蜂窝网络下D2D通信性能的研究.docx

蜂窝网络下D2D通信性能的研究XXXX，物理与电子信息学院摘 要：随着目前移动通信的发展，人们对高带宽，高效率，高质量和低延时性业务的需求不断加强，然而有限的频谱资源成为了阻碍蜂窝系统性能提高的最主要因素，然而随着大数据量的本地业务的兴起会对频谱资源造成更大的消耗，这也要求未来网络具备相应的技术来更好地支持这种局部通信形式。蜂窝网落下的D2D通信技术是一种充分利用频谱资源的技术，这种技术能够实现本地大数据业务，两个直连通信用户之间采用很小的功率进行通信，并且对蜂窝网络产生很小的干扰，只需通过基站控制即可，D2D通信系统允许终端通过复用小区资源直接进行通信，这能有效地提高蜂窝系统的频谱效率。所以，在LTE系统中引入D2D通信的同时降低系统内之间的干扰问题成为现在的研究热点。关键词：蜂窝网络；直连通信；模式选择；功率控制；资源分配Performance Research of D2D in Cellular NetworksXXXX，College of Physics and Electronic InformationAbstract：Withthedevelopmentofmobilecommunication，people needs continue to strengthenof high bandwidth,high efficiency, however limited of spectrum resources became has hinder cellular systemiccan improve of most main factors, but with big data volumeof local business of rise will on spectrum resources caused more big ofconsumption, this also requirements future network has corresponding oftechnology to better to support this local communications form. Cellular network falling D2D communication technology is a technique to fully utilize spectrum resources, this technique enables a large local data services, the use of communication between two directly connected users communicate very little power, and no transfer station by simply controlled by the base station, this system allows the terminal by multiplexing cell resources to communicate directly, which can effectively improve the spectrum efficiency of cellular systems. Therefore, the introduction of D2D communication in the LTE system and reducing interference between the systems now become a research hotspot. Key words：cellular network; Device-to-Device (D2D) communication; mode selection; power control; resource allocation目录摘要1一 移动通信和D2D通信系统介绍31.1 引言31.2 移动通信发展和现状31.3 D2D直连通信技术41.4 蜂窝网下的D2D通信技术4二 蜂窝网下的D2D通信性能研究62.1 D2D通信系统简介62.2 蜂窝网下的D2D通信工作模式选择82.3 功率控制92.4 D2D通信远近效应92.5 资源分配10三 系统建模和设计仿真123.1 蜂窝网下爱的D2D建模123.1.1硬性合并123.1.2 软合并123.2 系统模型133.2.1 单小区仿真场景143.2.2 多小区仿真模型143.3 仿真平台说明153.3.1 仿真流程153.4 仿真参数描述163.4.1 基本方针参数163.4.2基站参数163.4.3 移动台参数173.4.4 D2D用户对参数17四 仿真结果及其分析184.1 功率控制效果184.2 蜂窝系统中引入D2D通信技术的增益和影响因素194.2.1 单小区场景194.2.2多小区场景204.3 优化机制的干扰协调效果的评估20五 结束语22参考文献22致谢23一 移动通信和D2D通信系统介绍1.1 引言 自从十九世纪九十年代，马可尼第一次完成了无线通信试验，目前移动通信技术在我们生活中渐渐的普及开来。从模拟通信到2G通信，再到目前的3G通信技术，为了获得更高的数据传输速率和更大的系统容量，人们发展第三代合作项目计划（3GPP）下的长期演进项目(Long Term Evolution, LTE )LTE被称为第四代（4G）移动通信技术，为了满足更高的频谱利用率和支持更多种类业务的要求,D2D通信在众多备用技术中脱颖而出。其成本低，耗能少，带宽资源使用效率高等特点也正是它引人注目的地方。 无线频谱资源的不可再生性及其较低的利用率一直是无线通信网络发展的瓶颈，但随着大数据量的本地业务的兴起会对频谱资源造成更大的消耗，这也要求未来网络具备相应的技术来更好地支持这种局部通信形式。本文的研究点包括蜂窝网络下直连通信用户的连接建立方法、性能影响因素、干扰协调及性能优化方案等。其中性能优化方案包括直连通信用户的功率控制、资源分配和模式选择。目前在蜂窝网络下D2D通信已经日趋与成熟，增加了用户的同时又增加了系统的性能和吞吐量，在许多场景下都发挥了重要的角色。1.2 移动通信发展和现状1946年，根据美国联邦通信委员会(FCC)的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网。之后各个国家都推出了自己的第一代通信网。模拟通信网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。第二代数字通信系统（GSM）的出现使频谱利用率大大提高，同时也提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。并且GSM系统的功耗低，灵活和其安全性使其逐渐成为广泛接受的标准。随着人们对数据业务的依赖，第三代通信系统（3G）在第二代系统的基础上进一步发展来的宽带码分多址（WCDMA），它与前两代系统相比主要在语音和数据传输速率上有了很大的提升，可以实现无缝漫游。 随着移动通信技术的发展，全球微波互联接入技术(World interoperability Microwave Access, WiMAX)也得到了迅速的发展。在2004年，第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project , 3GPP)组织提出了通用移动通信系统(Universal Mobile Telecommunication System, UMTS)的长期演进技术。目前，移动通信面临着更多地困难：1）无线环境性能差，无线传播环境复杂，环境中有大量的散射物，建筑物的阻挡，同时在空间中有各种绕射波，反射波，散射波的叠加，造成电场强度的起伏不定，导致无线信号的传播常常经历深度的衰落，从而接收端接收性能很差，最大可相差2030dB；并且当终端运动时，接收端的衰落也会随着终端的运动而发生变化，严重影响通信的性能；2）无线频谱资源有限，无线频谱是一种不可再生的资源，为了提高目前的频谱利用率，人们开始采取措施，如窄带化，缩小频带之间的间隔，同时实现频谱的再利用；3）强干扰环境，在信号的传播时经常会处于深度衰落中，在加上一些外部干扰（发动机点火噪声等）和系统自身的干扰对移动通信的性能造成严重的影响。1.3 D2D直连通信技术 Device-to-Device(D2D)通信是一种在系统的控制下，两个对等的设备之间不需通过基站传输而直接进行短距离传输，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。直连通信技术指在不同的场景中他有不同诠释，在Ad hoc网络中的P2P（Peer to Peer）、物联网中的M2M（Machine to Machine）,其实这些只是在特殊场景下的特殊应用而已。D2D技术可以应用于移动蜂窝网络，以提高资源利用率和网络容量。D2D通信将在宏蜂窝基站的控制下获得通信所需的频率资源和传输功率。它与蜂窝网络共享无线资源的同时，也会带来一定的干扰。 D2D 通信对所有用户是公平、明确的。用户向基站提出D2D 通信的请求，基站接收到请求后将用户的通信方式切换到D2D 连接模式。设计D2D 通信时不能只局限于一种服务，应当支持多种服务，另外，当没有采用D2D 通信时，不能给系统带来额外的信令开销。D2D 可应用于多种本地通信业务，近距离或同一房间内的通信。如一个巡回音乐会的视频服务，观众可以通过无线D2D 下载音乐会提供的材料。当然也可以通过系统小区基站来提供视频服务，但是通过D2D 方式可以减少小区基站负载，在进行D2D 通信的同时，系统可以提供话音和因特网数据业务。 D2D 通信的主要问题之一是复用小区用户的资源所带来的干扰问题。D2D 通信复用上行链路资源时，系统中受D2D通信干扰的是基站，基站可调节D2D 通信的发送功率以及复用的资源来控制干扰，可以将小区的功率控制信息应用到D2D 通信的控制中来。此时D2D通信的发送功率需要减小到一个阀值以保证系统上行链路SINR 大于目标SINR，而当D2D 通信采用系统分配的专用资源时，D2D 用户可以用最大功率发送。 D2D 通信复用下行链路资源时，系统中受D2D通信干扰的是下行链路的用户。而受干扰的下行用户的位置决定于基站的短期调度。因此受D2D 传输干扰的用户可能是小区服务的任何用户。当D2D 链路建立后，基站控制D2D 传输的发送功率来保证系统小区用户的通信。合适的D2D 发送功率控制可以通过长期观察不同功率对系统小区用户的影响来确定。在资源分配方面，基站可以将复用资源的小区用户和D2D 用户在传播空间上分开。如基站可分配室内的D2D 用户和室外的小区用户相同的系统资源。同时基站可以根据小区用户的链路质量反馈来调节D2D 通信，当用户链路质量过度下降时降低D2D 通信的发送功率。1.4 蜂窝网下的D2D通信技术 移动通信不断向着高数据速率，高容量发展。正因为这样，移动通信技术也从原来的模拟通信发展到现在的第四代通信技术。目前，国际电信联盟正积极的研究各项无线接口技术来更好的为新系统服务，在众多的技术中，直连通信技术（D2D）由于低成本，高效率，即插即用和更高的资源利用率以及更好的支持未来的大数据本地业务被广泛的关注和应用。然而随着用户的爆发式增长，当前的资源频谱和资源利用率无法为如此多的用户提供优质的服务，解决的方法只有在一些人口众多的地方架设蜂窝基站或家庭基站等，可这些基站的干扰近似全局干扰，范围相对较大。并且这种方法成本相对较大。 移动通信技术的迅速发展，除了来自市场经济的驱动之外，还应该有相应的技术力量来支持，以满足人们日益增长的无线通信需求。但是随着社会的发展，通信用户终端的数量急剧增多，并且，移动通信对于数据的传输速率要求越来越高。通信系统的容量和可以使用的频谱资源己经成为阻碍移动通信技术发展的主要因素，需要通过引入新的通信技术来提高通信系统的资源利用率和扩大通信系统的容量。 为了提高通信系统的资源利用率，人们提出把蜂窝通信网络与WLAN网络和Ad hoc网络相互结合的想法。目前，蜂窝通信网络与WLAN技术相互融合的技术比较成熟，己经广泛的应用于现实生活中。蜂窝通信网络与Ad hoc网络的相互融合也受到了广泛的关注。 但是只有工作在许可频段，才能够提供干扰可控、稳定的工作环境。由于最近几年提出的D2D通信技术工作在许可频段，因此，D2D通信技术得到了广泛的关注。D2D通信技术是指相距很近的用户终端可以直接进行数据的通信，他们传输的数据信息不需要经过基站的转发。在蜂窝通信网络中引入D2D通信技术可以减少基站的负载，增加统的容量。并且，D2D通信技术可以共用小区内其他蜂窝通信用户的无线资源，从而可以提高蜂窝通信系统的无线资源利用率。但是，基站通过控制链路控制D2D通信用户所使用的无线资源和发射功率。 由于D2D通信用户之间的距离很近，他们可以利用较小的发射功率来获得较高的数据传输速率。 在蜂窝通信网络中引入D2D通信技术，可以提高数据传输速率、减少传输功率、提高通信网络容量、扩大小区的覆盖范围。蜂窝通信网络可以给D2D通信用户提供加密密钥，因此，可以不用手工的用户配对或者输入密钥来建立保密的直接通信连接。由于D2D通信技术工作的距离很近，因此，D2D通信用户可以利用较小的发射功率来进行高速率的数据通信，因此，用户终端设备的能量效率可以得到有效地提高。 当D2D通信重用通信系统内其他蜂窝通信用户的无线资源时，D2D通信与蜂窝通信之间会产生干扰，如果干扰不被有效控制的话，将会严重影响系统的性能。为了提高通信系统的性能，基于干扰感知的无线资源分配机制被提出。蜂窝通信系统可以通过控制D2D通信的最大发射功率来限制D2D通信对于蜂窝通信的干扰。基于通信距离的无线资源共享机制可以降低来自蜂窝通信对于 D2D通信产生的干扰。并且，可以通过利用分段频率重用技术(Fractional Frequency Reuse FFR)来降低D2D通信与蜂窝通信之间的相互干扰。二 蜂窝网下的D2D通信性能研究第一章已经简单的阐述了在蜂窝网下的D2D通信的优势及目前亟需解决的问题，在一种原有的通信构架中加入一种新的通信方式，必然会引起两种系统的冲突。当解决冲突后，使得通信的容量和频谱的利用率大大的提高。本章主要讲在蜂窝网下引入D2D通信时的性能研究。2.1 D2D通信系统简介图2.1 单蜂窝小区中D2D通信示意图 在蜂窝网通信系统中引入D2D通信技术后的系统模型如图2.1所示。在这里，我们假设只有一个蜂窝通信小区，其中，eNB是小区的演进型基站，UE 1(用户终端1)与基站进行普通的蜂窝通信，UE2(用户终端2)与UE3(用户终端3)进行直接的D2D通信。其中，UE2和UE3需要在小区基站的控制链路控制下，利用基站分配的无线资源和发射功率值进行可靠的直接通信。 在传统的蜂窝通信系统中，当两个用户终端需要进行通信时，他们所传输的数据信息需要先经过基站进行转发。但是，如果两个相距很近的用户终端需要进行通信，我们可以考虑让他们直接进行数据的通信，所传输的数据信息不需要经过基站进行转发。由于D2D通信用户之间相距很近，他们可以利用较小的发射功率来进行通信，可以提高终端设备的电池使用寿命。 可以考虑这样一种情形:在一个音乐会现场有一个媒体主服务器，客人可以利用D2D通信技术从这个媒体主服务器上直接下载音乐。目前，只有工作在非许可频段的蓝牙技术或者WLAN(无线局域网)技术可以用于设置到媒体主服务器的直接连接。但是，无线通信只有工作在许可频段才能够提供干扰可控、稳定的工作环境。因此，当非许可频段变得非常拥挤的时候，本地服务提供者可能会想通过花费少量的金钱来工作在许可频段获得较好的服务质量。蜂窝通信运营商将会提出在蜂窝通信系统中引入这种便宜的并且干扰可控的D2D通信技术来获得通信系统性能的提升。图2.2 多个蜂窝小区中D2D通信示意图 图2.2描述了在多个蜂窝小区中引入D2D通信技术的情形。在一个蜂窝小区中，基站协调蜂窝通信与D2D通信之间的干扰。基站通过控制链路控制D2D通信使用的发射功率和无线资源，限制D2D通信用户对于蜂窝通信用户产生的干扰。D2D通信的操作过程对于用户来说是透明的，其中，如果这些用户简单地输入统一资源定位符(URL)通信网络就会检测到用户终端和媒体服务提供者之间的通信，通信网络就可以把它们之间的通信模式设置为D2D通信模式。在D2D通信模式中，用户终端不需要配置WLAN接入点或者蓝牙的配对过程，而且，这些处理过程可能会是冗余繁杂的，特别是对于一个需要保密的通信连接。和其他一些本地的通信连接技术相比，例如，蓝牙技术或者WLAN技术，这里提出的蜂窝通信网络中的D2D通信技术具有更多的优势。首先，通信网络可以广播目前小区里的所有的本地服务。因此，对于自动的服务发现而言，UE不需要经常地浏览可用的WLAN接入点或者可用的蓝牙通信设备。因为用户终端经常地扫描蓝牙通信设备或者WLAN接入点，这可能会造成功率资源的浪费。其次，蜂窝通信网络可以给D2D通信用户提供加密密钥，因此，可以免去手工的用户配对或者输入密钥来建立保密的直接通信连接的麻烦。D2D通信技术的典型的应用场景是，用户终端需要和附近的其他用户终端共享文件。在D2D通信系统中，不需要选择非描述性蓝牙通信设备的名字或者一个WLAN设备的服务区标示符，蜂窝通信网络可以把设备标示符和用户标示符连接起来。通过用户终端之间的直接通信，可以极大地改善通信系统内本地用户的文件共享体验。在蜂窝通信系统中引入本地的D2D通信技术后，需要引入有效的干扰控制技术。在干扰受控的情形下，D2D通信技术可以共用系统内其他蜂窝通信用户的无线资源，从而提高通信系统的资源利用率。在通信量较小的通信系统中，如果系统内有空闲的无线资源时，系统可以让D2D通信使用专用的无线资源进行通信。此时，D2D通信不会对蜂窝通信产生干扰。相距很近的用户终端设备可以工作在D2D通信模式来提高通信系统的性能。如果系统的通信量比较大，系统内没有多余的无线资源时，系统可以让D2D通信共用小区内其他蜂窝通信用户的无线资源，此时，系统的无线资源利用率可以得到有效的提升。当在通信系统内引入D2D通信技术后，为了提高通信系统的性能，通信系统应该根据当前系统的工作情况来进行最优的无线资源管理。2.2 蜂窝网下的D2D通信工作模式选择在蜂窝通信系统中引入D2D通信技术后，根据通信系统给D2D通信分配的无线资源，D2D通信技术可以工作在多种通信模式: 非正交的资源共享模式、正交的资源共享模式、蜂窝模式。不同的D2D通信模式将会带来不同的系统性能，为了取得系统性能的提升，我们应该选择最佳的D2D通信模式。并且，当D2D通信共用蜂窝通信用户的无线资源时，他们之间会产生干扰，应该采取有效的干扰控制技术来避免通信系统性能的恶化。（1）D2D非正交的资源共享模式(Underlay Mode): D2D用户与蜂窝用户使用相同的时频资源，相互之间会形成干扰，但资源利用率很高。为了避免使用相同资源的用户之间的干扰，这些用户一般不能使用最大发射功率。通常情况下，基站会按照一定的规则(如系统吞吐量最大化、系统功率效率最大化等)对两类用户的功率进行设定，也会分配由哪些D2D用户和蜂窝用户共享相同的资源。（2）D2D正交的资源共享模式(Overlay Mode ) : D2D用户与蜂窝用户使用正交的时频资源，相互之间不会形成干扰，但资源的利用效率较低。这种情况下，如果不考虑小区间的干扰，则两类用户都可以使用最大的发射功率进行发射1。综上，在一个混合网络中，用户可以选择的工作模式有三种，即蜂窝用户模式、D2D非正交的资源共享模式和D2D正交的资源共享模式。系统会根据算法为每一个用户选择最优的工作模式。模式选择的原则是选择的通信模式能保证在蜂窝用户的基本通信要求的条件下使得系统吞吐量最大化。假设系统中所有占用正交资源的用户均分资源。因此，系统中每增加一个占用正交资源的用户，系统中已存在的其他正交资源用户能够占用的资源将减小。因此，在模式选择过程中计算某种模式下的系统吞吐量单位、带宽吞吐量以及当前系统中用户的模式选择情况。确定用户是采用蜂窝模式还是D2D模式的关键是比较用户和基站之间的链路与D2D用户对之间的链路。由于蜂窝通信模式和D2D正交资源共享模式都是占用正交的资源。则可以直接根据链路质量来确定这两种模式中哪种模式是更优，记为TI。计算模式TI下系统的总吞吐量。计算如果用户采用非正交D2D共享模式时系统的总吞吐量。比较TI模式与非正交的D2D共享模式下系统的吞吐量。选择吞吐量较大的模式并确定选择为用户的最终通信模式2。模式选择的流程图如下图2.3所示图2.3 模式选择示意图2.3 功率控制当D2D用户复用蜂窝用户资源时，蜂窝用户会对D2D用户产生干扰，同样D2D用户也会对蜂窝用户产生干扰。如图2.4所示，用户UE2和UE3进行D2D通信。UE 1以蜂窝通信的方式与eNB进行上行链路通信。在LTE网络中，由于通信终端设备使用的是全向天线，D2D发送端发给D2D接收端的信号会同时被eNB接收，这样会对eNB收到来自蜂窝用户 UE1 的信号产生了一定的干扰，从图可以看出，UE1距离eNB较远，如果D2D通信用户复用了UE 1上行链路资源，会对UE1上行通信产生很强的干扰，使其通信性能下降。但是从图中可以看出，在混合网络中，D2D通信终端仍然有可能对一蜂窝系统上行资源进行复用，例如蜂窝用户距离eNB很近时，功率控制一般仍然具有较人的余量，可以抵抗较强的干扰。因此D2D发送者在进行D2D通信时应该避免复用蜂窝终端用户UE 1的上行链路资源，可以优先选择复用峰窝终端用户离基站较近的上行链路资源。并且，只要D2D发送者的发射功率控制得当，便可以获得较好的系统性能3。图2.4 直连通信与蜂窝用户之间的干扰2.4 D2D通信远近效应 远近效应是指当基站同时接收两个离基站距离不同的移动台发来的信号时，由于距离基站较近的移动台发来的信号较强，距离基站较远的移动台发来的信号较弱，则距离基站近的移动台的强信号将会对距离远的移动台弱信号产生严重的干扰。 由于在移动通信系统中同时进行通信的是多个用户，这多个用户的信号之间一定要采用一类正交隔离手段，否则就会相互干扰，在通话时串话。在移动通信系统中，第一代频分多址系统采用频段隔离，一个用户使用一个频段。只要滤波器隔离度做得好，基本上能防止多用户干扰，因此不存在远近效应。在第二代时分多址的GSM系统中，采用时隙隔离，即每一个用户分配一个正交的时隙，只要时间选通隔离度做得好，也能基本上防止多用户干扰，也不会带来远近效应的问题。 但在CDMA通信系统中，由于不同用户之间采用的是同一时隙、同一频段，而相互之间的隔离是利用码的自、互相关特性。但是在实际通信中很难做到不同码是完全正交的，此时就会带来远近效应的问题。 D2D通信中的远近效应与CDMA中的远近效应有所不同。在D2D通信建立之后，各个D2D终端用户之间直接进行数据传输而不再通过基站进行中转。在D2D通信过程中会面临多个D2D用户同时发送，一个D2D用户接收的时候，接收UE会收到多个功率级别的发送功率信号。但由于接收UE中的中射频动态范围受限等原因，存在接收端对大信号接收能力正常，小信号超出接收范围而接收不到的情况，这就带来了D2D通信场景下的远近效应问题。如图2.6所示，UE 1, UE2和UE3正在进行D2D通信，UE 1和UE2为D2D信号发送方，UE3接收同时发来的UEI和UE2的D2D信号。由于UE1离UE3近，UE2离UE3较远，UE1发出的D2D信号到达UE3时比较强，会对UE2发来的弱的D2D信号造成强干扰，产生远近效应4。图2.6 D2D通信中的远近效应2.5 资源分配 D2D的资源分配是和模式选择相结合的，对于使用蜂窝模式进行D2D通信的用户，把D2D用户当作蜂窝用户加到蜂窝用户队列进行全局分配，对于使用专有模式进行D2D通信的用户，基站会给D2D用户划分一块专有的资源，D2D用户使用专有资源进行通信;对于使用复用模式进行D2D通信的用户，要考虑系统整体性能来为其选择合适的复用资源，一般都会将这种情况建模为一个优化模型，然后通过求解这个优化方程来获得最优化复用方案。 现有技术中，研究D2D用户的资源分配主要是研究复用模式下的资源分配。复用模式又分为复用下行资源和复用上行资源。当D2D用户复用蜂窝用户的下行资源时，蜂窝链路的干扰受害方是用户，D2D的发射端会对本小区及邻居小区的蜂窝用户产生干扰;D2D链路的干扰受害方是接收端，D2D的接收端会收到本小区及邻小区基站发射信号的干扰。当D2D用户复用蜂窝用户的上行资源时，蜂窝链路的干扰受害方是基站，D2D的发射端会对所属基站及邻居基站产生干扰;D2D链路的受害方是接收端，D2D接收端会收到本小区及邻小区蜂窝用户发射信号的干扰。图2.6和图2.7中基站和用户都会相互干扰。D2D用户的资源分配一般会根据实际需要来设计不同的优化目标，如最大化系统的吞吐量，最小化系统的干扰，最小化系统的功率，最大化频谱利用率等。图2.6 D2D用户复用蜂窝下行资源干扰情况图2.7 D2D用户复用蜂窝上行资源干扰情况 文献5考虑了蜂窝系统中D2D用户复用蜂窝用户上行资源时的干扰避免问题，利用基站和用户联合决策D2D用户使用的资源。为D2D分配资源时，基站先计算并更新每一个上行资源块RB对D2D传输的干扰容忍度，将这些值组成一个列表并广播，D2D根据听到的广播信息选择干扰容忍度较高的资源块进行通信。但是这种方法广播的信令开销较大，增加了基站负载。文献6提出一个贪婪启发式算法来解决资源分配问题。文章假设一个D2D用户只能选择其中一个蜂窝用户的资源进行共享，且一个资源块只能被一个D2D用户复用。该文献分上行和下行分别建立了资源分配的优化模型，优化目标是最大化蜂窝用户和D2D用户的速率之和。文献7提出一个距离驱使的资源分配算法，通过设定复用的最小距离(即选被选用户到D2D用户的距离)来控制他们之间的干扰。文中假设两个D2D用户间的距离远小于D2D用户到基站的距离，且D2D用户的发射功率比蜂窝用户的发射功率低得多，因此D2D用户对蜂窝用户的干扰可以忽略不计，主要考虑蜂窝用户对D2D用户的干扰。设定一个距离门限，当蜂窝用户到D2D用户的距离大于这个门限值时，蜂窝用户的资源才可以被D2D用户复用。此外，还有一些文献89 将模式选择、资源分配，功率控制联合起来，解决D2D通信中的问题。文献9提出了一种OFDMA系统下的D2D通信的新方案，该方案将功率控制、资源分配和模式选择结合起来。通过联合资源分配和模式选择，实现下行总发射功率的最优化。其中子载波分配和自适应调制被用来分配子载波和比特，每个D2D用户对可以智能的进行模式选择。仿真结果表明，该方法不仅节省了发射功率，而且降低了系统的整体功耗。三 系统建模和仿真设计 第二章已对本文提出的各种性能做了详细的介绍。这一章将会对仿真中采用的系统模型、仿真平台和仿真参数进行简单的描述。3.1 蜂窝网下的D2D建模 第一章已经简单地阐述了在蜂窝网络下引入D2D通信技术的需求和优势。然而，在一种现有的网络架构中引入一种新的通信技术势必与原有的网络产生一定的冲突。如果不能很好地处理两种技术之间的关系，使得两种技术在同一个网络部署下不能很好地融合，那么在蜂窝网络下引入D2D技术不仅不会成为一种优势，反而会成为一种灾难。因此，本章会对蜂窝网络下引入D2D技术场景下蜂窝技术与D2D技术的各种合并方案进行描述，然后对蜂窝网络下加入D2D技术的场景进行必要的系统假设。3.1.1 硬性合并 硬性合并是指在蜂窝网络中引入D2D网络之后，任何一种网络都不为另一种网络进行必要的改动。换句话说，两个系统只是简单地利用同一块资源，而不做任何的协调和退让。在本文所说的场景之下，就是蜂窝网络依然按照原先的方式进行运作，只是网络中有部分用户接入了D2D网络或者说采用了D2D通信方式，系统中的蜂窝用户和D2D用户并不进行相互协调。显然，当一部分用户不再通过基站的转接进行通信时，蜂窝网络的负载(主要体现在基站端需要处理的用户数上)能得到有效的缓解。然而，这或许是硬性合并能带来的唯一好处，而两种网络之间的相互干扰将是灾难性的。在这种互不避让的环境下，蜂窝通信用户和D2D通信用户会产生强烈的互干扰，双方的通信性能都不可能令人满意。 蜂窝网络对一些用于传输系统控制信息的控制信道有严格的保护，而这些控制信道上传输的信息，例如调度信息、信道测量信息等，是网络正常运行的必要因素。如果硬性合并场景下的D2D通信用户不对自己使用的频率资源以及采用的发射功率等进行有效的控制，很可能对蜂窝网络的控制信道产生严重的干扰，导致网络信息出错，最终导致用户不能进行正确的解调和解码，通信系统出现紊乱。对于用户数据信道也是同样的道理。相反，如果D2D用户不与蜂窝网络进行协商而随意使用网络中的资源，那么其自身的通信质量也有可能遭受到严重的影响。如图2.6所示。在这个以蜂窝网络上行通信系统为参考的场景中，有一对距离基站很近的采用D2D方式进行通信的用户，记D2D用户对1。还有一对采用D2D方式进行通信的用户对，记为D2D用户对2，处在距离一个边缘蜂窝用户很近的位置上。如果D2D用户对1与其他蜂窝用户共享资源，那么接收信号的基站会受到严重的干扰;D2D用户对2恰好与边缘蜂窝用户(发射功率较大)占用相同的资源，那么D2D用户对2中的接收用户将受到严重的干扰。以上所说的严重干扰都是由于不合理的资源共享方式造成的。综上所述，在蜂窝网络中引入D2D技术时需要将两种技术很好地融合，否则两个系统将产生严重的互干扰，造成任何一个系统都无法正常有效地通信1。3.1.2 软合并 为了对引入D2D通信技术的蜂窝网络进行有效的控制，系统需要引入专门的控制设备对整个网络进行监督管理或“推举”现有的网络设备作为混合网络的管理者。几种备选的方案分别为:1） 引入蜂窝网络和D2 D 网络之外的一个控制设备对系统的两种共存网络进行资源分配和干扰协调等操作。即在双方形成僵持的情况下，请求更高层的设备进行调节和管理。不过这种方法的缺点也十分明显。第一，新的设备会引入新的资源开销。这种能同时协调蜂窝网络和D2D网络的高层设备的处理能力至少是基站级别的。第二，引入新的设备来调节两种不同的网络必然需要设计一新的网络协议或信令来兼容两种网络，使得该设备能同时与两种不同的网络进行通信，就像连接两个不同协议的网络的路由器需要有两套不同的协议一样。第三，在本来就较为复杂的混合网络中引入新的未知设备会给网络的复杂度带来更大的挑战，越是复杂网络，可靠性也越低。因此，在实际设计网络的过程中都向简化网络结构的方向发展相对于其他系统的网络结构，LTE系统的扁平化网络就是最好的例子2）推举D2D网络中的设备作为混合系统的控制设备，为了不给网络引入可能的瓶颈，D2D网络中一般不存在中央处理单元即客户/服务器模型中的服务器以及类似蜂窝网络中的基站的设备。D2D网络中的所有设备几乎具有同等的处理能力，也就是一般网络中用户终端的处理能力。这种用户级别的处理能力显然不能满足控制混合系统的要求。另外，即使在D2D网络中引入所谓的超级用户，它们的处理能力可能也不能完全满足系统的要求这些超级用户一般只负责网络中的用户接入，保存网络中相互通信的直连用户信息及相应的资源信息，只提供一种索引方式，不存储具体的资源内容。所以这种超级用户只是相对于网络中的普通用户而言的，其处理能力并没有达到可以协调混合系统中两种不同网络的程度。更重要的是，这些超级用户并没有协调网络的相互干扰并完成相应的调度的经验。如果要让这些超级用户完成混合网络管理的任务，无疑需要重新设计一整套实现方案和算法。综上所述，一个D2D网络中的超级用户依然没有足够的能力完成这项艰巨的任务。3） 推举蜂窝网络中的设备作为混合系统的控制设备。蜂窝网络本身就是一种类似客户/服务器模式的网络。在现有的蜂窝网络中，用户间进行通信需要由基站进行信息转发。用户的调度、资源分配等也都由基站基于网络的干扰环境和用户的业务服务质量(QoS: Quality of Service)等因素进行调整。由于D2D通信用户不需要由基站转发业务，只需要基站对其进行合理的资源调度和功率分配，因此，直观上混合系统中的基站并没有比蜂窝系统中的基站增加太多的负担。可以说，蜂窝网络中的基站具有混合网络控制器所需的一切处理能力。如果还是不能满足网络的要求，那需要升级的空间也比上述的超级用户担任混合网络控制器所需要的升级空间小很多，这就降低了升级的成本。需要注意的是，如果要控制D2D网络中的用户使得整个混合网络的性能达到最优，基站需要获得比现在更多的系统信息。基于这些信息，基站就可以将网络中的D2D用户当作普通的用户，在对原蜂窝网络中的现成算法进行升级的情况下可以对整个混合网络进行管理，包括资源分配、功率控制等。唯一需要区别对待的是在为D2D用户分配完资源之后，基站不再为其转发消息。综上，原蜂窝网络中的基站可以较为简单地升级为混合系统的控制设备1。3.2 系统模型 本文后续的仿真都是基于LTE- FDD上行蜂窝系统，这主要有以下几个方面的含义:1)系统中的蜂窝用户采用两个不同的频段来区分上行和下行传输;2)本文基于的系统平台中只关注蜂窝用户的上行传输;3)系统中的D2D用户只能共享蜂窝用户的上行传输资源。为了对系统的性能有一个全面的评估，本文同时设计了单小区和多小区的仿真场景。其中单小区的仿真场景主要用于一些算法的前期研究(如前文提到的模式映射方法就是在单小区场景下进行研究的)，并用于计算系统的容量极限;多小区的仿真场景主要用于模拟更加实际的网络场景，用于评估各种优化算法在实际系统中的优化效果以及系统在各种优化算法作用下能够达到的实际吞吐量。下面分别对单小区仿真场景和多小区仿真场景进行简要的介绍。3.2.1 单小区仿真场景 假设系统中存在一个中心基站，一个蜂窝用户和一个D2D用户对。其中基站的位置固定在小区中心，D2D用户对的位置由参数D和L确定，蜂窝用户的位置由参数d以及相应的相角确定。这里D指的是D2D用户对距离中心基站的距离，L指的是D2D用户对的内部距离。对于一个特定的仿真周期，D2D用户对的位置由一组特定的D和L确定。而蜂窝用户在小区中随机分布，即系统为其产生一个随机的d和一个随机的相角。针对每一个随机的蜂窝用户位置，设为位置p，系统会计算出当蜂窝用户处于位置p时，处于(D, L)位置上的D2D用户对的最优模式以及此时系统的总吞吐量。对于一组特定的(D，L)，系统会遍历蜂窝用户的位置并执行相应的计算，得到一张模式图谱和一张增益图谱。最终，系统会遍历所有的(D, L )，得到不同的(D, L)场景下的一系列模式图谱和配套的增益图谱。图3.2 单小区场景示意图3.2.2 多小区仿真场景 多小区仿真场景采用多个单小区场景组成的正六边形蜂窝拓扑结构，包括19个小区，每个小区3个扇区。仿真中以扇区一为观察单位。每个扇区中含有N个蜂窝用户和M个D2D用户对。其中，蜂窝用户和D2D用户对均在系统中随机均匀分布，基本的参数设置足N=10 , N=10。然而，为了研究不同的系统负载对系统性能的影响，系统中峰窝用户数N和D2D用户对数M会根据具体的场景需要变化，这会在具体的变化场景中给出说明。3.3 仿真平台说明 为了研究蜂窝系统中加入D2D用户对之后的性能变化，系统需要一个没有加入D2D用户对的参照平台。在系统中不加入D2D用户对的情况下，得出的仿真结果即为参照数据。另外，系统中会对前文所述的各种优化算法进行建模并进行相应的评估。因此，平台中加入了各种算法的控制信号，可以控制是否采用特定的某种算法。通过采用与不采用某种算法的系统性能对比，可以更好地得出某种算法对系统的影响。整个平台的架构包含输入文件、平台实现代码以及输出文件。其中输入文件包含基站位置信息，快衰值以及一些基本的系统仿真参数如噪声系数、最大发射功率等:在完成仿真之后，系统会输出基站、移动台、D2D用户对的相关性能数据文件。平台基于一种动态的仿真流程，即在仿真过程中对系统进行连续的时间采用，采样间隔不大于系统的最小控制时间。因此，整个仿真过程是随着时间的推进而不断进行的，又可以成为时间驱动仿真。下面会对平台实现的具体流程以及一些关键的模块进行具体的介绍。3.3.1 仿真流程1)基站和系统信息初始化: 首先需要完成的是系统的初始化工作。这部分工作主要包含:a)创建系统中所有的基站对象;b)读入外部文件配置各个基站的位置参数;c)配置基站天线方向并对基站其他信息(调度队列等)进行初始化。这些信息是网络部署结束之后就确定好的，所以需要在系统初始化部分完成。2)用户初始化: a)创建系统中所有的移动台对象、D2D用户对象; b)对移动台和D2D用户对进行撒点操作并配置其位置信息; c)链路矩阵和主服务基站计算，在计算完链路矩阵之后，可以据此计算每个移动台的主服务基站，同时配置每个基站的激活集；3)时间驱动操作:在每一个时间片上(又称为时隙)，系统需要完成的工作主要有:链路时隙操作、移动台(特指蜂窝用户)时隙操作、D2D用户对的时隙操作和基站时隙操作。下面将对各实体的时隙操作进行单独的介绍。a)链路时隙操作:链路时隙操作是在每个时隙中对链路状态进行更新，主要是更新快衰的取值。由于系统的快衰文件是从外部文件读入的，在需要获取当前的快衰值时只要根据当前的时隙以及链路的快衰初始状态就可以直接得到。b)移动台时隙操作: 移动台时隙操作是指移动台(此处特指蜂窝用户)的时隙操作。由于本平台基于LTE- FDD上行蜂窝系统，因此，移动台所有的时隙操作包括从基站获取调度信息，并按照基站指示的调度信息发送相应的信号。c) D2D用户对时隙操作: D2D用户对的时隙操作要根据平台中的控制信号决定是否执行。如果执行的话，那么由于D2D用户对不存在上下行的区别，那么在每个时隙中D2D用户对中的接收机需要完成对上一个时隙信号的接收，D2D用户对中的发射机需要将信号发射出去。由于还没有研究文献表明D2D用户对的发射消息格式由基站或其他设备进行控制，本文的处理方案是假设D2D发射机能够通过与接收机之间的协调，将调制编码等级调整到最优的状态，使得误码率小于10%。因此，只要接收到的信噪比高于D2D接收机的最低信噪比要求，那么此次传输就对系统吞吐量有所贡献。d)基站时隙操作:基站作为整个系统的控制中心，同时作为蜂窝网络上行链路的接收机需要完成诸多工作。除了基本的接收机操作以外，基站最重要的功能就是完成对系统中蜂窝用户和D2D用户对的调度。在对蜂窝用户的调度中，主要包含非自适应的同步HARQ(即规定移动台在特定时刻采用与初始传输一致的传输格式、调制编码等级、占用的资源等需要重传的消息)、为不需要重传的蜂窝用户确定新的调制编码等级以及时频资源分配;在对D2D用户对的调度中，主要完成用户的模式选择、时频资源的分配以及功率的控制。需要注意的是在对D2D用户对的调度过程中不包含对传输信息的调制编码等级的控制，这是与蜂窝用户调度不同的地方。4)计算系统性能相关指标并将结果输出到文件。3.4 仿真参数描述3.4.1 基本仿真参数下表中给出了仿真中使用到的基本参数，主要包括小区拓扑、带宽等方面的信息。表格中给出的每个扇区中10个蜂窝用户和10个D2D用户对只是一组标准设置。如在具体的场景中有所不同，会在具体的结果给出时进行相应的说明。具体参数参照表3.1 。参数数值发射功率46dBm最小接收SINR2dB噪声系数5dBm天线高度25m天线类型三扇区表3.1 基本仿真参数3.4.2 基站参数下表中主要给出了系统中与基站相关的一些参数。其中天线参数主要用于计算基站与其他节点之间的路径损耗。表中给出的基站端最小接收SINR是根据蜂窝用户的误帧率门限(0.1)结合FER ( Frame Error Rare)曲线得到的。参数数值最大发射功率24dBm最小发射功率-50dBm噪声系数9dB天线高度1.5m天线增益0 dBi天线类型全向表3.2基站参数3.4.3 移动台参数下表中主要给出了系统中与蜂窝用户相关的参数。参数数值Underlay D2D用户对最大发射功率16 dBmOverlay D2D用户对最大发射功率24dBmD2D用户对最小发射功率-50 dBm噪声系数9 dB天线高度1.5m天线类型全向天线增益0 dBi内部距离10mD2D接收机最小SINR-2.5 dB表3.3 移动台参数3.4.4 D2D用户对参数下表中给出了系统中与D2D用户相关的一些参数。为了限制Underlay D2D用户对同信道上蜂窝用户的干扰，系统中将其最大发射功率限制为16dBm; Overlay D2D用户不对蜂窝用户产生干扰，因此其最大发射功率与蜂窝用户相同。表中给出的内部距离是一种标准设置，如有不同，会在具体的结果给出时进行具体的说明。参数数值系统带宽10MHZRB的大小180KHZ基站数19扇区数/基站3蜂窝用户数/扇区10D2