D2D 通信復用異構蜂窩網絡中分布式路由資源分配方法

伊學君

（電子科技大學成都學院，四川 成都 611731）

0 引 言

設備到設備（Device-To-Device，D2D）通信作為一種新興的通信方式，允許終端設備在近距離范圍內直接進行通信，無須通過基站中繼，從而顯著提高通信效率和數據傳輸速度。因此，對D2D 通信技術的研究具有重要的實際意義和應用價值。文獻[1]利用信道模型對D2D 用戶進行分簇，再通過Stackelberg博弈實現用戶簇和D2D 用戶的最佳信道匹配，可以解決車輛密集通信場景下通信質量差的問題。文獻[2]將D2D 網絡資源分配問題轉化為凸優化問題，以系統速率最大化為目標進行多變量耦合資源分配，具有良好的收斂性能。文獻[3]利用加權二部圖算法進行D2D 網絡中的用戶資源分配，再基于貪婪策略進行用戶資源分配重用，可以同時兼顧用戶資源分配的公平性與質量需求。

傳統資源分配方法未充分考慮D2D 設備的異構性，使得資源的均衡與高效分配難以實現。因此，文章進一步研究D2D 通信復用異構蜂窩網絡中的分布式路由資源分配方法。

1 建立D2D 通信復用異構蜂窩網絡的分布式系統模型

為了深入研究D2D 通信復用異構蜂窩網絡的路由資源分配問題，建立一個合適的系統模型[4]。采用分布式系統模型來描述D2D 通信復用異構蜂窩網絡，將D2D通信復用異構蜂窩網絡抽象為一個多層次、多類型的網絡拓撲結構，具體如圖1 所示[5]。

圖1 D2D 通信復用異構蜂窩網絡的分布式系統模型

由于設備節點具有不同的處理能力、存儲能力以及通信能力，既可以節點直連通信，也可以多節點轉發通信。D2D 通信復用異構蜂窩網絡的分布式系統模型可以表示為

式中：U表示D2D 通信復用異構蜂窩網絡的資源分配模型；η1、η2分別表示D2D 用戶的通信速率和通信保密率；ω1、ω2表示權重系數。通過式（1）可以將D2D 通信復用異構蜂窩網絡的分布式系統模型進行量化分析，通過調整數據通信速率η1或者通信保密率η2，可以實現路由資源的有效利用與公平分配[6]。

2 分布式D2D 系統中的設備發現與會話建立

在D2D 通信復用異構蜂窩網絡中，設備發現與會話建立是實現高效通信的關鍵步驟。設備發現是在網絡中尋找潛在通信伙伴的過程，是建立有效通信鏈路的前提；而會話建立是在設備發現的基礎上，進一步建立可靠的通信鏈路，確保數據傳輸的穩定性和可靠性。

文章提出一種基于鄰居節點信息交換的機制，以實現高效的設備發現。在分布式D2D 系統中，各節點可以通過廣播和監聽的方式獲取鄰居節點的信息，節點間的通信能力為

式中：λij表示D2D 設備節點i和節點j之間的通信能力；f(Dij)表示與節點i和節點j之間距離Dij相關的函數，描述距離對通信能力的影響；(xi,yi)、(xj,yj)分別表示節點i和j的坐標信息。一般來說，在分布式D2D 系統中，每個節點都會根據自身的通信能力，按照預定的時間間隔向周圍發送廣播消息。這些廣播消息包含節點的標識、位置信息以及通信能力等。同時，與之相鄰的節點能夠監聽周圍節點的廣播消息，收集鄰居節點的信息。通過這種方式，分布式D2D系統中各個D2D 設備節點可以快速獲取鄰居節點的狀態和屬性，為后續的會話建立奠定基礎。在設備發現的基礎上，文章引入一種自適應的會話建立策略，以適應不同類型設備的通信需求，建立可靠的通信鏈路。通信半徑和通信閾值是2 個關鍵參數，通信半徑決定了節點能夠與哪些鄰居節點建立通信鏈路，通信閾值則用于評估鏈路的可靠性，對應的計算公式分別為

式中：Ri表示D2D 設備節點i的通信半徑；ωi表示節點i的權值；Ti表示節點i的通信閾值；ti表示節點i的通信閾值系數；gi表示節點i的性能指標。權重因子ωi根據設備的處理能力、存儲容量和通信能力進行動態調整。通過這種方式，性能較差的設備可以獲得更多的通信機會，從而提高整個網絡的公平性和穩定性。通過D2D 設備發現與通信鏈路會話建立，D2D 通信復用異構蜂窩網絡可以更好地了解可用路由資源和通信條件，有助于實現更加智能和高效的資源分配。

3 設備發現中的路由資源分配

在D2D 通信復用異構蜂窩網絡的路由資源分配時，為了最大化D2D 用戶之間數據傳輸速率，需要將有限的資源（如子信道和功率）有效分配給D2D用戶，因此引入貪婪算法設計一種高效資源分配策略。使用貪婪算法為D2D 用戶分配子信道，該算法可以根據當前信息進行局部最優決策，以期達到全局最優。具體來說，按照子信道的信道質量對D2D 用戶進行排序，優先為信道質量好的用戶分配子信道，以確保信道資源被高效利用，并最大化D2D 用戶之間數據傳輸速率。假設D2D 用戶數量為N，D2D 通信復用異構蜂窩網絡中的子信道數量為M，可以將基于貪婪算法的子信道分配問題表示為

式中：ηn表示D2D 用戶n的數據傳輸速率；xnm表示每個子信道被用戶使用的情況，為二進制變量。當D2D 用戶n使用子信道m時，其值為1，否則為0。在子信道分配完成后，根據每個用戶的信道質量和所需的傳輸速率來為其分配功率。每個用戶根據其信道增益與其所需傳輸速率成正比地分配功率，表達式為

式中：Pnm表示D2D 用戶n在子信道m上分配的功率；F(Pn)表示D2D 用戶n最大傳輸功率的取整函數；gnm表示D2D 用戶n在子信道m上的信道增益。通過式（7）的線性功率分配策略可以確保每個用戶在已分配的子信道上以最大的傳輸速率進行通信，進而保障D2D 通信復用異構蜂窩網絡在有限的功率資源下最大化用戶之間的數據傳輸速率。這種策略考慮了異構網絡中的D2D 設備差異和動態變化，能夠自適應地調整路由資源分配，以最大化D2D 用戶之間的數據傳輸速率。

4 仿真實驗

4.1 仿真設置

為了評估文章所提D2D 通信復用異構蜂窩網絡分布式路由資源分配方法的性能，設計以下仿真對比實驗。基于MATLAB 仿真平臺，模擬一個包含多種類型設備的D2D 通信復用異構蜂窩網絡，相關仿真參數設置如表1 所示。

表1 D2D 通信復用異構蜂窩網絡仿真參數設置

本次仿真對比實驗共設定了3 種路由資源分配方案作為實驗對象：方案一采用文獻[2]方法進行D2D 路由資源分配；方案二基于文獻[3]方法進行D2D 路由資源分配；方案三采用文章設計的分布式路由資源分配方法進行仿真D2D 通信復用異構蜂窩網絡中的資源分配。

4.2 結果分析

采用D2D 用戶之間的數據傳輸速率指標來衡量不同方法在進行D2D 通信復用異構蜂窩網絡路由資源分配的性能表現，具體如圖2 所示。

圖2 D2D 通信復用異構蜂窩網絡路由資源分配結果對比

從圖2 可以看出，隨著D2D 用戶數量的增加，3種資源分配方案的D2D 用戶之間數據傳輸速率均呈現出不同的變化趨勢。文章設計方法的D2D 用戶之間數據傳輸速率最高，且增長最快。這是因為文章設計的分布式分配方法能夠根據D2D 用戶需求和信道狀態動態分配資源，在這種策略下，每個D2D 用戶都能獲得一定的通信資源，從而分散網絡負載，避免過度的集中和擁塞。因此，隨著用戶數量的增加，D2D用戶之間數據傳輸速率能夠保持較高的增長速度。通過本次仿真對比實驗，驗證了文章設計方法在提升不同D2D 用戶數量下的D2D 用戶之間數據傳輸速率方面的優越性。

5 結 論

在D2D 通信復用異構蜂窩網絡中，分布式路由資源分配方法是一種有效的策略，能夠根據網絡環境和用戶需求進行動態的資源優化。通過開展對比實驗，驗證了該方法在提高D2D 用戶之間數據傳輸速率方面的優勢。然而，該方法仍存在一些不足之處，如對網絡狀態信息的需求可能導致隱私和安全問題。未來研究可考慮結合其他技術，進一步優化資源分配和提高網絡性能。