d2d在le中的应用及干扰分析

d2d在le中的应用及干扰分析

0新技术带来的挑战随着移动通信技术的发展，移动通信网络已发展成为更高的数据分辨率、更大的资源利用率和更高的网络能力，这对未来的无线频谱资源提出了更高的要求。然而,可用于移动通信的无线频率资源十分有限,因此,如何在有限的带宽资源中实现高速率和大容量成为业界研究的重点。为了更加有效地利用现有系统的频谱资源,各种新技术层出不穷,如认知无线电技术。认知无线电技术能够感知系统的空闲频谱,但是感知空闲频谱需要监测主服务系统的接收机,这在广播系统中是有困难的。D2D(终端到终端)直通技术可以克服这个缺点,并且D2D技术工作在系统的许可频段,可以提供干扰可控、稳定的工作环境。但在系统中引入D2D通信技术后,会面临新的干扰问题。当D2D通信与蜂窝通信分别利用正交的资源时,相互之间不会产生干扰。但当D2D通信与蜂窝通信共享频谱资源时,相互之间会产生严重的干扰。为了更好地提升系统的性能,需要有效控制好系统的干扰。1资源分配的挑战D2D通信是指相距很近的移动通信终端可以在基站的控制信号控制下,相互之间直接进行通信(数据信息不需要再经过基站进行中继转发)。由于D2D通信用户相距很近,这样可以以较小的发射功率获得较高的数据传输速率。文献中提出了在蜂窝系统中引入D2D通信的系统模型。本文只考虑单一小区的情形,如图1所示。BS(基站)为小区的中心基站,UE1(终端用户1)是与基站进行通信的蜂窝用户,UE2(终端用户2)与UE3(终端用户3)以D2D通信模式进行通信,他们在基站的控制信号控制下,获得相应的发射功率值和可用的频谱资源。当系统中引入D2D通信技术后,在带来系统吞吐量增大、系统资源利用率提高等优点的同时,也带来了新的问题。例如,系统的资源分配将面临着新的问题,既可以给D2D通信用户分配专用资源,也可以让D2D通信用户共享蜂窝通信系统的蜂窝用户的资源,不同的资源分配策略将会带来不同的系统性能。如果给D2D通信分配专用资源时,由于D2D通信和蜂窝通信使用的资源相互正交,不会对原来的蜂窝网络造成干扰。如果给D2D通信共享蜂窝用户通信资源,D2D通信将会与蜂窝通信产生相互之间的干扰,如果干扰不能被有效控制,将会严重影响系统性能。所以在通信负载较小的网络中,可以给D2D通信分配专用的资源,这样就可以取得更好的网络总体性能。但是,由于蜂窝通信网络中的频谱资源十分有限,考虑到通信业务对频率带宽的要求越来越高,如果给D2D通信分配专用资源,则系统的资源无法得到有效利用。如果让D2D通信共享蜂窝用户资源,则系统的频谱利用率将会得到有效提升,这也是在蜂窝网络中应用D2D通信的主要目的。假定基站有小区内所有用户的CSI(信道状态信息),那么基站就可以实时地对小区内的资源进行调度,给蜂窝通信和D2D分配相应的通信资源,使得系统的性能得到最大提升。当D2D通信共享蜂窝通信资源时,应该有效控制两者之间的干扰。在本文提出的系统中,终端用户既可以通过基站来转发数据进行通信,也可以与其他终端用户直接进行D2D通信,应根据当前的通信系统的工作状态为终端用户选择最优的工作模式。当终端用户之间距离很近时,它们之间可以进行D2D通信,即数据信息不需要再经过基站进行中继转发,而是在两者之间的通信链路上直接通信。D2D通信用户与BS之间只存在必要的控制信令,BS通过相应的控制信道对D2D通信用户的发射功率和频谱资源进行控制,然后进行计费、认证和其他蜂窝系统操作。D2D通信系统也是通过与基站之间的这些控制信令取得与外界联系的。文献中指出,LTE通信系统中的D2D通信过程需要在基站的控制下进行。假设基站知道系统内所有通信用户的CSI及相应的位置信息,然后对系统的资源进行快速调度。在蜂窝用户与D2D用户之间最优分配系统资源,使得系统的资源得到最优利用,取得系统性能的提升。2复用下行链路资源的灵活性分配在蜂窝通信系统中引入D2D后,面临着蜂窝用户与D2D用户的资源分配问题,当他们的资源正交时,相互之间不会产生干扰。当他们的资源非正交时,相互之间会产生干扰。为了给蜂窝用户提供优先级,需要给蜂窝用户一个最低的速率门限值来保证蜂窝用户的正常通信,否则可能会由于D2D技术的引入,导致蜂窝通信中断。一般情况下,干扰主要通过功率控制和资源分配来解决,通过限制D2D的最大发射功率来控制D2D通信对蜂窝通信的干扰。当D2D通信与蜂窝通信的资源非正交时,D2D通信也会受到来自蜂窝通信的干扰。在D2D通信系统中,基站给D2D用户分配频谱资源后,D2D用户可以利用蜂窝上行链路的频谱资源,也可以利用下行链路的频谱资源。D2D通信用户与蜂窝用户间的干扰情况根据使用的是上行链路的资源还是下行链路的资源也有所不同。在不同的通信环境下,D2D通信用户复用蜂窝上行和下行资源各有优缺点。例如,当复用下行链路资源时,D2D通信用户所处的小区位置对D2D用户的发送功率影响不大,而复用上行链路资源要比复用下行链路资源敏感得多。D2D复用上行链路资源时,通信用户离基站越远,D2D通信用户的SINR(信号与干扰加噪声比)曲线增益比复用下行链路时越好。相反,在越接近基站的地方,复用下行链路时的SINR越好,所以在靠近基站的地方可以让D2D通信用户复用下行链路资源,远离基站的地方复用上行链路资源。目前,多数的文献偏向于使用上行链路,但是在某些场景下复用下行链路资源也具有优点,需要综合考虑复用上下行链路资源的优缺点,在D2D执行的过程中灵活使用上下行链路的资源。在LTE系统中,当系统工作在FDD(频分双工)模式,通信用户只能在下行频谱接收,在上行频谱发送。当系统工作在TDD(时分双工)模式,系统上下行时隙处在同一频谱,可以实现在同一频谱收发数据。分配给D2D通信的频谱可以是上行资源也可以是下行资源,D2D用户在该资源上实现数据收发。在FDD的模式下,为了简化终端硬件的执行复杂度,在D2D的执行过程中不能灵活复用上下行链路资源,只能复用上行链路资源或者只能复用下行链路资源。而在TDD系统中则不同,可以做到上下行链路资源灵活复用,所以这一节的研究基于TDD模式。复用上下行链路资源除了干扰情况不同外,上下行链路资源的灵活性分配还要考虑当前系统的负载均衡问题。例如,在某一时刻如果上行链路业务很多,基站负载很重,这时还要分配上行资源给D2D的话,无疑会增加负载的不均衡,这个因素也要作为分配资源的参考。更重要的是,在TDD模式下的D2D复用上行链路和下行链路的HARQ(混合自动重传请求),RTT(往返时间)也会有很大不同。当D2D通信共享蜂窝通信资源时,通信系统内会引入干扰问题。D2D通信技术既可以共享蜂窝通信的上行链路资源,也可以共用蜂窝通信的下行链路资源。由于在蜂窝通信的下行链路中存在系统的许多控制信息,相比较而言,上行链路资源未被充分利用。并且当D2D通信共用下行链路资源时,受到干扰的是蜂窝用户,由于蜂窝用户的位置不固定,所以引起的干扰不易被控制。当D2D通信共享蜂窝上行链路资源时,受到干扰的是基站,由于基站的位置固定,干扰相对比较容易被控制。因此,本文讨论的共享资源通信模式指的就是D2D通信共享蜂窝通信的上行链路资源。当D2D通信共享蜂窝通信上行链路资源时,蜂窝通信会对D2D通信产生干扰,D2D通信也会对蜂窝通信产生干扰。D2D通信对蜂窝通信的干扰可以通过限制D2D通信的最大发射功率来控制,相对来说比较简单。而蜂窝通信对D2D通信的干扰则比较难控制。下面分别讨论蜂窝通信与D2D通信之间的干扰情形及相应的干扰抑制机制。2.1工程应用设计双重干扰避免机制在混合通信网络中,由于D2D通信可以共享蜂窝通信上行链路的资源,因此,蜂窝通信会对D2D通信产生干扰。如图2所示,在一个小区中,UE3和UE4以D2D通信模式进行通信,UE3是接收端,另外有UE1和UE2以蜂窝模式进行上行链路的通信。由图2中可以看出,当UE3与UE4之间的D2D通信共享蜂窝用户UE1和UE2的上行链路资源时,UE1和UE2发射的信号会对UE3接收到的D2D信号产生干扰。由于UE1距离UE3很近,它产生的干扰会比UE2产生的干扰强很多。从有效避免蜂窝通信对D2D通信的强干扰角度出发,可以看出UE3和UE4之间的D2D通信应该共享与他们距离相对较远的UE2的资源。文献中提出使用这种干扰避免机制需要满足两个条件:a)D2D通信用户终端需要提前知道小区内的蜂窝通信用户的上行链路的资源分配情况。b)D2D通信终端能够感知来自不同的蜂窝通信终端对D2D通信链路所造成的干扰情况。并且假定,在LTE通信系统中,系统内的所有频谱资源都是通过BS进行控制的,这就需要BS可以获得所有链路的CSI,然后根据当前小区内的通信状况对小区内的资源进行合理分配。在单一小区内,蜂窝通信对D2D通信的干扰避免机制具体实施起来分为干扰测量和D2D数据传输两个阶段。干扰测量阶段是指D2D通信终端获取来自小区内蜂窝通信用户终端的干扰信息的阶段,需要在进行D2D通信数据传输之前进行,通常发生在D2D通信的建立阶段。蜂窝通信链路的建立一般需要几十甚至上百毫秒的时间,对于干扰测量来说是足够的。另外,在D2D通信的数据传输阶段也可以继续进行干扰的测量和更新,实现对周围的无线通信环境的实时掌握,以保证D2D通信的顺利进行。蜂窝通信对D2D通信的干扰避免机制的过程如下:a)解码蜂窝通信用户的上行链路的RRM(无线资源管理)信息,获得相应的资源分配的信息。b)在特定时期内测量来自蜂窝通信用户UE产生的干扰量。c)根据解码的上行链路信息,记录来自不同蜂窝用户的平均干扰量,然后将来自不同的蜂窝用户的干扰量记录在一个表格中。得到的平均干扰信息可以被用来避免蜂窝通信对D2D通信产生强干扰,帮助做出更明智的选择。d)每隔一定时间把记录的来自不同蜂窝用户的干扰信息的表格进行更新。通过上面的干扰避免过程,便能有效控制蜂窝通信对D2D通信产生的干扰,保证D2D通信的顺利进行,更加充分地利用现有系统的可用资源,获得系统性能的提升。2.2其他用户的干扰如图3所示,UE3和UE4之间进行D2D直接通信,UE1和UE2以蜂窝通信的方式与基站进行通信。由于通信终端设备使用的都是全向天线,D2D发送者发给D2D接收者的信号会同时被eNB(演进型基站)接收,这样会对基站收到的来自蜂窝用户UE1和UE2的信号产生一定的干扰。从图3可以看出,UE2距离eNB较远,很难承受强烈的干扰。如果D2D通信重用了UE2上行通信链路资源,会对UE2上行通信产生很强的干扰,使其通信性能急剧恶化,甚至无法通信。但是从图3中可以看出,在混合网络中D2D通信终端仍然有可能对蜂窝系统上行资源进行重用。例如,蜂窝终端用户UE1距离基站很近时,功率控制一般仍然具有较大的余量,可以抵抗较强的干扰。因此,D2D发送者在进行D2D通信时应该避免重用蜂窝终端用户UE2的上行链路资源,可以优先选择重用蜂窝终端用户UE1的上行链路资源,并且,只要D2D发送者的发射功率控制得当,便可以获得较好的系统性能。D2D通信对蜂窝通信的干扰抑制机制如下:a)eNB计算并且更新每个物理资源块所允许的来自D2D的干扰水平,并且在一定的时间间隔内更新这些信息。b)把每个资源块的允许干扰水平存放在一个允许的干扰表格中,并eNB在小区内广播这个表格。c)共享蜂窝通信用户上行链路资源的D2D用户将会收听这个表格信息,然后向eNB申请相应的资源,来帮助eNB进行明智的D2D无线资源管理。通过以上过程,便可以有效控制来自D2D通信链路对于蜂窝通信链路所产生的干扰,使得这两种不同的通信模式之间可以同时存在于同一个蜂窝小区系统中。通过考虑D2D通信模式对蜂窝通信模式产生的干扰,来进行无线资源优化管理,能取得系统性能的提升。文献中考虑到蜂窝通信系统中的用户之间的衰落情形时,分析了D2D用户可以工作在不同的工作模式下来取得系统性能的最大化,可以通过最优的模式选择策略,让系统在引入D2D通信技术之后,吞吐量得到有效提升。通常来讲,D2D通信用户对于蜂窝通信用户的干扰可以通过基站处的功率控制来限制D2D通信用户的最大发射功率,减小对于蜂窝通信的干扰。蜂窝通信对于D2D通信的干扰则相对比较复杂,需