基于不完全CSI的D2D通信平均總和速率優化

邱 斌 陳文鵬

1(桂林理工大學信息科學與工程學院 廣西 桂林 541004)2(桂林電子科技大學信息與通信學院 廣西 桂林 541004)

0 引 言

作為5G通信關鍵技術之一的基于蜂窩網端對端(Cellular device-to-device，Cellular-D2D)通信技術允許位置相近的用戶通過復用Cellular網的工作頻段實現短距離通信。該技術能減少通信時延、減輕基站負擔，擴大通信系統容量，從而滿足用戶高速率體驗，為新一代移動通信系統中大規模網絡海量移動用戶接入、零延遲通信及大數據傳輸開辟了新的途徑[1-2]。然而，帶來如此受益的同時，因頻率復用而產生的共道干擾也對系統性能產生了嚴重影響[3]。

目前，已有相關研究通過干擾協調，優化了系統的總速率性能。文獻[4]在頻效和功率約束下，實現了通信系統總速率最優。文獻[5]通過功率分配，在Cellular用戶的最小信噪比約束下，最大化D2D用戶總速率。文獻[6]在多對D2D用戶復用一個Cellular用戶資源的情況下，通過隨機幾何理論齊次泊松點過程(Poisson point process,PPP)進行系統建模、功率控制，優化D2D用戶的總和速率。文獻[7]采用非正交多址方式進行資源復用，并推導了系統總速率最大時，Cellular用戶與D2D用戶的接入比例。然而，以上研究都假設鏈路的CSI完好，未討論動態時變場景下不完全CSI對總和速率的影響。文獻[8]考慮了通信鏈路的不完全CSI特性，優化D2D用戶接入密度，使得D2D用戶的平均和速率最大。然而，該文獻假設D2D通信距離不發生變化，未考慮時變通信環境下D2D通信距離的時變性。

因此，本文在文獻[7]的基礎上，考慮不完全CSI的D2D通信，通過一階自回歸(first-order autoregressive，AR1)[9]模型刻畫不完全CSI特性，同時鏈路的動態時變特性通過D2D用戶間距離變化來刻畫。最后通過Jensen不等式推導了不完全CSI下D2D通信平均總和速率封閉表達式，進而求解得出平均總和速率最大時的D2D用戶接入密度的最優解。

1 Cellular-D2D系統模型

圖1為本文建立的Cellular-D2D通信模型。

圖1 Cellular-D2D通信模型

(1)

D2D通信系統中，D2D用戶復用Cellular用戶的信道資源時，相互間會產生干擾。第m對D2D用戶對應的SINR可表示為[8]：

(2)

2 D2D用戶平均總和速率優化

D2D鏈路的平均總和速率(average sum rate，ASR)定義為[10]：

(3)

式中：βd為門限值；E(P(SINRd>βd))為平均成功傳輸概率，可表示為：

(4)

(5)

(6)

(7)

將式(6)及式(7)代入式(5)，根據Palm理論，推導出典型D2D鏈路的成功傳輸概率:

(8)

本文通過D2D鏈路通信距離dm,m的變化刻畫D2D通信鏈路的時變特性，距離dm,m的概率密度函數可表示為[11]：

f(d)=2d/Rd

(9)

式中：Rd表示D2D鏈路的最大通信距離，假設接收端噪聲相對于共道干擾對成功傳輸概率的影響較小，令N0=0,式(8)可化簡為：

(10)

(11)

根據式(9)可知，E(X)可表示為：

(12)

將式(11)-式(12)代入式(10)可得：

(13)

將式(13)代入式(3)，ASRd可表示為：

(14)

(15)

3 數值分析

本節分析不同參數設置對ASRd的影響，假設默認參數設置如下[11-12]：Cellular基站覆蓋半徑R為500 m，B為20 MHz,典型Rd為50 m，所有用戶的功率p均為20 dBm，βd門限為0 dB，α為4。

圖2 ASR隨Cellular用戶和D2D用戶接入密度的變化

圖3 不同路徑損失因子對ASR的影響

圖4 不同條件下D2D通信距離對ASR的影響

4 結 語

本文在不完全信道狀態信息下的D2D通信系統中，通過一階自回歸模型刻畫不完全CSI特性，用D2D通信用戶之間距離的變化描述D2D通信的動態時變特性，分析了不同系統參數對D2D用戶的平均總和速率的影響。數值結果表明，存在最優的D2D用戶接入密度，使得D2D用戶的平均總和速率最大，為優化D2D通信系統性能提供了理論依據。