蜂窩系統中基于時延的D2D通信模式選擇算法*

劉艷君,郭愛煌

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

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蜂窩系統中基于時延的D2D通信模式選擇算法*

劉艷君,郭愛煌

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

Fooundation Item:Key Project of National Natural Science Foundation of China(No.61331009)

摘要：D2D(Device-to-Device)通信作為蜂窩網的輔助通信方式，可以有效提高系統容量，具有提高頻譜效率、減小時延等優勢。模式選擇是蜂窩網與D2D聯合通信的關鍵問題之一。提出一種基于時延的D2D通信模式選擇算法，該算法引入隊列狀態信息模型，以隊列長度為權重的最大加權算法為調度策略，以時延作為模式選擇的標準。通過仿真給出本算法與基于系統容量最大化的模式選擇算法的性能比較，仿真結果表明與基于系統容量最大化的模式選擇算法相比，本算法所需時延和丟包率均減小約20%。

關鍵詞：無線通信；模式選擇；D2D通信；時延

0引言

D2D(Device-to-Device)通信允許用戶進行直接的數據通信，無需經過基站進行轉發，能夠有效地提高系統容量[1-2]。與WLAN、Wifi、藍牙等技術相比，D2D通信利用蜂窩網的授權頻譜資源進行通信，具有更高的可靠性與安全性[3]。

在D2D通信中，模式選擇是關鍵問題之一。最簡單的模式選擇算法是以接收信號強度或者D2D收發端之間的距離作為模式選擇的標準，該方法雖然容易實現，但沒有考慮到信道狀態信息(Channel State Information，CSI)和干擾信息，性能較差。目前關于D2D模式選擇算法的研究，綜合考慮了CSI和干擾信息，以系統容量或系統總功率作為目標函數，可以實現系統容量的最大化[4-6]或系統功率的最小化[7-8]。

現有的關于模式選擇的研究大多假設用戶的緩存是無限的，且用戶一直有待傳輸的數據，而在實際應用中，用戶的緩存都是有限的。在假設緩存無限的情況下，無法估計時延、丟包率。因此，Lei Lei等人提出在D2D通信中引入隊列狀態信息模型，在考慮CSI和干擾信息的同時考慮隊列狀態信息(Queue State Information，QSI)，從而保證隊列的穩定性，滿足時延和丟包率等要求[9]。

本文引入文獻[9]提出的隊列狀態信息模型，綜合考慮CSI、QSI和干擾信息，以時延作為模式選擇標準，提出了基于時延的D2D通信模式選擇算法。仿真結果表明，本文提出的基于時延的D2D通信模式選擇方案可以有效降低時延、減小丟包率。

1系統模型建立

1.1備選模式

D2D用戶可采用以下3種模式進行通信[4]：

(1)蜂窩模式：D2D用戶通過基站作為中繼實現D2D用戶間的通信；

(2)專用模式：D2D用戶利用基站為D2D用戶分配的專用信道資源實現直接通信；

(3)復用模式：D2D用戶復用蜂窩用戶的信道資源實現直接通信。此時，D2D用戶與蜂窩用戶之間存在干擾。

D2D用戶對復用上行信道時，D2D發射端會對基站產生干擾，且上行蜂窩用戶會對D2D用戶接收端產生干擾。D2D用戶對復用下行信道時，D2D用戶發射端會對下行蜂窩用戶產生干擾，且基站會對D2D用戶接收端產生干擾。由于蜂窩用戶在小區內的位置不斷移動，干擾不易控制，而基站的位置固定，因此D2D用戶對復用蜂窩用戶上行信道的方式相對簡單。

1.2隊列狀態信息模型

用戶集合為C={0,1,…,N}，0表示基站，1,…,N表示通信用戶。D2D用戶發射端集合為CDt={2i-1,i∈{1,2,…,ND}}，D2D用戶接收端集合為CDr={2i,i∈{1,2,…,ND}}，節點2i-1與2i,i∈{1,2,…,ND}為D2D用戶對，共ND對D2D用戶對。上行蜂窩用戶集合為CCu={2ND+i,i∈{1,2,…,NCu}}，共NCu個上行蜂窩用戶。下行蜂窩用戶集合為CCd={2ND+NCu+i,i∈{1,2,…,NCd}}，共NCd個下行蜂窩用戶。

隊列狀態信息模型如圖1所示。設Nij(t)為t時刻動態到達用戶i的需傳輸至用戶j的比特數，是服從泊松強度為λc的泊松過程。qij(t)為t時刻用戶i的隊列中存儲的需傳輸至用戶j的比特數。Qij(t)、rij(t)分別表示t時刻隊列qij(t)的長度和鏈路ij的傳輸速率。設隊列的最大長度為NQ，當數據超過隊列容量，則數據包被丟棄[9]。

圖1　隊列狀態信息模型

因此，蜂窩用戶和基站的隊列表達式為：

Qij(t+1)=min[NQ,max[0,Qij(t)-rij(t)]+Nij(t)]

i∈CCu,j=0或i=0,j∈CCd或i=0,j∈CDr

(1)

D2D用戶發射端的隊列表達式為：

Qij(t+1)=Qi0(t+1)=min[NQ,max[0,Qij(t)-

xcell·ri0(t)-(xded+xre)·rij(t)]+Nij(t)]

i∈CDt,j∈CDr

(2)

式中，xcell、xded和xre別表示D2D用戶對是否采用蜂窩模式、專用模式和復用模式，D2D用戶對采用某種模式，則相應的參數為1，否則參數為0。

1.3調度策略

設用戶按時隙傳輸數據，基站在每個時隙調度1個信道資源。基站在每個時隙初進行調度決策，采用最大加權函數算法作為調度準則，以隊列長度作為權重。基站將最大權重函數值排序，優先調度隊列與傳輸速率最大的用戶，使得用戶在隊列變得過長之前進行傳輸，從而減小丟包率。最大加權函數表示為：

i,j∈C

(3)

1.4模式選擇策略

基站調度最大加權函數值最大的用戶，若該用戶為D2D用戶，則根據D2D用戶采用不同模式時的等待時延作為模式選擇標準，選擇時延最小的模式傳輸數據。若調度的用戶為上行蜂窩用戶，則以允許D2D用戶復用其信道資源和不允許D2D用戶復用其信道資源所需的時延作為依據，決定是否讓D2D用戶復用蜂窩用戶的信道資源。

i∈CDt,j∈CDr

(4)

若D2D用戶對(i,j)采用專用模式時，時延為：

d_dedij(t)=Qij(t)/rij(t)

i∈CDt,j∈CDr

(5)

若D2D用戶對(i,j)采用復用模式，復用上行蜂窩用戶k的信道資源時，D2D用戶對(i,j)和上行蜂窩用戶k的時延為：

d_reij(t)=dk0(t)=max[Qij(t)/rij(t),Qk0(t)/rk0(t)]/2

i∈CDt,j∈CDr,k∈CCu

(6)

蜂窩用戶的信道資源不被復用時，蜂窩用戶的時延為：

dij(t)=Qij(t)/rij(t)

i∈CCu,j=0或i=0,j∈CCd

(7)

2基于時延的D2D通信模式選擇算法

基于時延的D2D通信模式選擇算法的思想如下：

首先，計算隊列長度Qij(t)和傳輸速率rij(t)；

其次，計算最大加權函數MAXij(t)，選擇最大加權函數值最大的用戶進行調度；

最后，判斷該用戶是哪種類型的用戶，若該用戶是D2D用戶，計算D2D用戶采用不同模式所需的時延，選擇時延最小的模式進行通信；若該用戶是上行蜂窩用戶，則計算其上行信道被D2D用戶復用和不被D2D用戶復用所需的時延，選擇時延小的模式進行通信；若該用戶不是D2D用戶也不是上行蜂窩用戶，即該用戶是下行蜂窩用戶，則不需要計算時延，直接進行通信。

設T為總時隙數，基于時延的D2D通信模式選擇算法過程如下：

(1)For時隙=1 to時隙=N；

(2)計算Qij(t)和rij(t)；

(3)計算MAXij(t)；

(4)將MAXij(t)序排列，選擇值最大的MAXij(t)得到該值對應的用戶m；

(5)Ifm為D2D用戶；

(6)根據式(4)、式(5)、式(6)計算3種模式所需時延，選擇時延最小的模式；

(7)If選擇的模式為蜂窩模式或專用模式；

(8)調度用戶m；

(9)Else；

(10)調度用戶m和其復用的上行蜂窩用戶；

(11)End；

(12)Else ifm為上行蜂窩用戶；

(13)根據式(6)、式(7)計算用戶m的信道資源被D2D用戶復用和不被復用所需時延，選擇時延小的模式；

(14)If用戶m的信道資源被D2D用戶復用；

(15)調度用戶m和復用其上行信道的D2D用戶；

(16)Else；

(17)調度用戶m；

(18)End；

(19)Else；

(20)直接調度用戶m；

(21)End；

(22)End。

3仿真結果

設小區半徑為500 m，D2D用戶和蜂窩用戶隨機分布在小區內，D2D用戶對之間的距離不大于50 m，時隙大小為1 ms，仿真時間為1 s。主要仿真參數如表1[10]所示。

表1　仿真參數

i∈CDt,j∈CDr(8)

隊列緩存大小設為2 000個數據包，每個數據包1 000 bit，基于時延的D2D通信模式選擇算法和基于系統容量最大化的模式選擇算法的時延和丟包率性能對比分別如圖2、圖3所示。

由圖2可以看出，基于時延的D2D通信模式選擇算法所需時延比基于系統容量最大化的模式選擇算法所需時延減小約20%，且隨著數據包到達速率越大，性能優勢越大。由圖3可以看出，基于時延的D2D通信模式選擇算法的丟包率一直保持在5%以內，而基于系統容量最大化的模式選擇算法的丟包率最高達到28%，兩種算法的丟包率差異隨著數據包到達率的增大而逐漸增大。這都是由于基于系統容量最大化的模式選擇算法優先調度鏈路速率大的用戶，使得鏈路質量較差的用戶無法傳輸數據，隊列累積變長，造成丟包。而基于時延的D2D通信模式選擇算法利用最大權重函數優先調度隊列較長的用戶，使得用戶在隊列累積過長前傳輸數據，減小了等待時延和丟包率。

圖2　基于時延的D2D通信模式選擇算法與基于系統容量

圖3　基于時延的D2D通信模式選擇算法與基于系統容量

4結語

本文提出了一種基于時延的D2D通信模式選擇算法，通過綜合考慮CSI、QSI和干擾信息，以最大權重函數作為調度準則，通過比較時延選擇D2D通信模式，優先調度隊列過長的隊列，從而減小了用戶的平均時延，并減少了因隊列累積過長造成的丟包。仿真結果表明，與未考慮QSI的基于系統容量最大化的模式選擇算法相比，基于時延的D2D通信模式選擇算法可以有效減小用戶的平均時延和丟包率。本文考慮的是單小區環境下的D2D通信模式選擇，當擴展到多小區環境時，需要結合同小區以及小區間的干擾協調問題進行更深入的研究。

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劉艷君(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向為D2D通信；

郭愛煌(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向為寬帶無線通信、寬帶光纖通信信號與信息處理等。

Mode Selection Algorithm for D2D Communication

based on Time-Delay in Cellular Systems

LIU Yan-jun, GUO Ai-huang

(School of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：D2D (Device-to-Device) communication, as the assistant communication mode of cellular networks, effectively improves system capacity and enjoys the superiorities of enhanced spectral efficiency and decreased time-delay. Mode selection is one of the key issues for joint communication of cellular network and D2D. A mode selection algorithm for D2D communication based on time-delay is proposed,into which QSI (Queue State Information) model is introduced.This algorithm takes maximum weighting algorithm with queue length as weight the scheduling policy, and time-delay as the standard for mode selection. Simulation results show the performance comparison of between the proposed algorithm and mode selection algorithm based on maximized system capacity, and that both time-delay and packet dropping probability of the proposed algorithm could be reduced by about 20%.

Key words：wireless communication, mode selection, D2D communication, time-delay

作者簡介：

中圖分類號：

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)07-0814-04

基金項目：國家自然科學基金重點項目(No.61331009)

收稿日期：修回日期：2015-04-28Received date:2015-01-16；Revised date：2015-04-28

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.07.013