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蜂窝网络中的全双工通信设备

Sanghoon Kim和韦恩·斯塔克

密歇根州大学，安阿伯，MI48109

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摘要——在本文中，我们研究了单波段全双工通信设备的性能改进，它可以发送和接收蜂窝网络同一频率的波段。在蜂窝网络中，两个不同的频率能够同时发送和接收半双工无线电。最近，全双工无线电允许无线节点同时发送和接收同一个频段。这表明，对于短距离通信，它是有作用的。同样，全双工通信是适合设备到设备（D2D ）通信的，D2D通信通常是一个短距离通信。(D2D)通信是蜂窝网络中的垫片方案，使对等网络对主蜂窝网络产生有限的影响。当用户设备更靠近其他用户设备，而不是基站时，D2D通信会提高使用者之间通信的带宽效率。当全双工通信用于D2D通信时，本地用户之间的双向通信就只需要一个频段。全双工通信提高了D2D通信的带宽效率。我们提出了一个简单的全双工D2D通信协议，并对比传统蜂窝通信方案来分析该协议的带宽增益。

I.简介

无线网络经常在带宽效率或能量效率中受到限制。蜂窝网络通常依靠两个使用者之间的通信并利用大量基础设施来检查基站。如果两个使用者无限接近，那么频谱和能量的利用就不够有效，若此次通信包含大量信息，那么效率会更低。D2D通信直接发生在两个设备间，而不需通过一些基础设施，当D2D通信是适合的，协议的设计也是适合的，那么D2D通信就有了决定性的挑战。设备到设备的通信已包含在诸如IEEE802.11分布式标准中。在IEEE 802.11网络中，无线节点感知到信道，并决定它是否可以发送一个分组。在分布式无线网络中，节点采用了碰撞避免机制，例如CSMA / CA或RTS/ CTS协议。当一个接入点（AP）通常用于IEEE802.11 网络时，AP不直接控制任何的信道访问或资源分配。然而，设备到设备的通信没有被应用在蜂窝网络中。在蜂窝网络中，信息通过基站发送到目标用户设备（UE）。基站一般控制信道访问和分配资源，即使该通信发生在同一单元的用户设备中。

图片１：双工通信系统

图片２：全双工D2D和基础设施通信的比较

结合D2D 通信和蜂窝通信，可提高蜂窝网络的效率。当用户设备之间的距离近于到基站的距离，D2D 通信相对于通过基站的通信，能源和带宽效率更高。图2是D2D 通信效率更高的一个实例。因为信道访问与资源都受基站控制，所以蜂窝网络中的D2D 通信也应该由基站控制。因此，基站只允许在同一单元的本地用户设备之间使用D2D 通信，前提是它必须比通过基站的传统通信更有效率。用户设备节点比较靠近时，使用D2D 通信是合适的。随着用户设备节点的增加， D2D 通信吞吐量会急剧下降[1]。因为距离较短， D2D 通信比正常的蜂窝通信需要更少的资源，这就提高了总电池容量[2]。为D2D 通信管理干扰的协调资源分配被提议出来[3]。

我们将D2D 通信模型以无线通信的形式来支持位于邻近的设备的应用服务。适用于全双工D2D 通信的一个例子是，移动用户与此区的其他移动用户一起玩流行游戏，邻近用户设备之间的文件，图像，视频可以共享也是一个这样的例子。随着社会服务越来越多，通过移动设备邻近用户设备服务也变得可以利用，对D2D 通信的需求也会变得越多。

全双工通信的应用通常依靠频分复用或时分复用。应用D2D 通信需要无线电能够在单个频率上发送和接收信息。发射天线的发送给同时接受的接收天线带来了强大的自我干扰，D2D 通信应用因此受到挑战。模拟和数字干扰抵消的结合可以抑制自干扰[4]和[5]。有两个天线的全双工无线电已经应用，并已证明比处于低发射功率水平的半双工2×2MIMO 通信[5]具有更好的性能。在[6]和[7]，采用全双工通信的MAC 协议是在ad-hoc 网络的背景下提出来的。

蜂窝通信采用的全双工通信已被考虑在[8]中的基于通信的基础设施。

全双工通信的特点与D2D 通信配合良好。 D2D 通信适用于近距离，全双工通信 在较短的距离内表现更好。在更短的距离内，全双工通信的自干扰会减少，因为发射功率会变低。在本文中，我们提出了一个完整的蜂窝网络D2D 双工通信协议。我们还分析了单频D2D 通信协议的带宽效率，并将它与传统蜂窝通信方案进行比较。这表明了单一频率D2D 通信提高了小区带宽效率。

这篇文章的要点如下。在第二节，我们会介绍系统模型。在第三节中，我们会分析单一频率的D2D 通信的性能。在第四节，我们提出了单频通信的资源分配协议和性能分析。结论会在第五节给出。

II. 系统模型

我们假设D2D 通信和初级（移动台对基站和基站对移动台）蜂窝网络共享整个相同的频带。我们假设网络以10 MHz 频段运行，并基于正交频分多址（OFDMA ）。

A. 信道模型

我们假设独立等分布（IID ）Rayleigh 衰落是在带宽的不同部分（在不同的时间间隔）。此外，有一个距离相关的路径损耗。假设在一个特定频率下所发送的信号功率是Pt ，在距离为d1是接收到的信号功率是：

21P |h |t r P d α

= (1) 其中h 是Rayleigh 衰落，2|h |1E ⎡⎤=⎣⎦，α是路径损耗指数。使用MIMO 时，在发射器

和接收器天线元件之间，该信道在一个特定的频率h 衰弱被替换成衰落矩阵H 。可用于任何类型通信的带宽相对相干带宽是足够大的，所以衰落是独立的。

B. 无线电模型

我们假设无线电配备两个天线，D2D 模式传输天线用于传输，而另一个天线用于接

收。我们考虑的情况是，用户可以在一个天线传输同时在第二天线接收，如图1所示，然而，一个节点的发射天线所发送的信号会干扰到在同一节点中的接收天线所接收的信号。模拟和数字干扰抵消只能部分取消自干扰。另外，自干扰是不可能被完全地取消的。当一个节点是发射功率Pt ，残留的自干扰功率KPt 量中K 是自干扰消除因子。随着传输信号功率的增加，残留的自干扰也会增加。当两个用户之间的信道是独立同分布的快衰落与距离相关的路径损耗，完整的双工通信的SINR 可以表示为

20t t

P d SINR N W KP α=+ （2） t P 是D2D 通信的发射功率，2d 是两个节点之间的距离。

C. D2D 通信模型

我们假设D2D 通信只用于同一单元中的用户设备，因为D2D 通信被基站控制，不同单元的设备可能不能够直接通信，否则将是低效的。D2D 通信的带宽分配将在下一章介绍。

要建立D2D 通信，两个步骤是必需的。第一步骤是发现。发现是用来寻找邻近区域的可用服务。当D2D 通信支持用户移动设备的应用程序， D2D 通信的可能性就能被确定下来。用户设备需要确定其它装置是否处于同一单元的邻近区域，是否具备D2D 通信能力。这还存在服务发现协议，如Flashlinq[9] 和Wi-Fi Direct[10]。 Flashlinq 支持蜂窝网络中的服务发现。第二个步骤是D2D 通信设置。用户设备要求D2D 通信到基站和基站确定这两个通信方案（D2D 和正常通信）哪个更高效。当确定D2D 通信比通过基站的通信更有效率，D2D 通信就会被允许的，相关资源会得到分配。在本文中，我们假设第一个步骤是成功的，只考虑第二个步骤和实际的D2D 通信。我们假定用户清楚该信道状态，例如路径损耗和用户设备与D2D 通信之间的衰弱。在如 Flashlinq[9]的协议中，一种特殊类型的信标被用于广播或发现服务，用户设备通过听信标来估计到其他用户设备的信道。

因为全双工通信可以在同一频带中传输和接收信息，它可以提高一个单元的带宽效率。当D2D 通信用于同一单元两个用户设备之间的通信时，它用的带宽是基于基础设施的通信（FDD ）的一半。全双工D2D 通信和基于基础设施的通信区别如图2所示。当用户设备与基站通信，它使用半双工模式的两个天线。当用户设备采用的是D2D 通信，它会采用全双工通信，各个方向使用天线1。

D. 基于基础设施的通信模型

我们假设基于频分双工的蜂窝通信在蜂窝网络中应用。基于基础设施的通信会出现两种情况。第一种情况是同一单元的用户设备间的通信。在协议中，当用户设备与同一单元的其他用户设备通信时，用户设备需要进行D2D 通信。当基站确定现有的蜂窝通信比D2D 通信更高效，两个用户设备则通过基站进行通信。在这种情况下，需要双频段来进行通信。每频段分配给每个用户设备来与该基站进行通信。用于用户设备和基站的通信，使用FDD 。我们假设有一半分配的带宽被用于上行链路，而另一半用于下行链路。对于D2D 通信的带宽分配将在下一章介绍。第二种情况是用户设备连接到一个单元外的实体。实体可以是互联网上的服务器或在另一个单元的另一个用户设备。对于这两种情况，我们只考虑用户设备和基站之间的开销。第二种情况，是不能被D2D 通信所取代的，并且与传统的蜂窝通信相同。

与D2D 通信相比，我们关心基于基础设施的通信的带宽效率。我们假定2×2的MIMO 通信投入使用，在接收器处的信道状态信息中通信实现2×2的MIMO 信道容量。然后，