D2D通信關(guān)鍵技術(shù)與應用 課件 第3、4章 D2D資源分配技術(shù)、D2D中繼選擇技術(shù)

3D2D資源分配技術(shù)3.1概述3.3干擾管理3.2資源管理3.4資源分配3.5本章小結(jié)3.1概述D2D資源分配的優(yōu)點：靈活、泛在的可用性和低成本，直連通信。D2D資源分配的特點：1）是用戶之間共享資源，2）是用戶擁有專用的資源。

多數(shù)情況下蜂窩用戶具有專用的信道（頻譜）資源，而D2D用戶占用剩余的信道資源或復用蜂窩用戶占用的信道資源。3.1概述

設(shè)計結(jié)構(gòu)化功率控制算法需要考慮的重要參數(shù)是最大發(fā)射功率、每個資源塊的目標接收功率、資源塊的數(shù)量和路徑損耗，對于未來的發(fā)展方向，需要有效的資源分配技術(shù)來滿足5G及未來6G的要求，以實現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中基站最小的信令開銷，獲得可接受的用戶數(shù)據(jù)速率，最大的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量效率等需求。3.2資源管理資源管理主要分為集中式和分布式資源管理。資源管理集中式分布式3.2.1集中式資源管理3.2資源管理

集中式資源分配由一個中心基站負責為各條鏈路分配資源，其優(yōu)勢是可以進行全局優(yōu)化，獲得最優(yōu)的性能。集中式資源分配可以進一步分為集中控制和半集中控制，其中半集中式控制可以看作是集中式與分布式資源分配的結(jié)合機制。集中式資源分配半集中控制集中式分布式集中控制3.2.2分布式資源管理3.2資源管理在分布式資源管理中，每個D2D發(fā)射端所占用的資源由用戶自己決定。分布式資源管理如果實現(xiàn)用戶之間的信息交互，則可以更好地進行資源的選擇，避免沖突。如圖3-1所示：圖3-1分布式資源分配3.2.2分布式資源管理3.2資源管理用戶A和用戶C在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先發(fā)送探測信號給用戶B和用戶D。用戶B和用戶D進行測量。測量包括兩個方面測量有用信號的強度，測量干擾的強度，用戶B和用戶D將測量結(jié)果反饋給用戶A和用戶C，用戶A和用戶C基于反饋信息判決是否占用相應的資源。判決需要考慮兩個因素其傳輸?shù)男盘柺艿降母蓴_強度其傳輸?shù)男盘枌ζ渌脩舢a(chǎn)生的干擾強度。圖3-1分布式資源分配3.3干擾管理在蜂窩小區(qū)中很難出現(xiàn)只存在單個用戶通信的情況，所以蜂窩小區(qū)中存在多用戶通信情況時，用戶間難免會出現(xiàn)干擾，尤其是在D2D通信場景中用戶間干擾情況將被放大，導致蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能下降。D2D用戶對和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間相互干擾的影響情況3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點3.3干擾管理如果將網(wǎng)絡(luò)定義為D2D層和蜂窩層兩個分離的層結(jié)構(gòu)，那么根據(jù)干擾源和受干擾方的層次不同，干擾可劃分為兩種形式：是干擾源（如一個D2D用戶）和受干擾方（如一個蜂窩用戶）屬于不同網(wǎng)絡(luò)層的跨層干擾。是干擾源（如一個D2D用戶）和受干擾方（如一個位置鄰近的D2D擁護）屬于相同網(wǎng)絡(luò)層的同層干擾。3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點3.3干擾管理D2D復用蜂窩傳輸?shù)馁Y源上行鏈路（Uplink，UL）頻譜資源下行鏈路（Downlink，DL）頻譜資源3.3干擾管理3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點（a）（b）圖3-2上下行干擾場景分析（a）上行；（b）下行（1）復用UL資源的干擾特點：除了同層干擾外，跨層干擾可以分為UL蜂窩信號對DR的干擾和D2D傳輸對基站接收蜂窩信號的干擾兩個類型。（2）復用DL資源的干擾特點：除了同層干擾外，跨層干擾也可以分為DL蜂窩信號對D2D接收的干擾和D2D傳輸對蜂窩終端接收DL信號的干擾兩種類型。3.3干擾管理3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點3.3.1D2D通信產(chǎn)生干擾的特點3.3干擾管理解決上述類型的干擾可從資源分配和功率控制兩個方面入手。此方法需要網(wǎng)絡(luò)能夠獲知CUE和DUE的空間分布情況，將通信質(zhì)量好的用戶調(diào)度到正交的資源上。此方法需要痛過限制用戶的傳輸功率來解決用戶間干擾問題。資源分配：功率控制：3.3.2干擾管理技術(shù)分類3.3干擾管理

D2D用戶體驗經(jīng)常受到兩種干擾，即小區(qū)內(nèi)干擾和小區(qū)間干擾，期中小區(qū)內(nèi)干擾是主要的干擾形式。

干擾管理技術(shù)：干擾避免、干擾消除和干擾協(xié)調(diào)。

3.3.2干擾管理技術(shù)分類3.3干擾管理（1）干擾避免：干擾避免技術(shù)用于避免D2D鏈路和蜂窩鏈路之間的干擾，是通過資源的調(diào)度或者協(xié)調(diào)將相互強干擾的D2D鏈路和蜂窩鏈路配置到正交的資源上以避免干擾。如圖3-3所示，一個分區(qū)中的D2D干擾避免模型。圖3-3一個分區(qū)中的D2D干擾避免模型3.3.2干擾管理技術(shù)分類3.3干擾管理（2）干擾消除：干擾消除技術(shù)使用先進的解碼和編碼方案來消除DUE或CUE處的干擾信號。所使用的技術(shù)可以提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量。3.3.2干擾管理技術(shù)分類3.3干擾管理圖3-5干擾圖（3）干擾協(xié)調(diào)：干擾協(xié)調(diào)技術(shù)用于緩解蜂窩鏈路和D2D鏈路之間的干擾，干擾協(xié)調(diào)方案在帶內(nèi)D2D通信中具有顯著的優(yōu)勢。如圖3-5所示，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)用戶之間的干擾構(gòu)建干擾圖，為D2D用戶尋找可以復用的信道資源。3.3.3干擾管理面臨的挑戰(zhàn)3.3干擾管理網(wǎng)絡(luò)密集化在將來的通信中將是一種趨勢，其可有效增加5G和未來6G網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)容量，同時也會使用戶間的干擾更加復雜化。此外，由于設(shè)備量大和設(shè)備位置的隨機性質(zhì)，超密集網(wǎng)絡(luò)使資源分配更具挑戰(zhàn)性。用戶的頻繁移動會導致設(shè)備位置發(fā)生轉(zhuǎn)變，用戶所受到的干擾也會發(fā)生變化，因此必須開發(fā)一種有效的資源分配和干擾管理方案，以滿足用戶QoS的強烈需求。3.4資源分配無線電資源是無線電通信系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。由于無線移動通信系統(tǒng)通信介質(zhì)的特殊性，無線移動通信的各個參與方需要共享無線電資源。因此，無線電資源在各個參與方之間的分配機制，也就是無線電資源管理，是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。3.4.1信道分配方式3.4資源分配蜂窩鏈路和D2D通信之間的信道資源共享主要分為正交式共享和復用式共享，如圖3-6所示。圖3-6復用式與正交式資源共享3.4.1信道分配方式3.4資源分配（1）正交式共享：采用正交方式進行無線電資源共享是指在無線電資源使用上以靜態(tài)或動態(tài)的方式對無線電資源進行正交分割，使蜂窩通信和D2D通信分別使用相互正交的資源。（2）復用式共享：采用復用方式進行無線電資源共享是指D2D通信以復用的方式對正在使用的蜂窩資源進行復用，并將干擾限制在一定水平范圍內(nèi)。3.4.1信道分配方式3.4資源分配方式具體內(nèi)容一對一一個正交子信道只能同時被一個D2D用戶和一個蜂窩用戶共享多對一一個正交子信道允許同時被多個D2D用戶和一個蜂窩用戶共享一對多一個正交子信道只能同時被一個D2D用戶和一個蜂窩用戶共享，并且一個D2D用戶被允許同時復用多個正交的子信道多對多一個D2D用戶可以同時復用多個正交子信道，并且多個D2D用戶允許與一個蜂窩用戶共享同一個子信道3.4.2信道分配方案3.4資源分配

功率控制與信道分配方案認知無線電（CognitiveRadio，CR）與資源分配方案3.5本章小結(jié)

本章對D2D資源分配中的資源管理特點及干擾管理進行了綜述，并探討了相關(guān)研究問題和進一步研究的挑戰(zhàn)。干擾會導致蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2D通信的性能嚴重下降，因此分析了D2D通信產(chǎn)生干擾的原因并討論了干擾管理策略的必要性，以有效消除干擾，保證蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信的性能可靠性，提高D2D通信質(zhì)量。根據(jù)產(chǎn)生干擾的原因和干擾管理特點將干擾管理分為三種，在此基礎(chǔ)上，比較分析了現(xiàn)有的資源分配的解決方案和方法，最后，通過對典型方案進行了例證說明。思考題試述資源分配的目的。資源管理的特點有哪兩種？請分別作出表述？什么是同層干擾？什么是跨層干擾？試述干擾避免和干擾消除。D2D復用蜂窩傳輸?shù)馁Y源的場景是什么？D2D頻譜共享方法是什么？QUESTION:思考題7.請分別描述正交式和復用式共享。8.本書中D2D的信道復用方式有幾種？分別是如何描述的？9.請分別描述系統(tǒng)容量和能量效率定義。10.用香農(nóng)公式計算一下，假定信道帶寬為3100Hz，最大信息傳輸速率為35Kbit/s，那么若想使最大信息傳輸速率增加60%。問信噪比S/N應增大到多少倍，如果在剛才計算出的基礎(chǔ)上將信噪比再增大到10倍，問最大信息速率能否再增加20%？11.信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則最大數(shù)據(jù)速率為多少？QUESTION:思考題12.若要在一條50KHz的信道上傳輸1.544Mbps的下載波，信噪比至少要多大？13.下列因素中，不會影響信道數(shù)據(jù)傳輸速率的是（）。A.信噪比B.頻率寬帶C.調(diào)制速率D.信好傳播速度14.已知信道帶寬為6.8KHz，試求：若要求該信道傳輸能傳輸9600b/s的數(shù)據(jù)，則接收端要求的最小信噪比為多少dB？QUESTION:4D2D中繼選擇技術(shù)4.1概述4.3中繼選擇策略4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構(gòu)4.4中繼選擇中的功率控制4.5本章小節(jié)（1）

AF放大轉(zhuǎn)發(fā)4.2.1轉(zhuǎn)發(fā)模式類別4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)簡單、中繼節(jié)點直接對信號進行轉(zhuǎn)發(fā)而不用進行額外的處理，具有響應速度快、設(shè)備復雜度低的特點（2）傳輸信道中的噪聲也被放大轉(zhuǎn)發(fā)4.1D2D通信的基本知識D2D通信是一種短距離通信技術(shù)，基站只需提供控制信令，用戶就能夠直接傳輸數(shù)據(jù)。如下圖所示，與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信相比，D2D通信不需要數(shù)據(jù)通過基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而在保證D2D通信的前提下減輕基站通信負荷。什么是D2D通信？（a）傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信

（b）D2D通信（2）DF譯碼轉(zhuǎn)發(fā)4.2.1轉(zhuǎn)發(fā)模式類別（1）中繼節(jié)點會對接收到的信號進行解碼，直接重新編碼或者經(jīng)過校驗確認無誤后（可選）再重新編碼，轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點（2）該協(xié)議最大的一個優(yōu)點是不會傳遞噪聲，從而保證了傳輸?shù)目裳永m(xù)性和正確性。（3）缺點是設(shè)備復雜度高、處理速度慢，從而導致一定的傳輸延遲。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構(gòu)（1）兩跳單中繼模型4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

源端與目的端相距較遠，直接通信無法滿足要求時，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以擴大通信范圍，

通過增設(shè)中繼節(jié)點擴大小區(qū)的覆蓋面積，提升小區(qū)邊緣用戶的體驗。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構(gòu)

與兩跳協(xié)作中繼模型的不同之處在于存在直達路徑。若系統(tǒng)中增加一個協(xié)作中繼節(jié)點，在源端發(fā)送信號給目的端時，中繼也接收信號，然后中繼再轉(zhuǎn)發(fā)給目的端，這樣目的端將收到信息的兩個副本，通過合并技術(shù)將它們?nèi)诤希梢杂行岣叻旨鲆?。?）協(xié)作兩跳單中繼模型

4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（3）協(xié)作兩跳并行中繼模型將協(xié)作兩跳單中繼模型可以如下圖所示的多中繼情形。此時，可以把中繼當做源端的虛擬多天線，并考慮發(fā)射分集，以提高系統(tǒng)的可靠性和有效性。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（4）多跳中繼模型

可以將兩跳單中繼模型推廣到多跳從而搭建起一條多跳中繼鏈路，如圖所示。

多跳中繼模型具有擴大覆蓋范圍的優(yōu)點，但同時也存在較大的時延和復雜的資源分配算法等缺點，因此在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中不適合采用多于兩跳的中繼模型。4.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)及拓撲結(jié)構(gòu)4.2.2中繼網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（5）協(xié)作串行中繼模型

為了充分利用無線信道的廣播特性，可以采用多跳分集接收模式，允許任意節(jié)點的廣播信號均能被后續(xù)節(jié)點收到并解碼，

并且采用AF協(xié)議的性能要優(yōu)于DF協(xié)議，盡管AF協(xié)議在這個過程中可能也放大了噪聲。4.3.1中繼選擇分類4.3中繼選擇策略

在基于平均信道狀態(tài)信息的最優(yōu)中繼選擇過程中，根據(jù)各個備選中繼節(jié)點的距離、路徑損耗、平均信噪比等參數(shù)的比較判決其是否為最優(yōu)中繼節(jié)點。因此，該通信系統(tǒng)中需要有能夠有效估計各個節(jié)點的距離或者地理位置信息的設(shè)備，或者需要有能夠估計其鏈路平均信噪比的設(shè)備，對于實際系統(tǒng)來說估計其平均信噪比的開銷較大。（1）基于平均信道狀態(tài)信息的中繼選擇（2）基于瞬時信道狀態(tài)信息的中繼選擇4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類最小法則：調(diào)和平均法則：

4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（3）基于中斷概率的中繼選擇基于中斷概率的中繼選擇方法以系統(tǒng)的中斷概率最小化為目標，選擇鏈路瞬時信噪比最大的中繼節(jié)點為最優(yōu)中繼節(jié)點。系統(tǒng)的整體中斷概率：4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（4）基于誤碼率的中繼選擇

基于誤碼率的中繼選擇方法是以降低系統(tǒng)的誤碼率為目標的。在中繼選擇過程中，在考慮傳輸速率和信噪比的基礎(chǔ)上，還考慮了物理層中的調(diào)制傳輸方式和目的節(jié)點端的分集合并方式等因素，因此此類中繼選擇算法更適用于實際網(wǎng)絡(luò)。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（5）基于社交網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇

基于社交網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇是以通信鏈路穩(wěn)定性為目標，通過選擇社交關(guān)系強的節(jié)點來幫助源節(jié)點進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，該方法不僅僅考慮到了物理層的信道狀態(tài)、傳輸速率，還考慮現(xiàn)實生活中人們的主觀意愿，更加貼合實際。4.3中繼選擇策略4.3.1中繼選擇分類（6）基于機器學習的中繼選擇

4.3.2典型算法分析

(1)系統(tǒng)模型4.3中繼選擇策略

由單一宏基站或微基站控制的超密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備與設(shè)備之間的通信鏈路包括中繼鏈路、直通鏈路和蜂窩鏈路3種形式。4.3中繼選擇策略4.3.2典型算法分析在D2D中繼通信的第一跳鏈路中，第r個RE的信干噪比在第二跳鏈路中，DUE的SINR可表示為：提高邊緣用戶的通信質(zhì)量問題都可以轉(zhuǎn)換為在用戶通信時所在鏈路的吞吐量問題，由香農(nóng)公式可知，改進的鏈路吞吐量可表示為：

一般情況下，影響用戶之間社交關(guān)系的因素主要體現(xiàn)在時間性因素。平均通信時間表示為4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于社交網(wǎng)絡(luò)的典型算法分析基于時間因子可以推斷出社交值：當存在多個潛在中繼的情況下，為了減少探測次數(shù)，首先利用節(jié)點之間的社交關(guān)系，移除不可用的中繼節(jié)點。由上述分析可知，與SUE有較強社交關(guān)系的潛在中繼用戶更有可能為SUE、DUE提供中繼服務。結(jié)合社交網(wǎng)絡(luò)模型，提出基于整個系統(tǒng)的社交門限ω'的概念，表示為：4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于社交網(wǎng)絡(luò)的典型算法分析4.3中繼選擇策略

①中繼識別因子排除自私節(jié)點從下面幾個點進行分析：中繼識別因子共包括3個屬性，負責判斷RE中具有自私行為的節(jié)點，進而明確何種節(jié)點可以中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。所設(shè)計的三個屬性分別為：聯(lián)合興趣度、轉(zhuǎn)發(fā)歷史比率和中繼物理狀態(tài)。(2)算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法4.3中繼選擇策略

(2)算法分析--基于自私行為分析的超密集D2D中繼選擇算法

②權(quán)值計算

在定義了屬性表達式之后，如何確定每個屬性的權(quán)重是需要解決的關(guān)