基于D2D對分組的TDD系統資源分配算法

張祖凡 王立沙 陳美鈴

1(重慶郵電大學通信與信息工程學院 重慶 400065)2 (移動通信技術重慶市重點實驗室(重慶郵電大學) 重慶 400065) (zhangzf@cqupt.edu.cn)

基于D2D對分組的TDD系統資源分配算法

張祖凡1,2王立沙1陳美鈴1

1(重慶郵電大學通信與信息工程學院 重慶 400065)2(移動通信技術重慶市重點實驗室(重慶郵電大學) 重慶 400065) (zhangzf@cqupt.edu.cn)

針對TDD系統中多個D2D用戶復用一個蜂窩用戶下行信道資源，在最大化系統吞吐量的目標下，提出一種D2D對分組資源分配算法,該算法由3部分組成:1)根據信道數確定D2D對分組數，按D2D對間距確定分組中心，并將余下D2D對按其對組內D2D用戶通信中斷概率影響程度劃分到對應分組;2)通過比較D2D對分組與蜂窩用戶干擾影響強度，利用匹配算法為D2D對分組尋找相應蜂窩用戶資源并復用;3)進一步根據蜂窩用戶和D2D用戶QOS要求，去掉組內干擾較大D2D對，從而得到最終復用蜂窩用戶資源的D2D對.仿真分析表明:所提出算法既能允許系統接入較多D2D對，還能提高系統吞吐量.

時分雙工系統;D2D對;服務質量;資源分配;系統吞吐量

隨著移動用戶的增長以及用戶對移動業務量和質量要求的提高，傳統蜂窩移動通信系統中，通過基站轉發進行用戶間通信的通信方式呈現出一定的局限性.D2D(device-to-device)通信技術能使2個距離較近的用戶不用通過基站轉發而進行直接通信，減輕了基站負載，同時在節省功率和資源、提升傳輸速率等多方面有著巨大的優勢，因而在近年來受到業界廣泛的研究[1-2].鑒于D2D通信帶來的優勢，目前已將D2D通信融合到蜂窩系統中形成了混合的異構網絡系統[3-5].伴隨著頻譜資源越來越稀缺，蜂窩網絡沒有充分利用頻譜資源，而D2D通信可以通過復用蜂窩用戶頻譜資源提高頻譜利用率.但復用相同的資源，在蜂窩用戶與D2D用戶間以及D2D用戶之間會引入同頻干擾，甚至使通信中斷.實際生活中，下行業務需求遠大于上行業務需求，因此，如何合理地為D2D用戶選擇復用的蜂窩下行信道資源對于頻譜資源利用率的提高和系統性能的提升具有重要意義.

D2D用戶對蜂窩用戶資源的復用主要分為上行資源復用和下行資源復用，針對上、下行資源復用又主要表現為：一個D2D用戶復用一個蜂窩用戶資源、一個D2D用戶復用多個蜂窩用戶資源、多個D2D用戶復用一個蜂窩用戶資源.文獻[6]中，研究了一個D2D用戶只能復用一個蜂窩用戶資源的分配方法，但在實際系統中，當蜂窩用戶數大于D2D對數時，一個D2D用戶復用多個蜂窩用戶資源能夠取得更高的頻譜利用率.部分研究中允許一個D2D用戶復用多個蜂窩用戶資源的分配方法；但是文獻[7]考慮系統中僅有一個D2D對；文獻[8-9]中的資源分配算法不能保證每個D2D用戶一定被分配到多個蜂窩用戶資源，并且具有較高的計算復雜度；文獻[10]為一個D2D對引入容量限制區域，從而決定D2D用戶的候選蜂窩用戶集合.考慮到現實生活中，終端用戶進行數據或其他資源共享的現象已非常普遍，也就是說存在大量的D2D用戶，顯然一個D2D用戶復用一個蜂窩用戶資源和一個D2D用戶復用多個蜂窩用戶資源在實際中不太適用.而針對多個D2D用戶復用一個蜂窩用戶資源的研究尚且不多，其中優先考慮D2D對進行明確分組的研究目前較少.

針對上述問題，本文優先考慮將所有D2D對分組，再為D2D分組分配信道資源.首先確定D2D對分組數，并確定分組中心；其次將剩余D2D對添加到相應D2D分組；然后為D2D分組找到合適蜂窩用戶資源進行復用；最后基于分組內用戶QOS要求將干擾影響較大的D2D對去掉，得到最終資源復用用戶.

1 系統模型

考慮在基于時分雙工(time division duplex, TDD)模式的單個小區蜂窩系統中引入D2D通信.在該模型中，把能夠建立直接通信的2個用戶稱為一個D2D對，而對應2個D2D用戶分別為D2D發送用戶和接收用戶.考慮系統中有M個蜂窩下行用戶，記為集合C={C1,C2,…,CM}，N個D2D對，記為集合D={D1,D2,…,DN}，其中，N>M，下行頻譜資源劃分成M個正交子信道，并且M個子信道通過基站被預先分配給M個蜂窩用戶，即每個蜂窩用戶各自占用一個信道資源.將D2D對Di的發送端記為Ti，接收端記為Ri.為了研究方便，這里假設所有蜂窩用戶和D2D用戶在小區內服從均勻分布，同時，為了有效避免D2D用戶受到基站較強的干擾，在離基站L(單位m)以外才允許建立D2D通信.

Fig. 1 System model圖1 系統模型

為了充分利用頻譜資源，在一定條件下，允許多個D2D用戶同時與一個蜂窩用戶復用相同下行信道資源.將可以復用相同信道資源的所有D2D用戶對應的D2D對看作一個D2D分組，將可以復用相同信道資源的蜂窩用戶與D2D用戶對應的D2D對看作一個資源復用組，即一個資源復用組由一個蜂窩用戶和一個D2D分組構成.如圖1所示，D1，D2為一個D2D分組，該D2D分組與C1形成一個資源復用組.復用相同信道資源的用戶間會產生同頻干擾，嚴重時會影響用戶正常通信.因此，在信道復用時，需考慮到用戶的通信質量要求(這里主要用SINR表示用戶對通信質量要求).

另外，在該系統中，還假設具備4個條件：1)所有終端都具備最基本的蜂窩通信能力；2)當D2D發送用戶向D2D接收用戶請求通信時，會先發送導頻信號，D2D接收用戶能夠根據接收的導頻信號估計鏈路狀態信息(channel state information, CSI)；3)終端能夠預估受到的干擾；4)所有終端利用GPS上報位置信息，并把CSI等相關信息反饋給基站，基站知道整個系統的鏈路狀況，從而有效進行集中控制分配信道資源.

2 信道資源分配

2.1 中斷概率分析

小區中任意2個D2D對Dn和Dn′使用相同信道資源時，Rn端的SINR可表示為

其中，PTn表示Tn的發送功率，dTn-Rn表示Dn收發用戶間距，α是路徑損失指數，信道噪聲N0=ηW，η為接收端的高斯白噪聲功率譜密度，W為信道帶寬，|h|2是服從均值為σ2的指數分布，其概率密度函數具體表示為

為了保證D2D用戶的通信質量要求，預設D2D用戶的SINR閾值為γ1，那么當Dn受到Dn′的同頻干擾時的中斷概率可表示為

2.2 基于中斷概率的D2D分組

為了充分利用信道資源，考慮多個D2D用戶與一個蜂窩用戶復用相同信道資源.同時，系統在允許盡可能多的D2D對接入前提下，需要進一步提升系統吞吐量.基于以上分析，可建模如下:

式(6)表示系統總的吞吐量，式(7)保證了蜂窩用戶的SINR要求，式(8)保證了D2D用戶的SINR要求.

D2D用戶復用所有蜂窩用戶信道資源相比于僅復用部分蜂窩用戶信道資源，系統能夠接入更多的D2D對，為D2D系統帶來更大的增益.為了保證所有蜂窩用戶信道資源都被利用，在N>M時，首先，將N個D2D對劃分為M個D2D分組，劃分結果記為G，G={G1,G2,…,GM};然后，為每個D2D分組找到一個合適的蜂窩用戶信道資源進行復用，此時該D2D分組和復用蜂窩用戶形成初始復用組;最后去掉初始復用組內干擾影響較大的D2D對，從而形成M個復用組.D2D對分組劃分的主要步驟為：1)選取M個距離最近的D2D對作為D2D分組中心;2)根據中斷概率影響，將剩余的D2D對添加到對應的D2D分組.這里假設任意D2D對的2維平面坐標位置表示為

其中，xTi,yTi表示對應D2D用戶坐標位置.

任意2個D2D對間的距離表示為dij，具體為

根據D2D對的距離，選擇距離最近的M個D2D對作為M個D2D分組的組中心，具體選擇依據為

將式(11)進一步闡述為3種情形：

1) 當前距離最近的2個D2D對中，其中有一個D2D對已經被選為D2D分組中心，則將另一個D2D對繼續作為下一個D2D分組中心.

2) 若2個D2D對均未被選為D2D分組中心，同時未確定分組中心的D2D分組數僅為1，則將這2個D2D對中與被選D2D對距離最近的一個D2D對作為下一個D2D分組的分組中心.

3) 若2個D2D對均未被選為D2D分組中心，同時未確定分組中心的D2D分組數≥2，則將這2個D2D對均選中作為下2個D2D分組的分組中心.

因此，式(11)中的D*={Dn,Dn′}，或D*={Dn}，或者D*={Dn′}.將選中的D2D對從未分組D2D對集合D中去掉.若D2D分組中心確定的個數不足M，則繼續使用式(11)確定分組中心.最終選取M個D2D對作為M個D2D分組的分組中心，并分別加入到G1,G2,…,GM中.

在D2D分組中心選擇完成之后，以D2D對收發端間距衡量鏈路質量，間距越小，損失越小，則鏈路傳輸質量越好，表示為

為了給每個D2D分組繼續添加D2D對，針對剩余(N-M)個D2D對，從滿足式(12)的鏈路質量最好的Dn開始逐個分析，分別添加到對應D2D分組.

根據式(14)，將Dn加入G*，具體算法描述如算法1.

算法1. D2D分組算法.

初始化：D2D集合和D2D分組標號i,D={D1,D2,…,DN},G={G1,G2,…,GM}，?i,Gi=?.

① 根據前面所述D2D分組中心選擇方法,選擇M個D2D分組中心分別加入到G中M個D2D分組集合,把已被選擇的D2D對記為集合D′；

② 更新D=DD′，N=N-M；

③ forj= 0 toN

④ 從D中選擇滿足式(12)的Dn；

⑤ fori=1 toM

⑦ end for

⑧ 將滿足式(14)的Dn加入G*，G*=G*∪Dn,D=D{Dn},N=N-1；

⑨ end for

2.3 確定復用蜂窩用戶

根據2.2節中所述方法將N個D2D對分為M個分組后，再為每個D2D分組找到一個最合適的蜂窩用戶進行信道資源復用.為了使復用組內吞吐量更大，在確定D2D分組復用蜂窩用戶信道資源過程中，主要考慮當前D2D分組中所有D2D用戶對蜂窩用戶帶來的干擾影響.將Gi對Cm的干擾記為IGi-Cm，具體表示為

算法2. D2D分組與蜂窩用戶匹配算法.

初始化：G={G1,G2,…,GM},C={C1,C2,…,CM}.

① fori=1 toM

② ifCi?C

③i=i+1

④ continue;

⑤ else

⑥ forj=1 toM

⑦ ifGj?G

⑧j=j+1；

⑨ continue；

⑩ else

2.4 確定最終復用用戶

通過匹配算法，能夠將對蜂窩用戶干擾最小的D2D分組與該蜂窩用戶一起形成初始資源復用組.例如圖1中D1,D2,C1分為一組形成一個初始復用組.初始復用組內同頻干擾有3種：1)基站對D2D接收用戶的干擾；2)D2D發送用戶對其他D2D接收用戶干擾；3)D2D發送用戶對蜂窩用戶的干擾.此時，復用組Gm內蜂窩用戶Cm的SINR可表示為

復用組Gm內Dn的D2D接收用戶SINR表示為

(18)

以式(6)表示的系統吞吐量可以轉換為

要滿足目標函數，同時使系統盡可能多地接入D2D對，等價于使得每個初始復用組中盡可能多地接入D2D對以及優化復用組速率.根據式(7)(8)，蜂窩用戶SINR閾值為γ2，D2D對接收用戶的SINR閾值為γ1，資源分配過程中需滿足蜂窩用戶以及D2D用戶的SINR閾值要求.基站根據現有信息預估D2D接收用戶和蜂窩用戶的SINR.在該系統中，蜂窩用戶作為主服務用戶，首先確保每個初始復用組內蜂窩用戶的SINR被滿足，根據式(7)(17)計算初始復用組內蜂窩用戶SINR，進一步判斷是否滿足條件.若蜂窩用戶約束條件未滿足，為了接入更多D2D對，則將初始復用組內對蜂窩用戶干擾最大的D2D用戶對應D2D對從該組中刪除，以保證蜂窩用戶受到的干擾在一定的范圍內，同時還能忍受的干擾最大.未被分配到信道資源的D2D用戶則進入等待隊列，重復該步驟，直至蜂窩用戶滿足閾值條件.

然后，結合式(8)，按D2D用戶SINR從大到小遍歷組內所有D2D接收用戶，并判斷系統是否允許該D2D對接入.如果SINRRn≥γ1，允許接入，并繼續對下一個D2D接收用戶進行判斷;否則從未被遍歷的D2D用戶中找到對Rn干擾最大的D2D用戶，將對應D2D對從該組內刪除，并讓其進入等待隊列，等待下一次分配，重復該步驟直至組內所有D2D用戶均滿足閾值條件，從而形成最終的資源復用組.此時根據式(17)(18)重新計算組內所有用戶SINR，仿真時通過式(20)～(22)計算系統中蜂窩系統吞吐量RC，D2D系統吞吐量RD和系統總吞吐量RT.

蜂窩系統吞吐量RC表示為

D2D系統吞吐量RD表示為

系統總吞吐量RT表示為

3 實驗仿真與分析

本節通過系統仿真對本文提出的資源分配算法帶來的系統性能進行分析.為了簡化仿真分析，假設基站對蜂窩用戶發送功率在每個信道上都相等，D2D發送端也以相等功率進行數據發送，仿真場景為一個半徑為500 m的圓形區域，基站位于圓心處，蜂窩用戶服從均勻分布，分布在以基站為圓心、半徑為200 m的圓內，D2D用戶服從均勻分布，分布在離基站L(單位m)以外整個圓內，其余仿真參數參見表1.通過將本文提出的分組算法(GA)與隨機資源分配算法(RA)和窮盡搜索算法(ESA)對比，主要分析系統吞吐量和接入D2D對數方面的影響.

Table 1 Parameter Setting of Simulation表1 仿真參數設置表

圖2顯示了D2D系統吞吐量和系統總吞吐量隨著系統中D2D請求對數增加的變化.從圖2中可以看出，隨著D2D請求對數增加，D2D系統吞吐量逐漸增加，系統總吞吐量也逐漸增加，當達到一定值后趨于平穩.因為用戶未達到SINR閾值時，隨著D2D請求對數的增加，接入的D2D對數增加，吞吐量增加，同信道的蜂窩用戶和D2D接收用戶受到干擾也逐漸增加，可忍受的干擾減小，當組內用戶達到SINR閾值時，不允許D2D對再接入，此時系統吞吐量也基本不再變化.

Fig. 2 The impact of different D2D pairs number on throughput 圖2 不同D2D對數對吞吐量影響

圖3比較了隨著D2D請求對數的增加，不同算法允許接入的D2D對數變化.RA算法沒有考慮用戶間的干擾，隨機復用信道資源，造成用戶間干擾較大，因此在用戶SINR閾值內可接入的D2D對數少.GA算法在D2D對分組時，考慮了D2D用戶對當前分組中用戶的干擾影響，為D2D分組尋找合適蜂窩用戶資源進行復用時，也考慮了D2D分組對蜂窩用戶的干擾影響，允許接入的D2D對較多.ESA算法每次為蜂窩信道從未分配信道的所有D2D用戶中選擇使系統性能最優的D2D用戶接入，不能再接入D2D用戶時才考慮復用下一個蜂窩用戶信道資源，使每個蜂窩信道資源都可接入最大D2D對數，因此可接入D2D數最大.

Fig. 3 Comparison of admitted D2D pairs number under different algorithms圖3 3種算法允許接入D2D數比較

Fig. 4 Comparison of D2D system throughput under different algorithms圖4 3種算法D2D系統吞吐量比較

圖4比較了隨著D2D請求對數的增加，不同算法D2D系統吞吐量變化.RA算法隨機復用，未考慮用戶間干擾影響，D2D系統吞吐量始終最低.當請求資源的D2D對數在一定范圍內(小于110)，GA算法的D2D系統吞吐量大于ESA算法.因為GA算法接入的D2D對復用的是所有蜂窩用戶信道資源，而ESA算法只復用了部分蜂窩用戶信道資源.超出該范圍，隨著D2D對數的增加，ESA算法的D2D系統吞吐量大于GA算法，因為ESA算法還能繼續接入D2D對，最終允許接入的D2D對達到極限，D2D系統吞吐量也不再增加.

圖5比較了不同D2D用戶SINR閾值對系統允許接入D2D對數帶來的影響.從圖5中可以看出，D2D接收用戶SINR閾值越小，允許接入的D2D對就越多；反之，SINR閾值越大，接入D2D數越少.當達到一定值后，不再繼續增加.因為SINR閾值越小，可承受的干擾越大，允許接入的D2D對越多.

Fig. 5 The impact of different SINR thresholds of D2D users on admitted D2D pairs number圖5 D2D用戶不同閾值對接入D2D數影響

Fig. 6 The impact of different SINR thresholds of D2D users on system throughput圖6 D2D用戶不同閾值對系統吞吐量影響

圖6比較了D2D接收用戶不同SINR閾值對系統吞吐量帶來的影響.從圖6中可以看出，SINR閾值越小，系統吞吐量越大，反之越小.因為SINR閾值越小，通信要求越低，能容忍的干擾越大，接入D2D對越多，系統吞吐量越大.

圖7和圖8分別比較了L的不同取值對系統允許接入D2D對數和系統吞吐量帶來的影響.由于隨著L增大，D2D通信離基站越遠，受到的干擾就越小，同時D2D用戶對蜂窩用戶的干擾也越小，因此，允許接入的D2D對數越大，系統吞吐量越大.

Fig. 7 The impact of different L on D2D pairs number圖7 不同L對接入D2D數影響

Fig. 8 The impact of different L on system throughput圖8 不同L對系統吞吐量影響

4 結束語

針對小區中D2D對數大于蜂窩用戶數的情況，優先對D2D對分組，再分配信道資源.該算法首先將所有D2D對分組，然后考慮D2D分組復用其對蜂窩用戶干擾影響較小的蜂窩用戶信道資源，同時去掉分組內干擾最大D2D對直至組內用戶均滿足QOS條件，從而得到能復用相同信道資源的用戶.該算法在系統允許接入D2D對數和吞吐量方面取得了較好的性能.

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Resource Allocation Algorithm Based on D2D Pairs Grouping in TDD System

Zhang Zufan1,2, Wang Lisha1, and Chen Meiling1

1(School of Communications and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065)2(Chongqing Key Laboratory of Mobile Communication Technology (Chongqing University of Posts and Telecommunication), Chongqing 400065)

Due to multiple D2D users and one cellular user sharing the same downlink channel resources in TDD systems, an algorithm of resource allocation based on grouping for D2D pairs is proposed to maximize the system throughput, which consists of three parts. This algorithm firstly determines the D2D groups number with the system channels number and the user grouping position centre in terms of the distance among the D2D pairs, and divides the remaining D2D pairs into corresponding groups according to its degree of effect on the communication outage probability of users within the same D2D group. Afterwards, by comparing the interference impact of D2D group on the cellular user, the matching algorithm is used to determine and share the corresponding cellular channel resource for D2D group. Finally, according to the different QOS of cellular users and D2D pairs, the D2D pairs with serious interference are deleted and the D2D pairs sharing the cellular channel resource are finally determined. Simulation results show that more D2D pairs can access to the system and the system throughput is improved by the proposed algorithm.

time division duplex (TDD) system; device-to-device (D2D) pair; quality of service; resource allocation; system throughput

Zhang Zufan, born in 1972. PhD, professor and PhD supervisor. His main research interests include massive MIMO and mobile social network.

Wang Lisha, born in 1993. Master candidate. Her main research interests include D2D communication and mobile social network.

Chen Meiling, born in 1989. Master. Her main research interests include D2D communication and wireless resource management.

2015-12-19；

2016-06-02

國家自然科學基金項目(61440062)；國家“八六三”高技術研究發展計劃基金項目(2014AA705)；長江學者和創新團隊發展計劃基金項目(IRT16R72) This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (61440062), the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (2014AA705), and the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT16R72).

TN929.5; TP393