D2D网络中信道选择与功率控制策略研究

钱志鸿; 田春生; 王鑫; 王雪

doi:10.11999/JEIT190149

D2D网络中信道选择与功率控制策略研究

doi: 10.11999/JEIT190149

钱志鸿¹,
田春生¹,
王鑫^{1, 2},
王雪^1, ,

1.
吉林大学通信工程学院长春 130012
2.
吉林农业大学信息技术学院长春 130018

基金项目: 国家自然科学基金(61771219)，吉林大学基础科研项目(SXGJQY2017-9, 2017TD-19)，吉林大学研究生创新基金(101832018C022)

详细信息

作者简介:
钱志鸿：男，1957年生，教授，研究方向为无线网络通信技术，包括蓝牙、RFID, M2M, D2D、无线传感器网络及物联网等

田春生：男，1993年生，博士生，研究方向为D2D通信技术与物联网

王鑫：女，1982年生，博士生，研究方向为D2D通信技术

王雪：女，1984年生，副教授，研究方向为D2D通信技术与物联网

通讯作者:
王雪　jluwangxue@163.com

中图分类号: TN929.5
计量
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- 被引次数: 7
出版历程
- 收稿日期: 2019-03-14
- 修回日期: 2019-05-23
- 网络出版日期: 2019-05-28
- 刊出日期: 2019-10-01

Research on Channel Selection and Power Control Strategy for D2D Networks

Zhihong QIAN¹,
Chunsheng TIAN¹,
Xin WANG^{1, 2},
Xue WANG^{1
, ,}

1.
College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China
2.
College of Information & Technology, Jilin Agricultural University, Changchun 130018, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61771219), The Fundamental Research of Jilin University (SXGJQY2017-9, 2017TD-19), The Graduate Innovation Fund of Jilin University (101832018C022)

摘要

摘要: 针对D2D通信的资源分配问题，该文研究了D2D信道选择与功率控制策略。在保证蜂窝用户服务质量(QoS)的前提下，提出一种基于启发式的D2D信道选择算法，为系统内的D2D用户找到合适的信道复用资源。同时，利用拉格朗日对偶方法求解得到D2D用户最优传输功率。仿真结果表明当蜂窝用户与多对D2D用户共享信道资源时能够大幅度提升系统平均吞吐量。在相同条件下，该算法的性能要明显优于现有算法。
- D2D通信 /
- 信道选择 /
- 功率控制 /
- 拉格朗日对偶
Abstract: Considering the resource allocation problem for Device-to-Device (D2D) communications, a channel selection and power control strategy for D2D communications is investigated. On the premise of guaranteeing the Quality of Service (QoS) of cellular users, a heuristic based D2D channel selection algorithm is proposed to find the suitable channel reusing resources for D2D users in the system. At the same time, the optimal transmission power of D2D users is obtained by using the Lagrange dual method. Simulation results demonstrate that when the cellular user shares channel resources with multiple pairs of D2D users, the system throughput can be dramatically improved. The performance of this algorithm outperforms the exiting algorithms under the same conditions.
- D2D communications /
- Channel selection /
- Power control /
- Lagrange dual

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图 1 系统模型

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图 2 系统平均吞吐量的累积分布函数

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图 3 DUEs最大传输功率对系统平均吞吐量的影响

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图 4 DUEs间通信距离对平均吞吐量的影响

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图 5 系统内DUEs数量对DUEs接入概率的影响

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表 1 基于启发式思想的DUEs信道选择算法

(1)初始化： ${D_i} = \varnothing ,\forall i \in C$ ; ${M_i} = D,\forall i \in C$ ; $\xi _i^j = 0,\forall i \in C,\forall j \in D$ ；利用式(11)得到所有DUEs 最优的发射功率 $P_{j,i}^{{\rm{d}} {\rm{opt}}}$ ，并求解出与之相对应的 $T(P_{j,i}^{{\rm{d}} {\rm{opt}}})$ 值；
(2) repeat
(3)　 $({i^ * },{j^}) = \mathop {\arg \max }\limits_{(i,j):i \in C,j \in {M_i}} T\;(P_{j,i}^{{\rm{d}} {\rm{opt}}})$ // 求解得到吞吐量最大值所对应的CUE ${i^ }$ 与DUE ${j^}$ ；　(4)　if $\left[ {{{{P^{\rm{c}}}g_{{i^}}^{\rm{c}}} \Biggr/ {\left( {\sigma _0^2 + \sum\limits_{q \in \left\{ {{D_{{i^}}} \cup {j^}} \right\}} {P_{q,{i^}}^{{\rm{d}} {\rm{opt}}}g_{q,{i^}}^{\rm{d}}} } \right)}}} \right] \ge {\gamma _{{\rm{th}}}}$ then // 判断DUE ${j^}$ 复用CUE ${i^ }$ 信道资源时，CUE ${i^ * }$ 的SINR是否满足系统限制条件，当满足限制条件时：
(5)　　set $\xi _{{i^}}^{{j^}} = 1$ ; // 将复用指示因子 $\xi _{{i^}}^{{j^}}$ 的值设置为1；
(6)　　　 ${M_i} = {M_i}\backslash \left\{ {{j^}} \right\},\forall i \in C$ ; ${D_{{i^}}} = {D_{{i^}}} \cup \left\{ {{j^}} \right\}$ ; // 将DUE ${j^}$ 从集合 ${M_i}$ 中删除, 同时将DUE ${j^}$ 加入到复用CUE ${i^ * }$ 信道资源的DUEs集合 ${D_{{i^*}}}$ 中；
(7)　else // 当不满足限制条件时:
(8)　　　 ${M_{{i^}}} = {M_{{i^}}}\backslash \left\{ {{j^}} \right\}$ ; // 将DUE ${j^}$ 从集合 ${M_{{i^*}}}$ 中删除；
(9)　end if
(10) until ${M_i} = \varnothing ,\forall i \in C$ // 当集合 ${M_i}$ 为空集时停止运行；
(11) return ${D_i},\forall i \in C$ ; $\xi _i^j,\forall i \in C,\forall j \in D$ . // 输出集合 ${D_i}$ 及复用指示因子 $\xi _i^j$ 的值。

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表 2 DUEs功率控制算法

(1) 根据对集合 ${D_i},\forall i \in C$ 进行初始化；
(2) for all $i \in C$ do
(3)　for all $j \in {D_i}$ do
(4)　　根据式(21)—式(23)计算DUE j传输功率 $P_{j,i}^{\rm{d}}$ 。
(5)　end for
(6) end for
(7) return $P_{j,i}^d,\forall i \in C,\forall j \in D$ . // 输出DUEs最优传输功率。

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表 3 仿真参数

参数	数值
CUEs数量	30, 40
DUEs数量	25～60
DUEs间通信距离	30～100 (m)
CUEs通信路径损耗	128.1+37.6lg(d(km))
DUEs通信路径损耗	148+40lg(d(km))
噪声谱密度	–114 dBm/Hz
DUEs最小吞吐量限制	1.5 Mbps
CUEs传输功率	24 dBm

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参考文献(16)

BENNIS M, DEBBAH M, and POOR H V. Ultrareliable and low-latency wireless communication: Tail, risk, and scale[J]. Proceedings of the IEEE, 2018, 106(10): 1834–1853. doi: 10.1109/JPROC.2018.2867029

钱志鸿, 阎双叶, 田春生, 等. LTE-A网络中D2D通信的资源分配算法研究[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(10): 2287–2293. doi: 10.11999/JEIT180043

QIAN Zhihong, YAN Shuangye, TIAN Chunsheng, et al. Research on resource allocation algorithm for D2D communications underlaying LTE-A networks[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2018, 40(10): 2287–2293. doi: 10.11999/JEIT180043

王练, 王萌, 任治豪, 等. D2D网络中基于立即可解网络编码的时延最小化重传方案[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(7): 1691–1698. doi: 10.11999/JEIT170976

WANG Lian, WANG Meng, REN Zhihao, et al. Delay minimization retransmission scheme based on instantly decodable network coding for D2D communications[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2018, 40(7): 1691–1698. doi: 10.11999/JEIT170976

钱志鸿, 王雪. 面向5G通信网的D2D技术综述[J]. 通信学报, 2016, 37(7): 1–14. doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2016129

QIAN Zhihong and WANG Xue. Reviews of D2D technology for 5G communication networks[J]. Journal on Communications, 2016, 37(7): 1–14. doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2016129

XIANG Shangwen, PENG Tao, LIU Ziyang, et al. A distance-dependent mode selection algorithm in heterogeneous D2D and IMT-advanced network[C]. Proceedings of 2012 IEEE Globecom Workshops, Anaheim, USA, 2012: 416–420. doi: 10.1109/GLOCOMW.2012.6477608.

WEN Si, ZHU Xiaoyue, LIN Zhesheng, et al. Distributed resource management for device-to-device (D2D) communication underlay cellular networks[C]. The 24th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications, London, UK, 2013: 1624–1628. doi: 10.1109/PIMRC.2013.6666402.

LEE D H, CHOI K W, JEON W S, et al. Two-stage semi-distributed resource management for device-to-device communication in cellular networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2014, 13(4): 1908–1920. doi: 10.1109/TWC.2014.022014.130480

ZHANG Wei, HE Wanbing, WU Dan, et al. Joint mode selection, link allocation and power control in underlaying D2D communication[J]. KSⅡ Transactions on Internet and Information Systems, 2016, 10(11): 5209–5228. doi: 10.3837/tiis.2016.11.001

WANG Xianxian, LÜ Shaobo, WANG Xing, et al. Greedy heuristic resource allocation algorithm for device-to-device aided cellular systems with system level simulations[J]. KSⅡ Transactions on Internet and Information Systems, 2018, 12(4): 1415–1435. doi: 10.3837/tiis.2018.04.002

AHMAD M, NAEEM M, IQBAL M, et al. Joint user selection, mode assignment, and power allocation in cognitive radio-assisted D2D networks[J]. IET Communications, 2018, 12(10): 1207–1214. doi: 10.1049/iet-com.2017.1206

XU Jun, GUO Chengcheng, and ZHANG Hao. Joint channel allocation and power control based on PSO for cellular networks with D2D communications[J]. Computer Networks, 2018, 133: 104–119. doi: 10.1016/j.comnet.2018.01.017

GJENDEMSJO A, GESBERT D, OIEN G E, et al. Optimal power allocation and scheduling for two-cell capacity maximization[C]. The 4th International Symposium on Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks, Boston, USA, 2006: 1–6. doi: 10.1109/WIOPT.2006.1666517.

ESMAT H H, ELMESALAWY M M, and IBRAHIM I I. Joint channel selection and optimal power allocation for multi-cell D2D communications underlaying cellular networks[J]. IET Communications, 2017, 11(5): 746–755. doi: 10.1049/iet-com.2016.0955

UL HASSAN N, YUEN C, SAEED S, et al. Power control for sum-rate maximization on interference channels under sum power constraint[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(2): 593–609. doi: 10.1109/TVT.2014.2324289

ITU-R. Guidelines for evaluation of radio interface technologies for IMT-advanced[R]. Report ITU-R M.2135, 2009.

DINH-VAN S, SHIN Y, and SHIN O S. Resource allocation and power control based on user grouping for underlay device-to-device communications in cellular networks[J]. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 2017, 28(1): e2920. doi: 10.1002/ett.2920

施引文献

期刊类型引用(5)

1.	倪磊，达新宇，胡航，王浩波. 基于MP-WFRFT的多维联合调制卫星隐蔽通信研究. 电子与信息学报. 2023(04): 1183-1191 . 本站查看
2.	林敏，张健，林志，王子宁，郭克锋，欧阳键. 多播传输模式下的卫星通信安全波束成形算法. 电子学报. 2022(01): 98-105 . 百度学术
3.	孙士勇，王薇，顾晨伟，赵柏，林敏. 基于公平效用函数的多波束卫星通信下行链路波束成形算法. 电子与信息学报. 2022(09): 3024-3032 . 本站查看
4.	林敏，解路瑶，顾晨伟，林志，汪萧萧，欧阳键. 基于统计信道状态信息的多波束卫星系统安全波束成形设计. 工程科学与技术. 2021(03): 180-187 . 百度学术
5.	盛剑会，樊银亭，张俊宝. 信道估计误差条件下异构蜂窝网的安全传输方案. 计算机应用研究. 2020(07): 2180-2184 . 百度学术