5G蜂窩網(wǎng)中基于部分頻率復(fù)用的資源復(fù)用算法

趙巍 李房云

摘? 要： 針對(duì)5G中設(shè)備與設(shè)備間（Device?to?Device，D2D）用戶(hù)（Device User Equipment，DUE）和蜂窩用戶(hù)（Cell User Equipment，CUE）共存的通信場(chǎng)景，文中提出一種基于頻率復(fù)用的無(wú)線(xiàn)頻譜資源復(fù)用算法。在7小區(qū)模型下，該算法將小區(qū)劃分為中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，將有限的頻率資源分為2對(duì)，根據(jù)用戶(hù)所處的位置，合理分配給DUE和CUE。該算法根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射功率、路徑損耗模型對(duì)DUE和CUE的可獲得吞吐量進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，當(dāng)中心區(qū)域占比為0.7時(shí)，CUE可以獲得最大的吞吐量;中心區(qū)域占比為0.6時(shí)，DUE可以獲得最大的吞吐量。

關(guān)鍵詞： 頻率復(fù)用; 頻譜資源復(fù)用; 5G蜂窩網(wǎng); 資源分配; 吞吐量計(jì)算; 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.7?34; TP311? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）18?0030?03

Abstract： In allusion to the coexisting communication scene of D2D （device?to?device） DUE （device user equipment） and CUE （cellular user equipment） in 5G， a wireless spectrum resource reuse algorithm based on frequency reuse is proposed. In the seven?housing?estate model， the housing estate is divided into center area and edge area by means of the algorithm. The limited frequency resources are divided into two pairs， and they can be allocated to DUE and CUE reasonably according to users′ living position. The simulation of the obtainable throughput of DUE and CUE are performed with this algorithm according to the transmitted power and path loss model specified in 3GPP standard. The simulation results show that CUE can get the maximum throughput when the proportion of central area is 0.7， and DUE can get the maximum throughput when the proportion of central area is 0.6.

Keywords： frequency reuse; spectrum resource reuse; 5G cellular network; resource allocation; throughput calculation; simulation experiment

0? 引? 言

無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)正在邁入5G時(shí)代。2019年是5G元年，隨著商用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布、基站開(kāi)始建設(shè)，5G正在逐步改變?nèi)藗兊纳罘绞絒1?3]。除了通信速率的提升外，5G還提供了更多的通信方式。在4G以前，不同的用戶(hù)間通信需要通過(guò)基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)。而在5G中，用戶(hù)與用戶(hù)間的無(wú)線(xiàn)設(shè)備可以跨過(guò)設(shè)備直接進(jìn)行通信。在該場(chǎng)景下，需要合理安排蜂窩用戶(hù)與設(shè)備間通信用戶(hù)對(duì)于無(wú)線(xiàn)頻譜資源的使用方式，從而保證通信質(zhì)量[4?5]。

本文針對(duì)上述場(chǎng)景，對(duì)部分頻率復(fù)用方法進(jìn)行研究。同時(shí)基于3GPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，建立該場(chǎng)景下的無(wú)線(xiàn)信道模型。在仿真時(shí)，基于7小區(qū)模式進(jìn)行頻率分配，使用Miro?urban模型評(píng)估無(wú)線(xiàn)資源的分配效果。

1? 算法研究

1.1? D2D復(fù)用蜂窩用戶(hù)無(wú)線(xiàn)資源

在5G中，除了用戶(hù)（UE）和基站（Base Station，BS）間的通信方式外，將出現(xiàn)用戶(hù)與用戶(hù)間的通信，即D2D模式。在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)，D2D模式與蜂窩移動(dòng)用戶(hù)共存，這就需要解決無(wú)線(xiàn)頻譜資源的分配問(wèn)題。圖1給出了一種基于正交方式的上下行無(wú)線(xiàn)頻譜方法[6?7]。

在該無(wú)線(xiàn)資源分配模式下的上行鏈路中，蜂窩用戶(hù)CUE使用的無(wú)線(xiàn)資源（1，1）和（2，2）與D2D方式中DUE使用的（3，3）和（2，4）為正交;下行鏈路中，（1，4），（2，3）和（1，1），（3，2）也為正交。正交的無(wú)線(xiàn)資源模式可以保證無(wú)線(xiàn)通道間互不干擾，但頻譜利用率較低。當(dāng)前無(wú)線(xiàn)頻譜資源緊張，制約了正交模式的使用。

圖2給出了復(fù)用模式的上下行無(wú)線(xiàn)頻譜使用方法。

在該模式下，上行鏈路CUE與DUE均使用（1，1）和（2，2）;下行鏈路均使用（3，3）和（1，4）。可以看出，在復(fù)用模式下蜂窩用戶(hù)與D2D使用相同的無(wú)線(xiàn)頻譜資源，提升了頻譜的使用效率。但頻譜的復(fù)用會(huì)造成不同用戶(hù)間的通信干擾，必須對(duì)資源的復(fù)用算法進(jìn)行研究。

1.2? 資源復(fù)用算法

在5G技術(shù)中，由于頻譜提升，基站數(shù)量會(huì)明顯增加。因此，本文主要研究多個(gè)小區(qū)間的無(wú)線(xiàn)資源分配方法。7小區(qū)蜂窩場(chǎng)景如圖3所示。每個(gè)小區(qū)根據(jù)與基站的距離劃分為中心區(qū)和邊緣區(qū)，總帶寬為F;F劃分為F0～F4，F(xiàn)0，F(xiàn)1與F2，F(xiàn)3正交，不同區(qū)域劃分不同的頻率資源[8?10]。

在該模型下，根據(jù)不同區(qū)域內(nèi)用戶(hù)接收的信號(hào)強(qiáng)度與干擾強(qiáng)度劃分頻率，實(shí)現(xiàn)部分頻率復(fù)用。以中心小區(qū)為例，小區(qū)中心內(nèi)的蜂窩用戶(hù)接收的信號(hào)較強(qiáng)，干擾較小，劃分的頻率為F0;中心的D2D用戶(hù)分配F2或F3，邊緣的蜂窩用戶(hù)分配F1;邊緣的D2D用戶(hù)與蜂窩用戶(hù)復(fù)用F0。具體的計(jì)算模型如下：

根據(jù)3GPP協(xié)議，用戶(hù)的發(fā)射功率如下[11?13]：

式中：Pmax是UE的最大發(fā)射功率，23 dBm;P0由BS，UE的SINR和干擾決定;[α]是無(wú)線(xiàn)信道傳輸路徑的補(bǔ)償系數(shù);PL為UE間的路徑損耗。

文中使用的UE?BS路徑損耗、UE?UE路徑損耗模型如下：

式（2）為Miro?urban模型。式中，f為通信使用的射頻頻率。根據(jù)發(fā)射功率與路徑損耗模型可以得到CUE和DUE的接收功率：

式中：GAnt為天線(xiàn)增益;[σ]為陰影衰落。根據(jù)接收功率可以由香農(nóng)公式得到CUE和DUE的吞吐量：

式中，信噪比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）影響著頻譜效率。頻譜效率的定義方法如下：

2? 算法仿真

2.1? 仿真參數(shù)

接下來(lái)，對(duì)上文中的模型進(jìn)行仿真。仿真時(shí)，應(yīng)考慮當(dāng)前仿真的小區(qū)受到不同小區(qū)間基站、CUE、DUE的干擾。仿真參數(shù)如表1所示。

2.2? 仿真結(jié)果

基于表1的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)1.2節(jié)中的模型進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖4～圖6所示。為了評(píng)估1.2節(jié)中模型的正確性，圖4仿真了D2D與蜂窩復(fù)用時(shí)的SINR分布累積分布曲線(xiàn)（CDF）。該分布與3GPP中的SINR分布標(biāo)準(zhǔn)一致，證明了模型仿真環(huán)境的正確性。圖5、圖6給出了中心區(qū)域面積對(duì)于蜂窩用戶(hù)與D2D用戶(hù)的吞吐量影響。可以看出，當(dāng)中心區(qū)域占比為0.7時(shí)，蜂窩用戶(hù)可以獲得最大的吞吐量;當(dāng)中心區(qū)域占比為0.6時(shí)，D2D用戶(hù)可以獲得最大的吞吐量。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作人員可以根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行5G基站的規(guī)劃與調(diào)試。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

針對(duì)5G中的D2D和蜂窩用戶(hù)共用相同無(wú)線(xiàn)信道資源的場(chǎng)景，本文基于部分頻率復(fù)用的方法建立了無(wú)線(xiàn)信道模型，并在7小區(qū)的場(chǎng)景下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，本文的模型與3GPP的場(chǎng)景基本吻合，計(jì)算結(jié)果對(duì)于5G無(wú)線(xiàn)基站的規(guī)劃與調(diào)試具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] MISHRA P K， PANDEY S， BISWASH S K. Efficient resource management by exploiting D2D communication for 5G networks [J]. IEEE access， 2017， 4（9）： 9910?9922.

[2] VO N S， DUONG T Q， TUAN H D， et al. Optimal video streaming in dense 5G networks with D2D communications [J]. IEEE access， 2018， 6（5）： 209?223.

[3] ENGELHARDT M， ASADI A. The first experimental SDR platform for inband D2D communications in 5G [C]// Processing of 25th International Conference on Network Protocols. Austin： IEEE， 2017： 101?107.

[4] SINGH D， GHOSH S C. A distributed algorithm for D2D communication in 5G using stochastic model [C]// Processing of 16th International Symposium on Network Computing and Applications. Charleston： IEEE， 2017： 132?136.

[5] HAN B， SCIANCALEPORE V， HOLLAND O， et al. D2D?based grouped random access to mitigate mobile access congestion in 5G sensor networks [J]. IEEE communications magazine， 2019， 57（9）： 93?99.

[6] HUYNH D T， WANG X， DUONG T Q， et al. Social?aware energy efficiency optimization for device?to?device communications in 5G networks [J]. Computer communications， 2018（4）： 120?129.

[7] ORSINO A， SAMUYLOV A， MOLTCHANOV D， et al. Time?dependent energy and resource management in mobility?aware D2D?empowered 5G systems [J]. IEEE wireless communications， 2017， 24（4）： 14?22.

[8] WANG N， HOSSAIN E， BHARGAVA V K. Backhauling 5G small cells： a radio resource management perspective [J]. IEEE wireless communications， 2015， 22（5）： 41?49.

[9] WANG Y， LI P L， JIAO L， et al. A data?driven architecture for personalized QoE management in 5G wireless networks [J]. IEEE wireless communications， 2017， 24（1）： 102?110.

[10] GU J， YOON H W， LEE J， et al. A resource allocation scheme for device?to?device communications using LTE?A uplink resources [J]. Pervasive and mobile computing， 2015， 18（7）： 104?117.

[11] 張錚，胡婷.基于A(yíng)D9854的多功能高精度DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)[J].電子科技，2017，30（3）：182?184.

[12] 張美娟.移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信資源分配方法研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2017.

[13] 陳亮，楊奇.5G網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線(xiàn)頻譜資源分配的進(jìn)展分析[J].光通信研究，2016（6）：68?71.