文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.024
中文引用格式： 黃巍，柯文韜，張海波，等. 全雙工D2D通信系統(tǒng)下的一種資源分配算法[J].電子技術(shù)應(yīng)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
作為5G通信的關(guān)鍵候選技術(shù)之一，D2D通信[1，2]可以通過復(fù)用蜂窩用戶頻譜資源的方式提高頻譜利用率，并且減輕基站負(fù)載。D2D通信被用于短距離終端間的通信，而將全雙工通信運(yùn)用于短距離通信時(shí)，終端性能將得到更大提升，故將全雙工技術(shù)運(yùn)用在D2D通信中。
目前資源分配的研究大多集中于半雙工D2D通信[3-5]中。近年來，隨著自干擾消除技術(shù)的日漸成熟，專家、學(xué)者開始研究全雙工D2D通信。文獻(xiàn)[6]提出了一種簡(jiǎn)單的全雙工D2D通信協(xié)議，該協(xié)議提高了帶寬效率和系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[7]提出了基于干擾受限區(qū)域資源分配方案，結(jié)果表明處于全雙工D2D通信下D2D鏈路吞吐量接近半雙工的兩倍。文獻(xiàn)[8]以系統(tǒng)吞吐量最大化為目標(biāo)，提出一種圖論中圖著色的全雙工資源分配方案，但該文獻(xiàn)未考慮自干擾所帶來的影響。文獻(xiàn)[9]以最大化D2D用戶數(shù)量為目標(biāo)，提出了多個(gè)D2D對(duì)復(fù)用單個(gè)蜂窩用戶資源的方案，但是該方案并未涉及D2D用戶間的同頻干擾。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于保障蜂窩用戶服務(wù)質(zhì)量的啟發(fā)算法，但復(fù)雜度過大。
針對(duì)上述問題，本文針對(duì)全雙工通信場(chǎng)景，解決多對(duì)D2D用戶復(fù)用同一個(gè)蜂窩用戶資源的資源分配問題，提出了一種支持全雙工D2D通信的資源分配算法。該算法在保證蜂窩用戶與D2D用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，通過圖論中點(diǎn)著色理論來對(duì)D2D用戶進(jìn)行資源分配。
1 系統(tǒng)模型
如圖1所示，假設(shè)D2D復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路資源，其中有K個(gè)D2D用戶對(duì)、N個(gè)蜂窩用戶均隨機(jī)分布在小區(qū)中。
其中，1≤i≤N，1≤j≤K，l∈{1，2}。
如果第i個(gè)蜂窩用戶的上行鏈路資源被第j對(duì)D2D用戶復(fù)用，則第j對(duì)D2D鏈路中的第l個(gè)D2D用戶的信干噪比(SINR)可得出：
其中，式(9)表示一個(gè)D2D對(duì)只能復(fù)用一個(gè)蜂窩用戶的信道資源。
2 基于圖著色理論的資源分配算法
為了求解上述問題，本文從圖論的角度考慮，將D2D資源分配問題轉(zhuǎn)化為圖論中的點(diǎn)著色問題。
根據(jù)D2D用戶對(duì)彼此之間同頻干擾的關(guān)系，構(gòu)建出一個(gè)干擾圖G=(V，E)，集合V中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示小區(qū)中的D2D用戶對(duì)，集合E表示連接D2D用戶對(duì)的邊。若D2D用戶對(duì)x和D2D用戶對(duì)y之間存在不可容忍的干擾，則用邊連接x與y節(jié)點(diǎn)；反之，不連線。
干擾圖中的兩點(diǎn)間如果產(chǎn)生連線，則表明對(duì)應(yīng)的D2D通信對(duì)之間的同頻干擾較大，無法復(fù)用同一蜂窩資源，反之為潛在的可復(fù)用資源。在完成干擾圖的構(gòu)建之后，將對(duì)圖進(jìn)行點(diǎn)著色。著色函數(shù)記為π，點(diǎn)著色數(shù)記為τ，將進(jìn)行著色的點(diǎn)按照定點(diǎn)度的大小降序排列。算法偽代碼如下所示。
基于圖著色資源分配算法：
3 仿真分析
為了便于實(shí)現(xiàn)，本文在單小區(qū)場(chǎng)景下對(duì)提出的算法進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。
由圖2可以看出，當(dāng)基站收到干擾增大時(shí)，D2D用戶的總吞吐量也增大，此時(shí)D2D通信對(duì)數(shù)目隨之不斷增加。當(dāng)自干擾消除為95 dB時(shí)，半雙工（HD）模式表現(xiàn)優(yōu)于全雙工(FD)；當(dāng)自干擾消除為105 dB和110 dB時(shí)，全雙工D2D通信模式表現(xiàn)更佳。
圖3表示單一D2D鏈路通信的中斷概率與基站收到干擾的關(guān)系。相比于半雙工D2D通信用戶，每個(gè)全雙工D2D用戶將會(huì)受到更大的干擾。
圖4表示系統(tǒng)吞吐量隨著自干擾的變化趨勢(shì)。由于半雙工系統(tǒng)的吞吐量不受自干擾影響，故保持不變。本文采用的圖著色資源分配算法有效協(xié)調(diào)多個(gè)D2D用戶能夠復(fù)用同一個(gè)蜂窩資源所帶來的同頻干擾。相比于傳統(tǒng)的單一復(fù)用模式，本算法提高了系統(tǒng)的吞吐量。
圖5表示系統(tǒng)中D2D對(duì)數(shù)的增加對(duì)參與復(fù)用的D2D對(duì)平均數(shù)的影響。運(yùn)用本文算法使得系統(tǒng)中能夠復(fù)用蜂窩用戶資源的D2D用戶數(shù)量多于半雙工D2D鏈路數(shù)量的一半，進(jìn)而有效減小了同頻干擾。因此合理使用全雙工D2D通信模式將會(huì)帶來一定收益。
4 結(jié)論
蜂窩系統(tǒng)中的多對(duì)一D2D通信模式能夠充分利用有限的頻譜資源，從而提高系統(tǒng)吞吐量，但系統(tǒng)中所產(chǎn)生的干擾也將更為嚴(yán)重。本文所提算法在滿足系統(tǒng)中所有用戶的服務(wù)質(zhì)量QoS的約束條件下，通過圖著色算法給D2D用戶有效地分配資源，將D2D用戶間的同頻干擾控制在可接受范圍內(nèi)，從而提高系統(tǒng)的吞吐量。但該研究并未涉及功率優(yōu)化，因此對(duì)系統(tǒng)中用戶的功率控制有待進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)
[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.