LTE中D2D通信资源分配与优化

HarbinInstituteofTechnology现代通信技术专题课程报告题目：LTE中D2D通信资源分配与优化院（系）电子与信息工程学院学科信息与通信工程学生学号哈尔滨工业大学LTE中D2D通信资源分配与优化摘要：近年来，与蜂窝网络共享资源的D2D通信技术由于能大幅提升局部区域的吞吐量、提高瞬时数据传输速率和节省用户能耗等优点，成为研究的热点。LTE与LTE-A是今后移动通信的发展方向，LTE-A标准的R12中会将D2D技术收录。在LTE中使用D2D通信有其独特优势的同时，也面临着一系列的挑战。本文首先介绍了LTE与D2D的基本概念，分析了D2D通信的优点与存在的问题，重点研究了LTE中D2D通信的资源分配与优化，从目前国内外的发展情况来看，D2D研究已取得很大进展，未来必将极大地方便人们的生活。关键词：LTE，D2D通信，资源分配，资源优化1LTE与D2D通信1.1LTE及其关键技术近年来，随着移动互联网业务的发展，高速移动网络已经成为3G及其后代衍生所必须解决的问题。用户希望在未来十年内移动通信可以维持目前的发展速度，实现高速移动通信服务。2004年，第三代合作伙伴项目（3GPP）的多伦多会议启动了对通用移动通讯系统（UMTS）的长期演进（LongTermEvolution，LTE）计划，LTE作为UMTS向4G进行演进的过渡，俗称3.9G。经过了近八年的研究与发展，2012年1月，国际电信联盟（ITU）无线电通信全体会议上正式审议通过将LTE-Advanced（LTE的后续研究标准）和WirelessMAN-Advanced（802.16m）技术规范确立为IMT-Advanced（4G）标准。在近几年有关移动宽带技术的角逐中，从整体上来看，长期演进技术（LTE）已成为全世界大部分移动通信运营商的共同选择。2013年年末，我国工业和信息化部发放了4G牌照，LTE商用。LTE引入了大量的革新技术，最重要的是OFDM和MIMIO。OFDM基本思想是将高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而降低每个子载波上的码元速率、增大码元宽度，因此可以抵抗多径衰落、减小符号间干扰；MIMO技术通过在发射端和接收端配置多根天线来获得分集增益、阵列增益以及空间复用增益，从而可以大幅提高信道容量。此外LTE还采用了自适应调制编码（AMC）技术、混合自动重传请求（HARQ）技术、快速调度技术、分布式RRM技术等关键技术[1]。值得一提的是，终端直通技术（D2D）可以大幅度提高频谱利用率并改善系统性能，是目前的研究重点之一，LTE-A标准的R12中会将D2D技术收录。1.2D2D通信由于多媒体业务需求的急剧增长，频谱资源短缺成为移动通信面临的挑战。在传统蜂窝网络中，不允许用户之间直接通信。通信过程由基站转接分为两个阶段：发射机到基站，即上行链路；基站到接收机，即下行链路。这种集中式工作方式便于对资源和干扰的管理与控制，但资源利用效率低。为了提高频谱利用效率，2008年美国高通公司首次提出D2D通信技术。D2D通信是一种在蜂窝系统的控制下，允许终端用户通过共享小区资源进行直接通信的新技术。蜂窝网络引入D2D通信，可以减轻基站负担，减小通信时延与蜂窝通信相比，D2D通信仅占用一半的频谱资源[2]。此外，距离较近的用户利用D2D通信可减小传输功率，节约能耗。因此，D2D通信将成为未来移动通信的关键技术。蜂窝通信与D2D通信对比如图1所示。图1蜂窝通信与D2D通信2D2D面临的挑战D2D通信作为一种新兴的短距离直接通信技术，引起了广泛关注。蜂窝网络中引入D2D通信，可以解决系统容量、频谱短缺问题，同时也面临着一些挑战，如会话建立、资源分配、功率控制和干扰协调等[3]，下面进行介绍。（1）会话建立会话建立，即用户在蜂窝网络下建立D2D链路实现数据传输。事实上，终端用户必须满足一定条件（距离条件、对主网络的干扰限制等）才能实现D2D通信。当不满足条件时，进行蜂窝通信；当满足D2D通信条件时，如何选择通信模式以增强系统性能，也是一个关键问题。如果通信双方处于移动状态或由于其他原因而导致通信条件发生变化时，还需考虑D2D通信与蜂窝通信之间的切换。（2）资源分配D2D通信用户的资源分配方式有两种：一种是分配专用的频谱资源给D2D通信用户，另一种是D2D用户与蜂窝用户共享小区频谱资源。专用资源分配方式严格的将资源分为了蜂窝模式和D2D模式两个部分，这两部分的频谱资源是正交的。此种分配方式可以消除蜂窝通信用户和D2D通信用户之间的相互干扰，但是只适用于网络负载较轻时，如果蜂窝模式和D2D模式用户不能充分利用分配给他们的资源，则此方案则会降低频谱资源的利用效率[4]。复用模式是提高资源利用率的最佳方式，复用模式是指D2D用户复用蜂窝用户的资源，产生同频干扰，基站采用合理的资源分配和功率控制、多天线技术和先进的编码技术等控制链路之间的干扰。这两种工作模式是根据D2D利用资源的不同划分的，实际D2D通信中可根据系统负载情况自由选择工作模式，以便达到最优的效果。在后面的内容中，资源分配会详细介绍。（3）功率控制D2D通信虽然是终端到终端的直接通信，但通信过程仍受到基站的控制。基站除了为其分配频谱资源外，通过控制蜂窝通信和D2D用户的传输功率建立蜂窝链路和D2D会话，以提高系统性能、减小能耗，有效控制链路间干扰。（4）干扰协调D2D用户复用蜂窝链路资源会引入新干扰，包括D2D链路对蜂窝通信的干扰和蜂窝链路对D2D通信的干扰。基站控制D2D发射机的最大功率，可有效控制D2D通信对蜂窝网络的干扰，而不会降低蜂窝网络的性能。基站根据终端用户的瞬时信道状态信息决定用户的传输功率和资源共享方式，可协调蜂窝链路和D2D链路之间的干扰。3LTE中D2D通信资源分配与优化3.1LTE中引入D2D从蜂窝网络的操作层面看，D2D通信的潜在增益在配对频段和非配对频段上都是同样的令人期待。比如，在LTE系统中，无论是频分双工（FDD）还是时分双工（TDD），基站（EvolvedNodeB，eNB）和用户（UserEquipment，UE）都按照相同的规格配置，很自然地要求基于LTE的D2D通信能够被两种双工方式的网络所支持。而D2D连接的双工能够通过频分（FDD）或时分（TDD）实现，并且与所在的蜂窝网络的双工方式无关。但是，使用蜂窝频谱的D2D通信技术带来了若干新的问题。首先相较于传统的蜂窝场景，此时的系统需要处理新的干扰。比如，在采用OFDM技术的系统中，D2D链路可能会与蜂窝链路使用一些相同的物理资源块（PRB）。在多小区场景中，由于D2D对与蜂窝网络的发射机和接收机可能会离得很近，又必须得处理新的小区间干扰。小区间干扰因为多了一个D2D层会变得更加复杂和严重。这些新的干扰与蜂窝网络和D2D链路采用的双工技术互相影响，并且还与分配给D2D对的频段和PRB有关[5]。资源分配是指网络资源的有效分配，如能量、带宽、接口和存储等。LTE系统中的资源分配，表示的是每一块资源块在被某些用户使用时，均可以有一定的特征值，如干扰量、吞吐量等，这些指标可以作为资源分配的参量。资源调度在LTE系统中起到非常重要的作用，良好的调度算法可以提升系统的整体性能。使用资源调度算法的目的是利用信道的时变特性，取得不同用户分集增益，提高频谱利用率和系统的吞吐量。LTE系统中资源调度算法主要有三种：轮询算法（RR）、最大载干比算法（MaxC/I）、正比公平算法（PF）。D2D链路改变了原有的终端与基站之间的固有连接关系；链路的源节点或目的节点终端的收发机制应不同于原有的终端与基站间蜂窝接入链路的传输机制。D2D通信技术可以增加蜂窝系统的频谱利用效率、降低终端和基站的发射功率。然而，由于D2D用户在复用蜂窝用户的信道时有可能会对蜂窝用户造成很大的干扰，因此在蜂窝网络中使用D2D通信技术面临着资源分配这一技术难题[6]。由于D2D系统应用于集中式控制系统，在已有研究中，均假设BS已知所有相关信道的状态信息（ChannelStateInformation，CSI），所以资源分配的任务由BS来完成。系统在分配D2D通信的系统资源时，可分配专用的频谱资源，充分采用原有的频分复用技术，D2D用户与蜂窝用户之间不会产生相互干扰；也可复用小区内蜂窝用户的频谱资源，当小区负载较高时，资源复用将会给蜂窝用户和D2D用户带来干扰，这时，需要基站根据信道状态信息CSI对D2D进行功率控制并改变资源分配方案来降低干扰。此时D2D通信所带来的干扰，成为D2D技术所面临的主要挑战，也是需要解决的主要问题。3.2D2D通信资源分配[7]3.2.1非复用模式的资源分配在过去，有许多个无线通信标准希望在基站、无线热点和中心控制节点间应用D2D技术。这些标准包括Hiperlan2，TETRA以及基于IEEE802.11标准的WLAN。这些标准中，均对D2D的使用做了假定：使用独立的系统资源。这一假设，可以有效的限制D2D用户对主用户的干扰，尤其在正交系统当中则更为明显，然而，这也会导致频谱利用率提升效果不明显，这一问题在系统带宽使用较大的LTE-A系统中则尤为突出。采用非复用模式的资源分配，可以有效保障D2D通信的质量，该模式可以大致分为两类：分配独立资源（SEPre）：分配一部分系统资源，专供D2D用户使用，这部分资源可以是上行资源也可以是下行资源，此时在蜂窝用户与D2D用户之间没有干扰;蜂窝分配方式分配资源（CellMod）：D2D用户通过BS进行通信，将BS看做是一个中继节点，该模式与传统蜂窝模式相近。3.2.2用模式的资源分配文章[8]介绍了如何在D2D技术中使用模式选择，决定是否占用专用信道，是否复用蜂窝资源。文章[9]提出了一种资源池的资源分配方法。采用复用模式的资源分配，可以更大效率的提升频谱利用效率。复用模式的资源分配如图2所示，主要可以分成三类：上行资源复用（ULre）：D2D通信发生在复用上行用户的时候，所有的上行用户都有可能被干扰;下行资源复用（DLre）：D2D通信发生在复用下行用户的时候，所有的下行用户都有可能被干扰;资源池复用（PLre）：多对D2D用户通信使用同一资源池中的资源，D2D用户间可能存在干扰。图2D2D资源复用模式3.3D2D通信资源优化D2D通信资源优化的难点在于功率控制与信道分配有很强的关联性。一方面，只有当被复用的信道确定，即被复用的蜂窝用户确定时，基站才能根据信道状态信息进行功率分配；另一方面，只有在D2D用户发射功率确定后，基站才能根据信道状态信息为其分配最佳的复用信道[10]。在规划方法中，基站获取所有瞬时信道状态信息，然后计算所有信道复用情况下的干扰和发射功率，进而针对特定的条件和目标进行功率和信道分配，因此需要大量的信道状态信息。在分布式方法中，基站控制D2D用户分布式地通过迭代方式更新发射功率和所选信道，实际上是一种以目标为改进方向不断尝试，直到最终结果满足要求的方法，因此此类方法的收敛速度是在实际应用中需要优化的问题。在文献[11]中，HyunkeeMin等人首先在D2D资源优化问题上提出了一种基于干扰受限区域（ILA）的方案，该方法具备更好的可实现性，但是需要知道蜂窝用户和D2D用户的精确位置信息，这些信息并不容易获得。浙江大学鲍鹏程在其硕士论文中提出了一种基于部分位置信息的方案。在所提出的方案中，我们不需要知道用户的精确位置信息，只需要知道蜂窝用户以及D2D用户到基站的距离即可以实现对于通信资源的优化。显然，一维的距离信息更容易获得。在单蜂窝小区中，不考虑小区间的干扰，通过限制D2D通信的发射功率来控制D2D对蜂窝用户的干扰，以保障以中断概率定义的用户QoS来计算干扰受限区域。通过几何与概率模型分析计算，可以得到干扰受限区域的闭合表达式。在鲍鹏程提出的方案中，干扰受限区域呈现为圆环状。当被复用蜂窝用户处于该环状受限区域内时，D2D用户或者蜂窝用户的中断概率将高于所设置的门限。基站应当避免把该区域内蜂窝用户信道资源分配给该D2D用户对[12]。单小区用户复用蜂窝信道资源系统模型