摘  要： D2D（Device-to-Device）通信技術(shù)是一種能夠降低基站負載率和提高系統(tǒng)資源利用率的新型近場通信技術(shù)。本文根據(jù)D2D接收端與蜂窩端的相對距離關(guān)系，分別討論了傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)以及引入中繼技術(shù)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(guān)系的模式選擇方案。仿真數(shù)據(jù)驗證了D2D系統(tǒng)采用復(fù)用模式的概率與設(shè)定的系統(tǒng)信干噪比閾值成反比關(guān)系，表明引入中繼技術(shù)后的D2D系統(tǒng)采用復(fù)用模式的概率大大增加，意味著在混合網(wǎng)絡(luò)中加入中繼節(jié)點能夠有效地提高系統(tǒng)的頻譜利用率。

　　關(guān)鍵詞： D2D通信；混合網(wǎng)絡(luò)；模式選擇；信干噪比；中繼技術(shù)

0 引言

　　伴隨移動通信系統(tǒng)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(jīng)難以滿足實際系統(tǒng)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(tǒng)蜂窩通信技術(shù)不同，D2D用戶之間傳輸信息不需經(jīng)基站轉(zhuǎn)發(fā)，地理位置相近的D2D用戶之間通過復(fù)用蜂窩用戶的無線頻譜資源直接進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信，因此，D2D技術(shù)不僅降低了基站負載，還有效提升了系統(tǒng)頻譜資源利用率。

　　D2D用戶根據(jù)復(fù)用蜂窩資源的情況，有兩種工作模式[4-5]：正交模式（overlay）和復(fù)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(qū)內(nèi)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(fù)用模式又稱為共用模式，是指D2D用戶共享小區(qū)內(nèi)某蜂窩用戶的頻譜資源進行通信。

　　D2D系統(tǒng)采取正交模式通信時不會對原蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的通信產(chǎn)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(fù)用模式下時，D2D通信將會對蜂窩鏈路的接收端產(chǎn)生干擾。因此，如果網(wǎng)絡(luò)通信負載較小，可以為D2D系統(tǒng)分配多余的正交資源，這樣顯然能獲得更佳的網(wǎng)絡(luò)總體性能。但是，由于分配給蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源有限，考慮到通信業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)獲得更高的資源利用率。這也是在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用D2D技術(shù)的主要目的。

　　復(fù)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(fù)用時，它們之間容易產(chǎn)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(fù)用時，由于D2D用戶的發(fā)射功率較小，對蜂窩用戶產(chǎn)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(tǒng)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(xié)調(diào)蜂窩和D2D系統(tǒng)的干擾問題。首先介紹傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中引入D2D技術(shù)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(guān)系的模式選擇方案。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)有的一些中繼傳輸技術(shù)方案，在混合系統(tǒng)中引入中繼節(jié)點，并分析了D2D用戶采用復(fù)用模式通信的概率與系統(tǒng)信干噪比門限值之間的關(guān)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(tǒng)無中繼情況的蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)為背景，設(shè)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(shù)據(jù)傳輸?shù)腄2D通信對，D2D鏈路距離為R，D2D接收機（D2D Rx）位于以D2D發(fā)射機（D2D Tx）為中心，R為半徑的圓周上，并假設(shè)D2D用戶對采用固定的發(fā)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(shè)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?shù)姆椒▉砭S持一個恒定的接收信噪比SNRBS。

　　上式變換得到蜂窩用戶的發(fā)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(shù)dCD的影響，即蜂窩用戶與D2D接收機的具體地理位置關(guān)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(shè)定一個門限值Vf，則模式選擇的條件關(guān)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(qū)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(jù)上述對Q值的討論可知，模式選擇的影響因素為參數(shù)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(qū)邊緣時，模式選擇結(jié)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(qū)中心地帶時，則X與θ值同時影響D2D模式選擇結(jié)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(jié)論：在蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)無中繼場景下，D2D用戶采用固定發(fā)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(shù)，其取值由混合系統(tǒng)參數(shù)決定。

　　1.2 有中繼場景

　　當在蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中設(shè)置中繼站Rn時，蜂窩用戶有兩種方式進行數(shù)據(jù)傳輸，即利用BS直接通信或通過Rn轉(zhuǎn)發(fā)通信。在蜂窩用戶與中繼節(jié)點距離較近時，獲得等鏈路容量所需要的發(fā)射功率較低，這種情況可以考慮采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式。

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

　　采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式可以使蜂窩用戶以更小的發(fā)送功率獲得更高的系統(tǒng)容量，但缺點會成倍消耗資源，因此為了達到相同的系統(tǒng)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(shè)中繼節(jié)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?cè)萘?，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(tǒng)容量與蜂窩通信系統(tǒng)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(qū)，為使公式表達簡潔，將中繼節(jié)點Rn1設(shè)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(fā)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(jié)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(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)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(jié)點的蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中，蜂窩用戶依據(jù)其到中繼節(jié)點Rn的距離信息來決定是否采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式進行數(shù)據(jù)傳輸；D2D用戶端則依據(jù)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(jié)點的蜂窩與D2D混合系統(tǒng)中，若蜂窩用戶決定采取中繼轉(zhuǎn)發(fā)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(qū)域外，工作在非中繼轉(zhuǎn)發(fā)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(guān)參數(shù)值都可以在網(wǎng)絡(luò)中獲得，并且通過公式可以分析得出蜂窩與D2D混合網(wǎng)絡(luò)中D2D用戶端在不同模式通信時所適用的位置區(qū)域。

2 仿真

　　假設(shè)小區(qū)半徑為1（真實仿真中設(shè)為500 m），D2D接收機與發(fā)射機之間距離R設(shè)為0.1，中繼節(jié)點Rn與BS距離設(shè)為0.7，將D2D Rx與BS的距離dDB分別設(shè)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(tài)，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(qū)的所有位置信息，即文中所有距離參數(shù)都能夠通過蜂窩用戶遍歷得知。本小節(jié)將根據(jù)推導(dǎo)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(jié)果。

　　仿真圖的虛線部分表示了在混合網(wǎng)絡(luò)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?？梢钥闯觯跓o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(chǎn)生有害干擾，因此蜂窩用戶不會出現(xiàn)在以D2D Tx為圓心、到D2D Rx的距離為通信半徑的圓形區(qū)域內(nèi)。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(xiàn)在小區(qū)邊緣區(qū)域的概率越大。然而，蜂窩用戶的發(fā)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(fā)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(wǎng)絡(luò)中設(shè)置中繼站的場景下，同樣將D2D用戶與BS的距離分別設(shè)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(tǒng)中引入中繼后，從D2D角度來看，復(fù)用蜂窩資源的幾率將大大提高，傳輸效率得到提升。

3 結(jié)論

　　本文研究了一種基于蜂窩用戶與D2D用戶地理位置關(guān)系的模式選擇策略，并引入中繼節(jié)點，分析D2D用戶采用underlay模式通信的概率與系統(tǒng)信干噪比門限值之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，引入中繼后的D2D系統(tǒng)將更有機會復(fù)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(fā)射功率較低，可考慮采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式；從D2D角度來看，其復(fù)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(qū)單中繼情況，在未來的研究中，將考慮多小區(qū)以及多中繼的系統(tǒng)模型。

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