主頁（http://m.by236.com）：基于D2D通信的中繼輔助的資源分配算法分析

在D2D（Device-to-Device）通信中引入中繼節點可以延伸蜂窩覆蓋范圍，提高系統性能。在中繼輔助的D2D通信中，中繼節點的選擇是關鍵。提出了一種中繼輔助的資源分配算法，討論了中繼節點的選擇問題，同時根據社交關系因素和距離因素來選擇最優中繼。該方案保證了通信鏈路的QoS（Quality of Service），并且使得系統吞吐量達到最大。仿真結果表明，距離和社交關系因素都對D2D通信產生很大影響，同時考慮兩個因素比單純考慮社交關系因素或者距離因素性能提高很多。

　　D2D通信是指在LTE系統控制下，物理距離較近的兩終端之間不經過基站（BS）中繼而直接進行數據傳輸的技術，從而減輕基站負載，減少終端與基站之間的路徑損耗，減少端到端的時延，尤其是使小區邊緣用戶通信質量得到很大改善，提高小區覆蓋率［1-3］。D2D通信的一個主要問題是干擾問題，即蜂窩用戶對D2D用戶產生的干擾以及D2D用戶對蜂窩用戶的干擾［4-5］。

　　對于D2D通信產生的干擾問題，中繼輔助通信是一個有效的方法。怎么從候選中繼中選擇一個最優的中繼節點是中繼輔助D2D通信的一個主要問題。文獻［6］提出了一種分布式的中繼選擇算法。該方法首先協調蜂窩用戶和D2D用戶之間的干擾，消除相應的不合理中繼節點，然后在候選中繼中用分布式方法來選擇最優中繼。文獻［7］提出了一種基于社交關系的中繼選擇方案，考慮候選中繼與D2D用戶之間的社交關系選擇最優中繼節點。文獻［8］提出了一種兩步策略中繼選擇和資源分配的聯合方案，第一步決定候選中繼范圍，第二步用該中繼選擇方案選出最優中繼節點。文獻［9］調查了小區邊緣用戶的中繼節點選擇的問題，提出一種雙層博弈模型來找到最優中繼。文獻［10］提出一種最大化D2D中繼鏈路容量，并且保證蜂窩用戶QoS的中繼選擇方法。

　　本文集中于社交網絡中D2D用戶和與其鄰近的閑置用戶之間的社交關系，充分利用基站具有的提高通信質量、協調用戶之間的通信的功能來記錄所需要的數據。在此基礎上，提出了一種中繼輔助的資源分配算法，同時考慮了社交關系和距離來選擇最優中繼節點。在社交網絡中的閑置用戶根據與D2D用戶之間的社交關系來選擇是否為D2D用戶傳輸數據以及傳輸多大的功率。

　　1 系統模型

　　本文考慮的是小區邊緣用戶進行通信的場景。如圖1所示，小區中有一個基站、M個蜂窩用戶（CUE1，CUE2，…，CUEM）、N個閑置用戶（IUE1，IUE2，…，IUEN）、K個D2D對。M個蜂窩用戶通過M個不同的信道與基站進行通信。D2D源節點到中繼節點、中繼節點到D2D目的節點都可以復用蜂窩用戶頻譜資源，此處沒有多余的頻譜資源單獨分配給D2D通信。本文假設一個D2D鏈路（源節點到中繼節點鏈路或者中繼節點到目的節點鏈路）可以復用一個蜂窩用戶信道資源，不同的D2D鏈路將會選擇不同的蜂窩用戶，因此不同的D2D鏈路將會復用不同的頻譜資源（本文假設復用的資源為上行鏈路資源）。

　　D2D通信建立進程如圖2所示。

　　2 社交關系

　　2.1 候選中繼選擇

　　考慮單小區邊緣用戶進行D2D通信，小區中有蜂窩用戶（CUES）、閑置用戶（IUES）以及D2D用戶（DUES）。假設D2D對復用同小區蜂窩用戶的上行鏈路資源，當D2D對不滿足直接通信要求時，IUE將會作為中繼輔助通信。因為不同的D2D對復用不同的蜂窩用戶資源，所以D2D對間不會產生干擾，本文只考慮蜂窩用戶的干擾。

　　截取小區邊緣D2D用戶通信模型如圖3所示。假設CUE的位置以及發送功率是固定的，D2D發送端到接收端的距離為L。信道只考慮路徑損耗，路徑損耗和距離L是成比例的，路徑損耗系數為α，發送端i的發送功率為Pij，因此，從接收端j的接收功率為本文假設中繼選擇區域是以D2D發送端為圓心、以R為半徑的圓，假設最大半徑R為dmax，其中dmax《L。本文把該圓形區域分為圖3所示的4個區域，候選中繼用戶必須遵循以下兩個標準，從兩個標準中可以確定候選中繼的范圍［8］。

　　（1）候選中繼必須是IUES。

　　（2）為了保證D2D鏈路質量，中繼節點不能遠離D2D源節點和目的節點，因此候選中繼區域必須在D2D源節點到目的節點所在線段為邊界的區域內，圖3所示為區域Ⅰ和區域Ⅱ中。

　　2.2 社交關系

　　本文考慮社交關系權重如下式所示：

　　其中，Tij是UEi到UEj的連接時間。分母是UEi到其他IUES總共的連接時間。假設基站將會跟蹤聯系用戶，可以計算出Bij。Bij代表社交關系強弱，Bij為0～1之間的值，值越大，社交關系越強，反之越弱。和帕累托（Pareto）分布一樣，社交關系強度在大多數節點都是很弱的，只有少數節點具有很強的社交關系。在下文中可以看到，社交關系對于中繼輔助D2D通信有重大影響［1］。

　　上文已經討論了D2D用戶進行通信可以直接建立通信，也可以通過中繼進行通信。

　　從S到D的直接通信傳輸SINR為：

　　其中，Ps，d是D2D對的發送功率，IC是蜂窩用戶對D2D接收端產生的干擾，N0是高斯白噪聲功率。本文假設基站BS和閑置用戶IUES是固定的，ds，d是D2D發送端到接收端的距離，B是信道帶寬。因此，S和D之間的直接通信數據速率為：

　　對于中繼輔助D2D合作通信，采用譯碼轉發（DF）中繼方案。如圖3所示，DUES被IUES包圍，DUES發送中繼請求，IUE把社交關系和距離等信息回復給DUES，DUES根據IUE的回復選擇最優中繼UER進行D2D合作通信，中繼用戶R的功率是一個和社交關系相關的正線性函數，即具有較強社交關系會激勵中繼發送更大的功率來進行數據傳輸：

　　從方程（10）中可以看到，不管是距離還是社交關系在合作通信中都起了關鍵作用。顯然，最優中繼UER對于DUEs有很高的社交關系權重，并且與DUEs和DUED距離都較短。需要在最優中繼的選擇與中繼探測上的花費中選取一個折中處理。假設D2D通信的傳輸時間為T，探測每個候選中繼的時間為τ，經過n次探測之后，選擇到最優中繼進行D2D合作通信。

　　經過中繼探測后有效的吞吐量為：

　　約束式（13）和式（14）表示中繼輔助D2D通信每一跳的SINR需大于D2D通信SINR門限，式（15）表示需要保證蜂窩通信的最小SINR。更多的約束將在第3節中介紹。

　　3 中繼算法設計

　　在本節中，提出一種同時考慮距離和社交關系的中繼選擇方案。

　　基于距離和社交關系的中繼算法：

　　4 仿真結果與分析

　　本節對D2D合作通信的吞吐量進行了數值仿真，得到吞吐量隨著距離和社交關系門限改變的仿真圖。在仿真中，以帕累托分布為模型衡量用戶間的社交關系。主要參數如表1所示。

　　圖4描述了基于距離的中繼選擇方案和本文提出的中繼選擇方案在不同dmax下的吞吐量變化情況。

　　從圖4中可以看出，基于距離的中繼選擇方案隨著dmax的增大呈現先增后減的趨勢。當距離很小時，中繼選擇區域小，閑置用戶少，難以找到高容量中繼，導致了吞吐量低。隨著dmax的增加，更多的閑置用戶可以利用，可以選擇更高速率的中繼用戶，吞吐量增大。當dmax變得太大時，會花費大量的時間在探測過程中，有效的傳輸時間會變短。本文提出的方案和基于距離的方案有相同的趨勢。不同的是，在低dmax和高dmax時，只是輕微降低了吞吐量。這是因為在社交關系的約束下會有效減少不合適的閑置用戶，減少探測時間，從而提高傳輸速率時間。從圖中可以看出，dmax取值為125 m～150 m時得到最大吞吐量。

　　圖5描述了基于社交關系的中繼選擇方案和本文提出的中繼選擇方案在不同Bth下吞吐量的變化情況。

　　從圖5中可以看出，如果只考慮社交關系因素為選擇最優中繼的標準，即使選擇了最高的社交關系的閑置用戶為最優中繼中繼，吞吐量仍然比較低。盡管吞吐量在增加，但是依然遠小于本文提出的中繼選擇方案，因為高社交關系的用戶有可能遠離D2D發送端。從圖中可以看出，本文提出的方案先增后減，當Bth太小時，花費了很多時間去探測中繼，從而使傳輸時間降低；當Bth太大時，吞吐量減少是因為太高的社交關系約束使潛在的中繼數量減少，很難找到具有高速率的最優中繼。但是因為本方案同時考慮了距離因素，相比于基于社交關系的方案仍然有很高的吞吐量。從圖中可以看出，當Bth取值為0.1時得到最大吞吐量。

　　5 結束語

　　本文分析了關于社交關系的中繼輔助D2D通信的性能。同時考慮了社交關系因素和距離因素來選擇最優中繼。仿真結果表明，距離和社交因素對D2D通信有很大影響，比單純考慮社交因素或者距離因素，性能提高很多。本文還指出中繼選擇區域不應該過大或者過小，必須足夠大來保證探測到較強社交關系的閑置用戶，但是又不能花過多的時間在探測過程中，需要確保有效傳輸時間。

　　參考文獻

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　　［10］ CHEN Z，SU Z，SHAO S.Research on relay selection in device-to-device communications based on maximum capacity［C］.International Conference on Information Science，Electronics and Electrical Engineering.IEEE，2014：1429-1434.

　　作者信息：

　　李同會1，段紅光1，2，唐 虹1，劉夢露1

　　（1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065；2.重慶郵電大學 新一代寬帶移動通信重點實驗室，重慶400065）