蜂窝网络中D2D中继通信的信道分配算法研究.pdf
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1、第 51 卷收稿日期:2023年4月2日,修回日期:2023年5月17日作者简介:郁从瑞,男,硕士研究生,研究方向:D2D通信方向。刘罡,男,硕士,高级工程师,研究方向:移动通信、电磁辐射、物联网方向。李晖,男,博士,教授,研究方向:无线通信系统、空间通信技术、工业互联网方向。王梦姣,女,硕士研究生,研究方向:移动通信方向。陈志伟,男,硕士研究生,研究方向:移动通信方向。1引言随着智能设备的爆炸式增长以及业务需求的日益多样化,频谱资源匮乏的问题显得愈加严重1。作为 5G 通信关键技术之一的设备到设备(Device-to-Device,D2D)技术,允许临近的终端在基站的控制下,建立直接通信链路
2、,复用蜂窝网络的信道资源以达到减轻基站负载、减小通信时延、提升系统吞吐量的目的23。D2D 用户有三种工作模式45:蜂窝模式、专用模式、复用模式。与Wi-Fi技术、蓝牙(Bluetooth)技术、WLAN 技术等短距离通信技术相比6,D2D通信具有诸多优势:1)D2D通信技术使用的是运营商授权频段7,可以很好地进行干扰控制;2)D2D通信传输距离较远;3)D2D用户的接入配对均由基站统一完成,安全、快速和便捷。针对D2D用户在复用过程中的干扰问题,合理分配信道,有利于提升通信系统的吞吐量,引起许多学者的关注。文献 8 提出一种基于干扰区域限制的信道分配算法,根据 D2D接收端与其复用的蜂窝网络
3、中 D2D 中继通信的信道分配算法研究郁从瑞1刘罡2李晖2王梦姣1陈志伟1(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院南京210044)(2.无锡学院电子信息工程学院无锡214105)摘要D2D(Device-to-Device)通信技术通过复用蜂窝用户的信道资源,可以有效提高系统吞吐量。然而,D2D链路对在复用信道资源时,会导致用户间的同频干扰问题。因此,为解决D2D用户、基站、蜂窝用户三者之间的干扰问题,提出一种基于双距离机制的改进信道分配算法,为D2D对分配合适的信道资源。再根据信道分配结果,为每个D2D对选择合适的空闲用户作为中继,实现D2D中继通信。仿真结果表明,该算法能够有效提高通信系
4、统的吞吐量。关键字D2D通信技术;中继通信;同频干扰;信道分配中图分类号TN91DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2023.10.004Research on Channel Allocation Algorithm for Device-to-DeviceRelay Communication Underlaying Cellular NetworksYU Congrui1LIU Gang2LI Hui2WANG Mengjiao1CHEN Zhiwei1(1.School of Electronics&Information Engineering,Nanjing
5、University of Information Science&Technology,Nanjing210044)(2.School of Electronics Information Engineering,Wuxi University,Wuxi214105)AbstractD2D(Device-to-Device)communication technology can effectively improve system throughput by multiplexing thechannel resources of cellular users.However,when t
6、he D2D link pair reuses channel resources,it will cause the problem ofco-channel interference between users.Therefore,in order to solve the interference problem between D2D users,base stations,andcellular users,an improved channel allocation algorithm based on a dual distance mechanism is proposed t
7、o allocate appropriatechannel resources for D2D pairs.Then,according to the channel allocation results,a reasonable idle user is selected as a relay foreach D2D pair to realize Device-to-Device relay communication.The simulation results show that the algorithm can effectively improve the throughput
8、of the communication system.Key WordsD2D communication technology,relay communication,co-channel interference,channel allocationClass NumberTN91总第 408 期2023 年第 10 期计算机与数字工程Computer&Digital EngineeringVol.51 No.1022362023 年第 10 期计算机与数字工程CUE之间的距离以及预先设定的距离阈值,为D2D对选择出最优的信道资源。文献 9 提出一种最优资源分配算法,考虑不同信道之间的差
9、异性,为每个用户选择质量最好的信道。文献 10 提出一种混合的集中-分布式的资源分配方案,基于聚类思想为D2D用户分配信道,将相互距离小的D2D用户分为一类。文献 11 提出了一种基于QoS的分簇信道分配算法,构建D2D用户间的干扰图,并建立D2D用户的可用颜色列表,最后为D2D用户分簇,在同一簇内的用户可以共享信道。文献 12 以D2D组复用蜂窝用户的最大能效值与其原先的差值为权重,采用Kuhn-Munkres算法为D2D组分配信道。文献 13 提出一种用于功率控制和信道分配的固定SINR跟踪算法,使D2D用户在保证CUE的QoS需求时,选择蜂窝用户子信道进行复用。文献14提 出 一 种 启
10、 发 式 信 道 分 配 算 法,利 用Gale-Shapley算法得到信道匹配的最优解,同时增加了允许接入的D2D对的数量。文献 15 提出一种基于D2D链路和蜂窝链路总和速率的信道分配方案,D2D链路通过频谱聚合技术同时复用多个蜂窝用户子信道,提高了蜂窝网络的频谱利用率。文献 16 根据不同D2D用户复用不同蜂窝用户的功率构建二分匹配的容量矩阵,利用改进的匈牙利算法分配信道,有效提升了蜂窝网络的系统吞吐量。文献 17 基于能效构造D2D链路与蜂窝链路之间的二分图,利用Gale-Shapley算法解决D2D用户与蜂窝用户之间的信道匹配问题。文献 18 提出一种基于贪婪算法的信道分配方案,首先
11、构造一个描述多个D2D用户共用同一信道时的干扰图,然后基于贪婪算法为每对D2D用户分配信道。但是,目前在为D2D对分配信道的研究中,未考虑复用过程中,多个D2D对同时选择同一蜂窝信道的“竞争”问题。因此,本文提出了一种基于双距离机制(channel allocation algorithm based on dualdistance mechanism,DDCA)的改进信道分配算法,该算法同时考虑了蜂窝用户到D2D接收端的距离和D2D发送端到基站的距离,以解决D2D用户在复用过程中“竞争”同一信道资源的问题,可以在保证用户通信质量的前提下有效利用频谱资源。2系统模型及问题描述2.1系统模型如图
12、 1 所示,假设是一个单小区蜂窝通信系统,基站(Base Station,BS)位于小区的中心,小区半径为r,小区内随机均匀地分布有M个蜂窝用户、N个D2D对(每个D2D对的发射端和接收端分别表示为 DT、DR)以及K个空闲用户 IUE,其中MN,KN。其中,蜂窝用户的集合表示为C=CUE1,CUE2,CUE3CUEM;D2D 对用户的集合表示为D=DUE1,DUE2,DUE3DUEN;空闲用户的集合表示为R=IUE1IUE2IUE3IUEK。假设基站预先为蜂窝用户分配好相互正交的频谱资源,蜂窝用户之间不存在同频干扰问题。假设D2D用户对复用同小区中蜂窝用户的上行频谱资源,并且所有的D2D对因
13、链路质量不佳,直接通信链路条件均无法满足,必须借助空闲用户IUE进行中继通信。空闲用户的工作模式为半双工模式,两条D2D链路使用相同的蜂窝频谱资源。图1D2D中继通信系统模型在本文的通信场景中,D2D中继通信只考虑两跳中继通信。其中,在D2D通信第一跳链路中,被选作中继的空闲用户和基站处的信干噪比 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)表达式分别为SINRre=PdGdrPcGcr+N0(1)SINR1BS=PcGcbPdGdb+N0(2)其中,Pd和Pc分别代表D2D用户对的发射功率和蜂窝用户的发射功率;Gdr、Gcr、Gcb、Gdb分别代
14、表 D2D对发射端到中继用户、蜂窝用户到中继用户、蜂窝用户到基站、D2D对发射端到基站的信道增益;N0则表示加性高斯白噪声 AWGN(Addictive White Gaussian Noise)。同理,在第二跳D2D链路中,D2D用户对的接收端和基站处的信干噪比 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)表达式分别为SINRDR=PrGrdPcGcd+N0(3)2237第 51 卷SINR2BS=PcGcbPrGrb+N0(4)其中,Pr代表中继用户的传输功率;Grd、Gcd、Gcb、Grb分别代表中继用户到D2D接收端、蜂窝用户到D2D接收端
15、、蜂窝用户到基站、中继用户到基站之间的信道增益。上述公式中,蜂窝通信链路和D2D通信链路的信道增益,不但考虑了慢衰落与路径损耗,同时也考虑了因多径传播导致的快衰落。因此,将通信链路的信道增益建模为G=*fast*slow*L-(5)其中,代表路径损耗常数;fast代表快衰落因子,服从均值为1的指数分布;slow代表慢衰落因子,服从均值为1、标准偏差8dB的对数正态分布;L代表用户间的距离;代表路径损耗指数。由香农公式C=B*log2(1+SINR)可知,基站处的吞吐量、D2D通信第一跳和第二跳链路中的D2D用户的吞吐量分别表示为Cc=B*(log2(1+SINR1BS)+log2(1+SINR
16、2BS)(6)C1d=B*log2(1+SINRre)(7)C2d=B*log2(1+SINRDR)(8)2.2问题描述根据式(6)(8),D2D中继通信的总吞吐量为基站的吞吐量与D2D用户的吞吐量之和,具体表达式如下:THR=m=1Mn=1Nk=1KmnnkCc+12min(C1d+C2d)(9)其中,mn表示信道分配因子,当第n个D2D对复用第m个CUE的信道资源时,mn=1,否则mn=0;nk表示中继选择因子,当第n个D2D对选择第k个空闲用户IUE作中继时,nk=1,否则nk=0。本文的优化目标是最大化整个D2D中继通信系统的吞吐量,即:max THR(10)s.t.m=1Mmn1nD
17、(11)n=1Nmn1mM(12)mn01mMnD(13)n=1Nnk1kK(14)k=1Knk1nD(15)nk01nDkK(16)0PcPmaxc(17)0PdPmaxd(18)0PrPmaxr(19)其中,式(11)(13)保证一个D2D对只能复用一个蜂窝用户信道,而且一个信道也只能被一个D2D对复用;式(14)(16)保证一个D2D对只能选择一个空闲用户作为中继进行通信,而且一个空闲用户也只能被一个D2D对选择;式(17)(19)是对蜂窝用户、D2D用户、空闲用户的传输功率的约束。3信道分配算法设计针对式(10)所提出来的优化目标,本文提出一种改进的基于双重距离机制的信道分配算法,为每
18、个D2D对分配合适的信道,使得系统吞吐量得以最大化。D2D对复用蜂窝用户信道资源时,蜂窝用户距离D2D用户越远,蜂窝用户对D2D用户的干扰值越小。同理,D2D发射端距离基站越远,D2D用户对基站的干扰值也越小。算法的具体步骤如下:Step1:考 虑 欧 式 几 何 距 离 公 式L=(x1-x2)2+(y1-y2)2,计算小区内蜂窝用户与D2D用户对接收端、D2D用户对发射端与基站的距离,得到两个干扰距离矩阵dist_c2dr、dist_d2bs;Step2:根据距离越远,干扰越小准则,找出dist_c2dr矩阵每一列的最大值,令其相对应的信道分配因子mn=1;Step3:计算信道分配因子矩阵
19、每行元素中“1”的个数,如果均为0或1,完成所有匹配且是一对一匹配,如果大于1,则存在“竞争”现象,将信道未被复用的CUE加入新的集合C1;Step4:寻找信道分配因子矩阵每一行中存在“竞争”的D2D对,根据dist_d2bs矩阵,找出其中距离基站最远的D2D对,保留其信道分配因子的值不变,其余D2D对的信道分配因子的值置零,同时将“竞争”失败的D2D对加入新的集合D1;Step5:对C1和D1集合中的CUE和D2D对,根据 Step1 距离矩阵中的元素值,再次执行 Step2 到Step4的操作,以此循环,更新集合C1与D1,直至所有的D2D对完成一对一的信道分配。根据上述信道分配算法的最终
20、结果,结合基于距离的中继选择算法和随机选择算法进行仿真,并与随机信道分配进行对比。4仿真结果与分析本文借助Matlab仿真平台对所提算法进行仿郁从瑞等:蜂窝网络中D2D中继通信的信道分配算法研究22382023 年第 10 期计算机与数字工程真,反复运行1000次蒙特卡洛实验,并对仿真所得数据取平均值。每执行一次,CUE、空闲用户以及D2D 用户在小区中的位置分布都随之发生改变。将本文所提算法与随机信道分配算法 RCA(Random Channel Algorithm)进行比较,并结合基于距离的中继选择算法DRS(Relay Selection Based On Distance)与随机中继选
21、择算法RRS(Random Relay Selection Algorithm)进行通信仿真。主要仿真参数设置如表1所示。表1仿真参数设置参数小区半径r/m蜂窝用户数M/个D2D对数N/个空闲用户数K/个D2D对最大距离/m蜂窝用户最大发送功率/dBmD2D用户最大发送功率/dBm空闲用户发送最大功率/dBm加性高斯白噪声N0/dBm路径损耗常数路径损耗指数参数值50030605305010050100242424-1140.014图2所示是D2D中继通信场景仿真图,基站位于小区中心,蜂窝用户、D2D用户、空闲用户随机均匀的分布在小区内。图2通信系统仿真图随着D2D对数量的增加,系统吞吐量的变
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- 蜂窝 网络 D2D 中继 通信 信道 分配 算法 研究