜂窩網絡帶來的問題，提升系統性能，文章從模式選擇、資源分配和功率控制3個方面綜述了目前國內外文獻關于資源調度算法的研究成果。并對相關文獻所提方案進行比較，以得出相對較優的方案。

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文 凱(1976— )，正高級工程師，博士，主要研究方向為移動通信和認知網絡；

盧彥博(1990— )，碩士生，主研無線通信；

夏 威(1991— )，碩士生，主研無線通信；

范文倩(1989— )，女，碩士生，主研無線通信。

責任編輯：許 盈

Review of Research on Resource Scheduling of D2D Communication

WEN Kai1,2, LU Yanbo1, XIA Wei1, FAN Wenqian1

(1.ResearchCentreforApplicationofNewCommunicationTechnologies,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China; 2.ChongqingInformationTechnologyDesigningCo.,Ltd.,Chongqing400065,China)

Device-to-Device(D2D) is a new communication technology which is directly communicating with each other by using user equipment under the control of the base station. Although the introduction of D2D communication into cellular system can improve the throughput and the efficiency of the spectrum, it also brings interference. Combined with the research achievements in recent years, reasonable resource scheduling algorithm is the key to reduce the interference and improve the system performance. First of all, the system interference model of LTE-A cellular network within D2D communication is analyzed. Finally, the research results of the resource scheduling algorithms is summarized from three aspects such as mode selection, resource allocation and power control.

D2D; QoS; throughput; mode selection; resource allocation; power control

重慶市自然科學基金項目(CSTC2012jjA40054)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.22.011

2015-06-23

【本文獻信息】文凱，盧彥博，夏威，等.D2D通信資源調度研究現狀綜述[J].電視技術,2015，39(22).