黃 巍1，2，柯文韜1，張海波3，楊 雄1，梁雲錦1
（1.重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室，重慶400065；
2.陸軍重慶軍事代表局駐成都地區軍事代表室，四川 成都610036；3.重慶郵電大學 寬頻移動通信動員中心，重慶400065）
將全雙工技術運用到D2D (Device-to-Device)通信中，可以增大D2D用戶的吞吐量進而提高系統吞吐量，但全雙工通信帶來的自干擾也不可避免。考慮多個D2D用戶對可共享相同的蜂窩用戶資源，此時D2D用戶對之間將產生同頻干擾。針對該問題，在系統中用戶正常通信的前提下，提出了一種基於圖論中點著色的資源分配演算法。該演算法將D2D用戶對之間的同頻干擾限制在可接受範圍內，利用圖論中圖的點著色演算法協調D2D用戶對和蜂窩用戶之間的資源以最大化系統的吞吐量。模擬結果表明，相比於傳統的半雙工D2D通信，該演算法有效地提高了D2D用戶的通信質量，並提升了整個蜂窩網路的系統容量。
D2D通信；全雙工；多共享模式；資源分配
中圖分類號：TN929.5
A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.024
中文引用格式：黃巍，柯文韜，張海波，等. 全雙工D2D通信系統下的一種資源分配演算法[J].電子技術應用，2016，42(12)：93-96.
英文引用格式：Huang Wei，Ke Wentao，Zhang Haibo，et al. A multi-sharing resource allocation scheme for full-duplex D2D communications underlaying cellular networks[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：93-96.
0 引言
作為5G通信的關鍵候選技術之一，D2D通信[1，2]可以通過復用蜂窩用戶頻譜資源的方式提高頻譜利用率，並且減輕基站負載。D2D通信被用於短距離終端間的通信，而將全雙工通信運用於短距離通信時，終端性能將得到更大提升，故將全雙工技術運用在D2D通信中。
目前資源分配的研究大多集中於半雙工D2D通信[3-5]中。近年來，隨著自干擾消除技術的日漸成熟，專家、學者開始研究全雙工D2D通信。文獻[6]提出了一種簡單的全雙工D2D通信協議，該協議提高了帶寬效率和系統吞吐量。文獻[7]提出了基於干擾受限區域資源分配方案，結果表明處於全雙工D2D通信下D2D鏈路吞吐量接近半雙工的兩倍。文獻[8]以系統吞吐量最大化為目標，提出一種圖論中圖著色的全雙工資源分配方案，但該文獻未考慮自干擾所帶來的影響。文獻[9]以最大化D2D用戶數量為目標，提出了多個D2D對復用單個蜂窩用戶資源的方案，但是該方案並未涉及D2D用戶間的同頻干擾。文獻[10]提出了一種基於保障蜂窩用戶服務質量的啟發演算法，但複雜度過大。
針對上述問題，本文針對全雙工通信場景，解決多對D2D用戶復用同一個蜂窩用戶資源的資源分配問題，提出了一種支持全雙工D2D通信的資源分配演算法。該演算法在保證蜂窩用戶與D2D用戶服務質量的前提下，通過圖論中點著色理論來對D2D用戶進行資源分配。
1 系統模型
如圖1所示，假設D2D復用蜂窩用戶上行鏈路資源，其中有K個D2D用戶對、N個蜂窩用戶均隨機分布在小區中。
其中，1≤i≤N，1≤j≤K，l∈{1，2}。
如果第i個蜂窩用戶的上行鏈路資源被第j對D2D用戶復用，則第j對D2D鏈路中的第l個D2D用戶的信干噪比(SINR)可得出：
其中，式(9)表示一個D2D對只能復用一個蜂窩用戶的信道資源。
2 基於圖著色理論的資源分配演算法
為了求解上述問題，本文從圖論的角度考慮，將D2D資源分配問題轉化為圖論中的點著色問題。
根據D2D用戶對彼此之間同頻干擾的關係，構建出一個干擾圖G=(V，E)，集合V中的每個節點表示小區中的D2D用戶對，集合E表示連接D2D用戶對的邊。若D2D用戶對x和D2D用戶對y之間存在不可容忍的干擾，則用邊連接x與y節點；反之，不連線。
干擾圖中的兩點間如果產生連線，則表明對應的D2D通信對之間的同頻干擾較大，無法復用同一蜂窩資源，反之為潛在的可復用資源。在完成干擾圖的構建之後，將對圖進行點著色。著色函數記為π，點著色數記為τ，將進行著色的點按照定點度的大小降序排列。演算法偽代碼如下所示。
基於圖著色資源分配演算法：
3 模擬分析
為了便於實現，本文在單小區場景下對提出的演算法進行模擬，模擬參數如表1所示。
由圖2可以看出，當基站收到干擾增大時，D2D用戶的總吞吐量也增大，此時D2D通信對數目隨之不斷增加。當自干擾消除為95 dB時，半雙工（HD）模式表現優於全雙工(FD)；當自干擾消除為105 dB和110 dB時，全雙工D2D通信模式表現更佳。
圖3表示單一D2D鏈路通信的中斷概率與基站收到干擾的關係。相比於半雙工D2D通信用戶，每個全雙工D2D用戶將會受到更大的干擾。
圖4表示系統吞吐量隨著自干擾的變化趨勢。由於半雙工系統的吞吐量不受自干擾影響，故保持不變。本文採用的圖著色資源分配演算法有效協調多個D2D用戶能夠復用同一個蜂窩資源所帶來的同頻干擾。相比於傳統的單一復用模式，本演算法提高了系統的吞吐量。
圖5表示系統中D2D對數的增加對參與復用的D2D對平均數的影響。運用本文演算法使得系統中能夠復用蜂窩用戶資源的D2D用戶數量多於半雙工D2D鏈路數量的一半，進而有效減小了同頻干擾。因此合理使用全雙工D2D通信模式將會帶來一定收益。
4 結論
蜂窩系統中的多對一D2D通信模式能夠充分利用有限的頻譜資源，從而提高系統吞吐量，但系統中所產生的干擾也將更為嚴重。本文所提演算法在滿足系統中所有用戶的服務質量QoS的約束條件下，通過圖著色演算法給D2D用戶有效地分配資源，將D2D用戶間的同頻干擾控制在可接受範圍內，從而提高系統的吞吐量。但該研究並未涉及功率優化，因此對系統中用戶的功率控制有待進一步研究。
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