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.
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。
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：
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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
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