5G网络中D2D通信模式选择和资源优化算法_林淑君

线表示蜂窝模式，虚线表示专用模式。从中不难看 出，不同的通信方式其信道质量很大程度上取决于 传输功率和终端间的空间距离，因此通过合适的模 式选择及资源分配算法，整个系统的性能应能得到 有效的提升。
图 1 D2D 用户的两种通信方式
为了简化问题，本文假定在分配资源块时不会
出现复用的情况，因此不同的用户对之间不存在干
小值。同时因为占用了两个信道，因此这部分系统
容量以上下行信道较小值的 2 倍来计算，如式（ 6）
中前半部分表达式。同理，当一对用户（ j，j+N） 使用
专用模式通信时，只占用一个信道，其对系统容量的
贡献如式（ 6） 后半部分所示。
式（ 7） 表示每一个用户只能分配一个资源块。
扰。假设在单小区的场景下，频率资源一共有 K 个
ＲB，记其集合为 K = ｛ 1，2，…，K｝ 。D2D 用户集合为
U = ｛ 1，2，…，2N｝ ，即一共有 N 对用户，每一个发送
方 j 对应一个接受方 j+N，如图 1 所示。
在专用模式下接收方的信噪比及对应的信道容
量可表示为：
γ j，j+ N
=
在每一个调度周期，基站为每个用户对选择以 下两种通信模式的其中一种： ①专用模式： 发送方和 接收方不经过 BS（ Base Station，基站） 直接通信； ② 蜂窝模式： 发送方通过 BS 转接，再由 BS 和接收方 进行通信。这种通信方式和传统的蜂窝用户通信是 类似的。
图 1 具体描述了用户的两种通信模式，其中实
0引言
D2D（ Device to Device） 通信技术是在系统控制 下，允许无线蜂窝网络的终端之间不经过基站而利 用小区资源直接进行通信的新兴技术。它通过复用 小区频谱资源，能够提高蜂窝系统频谱效率，降低终 端发射功率［1－4］，是 未 来 通 信 发 展 的 关 键 技 术 之 一 也是下一代（ 5G） 移动网络的重要组成部分。目前，
我们引入变量tj如图1中23行首先对任意用户在匹配全部资源块后计算其采用蜂窝模式进行通信时上下行信道中的速率较小值再将这个较小值的2倍与采用专用资源模式通信时的最优情况进行比较6789
第 49 卷 第 1 期 2016 年 1 月
通信技术 Communications Technology
doi： 10． 3969 / j． issn． 1002－0802． 2016． 01． 012
C
i j，B
表示上行
信道使用资源块
i
时的信道容量，用
Ci ' B，j+N
表示下行
信道使用资源块
i' 的 信 道 容 量，则
Ci j，B
和
Ci ' B，j+N
都
是
符合瑞利分布（ 3） 的随机变量。值得注意的是，在
这种通信方式下，我们需要为用户在上下行链路分
配两个 不 同 的 ＲB，这 也 使 得 资 源 分 配 调 度 更 加
式（ 2） 中的信道容量是现有的信道资源分配方
法的主要依据，其值主要取决于信道带宽 B，发射
功率和收发端之间的距离。然而，我们认为，由于信
道衰落现象的存在，一个用户在不同的信道上观察
到的信道质量是有差异的。如果在信道分配时把这
个因素考虑进去，可以优化信道的分配，从而进一步
提高系统的容量。因此，本文利用瑞利分布来描述
道，j 表示用户。
yj 是模式决策变量，
{1，第 j 个用户为蜂窝模式
yj = 0，第 j 个用户为专用模式
Xi，j 为信道分配变量，
{1，资源块 i 分配给用户 j
Xi，j = 0，资源块 i 没有分配给用户 j
当一对用户（ j，j+N） 采用蜂窝模式时，这对用户
得到的数据速率是上行信道和下行信道的容量的较
复杂。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 问题描述
基站在每个调度周期都需要决定每对用户的通
信模式并为其分配信道。我们的目标是在最大化整
个小区吞吐量的同时，保证用户体验的公平性，即为
每对用户选择质量较好的信道。我们将这个模式决
策和资源分配问题用以下非线性最优化问题来表示：
Max
KN
∑∑2yjmin（
Xi，j ·Cij，B
，X
i，j +
N
·C
i B，j +
N
）
+
i=1 j=1
（1
－
yj）
X Ci i，j j，j +N
（ 6）
K
∑ s． t． Xi，j = 1
（ 7）
i=1
2N
∑ Xi，j ≤ 1
（ 8）
j=1
Xi，j +Xi，j+N ≤1
（ 9）
yj ，Xi，j = 0or1
（ 10）
式（ 6） 保证了系统吞吐量的最大，其中 i 表示信
Gj，j+N ·Pj N0
（ 1）
Cj，j+N = B log2（ 1 +γj，j+N ）
（ 2）
式中，γj，j+N表示第 j 对用户信道信噪比，Pj 表示用户
j 的发射功率，Gj，j+N表示信道增益，N0 表示信道噪声
功率。Cj，j+N表示用户 j 与用户 j+N 进行通信时的信
道容量，B 表示信道带宽。
Abstract： D2D（ Device －to －Device） communication would be an important component in next generation （ 5G） mobile network． In light of the diverse channel quality in different communication modes by D2D users and aiming at maximizing system throughput，two kinds of resource allocation algorithms are proposed through INLP model． The optimal resource allocation algorithm could theoretically acquire the global optimal solution，while the sub－optimal resource allocation algorithm，as a supplement to the former，could be used in complex system structure to reduce the cost and improve efficiency． Experiment indicate that these two allocation algorithms are quite close in performance，and far better than the random allocation algorithm． Key words： LTE network； D2D technology； resource allocation； channel quality
容量为：
γj
=
Gj，B ·Pj N0
，
Cj，B = B log2（ 1+γj ）
（ 4）
下行信道的信噪比及信道容量为：
γj+N
=
GB，j+N ·PB N0
，
CB，j+N = B log2（ 1 +γj+N ）
（ 5）
式中，PB 表 示 基 站 向 用 户 j + N 发 射 功 率，Gj，B 和
G B，j+N 表示上下行信道的信道增益。用
然而，上述文献均没有考虑到用户在不同调度 周期的信道差异，将所有 ＲB（ Ｒesource Block，资源 块） 等概率分配给需要调度的用户。而在实际应用 中，由于无线信道的衰落现象，一个终端用户在不同 的信道（ 资源块） 上观察到的信道质量是有差异的。 如果把质量好的信道分配给该用户，则可以获得较 高的数据速率。由此可见，如果系统在分配资源块 的时候考虑到各用户因为位置和信道衰落引起的信 道质量差异，就可以优化资源分配方案，进一步提高 网络的容量。因此，本文的主要贡献就是基于信道 质量，提出了一个 D2D 通信中的模式选择和资源优 化算法。
Mode Selection and Ｒesource Optimization Algorithm for D2D Communication in 5G Cellular Network
LIN Shu－jun，TANG Jun－hua
（ Shanghai Municipal Key Lab of Integrated Management Technology for Information Security， Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）
本文首先描述需要解决的问题，然后对该问题 进行数学建模，以最大化系统吞吐量为目标，提出了 两种算法。这两种算法均综合考虑各用户的信道质 量差异，在每个调度周期动态地选择用户的通信模 式，并分配合适的资源块，在保证用户的公平体验的 同时，最大化系统的容量。
1 系统模型
本文考虑单个无线蜂窝小区，基站对小区的用 户进行集中控制。基站通过一定的机制获取每个用 户与基站之间的信道质量，以及每个用户对（ 发送 终端和接收终端） 之间的信道质量。在每个调度周 期，基站利用这些信息对每对用户的通信模式进行 决策，同时给每对用户分配信道资源。模式决策和 信道分配信息通过对应的控制机制在每个调度周期 开始前传达给用户。
* 收稿日期： 2015－08－05； 修回日期： 2015－11－20 Ｒeceived date： 2015－08－05； Ｒevised date： 2015－11－20
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ No． 61402287） ； 上海市科委项目（ No． 14YF1401900） Foundation Item： National Natural Science Foundation of China （ No． 61402287 ） ； Shanghai Science and Technology Committee （ No．
D2D 通信主要有三种工作模式，即传统蜂窝模式、 专用模式和复用模式。传统蜂窝模式通过基站进行 转接，专用模式为 D2D 用户预留专用资源，复用模式 中 D2D 用户则复用蜂窝用户资源［5］。本文主要关注 用户如何在蜂窝模式和专用模式中进行选择，以及怎 样分配系统的信道资源，以提高系统的吞吐量。
资源分配是 D2D 通信中的热点问题，文献［6］
Vol． 49 No． 1 Jan． 2016
5G 网络中 D2D 通信模式选择和资源优化算法*
林淑君，唐俊华
（ 上海交通大学 上海市信息安全综合管理技术研究重点实验室，上海 200240）
摘 要： Device－to－Device（ D2D） 通信是下一代（ 5G） 移动网络的重要组成部分。根据 D2D 用户在不 同通信方式中的信道质量差异，以最大化系统吞吐量为目标，通过求解非线性模型，提出了两种资源 分配算法。其中最优资源算法能够得到理论上的全局最优解，而次优资源分配算法作为前者的补 充，可以在系统结构过于复杂时，为减少成本，提高效率而使用。实验表明，两种分配算法的性能十 分接近，且远远高于随机分配算法。 关键词： LTE 网络； D2D 技术； 资源分配； 信道质量 中图分类号： TN929． 5 文献标志码： A 文章编号： 1002－0802（ 2016） 01－0056－06
用户对 j 在不同信道上的质量变化。用变量 x 来表
示
C
i j，j+N
，即用户对
j
选择信道
i
进行通信时的容量，
其概率密度函数为：
·57·
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通信技术
2016 年
f（
x；
σ）
=
x σ2
e
－x2
/2σ2
，x≥0
（ 3）
槡 均值为 σ
π 2
= Cj，j+N 。根据
Cj，j+N 可 以 得 出 参 数
14YF1401900）
·56·
第 49 卷
林淑君，唐俊华： 5G 网络中 D2D 通信模式选择和资源优化算法
第1 期
运用拉格朗日数学定理，给出了各种模式下的理论 最优解。文献［7］根 据 用 户 设 备 的 传 输 功 率，为 每 对 D2D 用户选择合适的资源利用模式。文献［8］提 出了一种联合优化模型，提高了系统的频谱利用率。 文献［9］以 信 噪 比 为 目 标，综 合 了 模 式 选 择 和 功 率 控制。
σ
的值，继 而 由 式 （ 3 ） 得 出 一 系 列 满 足 瑞 利 分 布 的
C
i j，j+N
值，我们认
为
这
些
随
机
值
可
以
代
表
用
户
对
j
在
不同信道 i 上的信道质量差异。
在蜂窝模式下，存在从发送端到基站的上行信
道和从基站到接收方的下行信道。假设发送端为用
户 j，接收端为用户 j +N，上行信道的信噪比及信道