D2D通信中聯合模式選擇和資源分配方案研究

趙家樂 趙凌霄 馬丹 穆曉敏

摘 ?要： 為了提高設備到設備（D2D）通信的和速率與頻譜利用率，提出D2D通信中基于信道增益比值的聯合模式選擇和資源分配的方案。首先選定模式選擇標準，即信道增益比值，幫助用戶選擇相應的通信模式;然后基于貪婪算法的子信道分配方案為不同模式的D2D用戶分配信道;最后結合遺傳算法、二分法和拉格朗日乘子法幫助不同信道上的D2D用戶進行功率分配。通過仿真結果對比發現，所提出的D2D通信中聯合模式選擇和資源分配的方案能夠促進譜效的提升，極大地提高了頻譜資源的利用率。

關鍵詞： D2D通信; 信道增益; 子信道分配; 功率分配; 資源分配; 模式選擇; 譜效提升

中圖分類號： TN929.5?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）13?0033?05

Schemes of joint mode selection and resource allocation in D2D communication

ZHAO Jiale， ZHAO Lingxiao， MA Dan， MU Xiaomin

（School of Information Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： In order to improve the sum velocity rate and spectrum utilization of device?to?device （D2D） communication， a joint mode selection and resource allocation schemes based on channel gain ratio in D2D communication is proposed. The mode selection criterion （channel gain ratio） is designated to help the user to select the corresponding communication mode. The subchannel allocation scheme based on greedy algorithm is used to allocate the channels for D2D users with different modes. The genetic algorithm， dichotomy and Lagrange multiplier method are combined to help the D2D users on different channels to perform power allocation. The simulation results demonstrate that the proposed joint mode selection and resource allocation schemes in D2D communication can promote the spectrum efficiency， and improve the utilization of spectrum resources greatly.

Keywords： D2D communication; channel gain; subchannel assignment; power allocation; resource allocation; mode selection; spectrum efficiency promotion

0 ?引 ?言

在蜂窩網絡下設備到設備（Device?to?Device，D2D）通信是下一代5G無線通信的新技術。D2D通信作為一種端到端的直通技術，使用戶能夠在不通過基站的情況下直接進行通信，并能與蜂窩用戶復用相同的頻譜資源。在蜂窩網絡中，D2D用戶可以直接使用專用頻段進行傳輸，也可以與蜂窩用戶共享頻譜，還可以通過基站以與蜂窩用戶相同的方式進行傳輸。

在D2D通信中，D2D用戶通常有三種工作模式：復用模式、專用模式和蜂窩模式[1]，其中通常將前兩種模式稱為D2D通信模式[2]。在文獻[3]中研究了D2D通信的優點，其可以極大地提高系統頻譜效率并降低延遲。文獻[4]對D2D進行全面的概述，詳細描述了D2D通信中的不同建模假設和關鍵問題。模式選擇和資源分配是D2D通信中的兩個關鍵問題，在模式選擇中，每個D2D用戶必須決定是在D2D模式下直接通信還是在蜂窩模式下通過基站進行通信;在資源分配中，系統必須為每個用戶分配信道資源，用戶需要優化其傳輸功率。D2D網絡中的資源分配問題相當復雜，因為D2D用戶在與蜂窩用戶復用相同信道資源的同時又對蜂窩用戶造成了干擾，因此信道分配的解決方案十分有意義。當考慮聯合模式選擇和資源分配問題以提高性能時，問題的分析變得更加復雜。

目前圍繞D2D通信的模式選擇和資源分配的研究已有很多成果，文獻[5]考慮了包含一對D2D用戶和一個蜂窩用戶在一個單元模塊場景下模式選擇問題。文獻[6]中，在上行復用模式下通過雙向匹配方法提出信道分配算法，并且在文獻[7]中對上行鏈路和下行鏈路的復用進一步擴展。在文獻[1]中聯合模式選擇和資源分配討論了包含多對D2D對的系統模型，為了降低分析的復雜性，文中研究基于瞬時信道條件，這種情況下，系統必須非常頻繁地執行模式選擇和資源分配，導致高計算量和成本顯著提高。根據文獻[8]研究成果，模式的選擇同很多因素有關，如基站和用戶之間的相對距離，D2D用戶之間的相對距離。文中通過設置偏差因子對基站和用戶間距離進行調節，以此實現直接通信，仿真結果顯示，文中方案相對于僅僅只基于距離進行模式選擇的方案效果更好，但在距離測量精度方面還有待提升。

本文在已有文獻[9]的基礎上，提出了聯合模式選擇和功率分配的方案，優化系統的譜效。本文首先為D2D用戶進行模式選擇，并在此基礎上利用貪婪算法為用戶進行信道分配，最后進行功率分配，從而極大地提高了資源分配的效率。

1 ?系統模型

本文考慮單小區上行蜂窩網絡，假設基站已知全部用戶的服務質量以及所有鏈路的信道狀態信息。假定每個蜂窩小區有一個基站，[N]個傳統蜂窩用戶，[N]條信道，[K]對D2D用戶，蜂窩模式的D2D用戶對數為[Nc]，系統模型如圖1所示。圖中[N=1]，[K=4]，[Nc=1]，用戶1和用戶2處于復用模式，而用戶3和用戶4則處于專用模式，CU1和用戶5均處于蜂窩模式工作，其中CU1為傳統蜂窩用戶。

圖1 ?蜂窩網絡上行鏈路D2D通信系統模型

1） 蜂窩模式：蜂窩模式的第[k]個D2D接收機端信干噪比（SINR）可以表示為：

2） 在專用模式下，D2D用戶單獨占用子信道進行通信，沒有蜂窩用戶，并且允許多個D2D用戶可以復用相同的子信道。在復用模式下多個D2D用戶可以復用相同的蜂窩子信道。則專用模式和復用模式下第[k]個D2D接收機端的SINR可以分別表示為：

式中：[pk，n]代表第[k]個D2D用戶在第[n]個子信道的發射功率;[hnk，k]為第[k]個D2D發射機到第[k]個D2D接收機的信道功率增益;[Kn]代表分配在第[n]個子信道的D2D用戶對數;[k∈Knkpk，nhnk，k]表示復用第[n]個子信道的其他D2D發射機到第[k]個D2D接收機的鏈路干擾; [hck，n]代表第[n]個子信道的傳統蜂窩用戶到第[k]個D2D接收機的干擾鏈路信道功率增益。

2 ?D2D用戶和速率

首先引入模式選擇標準，確定D2D用戶的工作模式。針對模式選擇問題，本文以信道功率增益比值為模式選擇標準，模式選擇指標定義為：

其中，[Rcn，min]為蜂窩用戶最小速率要求。當[wk，n=1]，表示第[k]個D2D用戶復用第[n]個子信道;當[wk，n=0]，表示第[k]個D2D用戶不能復用第[n]個子信道。[a1]保證了蜂窩用戶的速率要求;[a2]和[a3]分別表示第[k]個D2D用戶和第[n]個蜂窩用戶的發射功率約束;[a5]代表每對D2D用戶可復用的子信道最多為一個;[a6]保證了單個D2D用戶只能工作在一種模式;[a7]主要是針對兩對D2D用戶，它們之間存在嚴重的干擾，則無法進行信道共享，可以通過設計參數[θnk，k]來消除用戶之間的干擾項。

3 ?D2D通信資源分配方案

對于上述問題式（6），優化對象和目標是非凹函數[10]，由于這一函數中存在著二進制參數，所以其優化是一種難度較大的MINLP（混合整數非線性規劃）問題。為了有效處理這一難題，本文結合相應的算法提出了D2D通信聯合模式的選擇和資源分配方案，其中包含用戶通信模式選擇、子信道分配和功率分配的方案。

3.1 ?基于貪婪算法子信道分配方案

子信道分配方案如下：首先基于模式選擇標準，將D2D用戶分為D2D通信模式和蜂窩模式。其中前者分為專用模式和復用模式，蜂窩信道也分為專用子信道和復用子信道。首先需要對專用子信道進行分配，只針對D2D用戶進行分配，通常無需考慮D2D用戶受蜂窩用戶的干擾以及蜂窩用戶的最低速率要求。基于共享協議，可以在同一專用子信道上分配干擾較小的D2D用戶。然后采用文獻[10]提出的方案在復用子信道中分配剩余的D2D用戶。根據貪婪算法的子信道分配模式具體如下：

其中，[N]代表總信道數量;[Nu]代表專用子信道數量;[Nf]代表復用子信道數量;[Nc]代表蜂窩模式下分配的信道個數，且滿足[N=Nc+Nf+Nu]。[Fn]代表還沒有進行分配的D2D用戶集合;[Cn]代表蜂窩模式分配的D2D用戶集合;[Kn]代表已經在第[n]個專用子信道上分配的D2D用戶集合;[An]代表第[n]個專用子信道上可能分配的D2D用戶集合;[Bn]代表可供分配的D2D用戶集合。

3.2 ?固定子信道的D2D用戶功率分配方案

在對D2D用戶完成子信道分配之后，需要進一步進行功率分配。蜂窩模式下的用戶間不考慮其他干擾，可以根據拉格朗日乘子算法對全部蜂窩模式信道的D2D用戶功率進行計算，從而獲得最優的發射功率解。

在用戶處于D2D通信模式時，D2D用戶在復用子信道的功率分配可采用二分法方式進行處理，專用子信道上的功率分配則可以采用遺傳算法進行處理。

4 ?數值仿真與結果分析

4.1 ?仿真參數設置

本文研究了聯合模式選擇和資源分配以D2D用戶和速率為優化目標的問題，并通過Matlab進行了仿真驗證。假設蜂窩小區中同時均勻分布有蜂窩用戶和D2D用戶，采取文獻[11]的路徑損耗模型。仿真參數設置如表1所示。

表1 ?系統仿真參數設置

4.2 ?仿真結果及分析

圖2 ?D2D用戶和速率與D2D用戶最大發射功率關系圖

由圖2可知，D2D用戶和速率同D2D最大發射功率間并不存在線性關系，當D2D最大發射功率增大到一定程度時，其和速率趨于穩定。這主要是由于D2D用戶在復用模式下能夠對蜂窩用戶形成較大的干擾，為了保證蜂窩用戶通信，必須限制D2D用戶發射功率，因此D2D用戶和速率最終會趨于一個穩定值。而D2D通信模式中的專用模式沒有蜂窩用戶，也不會受到蜂窩用戶速率約束。所以相對于復用模式D2D通信資源分配方案，本文所提出的方案效果更好。

從圖3可以看到，D2D用戶和速率隨蜂窩用戶最小速率的增加而降低。這是因為蜂窩用戶在復用模式下的最小速率增加，會限制D2D用戶的最大發射功率，從而會降低D2D用戶和速率。針對本文所提出的的這一方案，在專用模式和蜂窩模式下，蜂窩用戶速率不會影響D2D用戶和速率，所以相對于復用模式方案而言，本文的方案更優。

圖3 ?D2D用戶和速率與蜂窩用戶要求最小速率關系圖

從圖4中可以看出，D2D用戶和速率會隨著D2D用戶數量的增大而增大。在蜂窩模式下，D2D對只能分配到一個子信道上，盡管能夠被分配的用戶數量少，然而用戶能用最大發射功率進行通信。在專用信道模式中，一個專用子信道往往被多個D2D用戶復用，同時蜂窩用戶不會對其進行干擾，此外，D2D通信模式和蜂窩模式共同存在也同實際情況更為接近。綜上，本文所提方案優于復用模式的資源分配方案。

圖4 ?D2D用戶和速率與D2D用戶對數[k]關系圖

基于圖5可以發現，D2D用戶和速率會隨著D2D用戶鏈路最大距離的增加而降低，由于距離增加會降低一些D2D鏈路的通信質量，在這種情況下，D2D用戶對子信道的共享程度也就更小，從而使得D2D用戶和速率出現下降。而蜂窩模式的D2D用戶無需擔心這一問題。因此，相對于復用模式而言，本文所提出的資源分配方案更優。

圖5 ?D2D用戶和速率與D2D鏈路最大距離關系

5 ?結 ?語

本文研究了蜂窩網絡中聯合D2D模式選擇和資源分配的問題，并形成了以D2D和速率最大化為優化目標的混合整數規劃問題。為解決該規劃問題，提出三階段方案，包括模式選擇、子信道分配和功率分配過程，并分別提出基于信道增益比值的模式選擇方案、基于貪婪算法的子信道分配方案以及基于遺傳算法的功率分配方案。對比分析了D2D用戶和速率隨D2D用戶發射功率、蜂窩用戶的最小速率限制、D2D用戶對數以及D2D用戶間的距離變化情況。仿真分析結果表明，與復用模式資源分配方案相比，本文提出的D2D通信聯合模式選擇和資源分配方案能夠顯著地提高D2D用戶的傳輸速率和系統頻譜利用率。

參考文獻

[1] YU G， XU L， FENG D， et al. Joint mode selection and resource allocation for device?to?device communications [J]. IEEE transactions on communications， 2014， 62（11）： 3814?3824.

[2] ZHAO K， SHENG M， LIU J， et al. Graph?based joint mode selection and resource allocation scheme for D2D and cellular hybrid network using SCMA [C]// The 8th International Conference on Wireless Communications & Signal Processing. Yangzhou： IEEE， 2016： 1?5.

[3] KAUFMAN B， AAZHANG B. Cellular networks with an overlaid device to device network [C]// 2008 Asilomar Conference on Signals， Systems and Computers. Pacific Grove： IEEE， 2008： 1537?1541.

[4] ASADI A， WANG Q， MANCUSO V. A survey on device?to?device communication in cellular networks [J]. IEEE communications surveys and tutorials， 2014， 16（4）： 1801?1819.

[5] DOPPLER K， YU C H， RIBEIRO C， et al. Mode selection for device?to?device communication underlaying an LTE?advanced network [C]// 2010 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Sydney： IEEE， 2010： 1?6.

[6] FENG D， LU L， WU Y Y， et al. Device?to?device communications underlaying cellular networks [J]. IEEE transactions on communications， 2013， 61（8）： 3541?3551.

[7] HAN J， CUI Q， YANG C， et al. Bipartite matching approach to optimal resource allocation in device to device underlaying cellular network [J]. Electronics letters， 2014， 50（3）： 212?214.

[8] ELSAWY H， HOSSAIN E， ALOUINI M S. Analytical modeling of mode selection and power control for underlay D2D communication in cellular networks [J]. IEEE transactions on communications， 2014， 62（11）： 4147?4161.

[9] MA D， WANG N， MU X. Resource allocation for hybrid mode device?to?device communication networks [C]// The 8th International Conference on Wireless Communications & Signal Processing. Yangzhou： IEEE， 2016： 112?119.

[10] ZHAO W， WANG S. Resource sharing scheme for device?to?device communication underlaying cellular networks [J]. IEEE transactions on wireless communications， 2015， 63（12）： 4838?4848.

[11] BOYD S， VANDENBERGHE L. Convex optimization [M]. Cambridge： Cambridge University Press， 2004.