部分频率复用的蜂窝网路中D2D通信的SARA资源分配方案

部分频率复用的蜂窝网路中D2D通信的SARA资源分配方案1部分频率复用的蜂窝网路中D2D通信的SARA资源分配方案朱金宝2015200585摘要：Device-to-Device(D2D)通信是一项能够使用户设备（UserEquipment,UE）在没有EnodeB的协助下直接通信的技术。由于这个特点，D2D通信可以减少端到端的延迟和卸载eNodeB的通信量。然而，把D2D技术应用到蜂窝网络系统中，如果D2DUE复用CUE(CellularUE)的无线频谱资源，不可避免的会带来D2DUE和CUE的干扰。在蜂窝系统中，部分频率复用(FractionalFrequencyReuse,FFR)被用于减少小区边缘的用户的小区间干扰。这篇论文中，在基于FFR的蜂窝网络下，我们提出了一种D2D通信无线资源分配方案。在这个方案中，D2DUE和CUE根据他们在小区中的位置选择使用不同的频谱资源。如果D2DUE在小区的内部，此方案可以有效地消除CUE和D2DUE的干扰；如果D2DUE在小区的边缘区域，D2DUE和CUE受到轻微的干扰。基于FFR的资源分配之下，SARA(Service-AwareResourceAllocation)方案可以细化对D2DUE的资源分配。SARA考虑了不同的D2DUE不同的服务需求。它包含两个阶段：按需资源分配阶段和辅助资源分配阶段。第一阶段，CUE的资源按照不同的D2DUE的需求分配给D2DUE；第二阶段，剩余的CUE资源按照目标函数分配给不同的D2DUE。关键字：蜂窝网络；部分频率复用；D2D通信；资源分配；SARA方案AService-AwareResourceAllocationSchemeforDevice-to-DeviceCommunicationinCellularNetworksUsingFractionalFrequencyReuseJinBaoZhu2015200585Abstract—Device-to-Device(D2D)communicationisthetechnologyenablinguserequipments(UEs)todirectlycommunicatewitheachotherwithouthelpofevolvednodeB(eNB).Duetothischaracteristic,D2Dcommunicationcanreduceend-to-enddelayandtrafficloadofferedtoeNB.However,byapplyingD2Dcommunicationintocellularsystems,interferencebetweenD2DandeNBrelayingUEscanoccurifD2DUEsreusefrequencybandforeNBrelayingUEs.Incellularsystems,fractionalfrequencyreuse(FFR)isusedtoreduceinter-cellinterferenceofcellouterUEs.Inthispaper,weproposearadioresourceallocationschemeforD2DcommunicationunderlayingcellularnetworksusingFFR.Intheproposedscheme,D2DandcellularUEsusethedifferentfrequencybandschosenasusers’locations.TheproposedradioresourceallocationschemecanalleviateinterferencebetweenD2DandcellularUEsifD2Ddeviceislocatedincellinnerregion.IfD2DUEsislocatedincellouterregion,D2DandcellularUEsexperiencetolerableinterference.BasedonFFRresourceallocationscheme,SARAcanrefineresourceallocationofD2DUE.SARAtakesintoaccountthedifferentservicerequirementsofD2Dusers.Itconsistsoftwoallocationphases:on-demandresourceallocationandsecondaryresourceallocation.Inthefirstphase,cellularuserresourcesareallocatedondemandtomeetthedifferentservicerequirementsofD2Dpairs.Inthesecondphase,theremainingcellularuserresourcesafterthefirstphaseareallocatedtoD2Dusersbasedonanobjectivefunctioninordertoimprovetheresourceutilization.Keywords:cellularnetwork;fractionalfrequencyreuse;Device-to-Devicecommunication;resourceallocation;service-awareresourceallocationschemeⅠ、介绍最近，随着移动多媒体业务越来越流行，蜂窝网络的通信量越来越大。为了容纳巨大的多媒体通信和更高的数据速率，蜂窝网络的通信量应该通过扩展有效的频谱资源和部署新的eNodeB来增大。但是，蜂窝频谱资源是非常有限的，且部署新的eNodeB需要额外的开销。因此，在维持现有蜂窝基部分频率复用的蜂窝网路中D2D通信的SARA资源分配方案2础架构的基础上，研究新的提高蜂窝网络通信量的方法十分重要。D2D通信共享蜂窝网络的的无线资源被认为是一种非常有前提的技术。由于UE之间可以直接通信，不需要基站的介入，所以引入D2D通信可以卸载eNodeB的通信量和减少端到端的延迟。D2D可以工作在现有的LTE系统架构之下，因此他是经济的。此外，D2D通信复用蜂窝链路的频谱资源可以有效地提高蜂窝网络的频谱有效性和通信量。然而，D2DUE必然会对CUE产生一定的干扰。Fig.1展示了在蜂窝网络下进行D2D通信的两种干扰场景。在这种情况下，D2DUE复用CUE的无线资源。在Fig.1(a)复用CUE的下行资源情况下，eNodeB传输给CUE的无线信号给D2DUE的接收者带来了一定的干扰；D2DUE的发送者给CUE带来了一定的干扰。在Fig.1(b)复用CUE的上行资源情况下，CUE传输给eNodeB的无线信号给D2DUE的接收者带来了一定的干扰；D2DUE的发送者给eNodeB带来了一定的干扰[1]。Fig.1蜂窝网络中D2D通信的干扰场景为了减少D2D和蜂窝通信的干扰，有效的分配频谱资源给D2DUE是非常重要的。为了解决这个问题，研究者提出了两种方案：1、D2DUE使用与CUE不同的无线频谱资源；2、复用CUE的频谱资源。在第一种情况下，DUE和蜂窝通信之间的干扰可以完全消除；但是，由于D2DUE占用了CUE的频谱，则蜂窝的吞吐量和频谱有效性将会下降。因此，我们主要致力于第二种情况。当前的蜂窝系统为了提高空间频谱的有效性，主要致力于使用频率复用因子(FrequencyReuseFactor,FRF)：1。然而，使用FFR为1，由于相邻小区的同道干扰，降低了小区边缘UE的性能。为了提高边缘UE的信道质量，FFR使相邻小区使用不同的无线资源来提升小区边缘UE的信道质量，最小化蜂窝系统衰减的性能。为了减少蜂窝通信和D2D通信的干扰，我们提出了一种FFR资源分配方案。并在基于FFR的资源分配之下，使用SARA方案细化对D2DUE的资源分配[2]。这篇论文的剩余部分描述如下。第Ⅱ部分，对FFR资源分配方法进行介绍和分析；第Ⅲ部分，对系统模型进行了介绍；第Ⅳ部分，再基于FFR分配之后，为了提高系统吞吐量，对SARA资源分配方法进行分析；第Ⅴ部分，对上述分析方法进行了总结。Ⅱ、FFR介绍和FFR资源分配方法FRF为在蜂窝系统中相同的频带可以被重复使用的速率。换句话说，如果FRF是N，在蜂窝网络中，相邻的N个小区不能同时使用相同的频带。蜂窝网络的性能，例如小区边缘用户的信道质量，主要受到相邻小区间的干扰。在FRF为1时，由于每个小区使用相同的频带进行数据传输，小区边缘用户的UE将会受到相邻小区的严重干扰。为了消除相邻小区之间的干扰，最简单的方法是增大FRF。因为相邻的小区使用不同的频带，所以相邻小区的干扰可以被减小。然而，增大FRF使得蜂窝网络空间频谱的有效性下降。为了减小小区间干扰，同时维持空间频谱的有效性，小区间干扰协同技术(Inter-CellInterferenceCoordination,ICIC)被引入[3]。取决于干扰协同的周期，ICIC可以被分为两类：动态ICIC方案和静态ICIC方案。动态ICIC方案通过动态分配无线资源和调整eNodeB的传输功率来协调相邻小区间的干扰。因此，为了有效地协同小区间的干扰，它要求基站之间额外的信令交换。静态ICIC方案，如：FFR，静态决定小区内部和小区边缘的资源。FFR不需要eNodeB之间额外的信令交互，因此是有效地。A、FFR介绍在FFR中，每个小区被分成两个区域：小区内部区域和小区边缘区域，且是不用不同的FRF。eNodeB为小区内部和小区边缘的UE分配无线资源，且小区内部FRF为1，小区边缘FRF为3。Fig.2展示了FFR的例子，整个小区的频带被分成F1，F2，F3和F4。由于小区内部的UE比较接近eNodeB和接受信号的轻度也比较大，所以相邻小区的干扰对内部UE是非常小的。因此，每个小区中，位于小区内部的UE复用F1的频率资源，因为频率复用对小区内部的UE造成的性能衰减是非常小的。如果相邻的小区使用相同的频带，小于边缘的UE可能遭受严重的相邻小区的干扰。通过对相邻小区的边缘区域使用正交的频带可以有效的消除小区间的干扰。因此，FFR分配正交的频带资源F2、F3、F4给相邻三个小区边缘的UE。因此，FFR可以最大化小区内部UE的空间频谱有效性和提高小区边缘UE部分频率复用的蜂窝网路中D2D通信的SARA资源分配方案3的信号强度和吞吐量。Fig.2FFR方案在7小区网络中B、FFR资源分配方法[4]我们提出了一个在D2D通信的蜂窝网络中无线资源分配方案。我们考虑Fig.2中的蜂窝网络，并且仅考虑蜂窝网络的下行通信。在每个小区中，在小区内部的CUE复用整个频带的一部分，在小区边缘的CUE使用剩余资源的1/3。在提出的资源分配方案中，根据UE的位置，不同的资源被分配给D2DUE。Fig.3展示了提出方案的资源分配方法。如果D2DUE在小区内部区域，D2DUE可以使用该小区CUE未使用的频段。比如：小区1中，小区内部区域的D2DUE使用F3和F4的频率资源，F3和F4没有被小区1所使用。如果D2DUE在小区边缘区域，D2DUE复用F1的频率资源。在小区内部区域CUE主要受到相邻小区的内部CUE、相邻小区使用相同资源的边缘D2DUE和本小区使用相同资源的边缘D2DUE的干扰。由于相邻小区内部CUE距离比较远，所以给本小区内部的CUE带来的干扰可以忽略；由于相邻小区的D2DUE的发送功率较小且距离也比较远，所以可以忽略。因此，本小区内部CUE的干扰主要来源于小区边缘的DUE,通过下面介绍的SARA方法去选择合适的资源可以很大程度上减小小区内部DUE与边缘D2DUE之间的干扰。小区边缘用户的D2DUE主要受到本小区内部使用想用资源的CUE、相邻小区使用相同资源的D2DUE和相邻小区内部的CUE的干扰。由于相邻小区内部的CUE的距离较远和相邻小