D2D通信资源调度研究现状综述

文 凯，卢彦博，夏 威，范文倩

(1.重庆邮电大学 通信新技术应用研究中心，重庆 400065；2.重庆信科设计有限公司，重庆 400065)

D2D通信资源调度研究现状综述

文 凯1,2，卢彦博1，夏 威1，范文倩1

(1.重庆邮电大学 通信新技术应用研究中心，重庆 400065；2.重庆信科设计有限公司，重庆 400065)

终端直通技术(D2D)是一种终端在基站控制下直接进行通信而不需要基站转发的新型通信技术。D2D引入LTE-A蜂窝系统虽然可以带来吞吐量和频谱效率的提升，但是也会带来很大的干扰。综合近些年来的研究成果，合理的资源调度算法成为降低干扰、提升系统性能的关键。首先，描述了D2D通信技术引入LTE-A蜂窝网络后的系统干扰模型。然后，从模式选择、资源分配和功率控制3个方面综述了目前国内外文献关于资源调度算法的研究成果。

D2D；QoS；吞吐量；模式选择；资源分配；功率控制

最近几年，随着智能手机的大幅度发展，多媒体业务需求急剧的增长，同时根据我国移动通信的发展状况，在很长的一段时间里，2G、3G、4G甚至5G将同时存在。因此移动通信传输速率不足和频谱资源的稀缺成为目前移动通信面临的主要挑战。而终端直通技术(D2D)引入蜂窝系统能够不仅提高整个系统的吞吐量和频谱利用率，而且还能极大地提高边缘用户的吞吐量以改善服务质量。因此，作为5G通信的候选技术之一的D2D通信技术有着巨大的发展空间。

D2D通信技术可以在不需要通过基站转发的情况下，实现设备与设备之间的直接通信[1-2]。在这种情况下，D2D技术引入蜂窝小区可以带来许多的优势。首先由于D2D用户之间的距离较近，进行端到端的直接通信，因此D2D通信引入蜂窝小区不仅可以获得更高的数据传输速率，同时还可以降低功耗[3-4]。其次D2D可以复用蜂窝用户的无线资源进行通信，从而提升频谱利用率，节省频谱资源[5]。最后D2D通信可以利用蜂窝小区中广泛存在的通信终端来扩展网络的覆盖范围，提升边缘小区的吞吐量[5]。

虽然D2D通信技术引入LTE-A蜂窝小区能带来如此多的好处，但是D2D通信技术引入蜂窝小区也会带来新的变化。此时D2D用户可以分别采用正交模式和复用模式进行通信。为了节省频谱资源，提高频谱利用率，一般D2D用户使用复用方式和蜂窝用户共享资源。这就必然给整个小区带来干扰[5]。因此如何降低D2D通信引入小区所带来的干扰，以最大化蜂窝小区的吞吐量，成为研究的重点。

1 系统模型

假设一个LTE-A蜂窝小区，小区中央配有一个全向的eNodeB。蜂窝小区用户分为两类：蜂窝用户和D2D用户。当D2D用户使用正交模式通信时，D2D占有蜂窝小区空闲的RB传输信号，不会带来小区内干扰。当D2D用户使用复用模式进行通信时，由于D2D用户和蜂窝用户占用相同的RB传输信号，会带来严重的干扰[6]。此时，系统模型如图1所示。

图1 D2D通信在蜂窝小区的干扰模型

在图1中，D2D用户复用蜂窝用户CUi的上行资源进行通信，D2Dj,tx为D2D用户对的发射端，D2Dj,tx为蜂窝用户的接收端，D2Dj,tx发送信号给D2Dj,tx接收，CUi发送信号给基站eNodeB进行接收。在这种情况下，CUi的发射信号会对D2Dj,rx产生干扰，由图1中虚线hi,j表示，D2Dj,tx也会对BS的接收CUi产生干扰，由图中虚线hj,b表示。为了减小这两种干扰，必须要合理地给D2D用户分配资源和功率控制，以提升系统吞吐量、能效、系统公平性等蜂窝小区系统性能。

2 D2D通信

资源分配算法研究的意义在于通过分配和管理无线资源以提高系统吞吐量，提升资源利用效率，进而提升整个蜂窝系统的性能。D2D资源分配主要的研究内容包括模式选择、功率控制、信道分配等。

2.1 模式选择

D2D用户在进行通信时，既可以在基站的控制下直接通信，也可以通过基站转发进行通信。同时，D2D用户既可以占用蜂窝系统的空闲资源进行信号传输，又可以复用蜂窝用户的资源传输信号。如何根据不同的通信环境进行选择，以优化系统性能，就是D2D通信过程中需要面临的模式选择的问题。

D2D的3种通信模式如下：

1)蜂窝模式：D2D用户通过基站转发进行通信，D2D用户在蜂窝模式下与蜂窝用户没有区别。

2)专用模式：D2D用户在基站的控制下占用蜂窝系统空闲资源进行通信，此时D2D用户占用的资源与蜂窝用户的资源相互正交，没有干扰。

3)复用模式：在基站的控制下，D2D用户复用蜂窝用户的资源进行通信。此时，D2D用户和蜂窝用户之间会有同频干扰。

文献[7]研究了D2D通信引入单小区蜂窝系统时模式选择问题，提出了蜂窝模式、专用模和复用模式。在蜂窝模式下，蜂窝用户占用50%的无线资源，D2D发射用户占用25%的无线资源，D2D接收用户占用25%的无线资源。在正交模式下，蜂窝用户和D2D用户分别占用一半的无线资源进行通信。而在复用模式下，文献把复用无线资源进一步细分为复用上行资源和复用下行资源，通过计算两者的最大吞吐量来确定复用上行资源还是复用下行资源。但是文献[7]作为提出模式选择问题的初始文献，只是对模式选择进行了简单的研究且场景设计过于简单，因此通过模式选择来进一步提高系统性能的策略还有待进一步探讨。

文献[8]分别计算上行链路和下行链路3种模式的用户的吞吐量，并选择使吞吐量最大化的通信模式进行通信。相比于文献[7]，文献[8]所提出的模式选择方法能够获得更大的吞吐量。与此同时，文献[8]还把上述模式选择的方法推广到多小区，相比于文献[7]，场景更贴近实际，有更大的实用价值。

文献[9]探讨了基于随机过程的D2D用户的模式选择和子信道分配问题，相比于文献[7]和文献[8]，文献[9]把子信道分配问题和模式选择问题联合优化，并保证用户的服务质量(QoS)。但是在文献[9]中，D2D用户只能选择蜂窝模式或者专用模式，而对复用模式没用任何的探讨。

文献[10]把D2D通信网络中的模式选择问题引入到D2D中继网络中，并提出了6种通信模式。其中3种与文献[7]一致，其他3种模式分别为：中继蜂窝模式、中继专用模式和中继复用模式。在保证QoS的基础上，文献[10]把这6种模式联合进行优化选择以最大化系统吞吐量。

文献[8-10]从不同的角度讨论了模式选择问题，并提出了行之有效的解决方案，但是综合大部分研究文献和实际情况来看，D2D用户在复用模式下的通信是研究的重点。这样做主要是为了节省频谱资源，提高频谱效率。其他两种模式只有在蜂窝系统有空闲资源时，才有研究的价值。

2.2 资源分配

2.2.1 复用下行资源

LTE-A通信系统中有两种无线资源：上行链路无线资源(上行资源)和下行链路无线资源(下行资源)。D2D用户在选择复用模式进行通信时，首先面对的是资源复用的选择问题。

文献[11]使用频率复用的方法减少小区间的干扰，使用划定干扰限制区域的方法减少小区内的干扰。文献[12]提出了资源分配和资源复用的联合分配算法，首先使用比例公平算法给蜂窝用户分配资源，然后使用启发式的贪婪算法给D2D用户分配复用资源。文献[13]提出了一种下行资源分配和下行功率分配的联合优化方案，在保证蜂窝用户QoS的情况下，最大化D2D用户的总效用。对于文献[11]来说，频率复用的方法虽然可以减少干扰，但是会造成极大的频谱资源浪费，在频谱资源稀缺的现实情况下，此种方法显然实际使用价值不大。文献[12]割裂了D2D用户和蜂窝用户在资源分配时的联系，且没有功率控制方案，因此对系统性能提升作用不大。相比于文献[11]、[12]，文献[13]所提算法不仅能够保证蜂窝用户的QoS，而且能够获得更高的频谱效率和吞吐量。

但是文献[11-13]是对蜂窝小区下行资源进行分配，而在实际的LTE-A蜂窝小区中，下行资源使用较为频繁，且在基站测量和计算复用上行资源时的干扰较为简单，因此一般D2D用户复用蜂窝用户的上行资源进行通信。

2.2.2 基于地理位置信息的资源分配算法

在D2D通信网络中，D2D用户在复用模式下，选择适当的蜂窝用户并复用资源进行通信。故可以把D2D用户选择复用资源的过程，看成D2D用户和蜂窝用户的匹配问题。针对此种问题，一些文献根据用户的地理位置信息进行D2D用户和蜂窝用户的匹配。

文献[14]为了降低D2D用户发射信号对BS接收信号的干扰，提出一种基于D2D和BS距离的功率控制策略。为降低D2D接收端所受到的蜂窝用户发射信号的干扰，提出了干扰限制区域的方法，并根据干扰限制区域的方法选择复用的蜂窝用户。

文献[15]首先在D2D信道分配问题上提出了基于干扰受限区域的信道分配思想。在上行信道复用情况下，通过设置D2D通信的信干比下限，基站在D2D接收端周围规划出一个干扰受限区域。干扰受限区域内的蜂窝用户信道不能分配给这对D2D用户，否则D2D接收端接收信号的SIR将无法满足门限要求。

分析上述文献可以看出，文献[14]和[15]都是把基站接收功率固定，然后计算出保证蜂窝用户最小SIR的最小复用距离。但是它们不能保证D2D用户的QoS，且只是根据距离对蜂窝用户进行简单的选择，干扰水平降低有限。在实际场景下，直接把接收功率看成一个定值是不切实际的。文献[16]在资源分配算法上与文献[14]、[15]很相似，只是使用频率复用的方法把相关资源分配算法推广到多小区。而且没有进一步详细的功率控制方案，系统性能还有进一步提升的潜力。文献[17]相比于其他文献保证了D2D用户的QoS。

2.2.3 保证QoS的资源分配算法

QoS(服务质量)是网络的一种安全机制，是通信系统中用来解决阻塞和延迟等问题的一种技术。QoS参数包含延迟、丢包率、误码率、信干噪比保证和最小速率保证等。所以说，QoS是通信系统中衡量系统性能的一个非常重要的标志。D2D资源分配算法中的QoS保证一般是速率或者是SINR保证。

文献[18]提出了一种保证蜂窝用户QoS以及D2D最小传输速率条件下的资源分配算法。文献首先把小区蜂窝用户资源分成不同的RB组(RBG)，通过计算找出保证蜂窝用户最小SINR和D2D用户最小速率的RB数最小的RBG分配给D2D进行复用。但是该文献仅仅进行了资源分配而没有进行功率控制，使用功率控制蜂窝系统的吞吐量可以得到进一步的提高。

文献[19]提出了一种在分别保证蜂窝用户和D2D用户QoS的条件下，最小化D2D用户的发射功率从而提高蜂窝系统的能效的功控方案。文献根据蜂窝用户和D2D用户的最小信噪比以及用户设备最大发射功率求出了D2D用户的发射功率取值范围。然后分别给出了该问题的集中式和分布式解决方案。但是该文献资源分配方案过于简单，且把蜂窝用户发射功率当做定值，系统性能还有较大提升的可能。

文献[20]的目标是在保证D2D用户和CUE用户的QoS的前提下最大化系统吞吐量。首先在保证蜂窝用户和D2D用户QoS的条件下，文献使用线性规划的方法给出一个D2DRx与CUE之间的D2D的接入的最小距离。其次使用线性规划和数学方法证明D2D与其潜在复用CUE最大化系统吞吐量的最佳发射功率是在可行域的的边界点。最后使用KM算法从潜在用户中为D2D对分配一个使整个系统吞吐量最大化的CUE。

文献[21]把资源调度问题分解为频谱资源分配问题和终端功率控制问题。文献首先在限制最大发射功率和满足终端最小传输速率的条件下，对最大化系统吞吐量进行建模。然后通过拉格朗日乘数求解法求得上述优化问题的最优解，并由此看出资源块确定和功率分配互为条件选择关系，最后据此采用注水算法进行功率分配。

文献[20]、[21]相比于文献[18]、[19]在功率控制方面有着巨大的优势。文献[18]、[19]虽然保证了蜂窝用户和D2D用户的QoS，但是功率控制方案简单，系统吞吐量没有达到最大。文献[20]是在蜂窝用户资源分配已定的情况下，运用KM算法给D2D用户选择最优的蜂窝用户资源。文献[21]直接分配资源块给D2D用户，并在每一个资源块上进行功率分配。相比于文献[20]，文献[21]所提算法能更进一步提升系统性能。

2.2.4 提高系统公平性的资源分配算法

系统公平性是衡量蜂窝网络不同终端之间资源分配是否平均的重要指标，同时也直接关系到用户体验的好坏。蜂窝系统公平性因子公式如下[22]

(1)

文献[14-21]都是以最大化系统吞吐量为目标，对系统公平性研究较少。而D2D复用蜂窝用户的资源时，势必会对该蜂窝用户产生干扰。此时被复用的蜂窝用户和正常的蜂窝用户相比，在吞吐量上差异较大，进而降低了系统的公平性。

文献[23]首先给D2D用户分配资源，之后根据D2D用户在每个RB的分配情况再给蜂窝用户分配资源，最后在通过功率控制在保证蜂窝用户QoS的前提下，最大化系统总的吞吐量。由于一般情况下，是先给蜂窝用户分配资源，再给D2D分配资源，这样蜂窝用户在进行比例公平调度时就改变了权重值，从而降低系统公平性。文献[24]提出了D2D用户公平策略和蜂窝用户公平策略两个资源分配策略来提高系统吞吐量。相比于文献[23-24]，文献[20]虽然不是以提高系统公平性为主要目标，但是文献[20]以资源块为单位选取复用资源，间接地把干扰平均到不同的蜂窝用户中，提高了系统公平性。因此文献[20]在吞吐量和公平性上都优于文献[23-24]。

2.3 功率控制

为了减少LTE系统中，D2D用户和蜂窝用户之间的干扰，优化系统性能，采用功率控制也是一个行之有效的方法。通过合适的功率控制方法，既能保证蜂窝通信和D2D通信的质量，又能提高系统吞吐量。目前针对D2D通信混合网络的功率控制方案主要分为：集中式和分布式、开环和闭环。

2.3.1 集中式和分布式

集中式功率控制就是在基站端确定发射功率的大小。分布式功率控制是用户终端在没有基站参与下确定发射功率。集中式复杂度较高，精度也较高。分布式复杂度相对较低，复杂度也相对较低。

文献[25]研究了一种动态的集中式功率控制方案，以降低蜂窝用户和D2D用户之间的干扰。该方案根据蜂窝用户和D2D用户之间的信道质量，向D2D用户发送功率调整指示信令，D2D用户接收指示信令后，按照接收到的功率调整指示动态的调整发射功率。

文献[26]首先设定蜂窝用户的最小SINR门限值以保障蜂窝用户的QoS，然后通过调整D2D用户的发射功率使得蜂窝用户的SINR大于门限值。文献同时指出：距离基站较近的D2D中心用户适合复用蜂窝系统的上行资源，距离基站较远的D2D边缘用户适合复用蜂窝系统的下行资源。

文献[27]研究了一种分布式功率控制方案，解决了带有D2D通信的混合蜂窝网络中最小化发射功率的问题。文献首先通过多次的迭代以得到一个确定的最小SINR值，并在保证蜂窝用户最小SINR和D2D用户最小速率的前提下，最小化系统发射功率，以达到节能的目的。

相比于文献[26-27]，文献[25]虽然能够实时地调整D2D用户的发射功率，但是该方案复杂度较高，不易于实现。而且文献[25]所提功控方案不能保证用户的QoS。文献[27]相比于文献[26]，不仅能够保证蜂窝用户的QoS，而且能够提升D2D用户的QoS。

2.3.2 开环和闭环

闭环功控是指发射端根据接收端送来的反馈信息对发射功率进行控制的过程。而开环功控不需要接收端的反馈，发射端根据自身测量得到的信息对发射功率进行控制。

文献[28]中提出了多种带有D2D通信的混合蜂窝网络的功率控制方案，以优化蜂窝系统的性能。文献首先研究了固定D2D用户发射功率的功控方案，其次对保证用户最小SINR进行了研究，最后把LTE系统的开环功控和闭环功控方案引入到带有D2D通信的混合蜂窝网络中。文献[28]指出边缘小区的蜂窝用户由于可能存在信道质量较差的情况，因此需要比较高的发送功率，这会对系统的功率控制的效果产生不良的影响。相对来说，D2D用户可以通过闭环功率控制使得用户的SINR一直保持大于预先设定的目标值。此时通过文献中的功控方案可以尽可能地降低D2D用户对蜂窝用户的干扰。此时，D2D用户资源调度的过程可以精简为只需要处理SINR的D2D用户的过程，而且SINR较差的用户出现的概率很低，大大降低了算法复杂度。

3 结束语

D2D通信技术引入LTE-A蜂窝网络，虽然能够提高系统吞吐量和频谱效率，但是当D2D用户复用蜂窝用户资源时，也会给蜂窝系统带来干扰。为了解决D2D引入LTE-A蜂窝网络带来的问题，提升系统性能，文章从模式选择、资源分配和功率控制3个方面综述了目前国内外文献关于资源调度算法的研究成果。并对相关文献所提方案进行比较，以得出相对较优的方案。

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文 凯(1976— )，正高级工程师，博士，主要研究方向为移动通信和认知网络；

卢彦博(1990— )，硕士生，主研无线通信；

夏 威(1991— )，硕士生，主研无线通信；

范文倩(1989— )，女，硕士生，主研无线通信。

责任编辑：许 盈

Review of Research on Resource Scheduling of D2D Communication

WEN Kai1,2, LU Yanbo1, XIA Wei1, FAN Wenqian1

(1.ResearchCentreforApplicationofNewCommunicationTechnologies,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China; 2.ChongqingInformationTechnologyDesigningCo.,Ltd.,Chongqing400065,China)

Device-to-Device(D2D) is a new communication technology which is directly communicating with each other by using user equipment under the control of the base station. Although the introduction of D2D communication into cellular system can improve the throughput and the efficiency of the spectrum, it also brings interference. Combined with the research achievements in recent years, reasonable resource scheduling algorithm is the key to reduce the interference and improve the system performance. First of all, the system interference model of LTE-A cellular network within D2D communication is analyzed. Finally, the research results of the resource scheduling algorithms is summarized from three aspects such as mode selection, resource allocation and power control.

D2D; QoS; throughput; mode selection; resource allocation; power control

重庆市自然科学基金项目(CSTC2012jjA40054)

TN929.5

A

10.16280/j.videoe.2015.22.011

2015-06-23

【本文献信息】文凯，卢彦博，夏威，等.D2D通信资源调度研究现状综述[J].电视技术,2015，39(22).