赵家乐 赵凌霄 马丹 穆晓敏

摘  要： 为了提高设备到设备（D2D）通信的和速率与频谱利用率，提出D2D通信中基于信道增益比值的联合模式选择和资源分配的方案。首先选定模式选择标准，即信道增益比值，帮助用户选择相应的通信模式;然后基于贪婪算法的子信道分配方案为不同模式的D2D用户分配信道;最后结合遗传算法、二分法和拉格朗日乘子法帮助不同信道上的D2D用户进行功率分配。通过仿真结果对比发现，所提出的D2D通信中联合模式选择和资源分配的方案能够促进谱效的提升，极大地提高了频谱资源的利用率。

关键词： D2D通信; 信道增益; 子信道分配; 功率分配; 资源分配; 模式选择; 谱效提升

中图分类号： TN929.5?34                         文献标识码： A                        文章编号： 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

在蜂窩网络下设备到设备（Device?to?Device，D2D）通信是下一代5G无线通信的新技术。D2D通信作为一种端到端的直通技术，使用户能够在不通过基站的情况下直接进行通信，并能与蜂窝用户复用相同的频谱资源。在蜂窝网络中，D2D用户可以直接使用专用频段进行传输，也可以与蜂窝用户共享频谱，还可以通过基站以与蜂窝用户相同的方式进行传输。

在D2D通信中，D2D用户通常有三种工作模式：复用模式、专用模式和蜂窝模式[1]，其中通常将前两种模式称为D2D通信模式[2]。在文献[3]中研究了D2D通信的优点，其可以极大地提高系统频谱效率并降低延迟。文献[4]对D2D进行全面的概述，详细描述了D2D通信中的不同建模假设和关键问题。模式选择和资源分配是D2D通信中的两个关键问题，在模式选择中，每个D2D用户必须决定是在D2D模式下直接通信还是在蜂窝模式下通过基站进行通信;在资源分配中，系统必须为每个用户分配信道资源，用户需要优化其传输功率。D2D网络中的资源分配问题相当复杂，因为D2D用户在与蜂窝用户复用相同信道资源的同时又对蜂窝用户造成了干扰，因此信道分配的解决方案十分有意义。当考虑联合模式选择和资源分配问题以提高性能时，问题的分析变得更加复杂。

目前围绕D2D通信的模式选择和资源分配的研究已有很多成果，文献[5]考虑了包含一对D2D用户和一个蜂窝用户在一个单元模块场景下模式选择问题。文献[6]中，在上行复用模式下通过双向匹配方法提出信道分配算法，并且在文献[7]中对上行链路和下行链路的复用进一步扩展。在文献[1]中联合模式选择和资源分配讨论了包含多对D2D对的系统模型，为了降低分析的复杂性，文中研究基于瞬时信道条件，这种情况下，系统必须非常频繁地执行模式选择和资源分配，导致高计算量和成本显著提高。根据文献[8]研究成果，模式的选择同很多因素有关，如基站和用户之间的相对距离，D2D用户之间的相对距离。文中通过设置偏差因子对基站和用户间距离进行调节，以此实现直接通信，仿真结果显示，文中方案相对于仅仅只基于距离进行模式选择的方案效果更好，但在距离测量精度方面还有待提升。

本文在已有文献[9]的基础上，提出了联合模式选择和功率分配的方案，优化系统的谱效。本文首先为D2D用户进行模式选择，并在此基础上利用贪婪算法为用户进行信道分配，最后进行功率分配，从而极大地提高了资源分配的效率。

1  系统模型

本文考虑单小区上行蜂窝网络，假设基站已知全部用户的服务质量以及所有链路的信道状态信息。假定每个蜂窝小区有一个基站，[N]个传统蜂窝用户，[N]条信道，[K]对D2D用户，蜂窝模式的D2D用户对数为[Nc]，系统模型如图1所示。图中[N=1]，[K=4]，[Nc=1]，用户1和用户2处于复用模式，而用户3和用户4则处于专用模式，CU1和用户5均处于蜂窝模式工作，其中CU1为传统蜂窝用户。

图1  蜂窝网络上行链路D2D通信系统模型

1） 蜂窩模式：蜂窝模式的第[k]个D2D接收机端信干噪比（SINR）可以表示为：

2） 在专用模式下，D2D用户单独占用子信道进行通信，没有蜂窝用户，并且允许多个D2D用户可以复用相同的子信道。在复用模式下多个D2D用户可以复用相同的蜂窝子信道。则专用模式和复用模式下第[k]个D2D接收机端的SINR可以分别表示为：

式中：[pk，n]代表第[k]个D2D用户在第[n]个子信道的发射功率;[hnk，k]为第[k]个D2D发射机到第[k]个D2D接收机的信道功率增益;[Kn]代表分配在第[n]个子信道的D2D用户对数;[k∈Knkpk，nhnk，k]表示复用第[n]个子信道的其他D2D发射机到第[k]个D2D接收机的链路干扰; [hck，n]代表第[n]个子信道的传统蜂窝用户到第[k]个D2D接收机的干扰链路信道功率增益。

2  D2D用户和速率

首先引入模式选择标准，确定D2D用户的工作模式。针对模式选择问题，本文以信道功率增益比值为模式选择标准，模式选择指标定义为：

其中，[Rcn，min]为蜂窝用户最小速率要求。当[wk，n=1]，表示第[k]个D2D用户复用第[n]个子信道;当[wk，n=0]，表示第[k]个D2D用户不能复用第[n]个子信道。[a1]保证了蜂窝用户的速率要求;[a2]和[a3]分别表示第[k]个D2D用户和第[n]个蜂窝用户的发射功率约束;[a5]代表每对D2D用户可复用的子信道最多为一个;[a6]保证了单个D2D用户只能工作在一种模式;[a7]主要是针对两对D2D用户，它们之间存在严重的干扰，则无法进行信道共享，可以通过设计参数[θnk，k]来消除用户之间的干扰项。

3  D2D通信资源分配方案

对于上述问题式（6），优化对象和目标是非凹函数[10]，由于这一函数中存在着二进制参数，所以其优化是一种难度较大的MINLP（混合整数非线性规划）问题。为了有效处理这一难题，本文结合相应的算法提出了D2D通信联合模式的选择和资源分配方案，其中包含用户通信模式选择、子信道分配和功率分配的方案。

3.1  基于贪婪算法子信道分配方案

子信道分配方案如下：首先基于模式选择标准，将D2D用户分为D2D通信模式和蜂窝模式。其中前者分为专用模式和复用模式，蜂窝信道也分为专用子信道和复用子信道。首先需要对专用子信道进行分配，只针对D2D用户进行分配，通常无需考虑D2D用户受蜂窝用户的干扰以及蜂窝用户的最低速率要求。基于共享协议，可以在同一专用子信道上分配干扰较小的D2D用户。然后采用文献[10]提出的方案在复用子信道中分配剩余的D2D用户。根据贪婪算法的子信道分配模式具体如下：

其中，[N]代表总信道数量;[Nu]代表专用子信道数量;[Nf]代表复用子信道数量;[Nc]代表蜂窝模式下分配的信道个数，且满足[N=Nc+Nf+Nu]。[Fn]代表还没有进行分配的D2D用户集合;[Cn]代表蜂窝模式分配的D2D用户集合;[Kn]代表已经在第[n]个专用子信道上分配的D2D用户集合;[An]代表第[n]个专用子信道上可能分配的D2D用户集合;[Bn]代表可供分配的D2D用户集合。

3.2  固定子信道的D2D用户功率分配方案

在对D2D用户完成子信道分配之后，需要进一步进行功率分配。蜂窝模式下的用户间不考虑其他干扰，可以根据拉格朗日乘子算法对全部蜂窝模式信道的D2D用户功率进行计算，从而获得最优的发射功率解。

在用户处于D2D通信模式时，D2D用户在复用子信道的功率分配可采用二分法方式进行处理，专用子信道上的功率分配则可以采用遗传算法进行处理。

4  数值仿真与结果分析

4.1  仿真参数设置

本文研究了联合模式选择和资源分配以D2D用户和速率为优化目标的问题，并通过Matlab进行了仿真验证。假设蜂窝小区中同时均匀分布有蜂窝用户和D2D用户，采取文献[11]的路径损耗模型。仿真参数设置如表1所示。

表1  系统仿真参数设置

4.2  仿真结果及分析

图2  D2D用户和速率与D2D用户最大发射功率关系图

由图2可知，D2D用户和速率同D2D最大发射功率间并不存在线性关系，当D2D最大发射功率增大到一定程度时，其和速率趋于稳定。这主要是由于D2D用户在复用模式下能够对蜂窝用户形成较大的干扰，为了保证蜂窝用户通信，必须限制D2D用户发射功率，因此D2D用户和速率最终会趋于一个稳定值。而D2D通信模式中的专用模式没有蜂窝用户，也不会受到蜂窝用户速率约束。所以相对于复用模式D2D通信资源分配方案，本文所提出的方案效果更好。

从图3可以看到，D2D用户和速率随蜂窝用户最小速率的增加而降低。这是因为蜂窝用户在复用模式下的最小速率增加，会限制D2D用户的最大发射功率，从而会降低D2D用户和速率。针对本文所提出的的这一方案，在专用模式和蜂窝模式下，蜂窝用户速率不会影响D2D用户和速率，所以相对于复用模式方案而言，本文的方案更优。

图3  D2D用户和速率与蜂窝用户要求最小速率关系图

从图4中可以看出，D2D用户和速率会随着D2D用户数量的增大而增大。在蜂窝模式下，D2D对只能分配到一个子信道上，尽管能够被分配的用户数量少，然而用户能用最大发射功率进行通信。在专用信道模式中，一个专用子信道往往被多个D2D用户复用，同时蜂窝用户不会对其进行干扰，此外，D2D通信模式和蜂窝模式共同存在也同实际情况更为接近。综上，本文所提方案优于复用模式的资源分配方案。

图4  D2D用户和速率与D2D用户对数[k]关系图

基于图5可以发现，D2D用户和速率会随着D2D用户链路最大距离的增加而降低，由于距离增加会降低一些D2D链路的通信质量，在这种情况下，D2D用户对子信道的共享程度也就更小，从而使得D2D用户和速率出现下降。而蜂窝模式的D2D用户无需担心这一问题。因此，相对于复用模式而言，本文所提出的资源分配方案更优。

图5  D2D用户和速率与D2D链路最大距离关系

5  結  语

本文研究了蜂窝网络中联合D2D模式选择和资源分配的问题，并形成了以D2D和速率最大化为优化目标的混合整数规划问题。为解决该规划问题，提出三阶段方案，包括模式选择、子信道分配和功率分配过程，并分别提出基于信道增益比值的模式选择方案、基于贪婪算法的子信道分配方案以及基于遗传算法的功率分配方案。对比分析了D2D用户和速率随D2D用户发射功率、蜂窝用户的最小速率限制、D2D用户对数以及D2D用户间的距离变化情况。仿真分析结果表明，与复用模式资源分配方案相比，本文提出的D2D通信联合模式选择和资源分配方案能够显著地提高D2D用户的传输速率和系统频谱利用率。

参考文献

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