《電子技術(shù)應(yīng)用》
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異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中D2D資源優(yōu)化算法研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
薛建彬1，2，梁艷慧1
1.蘭州理工大學(xué) 計算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.東南大學(xué) 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京210096
摘要： 針對蜂窩用戶和D2D(Device-to-Device)用戶構(gòu)成的混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源利用率低的問題，提出了一種基于拉格朗日對偶的資源優(yōu)化算法。該算法首先在保證蜂窩用戶QoS需求的情況下，使D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶上行鏈路中負(fù)載最輕的資源塊，并構(gòu)造拉格朗日對偶函數(shù)，通過不斷迭代計算，實現(xiàn)了D2D用戶發(fā)射功率的最佳分配。研究結(jié)果表明，此算法能使系統(tǒng)中的資源塊充分利用并實現(xiàn)D2D用戶吞吐量的最大化，且明顯提高了系統(tǒng)吞吐量。此外，D2D用戶的發(fā)射功率會隨著迭代次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，且當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到21次時，這種趨勢將趨于平穩(wěn)。
中圖分類號： TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170281
中文引用格式： 薛建彬，梁艷慧. 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中D2D資源優(yōu)化算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(10)：99-102.
英文引用格式： Xue Jianbin，Liang Yanhui. Research on D2D resource optimization algorithm in heterogeneous network[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：99-102.
Research on D2D resource optimization algorithm in heterogeneous network
Xue Jianbin1，2，Liang Yanhui1
1.School of Computer and Communication, Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China； 2.National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University，Nanjing 210096，China
Abstract： In order to solve the problem of low utilization of spectrum resources，a global optimization algorithm for resource allocation based on Lagrangian duality is proposed for hybrid heterogeneous networks constructed by cellular users and D2D users. Under the condition of guaranteeing the QoS of cellular users, the algorithm firstly allocates the lightest uplink user resource block of the cellular users to D2D users, then the algorithm constructs the Lagrangian dual function, and iteratively calculates the optimal transmit power of the D2D users.The results show that the algorithm can maximize the throughput of the resource blocks in the system and make full use of them, and obviously improve the system throughput.Furthermore, the transmission power increases with the number of iterations, and when the number of iterations reaches 21, this trend will stabilize.
Key words : resource allocation；Quality of Service；Lagrangian duality；iterative optimization；power distribution

0 引言

    隨著5G的迅速推進(jìn)，傳統(tǒng)蜂窩通信的頻譜資源已經(jīng)無法滿足越來越高的通信要求[1]。因此引入D2D通信顯得至關(guān)重要，它在一定程度上減緩了資源短缺的問題[2]。D2D通信是一種短距離的端到端通信，不需要基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)信息。它以非正交的方式復(fù)用蜂窩用戶的無線資源，大大提高了系統(tǒng)的頻譜利用率[3]。但當(dāng)D2D用戶去復(fù)用蜂窩用戶的資源時，必定會給蜂窩用戶帶來同頻干擾。因此如何找到一種有效的機(jī)制來減輕兩個子系統(tǒng)之間的干擾，使系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大化，具有很重要的研究意義[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種魯棒分布式資源分配方案，顯著改善了網(wǎng)絡(luò)性能，但是成本較高，并且用戶和中繼之間的干擾沒有得到有效控制。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于地理位置的資源分配方案，這種方案適用于多小區(qū)的場景，但是沒有考慮到詳細(xì)的功率控制方案。文獻(xiàn)[7]提出了兩種資源分配方案，即雙重度量方案和容限干擾度方案，實現(xiàn)了資源的平均分配，但系統(tǒng)的吞吐量相對其他方法沒有顯著的提高。文獻(xiàn)[8]提出了一種交替優(yōu)化算法，用凸優(yōu)化的方法實現(xiàn)功率的分配，但該方法忽略了對D2D的干擾問題，影響了引入D2D用戶的通信質(zhì)量。

    為了有效控制D2D用戶和蜂窩用戶之間的干擾，增加系統(tǒng)的吞吐量，并且使無線資源塊得到充分利用，本文提出了一種資源選擇和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法。該算法避免了D2D用戶對蜂窩用戶造成嚴(yán)重干擾，同時保證了引入次用戶的吞吐量。

1 系統(tǒng)模型

    假設(shè)在一個小區(qū)內(nèi)，基站可以獲取所有鏈路的信道質(zhì)量狀況。D2D用戶對有M個，表示為D={Di|i=1，2，…，M}，蜂窩用戶有N個，表示為C={Cj|j=1，2，…，N}。為了充分利用小區(qū)中的頻譜資源，D2D用戶對選擇性地復(fù)用蜂窩用戶的上行資源，K={1，2，…，k}表示可復(fù)用的頻率資源塊。系統(tǒng)模型如圖1所示。

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式中，gm為D2D通信鏈路的信道增益，gn.m為蜂窩用戶到D2D用戶接收端干擾鏈路的信道增益。

2 基于拉格朗日對偶的資源分配優(yōu)化算法

    基于系統(tǒng)模型的分析，本文首先在保證蜂窩用戶QoS的前提下給D2D用戶分配資源。其次，利用拉格朗日對偶算法對D2D用戶的發(fā)射功率進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，從而得到D2D用戶的最佳發(fā)射功率。 既保證了通信質(zhì)量，又提高了系統(tǒng)的吞吐量以及頻譜利用率。

2.1 資源分配算法

    在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載嚴(yán)重時，D2D通信會選擇復(fù)用蜂窩用戶的資源。作為終端直通系統(tǒng)的主要通信方式，蜂窩通信的傳輸速率必須得到保障，蜂窩用戶被D2D用戶復(fù)用之后的數(shù)據(jù)傳輸速率可由香農(nóng)公式表示為：

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    D2D用戶對m要選擇復(fù)用的資源塊k要滿足的條件如下：

     tx3-gs4.gif

式中，Cmin表示蜂窩用戶的傳輸速率閾值。若D2D用戶接入無線資源塊時，原有的蜂窩用戶無法達(dá)到正常通信時的傳輸速率，D2D用戶將不復(fù)用此資源塊。

    tx3-gs5.gif

    從式(5)可以看出，在達(dá)到蜂窩用戶傳輸速率閾值的前提下，D2D用戶選擇復(fù)用了負(fù)載最小的一個上行資源塊。然而資源的分配不但要控制D2D通信鏈路對蜂窩鏈路的干擾在一定范圍內(nèi)，而且還要保障D2D用戶的傳輸質(zhì)量。D2D用戶信噪比滿足的條件如下：

    tx3-gs6.gif

式中，TargetγD表示D2D用戶的信噪比閾值。滿足此條件，系統(tǒng)的吞吐量才能得到提升。但D2D信噪比越高，對蜂窩通信的干擾也會越大，成本、能耗以及對設(shè)備的要求也會越來越高。所以，對D2D用戶發(fā)射端的功率進(jìn)行控制很有必要。 

    tx3-gs7.gif

    式(7)說明，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，D2D用戶的發(fā)射功率不超過其允許的最大發(fā)射功率pmax。因為D2D用戶只能選擇一個資源塊去復(fù)用，則有：

     tx3-gs8-10.gif

式中，a表示一個D2D用戶只能復(fù)用一個資源塊。這個公式說明進(jìn)行協(xié)作通信時，首先要保證蜂窩用戶正常通信質(zhì)量。然后通過對D2D用戶對m的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大化所有無線資源塊上吞吐量。

2.2 最優(yōu)功率分配

    基于以上的資源分配方法，構(gòu)造了以D2D用戶吞吐量為目標(biāo)的函數(shù)。它是一個以D2D用戶的發(fā)射功率為自變量的非線性函數(shù)。為了求解這個函數(shù)，把效用函數(shù)變?yōu)椋瑿k，也就是把最大化問題轉(zhuǎn)化為了最小化問題。所以，式(10)可寫為：

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3 仿真與性能分析

    為了驗證提出方案的性能及其對系統(tǒng)的影響，進(jìn)行了一系列的仿真實驗。仿真場景為在半徑為1 km的LTE單小區(qū)，D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶上行資源。主要的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。通過將提出的資源分配(TPRA)方法與隨機(jī)資源分配(RRA)方法，以及考慮D2D速率的資源分配(RCRA)方法進(jìn)行比較，主要對比了系統(tǒng)的吞吐量和不同算法下功率的分配情況。

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    圖2比較了兩種算法下系統(tǒng)吞吐量的CDF分布圖。由圖可知，RRA的吞吐量明顯低于TPRA的吞吐量。因為RRA算法沒有合理地給主次用戶分配資源，導(dǎo)致主次用戶之間的干擾沒有得到有效控制。而TPRA算法，通過高效的干擾協(xié)調(diào)，提高了系統(tǒng)性能。

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    由圖3可知，TPRA算法下D2D的發(fā)射功率要高于RRA和RCRA算法，并且隨著迭代次數(shù)的增加，發(fā)射功率隨之增加。當(dāng)?shù)螖?shù)超過21次時，發(fā)射功率逐漸趨于平衡，達(dá)到0.864 W。此功率值小于本文給出的最大發(fā)射功率。因為本算法是在保證蜂窩用戶正常通信的情況下對D2D用戶的發(fā)射功率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行迭代調(diào)節(jié)，大大增加了頻譜利用率。

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    由圖4可知，當(dāng)D2D對數(shù)增加時，系統(tǒng)的吞吐量也會隨之增加。但是根據(jù)接入系統(tǒng)的D2D對數(shù)不同，不同算法表現(xiàn)出了不同的優(yōu)劣性。D2D用戶對數(shù)M≤14時，算法RCRA的系統(tǒng)吞吐量高于其他算法。而當(dāng)M≥16時，本文提出的方法TPRA開始占優(yōu)勢。相反，RCRA算法只是增加了次用戶的傳輸速率，忽略了其與主用戶之間的干擾。所以當(dāng)系統(tǒng)接入的D2D用戶對的數(shù)量較多時，TPRA算法的性能是最佳的。

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4 結(jié)論

    本文使用了拉格朗日對偶以及迭代算法解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中D2D的資源分配問題。研究結(jié)果表明：此算法相比其他兩種算法，更適用于D2D對數(shù)多的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。并且對D2D發(fā)射功率的迭代計算，有效減少了系統(tǒng)損耗，且保證了D2D通信的吞吐量。避免了負(fù)載重的資源塊超負(fù)荷，而負(fù)載輕的資源塊不被充分利用的問題，使系統(tǒng)的通信質(zhì)量得到了顯著提高。

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作者信息：

薛建彬1，2，梁艷慧1

(1.蘭州理工大學(xué) 計算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州730050；2.東南大學(xué) 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京210096)

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