摘  要： D2D（Device-to-Device）通信技術是一種能夠降低基站負載率和提高系統資源利用率的新型近場通信技術。本文根據D2D接收端與蜂窩端的相對距離關系，分別討論了傳統蜂窩系統以及引入中繼技術后的模式選擇問題，給出了一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關系的模式選擇方案。仿真數據驗證了D2D系統采用復用模式的概率與設定的系統信干噪比閾值成反比關系，表明引入中繼技術后的D2D系統采用復用模式的概率大大增加，意味著在混合網絡中加入中繼節點能夠有效地提高系統的頻譜利用率。

　　關鍵詞： D2D通信；混合網絡；模式選擇；信干噪比；中繼技術

0 引言

　　伴隨移動通信系統的演進，帶寬需求不斷加大，頻譜資源分配日益緊張[1]。由于移動用戶不斷增加，同時可用于無線通信的頻譜資源有限，所以可分配的帶寬已經難以滿足實際系統的需求。為縮小帶寬供給和帶寬需求之間的差異，更加高效地利用已有帶寬十分必要。D2D通信[2-3]與傳統蜂窩通信技術不同，D2D用戶之間傳輸信息不需經基站轉發，地理位置相近的D2D用戶之間通過復用蜂窩用戶的無線頻譜資源直接進行數據傳輸，基站只需通過鏈路信息控制D2D用戶的通信，不需要與D2D通信用戶進行數據通信，因此，D2D技術不僅降低了基站負載，還有效提升了系統頻譜資源利用率。

　　D2D用戶根據復用蜂窩資源的情況，有兩種工作模式[4-5]：正交模式（overlay）和復用模式（underlay）。其中，正交模式又稱為專用模式，指D2D用戶利用專用無線資源進行通信，此時，小區內的蜂窩用戶與D2D用戶利用相互正交的無線資源進行通信；復用模式又稱為共用模式，是指D2D用戶共享小區內某蜂窩用戶的頻譜資源進行通信。

　　D2D系統采取正交模式通信時不會對原蜂窩網絡中的通信產生影響。但若D2D通信被分配到非正交的信道資源，即工作在復用模式下時，D2D通信將會對蜂窩鏈路的接收端產生干擾。因此，如果網絡通信負載較小，可以為D2D系統分配多余的正交資源，這樣顯然能獲得更佳的網絡總體性能。但是，由于分配給蜂窩網絡的資源有限，考慮到通信業務對帶寬的要求越來越高，而采用非正交資源共享的方式可以使網絡獲得更高的資源利用率。這也是在傳統蜂窩網絡中應用D2D技術的主要目的。

　　復用模式下，當基站選擇相距D2D用戶距離較近的蜂窩資源進行復用時，它們之間容易產生干擾[6]。當基站選擇距離D2D用戶較遠的蜂窩用戶的資源來進行資源復用時，由于D2D用戶的發射功率較小，對蜂窩用戶產生的有害干擾相對也較小甚至可以忽略，這樣就保證了它們之間干擾盡可能地小。本文將混合系統中的干擾問題考慮其中，基站能夠通過功率控制[7]和資源分配[8-10]的方式來協調蜂窩和D2D系統的干擾問題。首先介紹傳統蜂窩系統中引入D2D技術后面臨的模式選擇問題，給出一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關系的模式選擇方案。以此為基礎，根據現有的一些中繼傳輸技術方案，在混合系統中引入中繼節點，并分析了D2D用戶采用復用模式通信的概率與系統信干噪比門限值之間的關系。

1 D2D模式選擇方案

　　1.1 無中繼場景

　　本文將分別分析在無中繼和有中繼兩種場景下，D2D用戶進行模式選擇的條件。首先，以傳統無中繼情況的蜂窩與D2D混合網絡為背景，設定場景如圖1。

　　場景中包括一個蜂窩用戶和2個D2D用戶，它們是一對正在進行數據傳輸的D2D通信對，D2D鏈路距離為R，D2D接收機（D2D Rx）位于以D2D發射機（D2D Tx）為中心，R為半徑的圓周上，并假設D2D用戶對采用固定的發射功率PD。

　　為便于分析，以基站BS為極點建立一個極坐標系。D2D Rx坐標為（x，θD），蜂窩用戶坐標為（y，θC），得出它們之間所處地理位置的夾角θ=|θD-θC|，由余弦定理可得到D2D Rx與蜂窩用戶端的距離為：

　　在基站上行鏈路中，假設蜂窩用戶到D2D Rx的距離為dCD，D2D Rx與D2D Tx之間的距離為r，噪聲功率密度為N0。蜂窩用戶采用路徑損耗補償的方法來維持一個恒定的接收信噪比SNRBS。

　　上式變換得到蜂窩用戶的發送功率為：

　　PC=N0SNRBSyα（3）

　　D2D Rx的信干噪比SINRD為：

　　由式（4）可以看出干擾項受參數dCD的影響，即蜂窩用戶與D2D接收機的具體地理位置關系很大程度上決定了干擾強弱，從而影響了D2D接收機端的信干噪比。

　　在實際通信過程中，D2D工作模式由D2D Rx的信干噪比SINRD決定。為SINRD設定一個門限值Vf，則模式選擇的條件關系為：

　　當SINRD≥Vf時，D2D端采用underlay模式當SINRD<Vf時，D2D端采用overlay模式

　　因此，由underlay模式時的條件SINRD≥Vf可得：

　　將式（1）代入式（5），變換得：

　　由式（10）可以看出，Q值決定了判決式?駐的取值，下面將分區間討論Q值范圍。

　　情況1：Q＞1

　　若Q＞1，則＞0與K＜0同時成立，則：

　　由與K的值可知，不等式（9）的解為：

　　由于，因此不等式（9）成立的條件即為：

　　時，的值將恒為負，即不等式（9）恒成立。若θ在上述范圍以外，則需要解＞0。

　　由于恒成立，且Q值越小，θ值越大，當θ滿足以下條件：

　　時，不等式（9）的解為：

　　中第二個不等式的上限與Q＞1的情況完全相同。

　　根據上述對Q值的討論可知，模式選擇的影響因素為參數θ與X的取值情況。由θ=|θD-θC|，θ值反映了D2D用戶與蜂窩用戶之間的夾角，并且，當D2D用戶處于蜂窩小區邊緣時，模式選擇結果受θ值影響較小，因此僅由X的值決定；當D2D用戶位于小區中心地帶時，則X與θ值同時影響D2D模式選擇結果。

　　另外，由X=x/y可以看出，X的值表示了D2D接收機到基站的距離與蜂窩用戶端到基站的距離的比值，若x＞y，則X＞1；若x≤y，則X≤1。

　　綜合以上討論情況，得出如下結論：在蜂窩與D2D混合網絡無中繼場景下，D2D用戶采用固定發送功率時，采用underlay通信模式需滿足的條件是X＞1+Q，其中，X表示D2D Rx與蜂窩用戶端分別到基站的距離的比值，Q為常數，其取值由混合系統參數決定。

　　1.2 有中繼場景

　　當在蜂窩與D2D混合系統中設置中繼站Rn時，蜂窩用戶有兩種方式進行數據傳輸，即利用BS直接通信或通過Rn轉發通信。在蜂窩用戶與中繼節點距離較近時，獲得等鏈路容量所需要的發射功率較低，這種情況可以考慮采用中繼轉發的方式。

　　圖2為單小區混合系統中設置中繼節點時的場景圖，假設基站BS位于小區的中央位置，以基站為中心，將小區平均劃分成3個扇區，每個扇區中分別設有一個中繼站，即Rn1，Rn2，Rn3，且其中任意中繼節點Rni（i=1，2，3）到BS的距離都為D。

　　采用中繼轉發的方式可以使蜂窩用戶以更小的發送功率獲得更高的系統容量，但缺點會成倍消耗資源，因此為了達到相同的系統容量，需要更高的信噪比，來達到與無中繼情況下的信噪比等效的效果。

　　為便于下文分析，假設中繼節點Rni到BS的回傳鏈路可靠。并且蜂窩用戶到Rn的鏈路容量決定兩跳鏈路總容量，滿足下述公式：

　　式（18）表示，當蜂窩用戶到BS鏈路的容量為蜂窩用戶到Rni的容量的一半時，中繼通信的系統容量與蜂窩通信系統容量達到一致。對式（18）進行變換得到中繼站Rni的信噪比公式如下：

　　下面的分析與無中繼場景類似，首先以BS為原點建立極坐標系，由于對稱性，此處僅分析圖2中Rn1所在的扇區，為使公式表達簡潔，將中繼節點Rn1設在橫坐標軸上，其坐標為（D，0），蜂窩用戶坐標為（y，θc），PCB與PCR分別代表蜂窩用戶和中繼站的發送功率，dCB表示蜂窩用戶與BS之間的距離，dCR表示蜂窩用戶到中繼節點的距離，可知：

　　當蜂窩用戶與BS進行通信與蜂窩用戶采用中繼轉發方式進行通信時的容量達到一致時，分別消耗的功率如下：

　　將式（19）與式（21）分別代入式（23）可得：

　　若PCB﹥PCR，則蜂窩用戶采用中繼轉發方式進行通信，變換即得到：

　　與無中繼情況類似，利用信干噪比SINR的閾值Vf對D2D用戶采取何種通信模式進行判斷。D2D接收端的信干噪比以及滿足的閾值條件為：

　　其中，dCD代表蜂窩用戶與D2D接收機Rx的距離；dCR代表蜂窩用戶到中繼Rn的距離；PCi取值為PCB與PCR值中的較小者，即PCi=min{PCB，PCR}。

　　由式（30）與式（31）變形可得：

　　在有中繼節點的蜂窩與D2D混合系統中，蜂窩用戶依據其到中繼節點Rn的距離信息來決定是否采用中繼轉發方式進行數據傳輸；D2D用戶端則依據如下準則來選擇用overlay模式或underlay模式進行通信。

　　準則：在有中繼節點的蜂窩與D2D混合系統中，若蜂窩用戶決定采取中繼轉發方式進行通信，則D2D用戶模式選擇公式如下：

　　上式中，dCD代表蜂窩用戶與D2D接收機Rx的距離；dCR代表蜂窩用戶到中繼Rn的距離。

　　若蜂窩用戶在中繼區域外，工作在非中繼轉發模式下，則D2D用戶模式選擇公式如下：

　　上式中，dCB代表基站BS與蜂窩用戶之間的距離。上述準則的所有距離值及相關參數值都可以在網絡中獲得，并且通過公式可以分析得出蜂窩與D2D混合網絡中D2D用戶端在不同模式通信時所適用的位置區域。

2 仿真

　　假設小區半徑為1（真實仿真中設為500 m），D2D接收機與發射機之間距離R設為0.1，中繼節點Rn與BS距離設為0.7，將D2D Rx與BS的距離dDB分別設為0.8，0.5及0.3。

　　實際生活中，采取D2D通信方式的用戶彼此之間距離較近，并且相對處于靜態，因此仿真過程中，將D2D用戶的位置固定不變，同時蜂窩用戶遍歷該小區的所有位置信息，即文中所有距離參數都能夠通過蜂窩用戶遍歷得知。本小節將根據推導的公式來對D2D用戶選擇underlay模式通信的概率值進行仿真。圖3為仿真結果。

　　仿真圖的虛線部分表示了在混合網絡無中繼場景下，當D2D用戶與BS的距離分別為0.8，0.5及0.3時，D2D用戶選擇underlay模式通信的概率隨D2D用戶端信干噪比的門限值的變化曲線。可以看出，在無中繼場景下，D2D用戶選用underlay模式的概率隨選用underlay模式的SINR閾值Vf的升高而降低，并且D2D端與BS距離dDB值影響該概率值。由于D2D Rx位置固定，并且為防止D2D用戶通信時對蜂窩用戶產生有害干擾，因此蜂窩用戶不會出現在以D2D Tx為圓心、到D2D Rx的距離為通信半徑的圓形區域內。在此前提下，dDB越小，即D2D端與BS相距越近，則蜂窩用戶比D2D用戶出現在小區邊緣區域的概率越大。然而，蜂窩用戶的發送功率與其離BS距離的遠近成正比，即蜂窩用戶離BS越遠，發送功率越大，對D2D用戶端的相對干擾越強，因此，D2D用戶端的信干噪比SINRD超過閾值Vf的比率越小。

　　圖3的實線部分表示在混合網絡中設置中繼站的場景下，同樣將D2D用戶與BS的距離分別設為0.8，0.5及0.3時的D2D用戶選擇underlay模式通信的概率曲線。與無中繼情況的曲線走勢類似，D2D用戶選擇underlay模式的概率與閾值Vf成反比。

　　對比可知，在dDB取值相同時，有中繼時D2D端選擇underlay模式的概率比無中繼情況的概率有較大提高。當混合系統中引入中繼后，從D2D角度來看，復用蜂窩資源的幾率將大大提高，傳輸效率得到提升。

3 結論

　　本文研究了一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關系的模式選擇策略，并引入中繼節點，分析D2D用戶采用underlay模式通信的概率與系統信干噪比門限值之間的關系。仿真結果表明，引入中繼后的D2D系統將更有機會復用上行鏈路資源。從蜂窩用戶角度來看，當蜂窩端與中繼距離較近時，獲得等鏈路容量所需發射功率較低，可考慮采用中繼轉發方式；從D2D角度來看，其復用蜂窩資源的幾率將提高，傳輸效率得到提升。本文僅研究單小區單中繼情況，在未來的研究中，將考慮多小區以及多中繼的系統模型。

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