基于分組的D2D通信功率控制算法

丁晨 石振剛

摘要：為解決現有蜂窩網絡中設備對設備（Device?to?Device，D2D）通信的功率控制算法中路徑損耗補償系數固定導致基站與D2D用戶之間產生同頻干擾的問題，文章提出了一種基于分組的功率控制算法。所提算法在傳統閉環功率控制算法的基礎上，利用D2D用戶到基站的距離和D2D用戶到蜂窩用戶的距離，計算出路徑損耗補償系數增補量，并設定3組干擾區域對路徑損耗補償系數的增補量大小進行區分，最后采用聯合閉環功率對系統進行干擾抑制。通過仿真實驗可得知，該算法比使用傳統閉環功率控制算法的系統的信干噪比（Signal?to?Interference?Plus?Noise?Ratio，SINR）和吞吐量得到了提高，可以顯著提高蜂窩網絡中D2D通信的功率控制性能，達到干擾抑制的作用。

關鍵詞：設備對設備??蜂窩網絡??功率控制??路徑損耗補償系數??干擾抑制

DING?Chen??SHI?Zhengang*

（School?of?Information?Science?and?Engineering，?Shenyang?Ligong?University，?Shenyang，?Liaoning?Province，?110159?China）

Abstract：In?order?to?solve?the?problem?of?co-channel?interference?between?the?base?station?and?the?D2D?user?caused?by?the?fixed?path?loss?compensation?coefficient?in?the?power?control?algorithm?of?D2D?communication?in?the?existing?cellular?network，?this?paper?proposes?a?packet-based?power?control?algorithm.?On?the?basis?of?the traditional?closed-loop?power?control?algorithm，?this?algorithm??uses?the?distance?from?D2D?users?to?base?stations?and?the?distance?from?D2D?to?cellular?users?to?calculate?the?supplement?of?the?path?loss?compensation?coefficient，?and?sets?three?groups?of?interference?regions?to?distinguish?the?size?of?the?supplement?of?the?path?loss?compensation?coefficient，?and??finally?uses?the?joint?closed-loop?power?to?perform?the?interference?suppression?on?the?system.?Through?simulation?experiments，?it?can?be?seen?that?this?algorithm?has?improved?SINR?and?throughput?compared?with?the?system?using?the?traditional?closed-loop?power?control?algorithm，??and?can?significantly?improve?the?performance?of?power?control?of?D2D?communication?in?cellular?networks?and?achieve?the?effect?of?interference?suppression.□□□□□□□□□□□□□□□□

Key?Words：Device?to?device;??Cellular?network;??Power?control;??Path?loss?compensation?factor;??Interference?suppression

隨著物聯網時代的到來，頻譜資源也越來越緊缺，如何保持高傳輸速率、低通信時延來滿足各種大規模通信業務，是個非常具有挑戰性的問題[1]。于2008年召開的3GPP會議首次提出D2D通信技術的概念，目前，D2D通信技術已經被列入5G移動通信系統發展框架，在未來的移動通信發展中可以發揮更重要的作用[2]。

當用戶采用D2D通信技術時，位于彼此傳輸范圍內的兩個用戶之間可以通過公共信道直接通信，在彼此傳輸范圍外的用戶可以使用其他設備中繼信號[3]。與D2D通信相似的技術如Wi-Fi、藍牙等在通信距離增加時會存在一定的干擾，而使用蜂窩網絡頻段的D2D通信的通信距離相對較短，所以信道質量較高[4]。

目前，D2D通信工作模式主要可以分為蜂窩模式、專用模式和復用模式。蜂窩模式通過基站的轉發進行數據傳輸，專用模式是指基站為D2D用戶預留部分空閑頻譜資源，D2D用戶和蜂窩用戶在正交的頻譜上進行通信，二者之間不會存在干擾，而復用模式中D2D用戶可以共享蜂窩用戶資源來提高頻譜利用率，但也帶來了同頻干擾問題[5]。文章將利用功率控制技術減少復用模式下D2D通信產生的同頻干擾問題。

孫向艷[6]在其論文中提出采用一種加權和速率最大化二值功率控制方法可使D2D通信和速率最大化。張偉[7]根據D2D用戶到基站的路徑損耗在小區內劃分出兩個干擾區，為不同區域的D2D用戶分配不同的補償系數。尹國慶[8]聯合了頻譜資源分配和功率控制技術，先使用貪婪算法進行頻譜資源分配，再使用Q-learning進行功率控制，提高了通信系統容量。BENBRAIKA?M?K和BITAM?S[9]提出增強型蜜蜂生命算法可用來解決聯合頻譜資源分配和功率控制受到非線性約束控制的問題。文章提出了一種基于分組的功率控制算法，可以有效改進蜂窩網絡中D2D通信帶來的同頻干擾問題，達到干擾抑制的效果。

1?系統模型

文章針對單個蜂窩小區場景建立了系統模型，將基站eNB建立在小區中心，并采取隨機分布的方式在小區分布M個蜂窩用戶及N對D2D用戶（M>N）?；臼紫葹榉涓C用戶分配頻譜資源，然后D2D用戶復用蜂窩用戶的上行鏈路資源。如圖1所示，蜂窩用戶CUE1通過上行鏈路將信息傳給eNB?eNB接收到數據后再將數據通過下行鏈路傳輸給蜂窩用戶CUE2。而DUE1與DUE2之間距離較近，可以利用D2D通信技術直接通信，而DUE1僅需要利用控制指令從基站獲取發射功率和頻譜資源信息。

其中，D2D用戶接收端的SINR可以表示為

蜂窩用戶的接收端的SINR可以表示為

式中，表示D2D用戶接收端的接收功率，表示D2D用戶對基站eNB的干擾，表示基站的接收功率，表示D2D用戶受到來自蜂窩用戶的干擾，表示熱噪聲功率。

根據香農公式，D2D用戶的吞吐量如下，其中是D2D用戶所占的帶寬：

蜂窩用戶的吞吐量如下，其中BW為蜂窩用戶所占的帶寬：

2?基于分組的功率控制算法

2.1?開環功率控制和閉環功率控制算法

在LTE協議中，上行功率控制算法一般分為開環功率控制算法和閉環功率控制算法。開環功率控制的計算公式為

其中，為UE的最大發射功率，為標稱功率，也是小區特定參數，是分配給小區中用戶的資源塊數，為路徑損耗補償系數，為路徑損耗，表示由調制和編碼方式確定的功率偏移量[10]。

閉環功率控制中相比開環功率控制增加了反饋項，其計算公式如下：

式中，為補償功放誤差、路徑損耗計算誤差及干擾點評突發等情況的閉環修正值，可以利用判斷功率控制狀態是累積性或絕對性功能函數。其中，閉環功率控制算法的流程圖如圖3所示。

2.2?基于分組的功率控制算法描述

文章采用了一種基于分組的D2D通信功率控制算法，將蜂窩小區設置了3個干擾組，即高干擾組（High?Interference?Group，HIG）、中干擾組（Medium?Interference?Group，MIG）、低干擾組（Low?Interference?Group，LIG），HIG的路徑損耗補償系數設為，MIG的路徑損耗系數設為，LIG的路徑損耗系數設為，而D2D用戶與eNB的距離越遠，的值應該越大，因此本文將設定的增補量，表示為

式中，為蜂窩小區半徑，為D2D用戶與eNB之間的最小距離，為常數0.1，為D2D用戶與eNB之間的距離矩陣。

設定原始路徑損耗補償系數為，經過化簡，高干擾組中表示為

此外，閉環功率控制算法只對D2D用戶進行閉環功率控制來減少用戶間干擾，但D2D用戶在復用蜂窩上行鏈路資源時，也會對蜂窩用戶產生干擾[11]，因此文章將在用戶分組的基礎上，對蜂窩用戶和D2D用戶采用聯合閉環功率控制，算法的具體步驟描述如下：

（1）隨機分布通信用戶并確定基站位置信息；

（2）D2D用戶開始復用蜂窩用戶上行鏈路資源，并計算D2D用戶到eNB的距離；

（3）循環初始值；

（4）判斷D2D用戶是否屬于HIG，是則使；否則返回到Step?3；

（5）判斷D2D用戶是否屬于MIG，是則使；否則返回到Step?3；

（6）判斷D2D用戶是否屬于LIG，是則使；否則返回到Step?3；

（7）當時，停止計算；當時，，重復（2）～（6）。

3?仿真結果對比及分析

文章使用MATLAB作為實驗平臺進行仿真，將改進后的基于分組的功率控制算法（APPC）與傳統開環（OLPC）和閉環功率控制算法（CLPC）進行對比分析，系統模型如圖3所示。

為了更好地對比算法之間的性能，文章將設為0.7，D2D和蜂窩用戶的SINR累積概率分布函數（Cumulative?probability?distribution?function，CDF）曲線如圖所示。如圖4所示，文章提出的改進控制功率算法得到的D2D用戶的SINR性能最好。從圖5可知，開環功率和閉環功率控制算法的CDF曲線整體趨于一致，而改進功率控制算法則較好地提高了蜂窩用戶的SINR。

D2D用戶和小區內所有用戶吞吐量的CDF曲線如圖6所示，可以看出D2D用戶的吞吐量與其SINR的分布類似，文章提出的改進功率控制算法性能最佳。從圖7中可知，文章提出的算法提高了小區所有用戶的吞吐量。

4?結語

文章提出了一種基于分組的功率控制方法，將小區用戶劃分不同干擾組并配置不同的路徑損耗補償系數，并采取聯合功率控制同時對D2D用戶和蜂窩用戶進行閉環控制。通過仿真驗證，所提出算法可以有效提高小區內用戶的SINR和吞吐量，更好地提高了信道容量，維護了系統整體的服務質量。

參考文獻

[1] 卓干兵.蜂窩網絡中D2D通信無線資源分配算法研究[D].南京：南京郵電大學，2020.

[2] 孫恩昌，屈晗型，袁永儀，等.蜂窩網絡中D2D通信資源分配方法綜述[J].北京工業大學學報，2021，47（10）：1188-1200.

[3] GHOSAL?S，GHOSH?S?C.A?Randomized?Algorithm?for?Joint?Power?and?Channel?Allocation?in?5G?D2D?Communication[J].Computer?Communications，2021，179：22-34.

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[5] 孟曉宇.蜂窩網絡中D2D通信資源分配方案設計[D].南京：南京郵電大學，2018.

[6] 孫向艷.D2D通信模式選擇與功率控制研究[D].呼和浩特：內蒙古大學，2019.

[7] 張偉.基于LTE-A的D2D通信系統干擾抑制技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2015.

[8] 尹國慶.D2D通信中設備發現和資源分配的研究[D].武漢：武漢理工大學，2019.

[9] BENBRAIKA?M?K，?BITAM?S.Spectrum?Allocation?and?Power?Control?for?D2D?Communication?Underlay?5G?Cellular?Networks[J].?International?Journal?of?Communication?Networks?and?Distributed?Systems，2021，27（3）：299-322.

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[11] 翟旭平，龔磊，張男.基于補償因子的D2D通信自適應聯合功率控制算法[J].應用科學學報，2019，37（1）：1-11.