d2d在le中的應用及干擾分析

0新技術帶來的挑戰(zhàn)隨著移動通信技術的發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡已發(fā)展成為更高的數(shù)據(jù)分辨率、更大的資源利用率和更高的網(wǎng)絡能力，這對未來的無線頻譜資源提出了更高的要求。然而,可用于移動通信的無線頻率資源十分有限,因此,如何在有限的帶寬資源中實現(xiàn)高速率和大容量成為業(yè)界研究的重點。為了更加有效地利用現(xiàn)有系統(tǒng)的頻譜資源,各種新技術層出不窮,如認知無線電技術。認知無線電技術能夠感知系統(tǒng)的空閑頻譜,但是感知空閑頻譜需要監(jiān)測主服務系統(tǒng)的接收機,這在廣播系統(tǒng)中是有困難的。D2D(終端到終端)直通技術可以克服這個缺點,并且D2D技術工作在系統(tǒng)的許可頻段,可以提供干擾可控、穩(wěn)定的工作環(huán)境。但在系統(tǒng)中引入D2D通信技術后,會面臨新的干擾問題。當D2D通信與蜂窩通信分別利用正交的資源時,相互之間不會產(chǎn)生干擾。但當D2D通信與蜂窩通信共享頻譜資源時,相互之間會產(chǎn)生嚴重的干擾。為了更好地提升系統(tǒng)的性能,需要有效控制好系統(tǒng)的干擾。1資源分配的挑戰(zhàn)D2D通信是指相距很近的移動通信終端可以在基站的控制信號控制下,相互之間直接進行通信(數(shù)據(jù)信息不需要再經(jīng)過基站進行中繼轉發(fā))。由于D2D通信用戶相距很近,這樣可以以較小的發(fā)射功率獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。文獻中提出了在蜂窩系統(tǒng)中引入D2D通信的系統(tǒng)模型。本文只考慮單一小區(qū)的情形,如圖1所示。BS(基站)為小區(qū)的中心基站,UE1(終端用戶1)是與基站進行通信的蜂窩用戶,UE2(終端用戶2)與UE3(終端用戶3)以D2D通信模式進行通信,他們在基站的控制信號控制下,獲得相應的發(fā)射功率值和可用的頻譜資源。當系統(tǒng)中引入D2D通信技術后,在帶來系統(tǒng)吞吐量增大、系統(tǒng)資源利用率提高等優(yōu)點的同時,也帶來了新的問題。例如,系統(tǒng)的資源分配將面臨著新的問題,既可以給D2D通信用戶分配專用資源,也可以讓D2D通信用戶共享蜂窩通信系統(tǒng)的蜂窩用戶的資源,不同的資源分配策略將會帶來不同的系統(tǒng)性能。如果給D2D通信分配專用資源時,由于D2D通信和蜂窩通信使用的資源相互正交,不會對原來的蜂窩網(wǎng)絡造成干擾。如果給D2D通信共享蜂窩用戶通信資源,D2D通信將會與蜂窩通信產(chǎn)生相互之間的干擾,如果干擾不能被有效控制,將會嚴重影響系統(tǒng)性能。所以在通信負載較小的網(wǎng)絡中,可以給D2D通信分配專用的資源,這樣就可以取得更好的網(wǎng)絡總體性能。但是,由于蜂窩通信網(wǎng)絡中的頻譜資源十分有限,考慮到通信業(yè)務對頻率帶寬的要求越來越高,如果給D2D通信分配專用資源,則系統(tǒng)的資源無法得到有效利用。如果讓D2D通信共享蜂窩用戶資源,則系統(tǒng)的頻譜利用率將會得到有效提升,這也是在蜂窩網(wǎng)絡中應用D2D通信的主要目的。假定基站有小區(qū)內(nèi)所有用戶的CSI(信道狀態(tài)信息),那么基站就可以實時地對小區(qū)內(nèi)的資源進行調(diào)度,給蜂窩通信和D2D分配相應的通信資源,使得系統(tǒng)的性能得到最大提升。當D2D通信共享蜂窩通信資源時,應該有效控制兩者之間的干擾。在本文提出的系統(tǒng)中,終端用戶既可以通過基站來轉發(fā)數(shù)據(jù)進行通信,也可以與其他終端用戶直接進行D2D通信,應根據(jù)當前的通信系統(tǒng)的工作狀態(tài)為終端用戶選擇最優(yōu)的工作模式。當終端用戶之間距離很近時,它們之間可以進行D2D通信,即數(shù)據(jù)信息不需要再經(jīng)過基站進行中繼轉發(fā),而是在兩者之間的通信鏈路上直接通信。D2D通信用戶與BS之間只存在必要的控制信令,BS通過相應的控制信道對D2D通信用戶的發(fā)射功率和頻譜資源進行控制,然后進行計費、認證和其他蜂窩系統(tǒng)操作。D2D通信系統(tǒng)也是通過與基站之間的這些控制信令取得與外界聯(lián)系的。文獻中指出,LTE通信系統(tǒng)中的D2D通信過程需要在基站的控制下進行。假設基站知道系統(tǒng)內(nèi)所有通信用戶的CSI及相應的位置信息,然后對系統(tǒng)的資源進行快速調(diào)度。在蜂窩用戶與D2D用戶之間最優(yōu)分配系統(tǒng)資源,使得系統(tǒng)的資源得到最優(yōu)利用,取得系統(tǒng)性能的提升。2復用下行鏈路資源的靈活性分配在蜂窩通信系統(tǒng)中引入D2D后,面臨著蜂窩用戶與D2D用戶的資源分配問題,當他們的資源正交時,相互之間不會產(chǎn)生干擾。當他們的資源非正交時,相互之間會產(chǎn)生干擾。為了給蜂窩用戶提供優(yōu)先級,需要給蜂窩用戶一個最低的速率門限值來保證蜂窩用戶的正常通信,否則可能會由于D2D技術的引入,導致蜂窩通信中斷。一般情況下,干擾主要通過功率控制和資源分配來解決,通過限制D2D的最大發(fā)射功率來控制D2D通信對蜂窩通信的干擾。當D2D通信與蜂窩通信的資源非正交時,D2D通信也會受到來自蜂窩通信的干擾。在D2D通信系統(tǒng)中,基站給D2D用戶分配頻譜資源后,D2D用戶可以利用蜂窩上行鏈路的頻譜資源,也可以利用下行鏈路的頻譜資源。D2D通信用戶與蜂窩用戶間的干擾情況根據(jù)使用的是上行鏈路的資源還是下行鏈路的資源也有所不同。在不同的通信環(huán)境下,D2D通信用戶復用蜂窩上行和下行資源各有優(yōu)缺點。例如,當復用下行鏈路資源時,D2D通信用戶所處的小區(qū)位置對D2D用戶的發(fā)送功率影響不大,而復用上行鏈路資源要比復用下行鏈路資源敏感得多。D2D復用上行鏈路資源時,通信用戶離基站越遠,D2D通信用戶的SINR(信號與干擾加噪聲比)曲線增益比復用下行鏈路時越好。相反,在越接近基站的地方,復用下行鏈路時的SINR越好,所以在靠近基站的地方可以讓D2D通信用戶復用下行鏈路資源,遠離基站的地方復用上行鏈路資源。目前,多數(shù)的文獻偏向于使用上行鏈路,但是在某些場景下復用下行鏈路資源也具有優(yōu)點,需要綜合考慮復用上下行鏈路資源的優(yōu)缺點,在D2D執(zhí)行的過程中靈活使用上下行鏈路的資源。在LTE系統(tǒng)中,當系統(tǒng)工作在FDD(頻分雙工)模式,通信用戶只能在下行頻譜接收,在上行頻譜發(fā)送。當系統(tǒng)工作在TDD(時分雙工)模式,系統(tǒng)上下行時隙處在同一頻譜,可以實現(xiàn)在同一頻譜收發(fā)數(shù)據(jù)。分配給D2D通信的頻譜可以是上行資源也可以是下行資源,D2D用戶在該資源上實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。在FDD的模式下,為了簡化終端硬件的執(zhí)行復雜度,在D2D的執(zhí)行過程中不能靈活復用上下行鏈路資源,只能復用上行鏈路資源或者只能復用下行鏈路資源。而在TDD系統(tǒng)中則不同,可以做到上下行鏈路資源靈活復用,所以這一節(jié)的研究基于TDD模式。復用上下行鏈路資源除了干擾情況不同外,上下行鏈路資源的靈活性分配還要考慮當前系統(tǒng)的負載均衡問題。例如,在某一時刻如果上行鏈路業(yè)務很多,基站負載很重,這時還要分配上行資源給D2D的話,無疑會增加負載的不均衡,這個因素也要作為分配資源的參考。更重要的是,在TDD模式下的D2D復用上行鏈路和下行鏈路的HARQ(混合自動重傳請求),RTT(往返時間)也會有很大不同。當D2D通信共享蜂窩通信資源時,通信系統(tǒng)內(nèi)會引入干擾問題。D2D通信技術既可以共享蜂窩通信的上行鏈路資源,也可以共用蜂窩通信的下行鏈路資源。由于在蜂窩通信的下行鏈路中存在系統(tǒng)的許多控制信息,相比較而言,上行鏈路資源未被充分利用。并且當D2D通信共用下行鏈路資源時,受到干擾的是蜂窩用戶,由于蜂窩用戶的位置不固定,所以引起的干擾不易被控制。當D2D通信共享蜂窩上行鏈路資源時,受到干擾的是基站,由于基站的位置固定,干擾相對比較容易被控制。因此,本文討論的共享資源通信模式指的就是D2D通信共享蜂窩通信的上行鏈路資源。當D2D通信共享蜂窩通信上行鏈路資源時,蜂窩通信會對D2D通信產(chǎn)生干擾,D2D通信也會對蜂窩通信產(chǎn)生干擾。D2D通信對蜂窩通信的干擾可以通過限制D2D通信的最大發(fā)射功率來控制,相對來說比較簡單。而蜂窩通信對D2D通信的干擾則比較難控制。下面分別討論蜂窩通信與D2D通信之間的干擾情形及相應的干擾抑制機制。2.1工程應用設計雙重干擾避免機制在混合通信網(wǎng)絡中,由于D2D通信可以共享蜂窩通信上行鏈路的資源,因此,蜂窩通信會對D2D通信產(chǎn)生干擾。如圖2所示,在一個小區(qū)中,UE3和UE4以D2D通信模式進行通信,UE3是接收端,另外有UE1和UE2以蜂窩模式進行上行鏈路的通信。由圖2中可以看出,當UE3與UE4之間的D2D通信共享蜂窩用戶UE1和UE2的上行鏈路資源時,UE1和UE2發(fā)射的信號會對UE3接收到的D2D信號產(chǎn)生干擾。由于UE1距離UE3很近,它產(chǎn)生的干擾會比UE2產(chǎn)生的干擾強很多。從有效避免蜂窩通信對D2D通信的強干擾角度出發(fā),可以看出UE3和UE4之間的D2D通信應該共享與他們距離相對較遠的UE2的資源。文獻中提出使用這種干擾避免機制需要滿足兩個條件:a)D2D通信用戶終端需要提前知道小區(qū)內(nèi)的蜂窩通信用戶的上行鏈路的資源分配情況。b)D2D通信終端能夠感知來自不同的蜂窩通信終端對D2D通信鏈路所造成的干擾情況。并且假定,在LTE通信系統(tǒng)中,系統(tǒng)內(nèi)的所有頻譜資源都是通過BS進行控制的,這就需要BS可以獲得所有鏈路的CSI,然后根據(jù)當前小區(qū)內(nèi)的通信狀況對小區(qū)內(nèi)的資源進行合理分配。在單一小區(qū)內(nèi),蜂窩通信對D2D通信的干擾避免機制具體實施起來分為干擾測量和D2D數(shù)據(jù)傳輸兩個階段。干擾測量階段是指D2D通信終端獲取來自小區(qū)內(nèi)蜂窩通信用戶終端的干擾信息的階段,需要在進行D2D通信數(shù)據(jù)傳輸之前進行,通常發(fā)生在D2D通信的建立階段。蜂窩通信鏈路的建立一般需要幾十甚至上百毫秒的時間,對于干擾測量來說是足夠的。另外,在D2D通信的數(shù)據(jù)傳輸階段也可以繼續(xù)進行干擾的測量和更新,實現(xiàn)對周圍的無線通信環(huán)境的實時掌握,以保證D2D通信的順利進行。蜂窩通信對D2D通信的干擾避免機制的過程如下:a)解碼蜂窩通信用戶的上行鏈路的RRM(無線資源管理)信息,獲得相應的資源分配的信息。b)在特定時期內(nèi)測量來自蜂窩通信用戶UE產(chǎn)生的干擾量。c)根據(jù)解碼的上行鏈路信息,記錄來自不同蜂窩用戶的平均干擾量,然后將來自不同的蜂窩用戶的干擾量記錄在一個表格中。得到的平均干擾信息可以被用來避免蜂窩通信對D2D通信產(chǎn)生強干擾,幫助做出更明智的選擇。d)每隔一定時間把記錄的來自不同蜂窩用戶的干擾信息的表格進行更新。通過上面的干擾避免過程,便能有效控制蜂窩通信對D2D通信產(chǎn)生的干擾,保證D2D通信的順利進行,更加充分地利用現(xiàn)有系統(tǒng)的可用資源,獲得系統(tǒng)性能的提升。2.2其他用戶的干擾如圖3所示,UE3和UE4之間進行D2D直接通信,UE1和UE2以蜂窩通信的方式與基站進行通信。由于通信終端設備使用的都是全向天線,D2D發(fā)送者發(fā)給D2D接收者的信號會同時被eNB(演進型基站)接收,這樣會對基站收到的來自蜂窩用戶UE1和UE2的信號產(chǎn)生一定的干擾。從圖3可以看出,UE2距離eNB較遠,很難承受強烈的干擾。如果D2D通信重用了UE2上行通信鏈路資源,會對UE2上行通信產(chǎn)生很強的干擾,使其通信性能急劇惡化,甚至無法通信。但是從圖3中可以看出,在混合網(wǎng)絡中D2D通信終端仍然有可能對蜂窩系統(tǒng)上行資源進行重用。例如,蜂窩終端用戶UE1距離基站很近時,功率控制一般仍然具有較大的余量,可以抵抗較強的干擾。因此,D2D發(fā)送者在進行D2D通信時應該避免重用蜂窩終端用戶UE2的上行鏈路資源,可以優(yōu)先選擇重用蜂窩終端用戶UE1的上行鏈路資源,并且,只要D2D發(fā)送者的發(fā)射功率控制得當,便可以獲得較好的系統(tǒng)性能。D2D通信對蜂窩通信的干擾抑制機制如下:a)eNB計算并且更新每個物理資源塊所允許的來自D2D的干擾水平,并且在一定的時間間隔內(nèi)更新這些信息。b)把每個資源塊的允許干擾水平存放在一個允許的干擾表格中,并eNB在小區(qū)內(nèi)廣播這個表格。c)共享蜂窩通信用戶上行鏈路資源的D2D用戶將會收聽這個表格信息,然后向eNB申請相應的資源,來幫助eNB進行明智的D2D無線資源管理。通過以上過程,便可以有效控制來自D2D通信鏈路對于蜂窩通信鏈路所產(chǎn)生的干擾,使得這兩種不同的通信模式之間可以同時存在于同一個蜂窩小區(qū)系統(tǒng)中。通過考慮D2D通信模式對蜂窩通信模式產(chǎn)生的干擾,來進行無線資源優(yōu)化管理,能取得系統(tǒng)性能的提升。文獻中考慮到蜂窩通信系統(tǒng)中的用戶之間的衰落情形時,分析了D2D用戶可以工作在不同的工作模式下來取得系統(tǒng)性能的最大化,可以通過最優(yōu)的模式選擇策略,讓系統(tǒng)在引入D2D通信技術之后,吞吐量得到有效提升。通常來講,D2D通信用戶對于蜂窩通信用戶的干擾可以通過基站處的功率控制來限制D2D通信用戶的最大發(fā)射功率,減小對于蜂窩通信的干擾。蜂窩通信對于D2D通信的干擾則相對比較復雜,需