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蜂窝网络中D2D通信的分析与建模 【摘要】 设备与设备间通信因其具有诸多优点如有效提高频谱效率、削减通信时延、降低设备能耗等而作为下一代蜂窝网络中的关键技术。本文首先分析了蜂窝网络中D2D通信的分类。其次，运用随机几何数学工具，对蜂窝网络中的蜂窝用户和D2D用户进行数学建模并运用基于距离的模式选择策略分析蜂窝网络中D2D通信的最优平均信息速率及最优的蜂窝用户与D2D用户配比。最终通过MATLAB仿真平台验证结论的正确性及可行性。 【关键词】 D2D通信 随机几何 齐次泊松点过程 效用函数 随着现代信息技术的发展及人们物质生活水平的不断提高，越来越多移动用户的应用需求不断涌现。为了提高无线网络中的通信容量以适应不断上升的业务需求1，业界在有关天线的大规模多输入输出的设计、数据压缩、调制编码等技术投入大量的人力和物力资源2。而D2D通信作为一种新兴的下一代关键技术得到广泛的关注与探讨。D2D通信，即终端直通通信，是一种允许接近的终端在近距离范围内进行数据传输的一种新型技术。该技术能有效提升频谱效率，降低网络负载，降低设备功耗3。本文首先对目前D2D通信进行分类。其次，应用随机几何理论对蜂窝网络下的D2D通信进行数学建模。再次，在所建模型基础上，给出模式选择策略和频谱共享方案，并在MTALAB平台上仿真验证。 一、D2D通信的分类 目前有关于D2D通信的大部分文献都探讨D2D用户和蜂窝用户运用同一频段的状况，本文将此种D2D通信模式记为带内模式1，关于带内模式1的D2D通信主要探讨D2D用户与蜂窝用户间的干扰问题。而为了避开该种干扰带来的问题，一些文章提出特地预留一部分蜂窝频谱资源应用于D2D通信，本文将该种D2D通信模式记为带内模式2. 而还有一部分文章提出访用非蜂窝频段来进行D2D通信以此避开D2D通信对蜂窝网络的影响，本文将这种D2D通信模式称为带外模式，如WIFI直连和蓝牙都是带外模式通信方式。 1.1带内模式 选择带内模式进行D2D通信可以使得基站拥有对通信设备的限制权，一些探讨者认为运用非授权频段带来的干扰无法预期限制，这无法满意某些设备对特定服务质量的要求，带内模式分为模式1和模式2，在通信模式1下，通信设备复用蜂窝用户的频谱，好处是能够有效提高频谱利用率，不足是会对蜂窝用户带来干扰。而在通信模式2下4，通信设备有专用的正交蜂窝频段运用，好处是不会对蜂窝用户带来干扰，不足就是频谱利用率低。 1.2带外模式 带外模式通过运用非授权频段来实现设备间的干脆通信，该通信模式能够避开D2D用户与蜂窝用户间的干扰，但是运用非授权频段要求设备拥有其次个无线接口，例如WIFI直连，ZigBee或是蓝牙。 二、D2D的通信数学建模 考虑包含蜂窝用户和D2D用户的混合网络，假设基站听从规则的六边形网格分布，单位面积内平均密度为则六边形小区的面积为。放射机在二维平面内随机分布且听从标记的独立泊松点过程5，标记为 表示用户设备的空间位置， 表示用户设备类型， 。当时表示用户设备是D2D用户，反之是蜂窝用户。 表示无线链路中用户设备间的距离，如表示蜂窝用户间的链路距离， 表示D2D设备间的距离， 代表用户设备间的放射功率，本文假设接收机的接收功率为 ，设备的放射功率为，其中 表示路径损耗指数，由于实际的放射机的放射功率远小于损耗，所以在此假设 。 和 分别表示蜂窝用户和D2D用户的放射功率。则接收机的信噪比SNR表示为： 三、模式选择与频谱共享策略 3.1、模式选择 本文我们考虑基于距离的模式选择策略。即当D2D设备间的距离时，设备选择用蜂窝模式进行通信，反之用D2D模式进行通信。假设蜂窝用户和D2D用户的位置分布听从泊松点过程，则其强度 3.2、频谱共享 在本文的分析过程中，我们只考虑复用带内频谱的状况。共享模型分为两种，分别为带内模式1和带内模式2。带内模式1把上行频谱分为正交的两部分， 代表进行D2D通信的比例， 代表进行蜂窝通信的比例，对于带内模式，我们把信道分为个子信道，每个D2D用户随机选择 个子信道进行接入。 3.3、平均信息速率 假设当D2D用户选择D2D通信模式的平均通信数率为，选择蜂窝通信模式的平均速率为，D2D用户选择基于距离的模式选择策略，则D2D用户选择蜂窝模式的概率为，选择D2D模式的概率为，则D2D用户的平均速率为 四、频谱接入优化 本文选择带内模式1的频谱接入模式作为探讨对象，假设和分别为蜂窝用户和D2D用户的频谱效率，则蜂窝用户和D2D用户的归一化速率 可以分别表示如下： 五、仿真与分析 依据以上分析，通过在MATLAB平台上仿真可得图1和图2. 如图1所示，横坐标表示模式选择距离门限值，红色和蓝色曲线分别表示蜂窝用户和D2D用户在不同门限下的归一化平均速率。由图可知，蜂窝用户的平均速率随着门限值的增加而增大，因为随着门限值的增大，会有更少的D2D用户选择蜂窝模式，从而会有更多的蜂窝用户被调度。相反的，由蓝色曲线可知，D2D用户的平均速率一起先随着的增加而增加，最终随着的增加而削减，这是因为D2D用户的平均速率是由蜂窝模式的速率和D2D模式的速率共同确定的。由图1还可看出，选定某个合适的值，可以得到D2D用户的最高平均速率，而蜂窝用户也会因为D2D通信的分流作用而受益。 如图2所示，选择=200m， 图中曲线表示在不同D2D用户配比值q下，不同值所对应的效用函数值，由图可知当*=0.6时，效用函数取得最大值。由式子可知，的最优值*是在给定的模式选择门限值而求得的，那么把所求得的*带入，通过选择最优值*，可以得到最优的效用函数，从而所求得的可使得系统设计达到最优。 六、 结语 D2D通信是下一代无线通信关键技术之一，而模式选择，资源安排是D2D通信中的重要探讨内容，本文利用随机几何数学工具中的泊松点过程对网络进行建模，给出模式选择策略和频谱共享方案，通过设定效用函数对目标进行优化。由分析及Matlab仿真结果可知，通过设定最优的D2D模式选择门限值可以使D2D用户和蜂窝用户获得最高的平均信息速率。对于最优的蜂窝用户和D2D用户配比值以及特定的D2D模式选择门限值，可以求得效用函数最大值，从而对系统设计具有实际的指导意义。 参 考 文 献 1 K. Doppler， M. Rinne， C. Wijting， C. B. Ribeiro， and K. Hugl， “Device-to-device communication as an underlay to lte-advanced networks，” Communications Magazine， IEEE， vol. 47， no. 12， pp. 4249， 2022 2 C. Felita and M. Suryanegara， “5g key technologies： Identifying innovation opportunity，” in QiR ， 2022 International Conference on， ser. QiR ， 2022 International Conference on， Yogyakarta， pp. 235238. 3 Y. Chia-Hao， O. Tirkkonen， K. Doppler， and C. Ribeiro， “Power optimization of device-to-device communication underlaying cellular communication，” in Communications， 2022. ICC 09. IEEE International Conference on， ser. Communications， 2022. ICC 09. IEEE International Conference on， Dresden， pp. 15. 4 B. Zhou， H. Hu， S.-Q. Huang， and H.-H. Chen， “Intracluster device-todevice relay algorithm with optimal resource utilization，” IEEE Transactions on Vehicular Technology， vol. 62， no. 5， pp. 23152326， Jun. 2022. 5 F. Baccelli and B. Blaszczyszyn， “Stochastic geometry and wireless networks - Part I： Theory，” Foundations and Trends in Networking， vol. 3， no. 3-4， pp. 249449， 2022. 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页