蜂窝网络下D2D通信性能的研究.docx

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蜂窝网络下D2D通信性能的研究

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

PerformanceResearchofD2DinCellularNetworks

XXXX，CollegeofPhysicsandElectronicInformation

Abstract：

With the development of mobile communication，peopleneedscontinuetostrengthen ofhighbandwidth, highefficiency,howeverlimitedofspectrumresourcesbecamehashindercellularsystemic canimproveofmostmainfactors,butwithbigdatavolume oflocalbusinessofrisewillonspectrumresourcescausedmorebigof consumption,thisalsorequirementsfuturenetworkhascorrespondingof technologytobettertosupportthislocalcommunicationsform.CellularnetworkfallingD2Dcommunicationtechnologyisatechniquetofullyutilizespectrumresources,thistechniqueenablesalargelocaldataservices,theuseofcommunicationbetweentwodirectlyconnecteduserscommunicateverylittlepower,andnotransferstationbysimplycontrolledbythebasestation,thissystemallowstheterminalbymultiplexingcellresourcestocommunicatedirectly,whichcaneffectivelyimprovethespectrumefficiencyofcellularsystems.Therefore,theintroductionofD2DcommunicationintheLTEsystemandreducinginterferencebetweenthesystemsnowbecomearesearchhotspot.

Keywords：

cellularnetwork;Device-to-Device（D2D）communication;modeselection;powercontrol;resourceallocation

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（LongTermEvolution,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（WorldinteroperabilityMicrowaveAccess,WiMAX）也得到了迅速的发展。

在2004年，第三代合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject,3GPP）组织提出了通用移动通信系统（UniversalMobileTelecommunicationSystem,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20~30dB；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。

1.3D2D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Adhoc网络中的P2P（PeertoPeer）、物联网中的M2M（MachinetoMachine）,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Adhoc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Adhoc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（FractionalFrequencyReuseFFR）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。

2.1D2D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，UE1（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（UnderlayMode）:

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（OverlayMode）:

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。

UE1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UE1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UE1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

2.4D2D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，UE1,UE2和UE3正在进行D2D通信，UE1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2.6D2D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