kaiyun官方注册
您所在的位置: 首页> 通信与网络> 设计应用> 全双工D2D通信系统下的一种资源分配算法
全双工D2D通信系统下的一种资源分配算法
2016年电子技术应用第12期
黄 巍1,2,柯文韬1,张海波3,杨 雄1,梁云锦1
1.重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室,重庆400065; 2.陆军重庆军事代表局驻成都地区军事代表室,四川 成都610036;3.重庆邮电大学 宽带移动通信动员中心,重庆400065
摘要:将全双工技术运用到D2D (Device-to-Device)通信中,可以增大D2D用户的吞吐量进而提高系统吞吐量,但全双工通信带来的自干扰也不可避免。考虑多个D2D用户对可共享相同的蜂窝用户资源,此时D2D用户对之间将产生同频干扰。针对该问题,在系统中用户正常通信的前提下,提出了一种基于图论中点着色的资源分配算法。该算法将D2D用户对之间的同频干扰限制在可接受范围内,利用图论中图的点着色算法协调D2D用户对和蜂窝用户之间的资源以最大化系统的吞吐量。仿真结果表明,相比于传统的半双工D2D通信,该算法有效地提高了D2D用户的通信质量,并提升了整个蜂窝网络的系统容量。
中图分类号:TN929.5
文献标识码:A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.024
中文引用格式:黄巍,柯文韬,张海波,等. 全双工D2D通信系统下的一种资源分配算法[J].电子技术应用,2016,42(12):93-96.
英文引用格式:Huang Wei,Ke Wentao,Zhang Haibo,et al. A multi-sharing resource allocation scheme for full-duplex D2D communications underlaying cellular networks[J].Application of Electronic Technique,2016,42(12):93-96.
A multi-sharing resource allocation scheme for full-duplex D2D communications underlaying cellular networks
Huang Wei1,2,Ke Wentao1,Zhang Haibo3,Yang Xiong1,Liang Yunjin1
1.Key Lab of Mobile Communication Technology,Chongqing University of Post and Telecommunications,Chongqing 400065,China; 2.Military Representative Office in Chengdu Region,Chengdu 610036,China; 3.Broadband Mobile Communication Center,Chongqing University of Post and Telecommunications,Chongqing 400065,China
Abstract:In order to increase the throughput of Device-to-Device(D2D) pairs and overall system, full-duplex(FD) communication is adopted to D2D communication. However, the self-interference(SI) brought by FD is inevitable. This paper considers that the D2D pairs can share the same resource of one cellular user, meanwhile, co-channel interference will be caused between those D2D pairs. The paper proposes a graph theory-based resource allocation scheme so as to mitigate such interference under the precondition of the signal-to-noise-plus-interference-ratio(SINR) of the cellular users and D2D satisfaction, then uses graph coloring algorithm to coordinate resource allocation between D2D users and cellular users so as to maximize system throughput. Compared with either traditional half-duplex(HD) D2D communication or single D2D pair shares single cellular user’s resource mode, the simulating analyses show that the scheme can increase the communication quality of D2D pairs and enlarge the overall system capacity of cellular network efficiently.
Key words :D2D communication;full duplex;multi-sharing mode;resource allocation

0 引言

作为5G通信的关键候选技术之一,D2D通信[1,2]可以通过复用蜂窝用户频谱资源的方式提高频谱利用率,并且减轻基站负载。D2D通信被用于短距离终端间的通信,而将全双工通信运用于短距离通信时,终端性能将得到更大提升,故将全双工技术运用在D2D通信中。

目前资源分配的研究大多集中于半双工D2D通信[3-5]中。近年来,随着自干扰消除技术的日渐成熟,专家、学者开始研究全双工D2D通信。文献[6]提出了一种简单的全双工D2D通信协议,该协议提高了带宽效率和系统吞吐量。文献[7]提出了基于干扰受限区域资源分配方案,结果表明处于全双工D2D通信下D2D链路吞吐量接近半双工的两倍。文献[8]以系统吞吐量最大化为目标,提出一种图论中图着色的全双工资源分配方案,但该文献未考虑自干扰所带来的影响。文献[9]以最大化D2D用户数量为目标,提出了多个D2D对复用单个蜂窝用户资源的方案,但是该方案并未涉及D2D用户间的同频干扰。文献[10]提出了一种基于保障蜂窝用户服务质量的启发算法,但复杂度过大。

针对上述问题,本文针对全双工通信场景,解决多对D2D用户复用同一个蜂窝用户资源的资源分配问题,提出了一种支持全双工D2D通信的资源分配算法。该算法在保证蜂窝用户与D2D用户服务质量的前提下,通过图论中点着色理论来对D2D用户进行资源分配。

1 系统模型

如图1所示,假设D2D复用蜂窝用户上行链路资源,其中有K个D2D用户对、N个蜂窝用户均随机分布在小区中。

tx5-t1.gif

tx5-gs1-2.gif

其中,1≤i≤N,1≤j≤K,l∈{1,2}。

如果第i个蜂窝用户的上行链路资源被第j对D2D用户复用,则第j对D2D链路中的第l个D2D用户的信干噪比(SINR)可得出:

tx5-gs3.gif

tx5-gs4-11.gif

其中,式(9)表示一个D2D对只能复用一个蜂窝用户的信道资源。

2 基于图着色理论的资源分配算法

为了求解上述问题,本文从图论的角度考虑,将D2D资源分配问题转化为图论中的点着色问题。

根据D2D用户对彼此之间同频干扰的关系,构建出一个干扰图G=(V,E),集合V中的每个节点表示小区中的D2D用户对,集合E表示连接D2D用户对的边。若D2D用户对x和D2D用户对y之间存在不可容忍的干扰,则用边连接x与y节点;反之,不连线。

干扰图中的两点间如果产生连线,则表明对应的D2D通信对之间的同频干扰较大,无法复用同一蜂窝资源,反之为潜在的可复用资源。在完成干扰图的构建之后,将对图进行点着色。着色函数记为π,点着色数记为τ,将进行着色的点按照定点度的大小降序排列。算法伪代码如下所示。

基于图着色资源分配算法:

tx5-gs11-x1.gif

tx5-gs11-x2.gif

3 仿真分析

为了便于实现,本文在单小区场景下对提出的算法进行仿真,仿真参数如表1所示。

tx5-b1.gif

由图2可以看出,当基站收到干扰增大时,D2D用户的总吞吐量也增大,此时D2D通信对数目随之不断增加。当自干扰消除为95 dB时,半双工(HD)模式表现优于全双工(FD);当自干扰消除为105 dB和110 dB时,全双工D2D通信模式表现更佳。

tx5-t2.gif

图3表示单一D2D链路通信的中断概率与基站收到干扰的关系。相比于半双工D2D通信用户,每个全双工D2D用户将会受到更大的干扰。

tx5-t3.gif

图4表示系统吞吐量随着自干扰的变化趋势。由于半双工系统的吞吐量不受自干扰影响,故保持不变。本文采用的图着色资源分配算法有效协调多个D2D用户能够复用同一个蜂窝资源所带来的同频干扰。相比于传统的单一复用模式,本算法提高了系统的吞吐量。

tx5-t4.gif

图5表示系统中D2D对数的增加对参与复用的D2D对平均数的影响。运用本文算法使得系统中能够复用蜂窝用户资源的D2D用户数量多于半双工D2D链路数量的一半,进而有效减小了同频干扰。因此合理使用全双工D2D通信模式将会带来一定收益。

tx5-t5.gif

4 结论

蜂窝系统中的多对一D2D通信模式能够充分利用有限的频谱资源,从而提高系统吞吐量,但系统中所产生的干扰也将更为严重。本文所提算法在满足系统中所有用户的服务质量QoS的约束条件下,通过图着色算法给D2D用户有效地分配资源,将D2D用户间的同频干扰控制在可接受范围内,从而提高系统的吞吐量。但该研究并未涉及功率优化,因此对系统中用户的功率控制有待进一步研究。

参考文献

[1] DOPPLER K,RINNE M,WIJTING C,et al.Device-to-Device communication as an underlay to LTE-advanced networks[J].IEEE Communications Magazine,2009,47(12):42-49.

[2] FODOR G,DAHLMAN E,MILDN G,et al.Design aspects of network assisted device-to-device communications[J].IEEE Communications Magazine,2012,47(12):170-177.

[3] CHEN X H,CHEN L,ZENG M X,et al.Downlink resource allocation for Device-to-Device communication underlaying cellular networks[C].IEEE 23rd International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications,2012:232-237.

[4] AN R,SUN J,ZHAO S,et al.Resource allocation scheme for device-to-device communication underlaying LTE downlink network[C].Wireless Communications & Signal Processing(WCSP),2012 International Conference on,IEEE,2012:1-5.

[5] ZHU D H,WANG J H,SWINDLEHURST AL,et al.Downlink resource reuse for device-to-device communications underlaying cellular networks[J].IEEE Signal Processing Letters,2014,21(5):531-534.

[6] SANGHOON KIM,STARK W.Full duplex device-to-device communication in cellular networks[C].IEEE Computing,Networking and Communications(ICNC),2014:721-725.

[7] ALI S,RAJATHEVA,LATVA-AHO M.Full duplex device-to-device communication in cellular networks[C].IEEE Networks and Communications(EuCNC),2014:1-5.

[8] YANG H,ZHANG R Q,CHENG X.Resource sharing for device-to-device communications underlaying full-duplex cellular networks[C].IEEE Communication Systems(ICCS),2014:16-20.

[9] ALI S,NANDANA RAJATHEVA.Effect of interference of full-duplex transmissions in underlay Device-to-Device communication[C].IEEE 14th Canadian Workshop on Information Theory(CWIT),2015:54-57.

[10] CHENG W C,ZHANG X,ZHANG H L.Heterogeneous statistical QoS provisioning for full-duplex D2D communications over 5G wireless networks[C].2015 IEEE Global Communications Conference(GLOBECOM),2014:1-7.

此内容为AET网站原创,未经授权禁止转载。
Baidu
map