干扰控制的车联网D2D通信资源分配算法

王棒; 邱恭安

【期刊名称】《《计算机工程与设计》》

【年(卷),期】2019(040)008

【总页数】5页(P2106-2110)

【关键词】车联网; D2D通信; 干扰控制; 资源分配; 功率控制

【作 者】王棒; 邱恭安

【作者单位】南通大学电子信息学院 江苏南通226019; 南通先进通信技术研究院 江苏南通226019

【正文语种】中 文

【中图分类】TN929.5

0 引 言

由于无线通信范围的限制和路侧基础设施部署的缺乏，基于IEEE 802.11p标准的车

联网只能提供间接性、短暂的连接，而采用广泛部署的LTE网络可以解决该问题[1,2]。但是，LTE频谱资源有限，复用LTE资源的D2D技术可实现有限距离的机会复用[3]。对此，可利用D2D通信复用蜂窝用户资源实现车联网中车与车之间的消息传播。然而，蜂窝通信网络中异构通信方式对频谱资源的复用会产生一定的同频干扰，尤其D2D业务繁忙时。基站处理干扰能力强和上行频谱资源利用率低，故D2D通信通常复用上行频谱资源。因此，合理的通信资源分配算法，需要有效控制基站侧和D2D通信接收端的干扰，保证持续的D2D连接，实现安全消息实时可靠传播。

为了减少D2D通信和蜂窝通信的相互干扰，文献[4]提出了一种与车辆位置信息相关的资源分配方案，仅限制D2D用户发射端与基站、蜂窝用户与D2D用户接收端的距离。在控制干扰对D2D通信的影响下，文献[5]实现最大化蜂窝用户总和遍历容量，但一对D2D用户仅能复用一个频谱资源。文献[6]利用着色理论将没有干扰的车辆分在同一簇内，然后利用改进的匈牙利指派算法为D2D用户分配信道，但以最大化蜂窝通信和速率为优化目标，无法保证各个蜂窝用户正常通信。文献[7]指出安全消息的传播需要一种更加平衡的连接，而非最大化系统总和吞吐量。在控制基站侧累积干扰的前提下，最大化车辆间通信的最小可达速率，但未考虑蜂窝通信可容许不同的干扰值。

针对车辆间安全消息传播的D2D通信资源分配问题，提出了一种干扰控制的车间通信资源分配算法。根据车辆通信速率的需求，一对D2D用户可以复用多个频谱资源。组合二分法和Jonker-Volgenant算法[8]和调整功率最大最小D2D用户的信干噪比，以控制同频干扰对各个D2D用户通信的影响。

1 系统模型

当车辆发生交通事故或拥塞时，安全消息需要持续短距离传播。在基站的控制下，车辆会在短时间内建立大量的D2D链路。D2D通信复用上行频谱资源，以解决频谱空间资源不够的问题。设高速公路场景下单蜂窝小区异构网络模型，如图1所示。该小区有M个蜂窝用户CUE和N对D2D用户，蜂窝用户和D2D用户的集合分别表示为和基站优先为蜂窝用户分配频谱资源，因此设蜂窝用户预先占用了频谱资源。车辆间建立D2D对传播安全消息时，车辆间需要发送探测信号，获取D2D通信的相关链路信息。接着，车辆向基站发送相关链路信息。最后，基站接收到各个链路信息后根据资源分配算法为D2D通信分配频谱资源进行通信。此时，D2D通信会对基站侧接收蜂窝用户信号产生干扰，而蜂窝通信会干扰D2D用户接收端接收D2D用户发射端信号。为第m个频谱资源上第m个蜂窝用户通信链路的功率增益；为第n对D2D用户复用第m个蜂窝用户上行资源时通信链路的功率增益；为第n对D2D用户复用第m个蜂窝用户上行资源时接收干扰信号的功率增益。

图1 系统模型

记第n对D2D用户复用第m个蜂窝用户频谱资源时第m个蜂窝用户和第n对D2D用户发射端的发射功率分别为和噪声功率为No。在第m个频谱资源上，第m个蜂窝用户在基站侧和第n对D2D用户接收端的信干噪比，分别如式(1)、式(2)所示

(1)

(2)

在实际通信中，考虑到衰落信道对通信链路的影响。κ为衰减系数，假设Ε[κ]=1，其中Ε[·]表示期望值；β为与天线特性和平均信道衰减相关的无单位常量；Pt为发射功率；d为发射端与接收端的欧式距离；α是路径损耗指数。由此给出用户的信噪比[9]

(3)

假设则信噪比γ的均值为

(4)

由于车联网中的多环境、多散射、多径分量的快速变化，采用Weibull衰落信道进行建模，η为Weibull衰落参数，信噪比γ的概率密度函数为

(5)

式中：b=1/Γ(1+2/η)。

由式(1)、式(2)和式(3)，可以得到基站和第n对D2D用户接收端在第m个频谱资源上的信干噪比，分别如式(6)、式(7)所示

(6)

(7)

式中：无线信道为Weibull信道，信噪比和服从Weibull分布。因此，给出式(8)和式(9)分别作为蜂窝链路和D2D用户链路的通信质量指标

(8)

(9)

2 干扰控制的资源分配算法

在蜂窝通信网络并存异构通信时，通过资源分配和功率控制两级优化控制基站侧和D2D用户接收端的干扰，保证最差信道状态的D2D通信质量。因此，在保证蜂窝用户正常通信的同时，最大最小D2D用户的信干噪比。为了满足D2D用户通信要求，可以复用多个蜂窝用户资源。将D2D用户分为N′对D2D子用户，则第n对D2D用户的D2D子用户集合为第n对D2D用户的第n″对子用户，记n′=n(n″)。为了避免多重干扰以及严重的信令开销，一个蜂窝用户资源只允许被一个D2D用户复用。xm,n′=1表示第n′对D2D子用户复用第m个蜂窝用户频谱资源，否则，xm,n′为零。因此，D2D通信资源分配问题可以表述为

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

式(13)和式(14)分别为D2D用户发射端和蜂窝用户发射功率的约束；式(15)保证蜂窝用户正常通信。

2.1 资源分配

采用二分法和Jonker-Volgenant算法组合，为最差信道状态的D2D通信质量分配最佳的频谱资源。假设D2D子用户的发射功率为平均功率，即D2D用户最大发射功率除以D2D用户通信所需的频谱资源数；蜂窝用户发射功率为则问题简化为

(16)

s.t.式(11)和式(12)

首先，按升序对的所有组合进行排列，并储存在向量γ′中；用矩阵HM×NN′标记可允许的资源分配，初始化为零矩阵，当小于设置搜索的值，记为1，否则记为0。接着，采用二分法搜索最大最小的位置。最后，利用图论相关理论解决矩阵HM×NN′匹配问题，总权值为零时，意味着资源分配的所有组合大于或等于所设置搜索的值。此时，可利用Jonker-Volgenant算法解决此类最小权二分匹配问题。具体资源分配流程，如图2所示。

图2 资源分配流程

2.2 功率控制

通过上述分配资源后，D2D用户已获得最佳的频谱资源。接着，控制D2D用户发射端和蜂窝用户的发射功率，最大化D2D用户的信干噪比。此时，问题可以表述为

(17)

s.t.式(13)-式(15)

假设第n′对D2D子用户复用第m个蜂窝用户频谱资源时，蜂窝用户和D2D子用户最优的发射功率分别为和先暂不考虑蜂窝用户功率约束条件，当D2D用户最大时，即蜂窝用户最优发射功率此时，D2D子用户的表达式如下所示

(18)

第n对D2D用户的第n″对子用户复用频谱资源的蜂窝用户，记为m(n″)。当时，其中，2≤n″≤N′。此时，只需要求解下列方程组(19)即可，可利用二分法搜索所有D2D子用户的发射功率值。结合D2D用户和蜂窝用户发射功率的约束，给出所有用户最佳的发射功率，如式(20)所示

(19)

(20)

3 仿真与分析

在单蜂窝小区中，设车辆的到达过程服从泊松分布，车辆选择临近的车辆建立D2D链路进行通信。无线信道模型为Weibull信道，D2D用户信干噪比的门限值设置为6 dB。在MATLAB 2015a软件下进行仿真，仿真次数为10 000 次，具体仿真参数见表1。仿真比较了本文算法、MAX-SUM算法与随机分配算法的D2D通信的中断概率及公平指数性能指标。公平指数采用文献[10]中Jain’s Index。MAX-SUM算法的主要思想是，以最大化信干噪比的总和为目标，将D2D用户按需要分为若干子用户后，应用Jonker-Volgenant算法为D2D用户分配资源。

表1 仿真参数参数取值小区半径/m500蜂窝用户数/个10D2D链路数/个5蜂窝用户最大发射功率/dBm23D2D用户最大发射功率/dBm17噪声功率/dBm-114车辆密度/veh·km-115～45车速/km·h-160蜂窝用户信干噪比门限值/dB6～18D2D用户信干噪比门限值/dB6终端至基站路径损耗模型128.1+37.6lgd终端间路径损耗模型LOS in WINNER+B1[11]

如图3所示，与MAX-SUM算法、随机分配算法相比，所提算法D2D用户的平均中断概率最小，这是因为所提算法使最差信道状态的D2D用户的信干噪比最大。随着蜂窝用户信干噪比门限值的增大，D2D用户的平均中断概率增加，这是因为随着蜂窝用户信干噪比门限值的增加，D2D用户需要减小发射功率，以减小对蜂窝用户的干扰。

图对D2D用户平均中断概率的影响

如图4所示，所提算法D2D通信公平性优于MAX-SUM算法、随机分配算法，这是因为所提算法使最差信道状态的D2D通信质量最佳。随着蜂窝用户信干噪比门限值的增加，公平指数不断减小，这是因为为了保证信道状态较差的蜂窝通信，D2D用户需要减小发射功率，对蜂窝通信产生较少的干扰。

图对D2D通信公平指数的影响

在仿真时，蜂窝用户信干噪比的门限设置为6 dB，车辆密度对D2D用户平均中断概率的影响，如图5所示。随着车辆密度的增加，D2D用户的平均中断概率减小。这是因为随着车辆密度的增加，D2D用户之间的距离减小，导致D2D用户的信干噪比增加，从而使平均中断概率减小。

图5 车辆密度对D2D用户平均中断概率的影响

4 结束语

利用部分状态信息，提出了干扰控制的D2D通信资源分配算法，应用较快的图论算法为D2D用户分配蜂窝用户频谱资源。在满足蜂窝用户通信的需求下，最大最小D2D用户的信干噪比，分别推导出D2D用户和蜂窝用户最优的发射功率，不仅有效降低D2D用户中最大的中断概率，而且能够提高D2D用户通信的公平性，以保证较平衡的网络连接状态。该算法通过联合功率控制和D2D资源分配两级优化方案，为解决D2D用户复

用蜂窝资源产生的同频干扰问题提供理论参考。

参考文献：

【相关文献】

[1]Araniti G,Campolo C,Condoluci M,et al.LTE for vehicular networking:A survey[J].IEEE Communications Magazine,2013,51(5):148-157.

[2]Mir ZH,Filali F.LTE and IEEE 802.11p for vehicular networking:A performance evaluation[J].Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking,2014(1):89.

[3]Cheng X,Yang L,Shen X.D2D for intelligent transportation systems:A feasibility

study[J].IEEE

Transactions

on

Intelligent

Transportation

Systems,2015,16(4):1784-1793.

[4]Botsov M,Klugel M,Kellerer W,et al.Location dependent resource allocation for mobile device-to-device communications[C]//Wireless Communications and Networking Conference.Istanbul:IEEE,2014:1679-1684.

[5]Liang L,Li G,Xu W.Resource allocation for D2D-enabled vehicular communications[J].IEEE Transactions on Communications,2017,65(7):3186-3197.

[6]ZHANG Haibo,XIANG Yu,LIU Kaijian,et al.V2X resource allocation scheme based on D2D communication[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications,2017,40(5):92-97(in Chinese).[张海波,向煜,刘开健,等.基于D2D通信的V2X资源分配方案[J].北京邮电大学学报,2017,40(5):92-97.]

[7]Ren Y,Liu F,Liu Z,et al.Power control in D2D-based vehicular communication networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2015,64(12):5547-5562.

[8]Baggenstoss PM.The Jonker-volgenant algorithm applied to click-train separation[J].Journal of the Acoustical Society of America,2014,135(5):2485.

[9]Shelly S,Babu AV.Performance modeling of link duration in vehicular Ad Hoc networks under weibull fading channel conditions[J].Wireless Personal Communications,2017,96(4):6047-6068.

[10]Mei J,Zheng K,Zhao L,et al.A latency and reliability guaranteed resource allocation scheme for LTE V2V communication systems[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2018,17(6):3850-3860.

[11]3rd Generation Partnership Project.3GPP TR 36.885 V2.0.0. Study on LTE-based V2X Services[R].Busan:3GPP Organizational Partners,2016.