黄 巍1，2，柯文韬1，张海波3，杨 雄1，梁云锦1
（1.重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆400065；
2.陆军重庆军事代表局驻成都地区军事代表室，四川 成都610036；3.重庆邮电大学 宽带移动通信动员中心，重庆400065）
将全双工技术运用到D2D (Device-to-Device)通信中，可以增大D2D用户的吞吐量进而提高系统吞吐量，但全双工通信带来的自干扰也不可避免。考虑多个D2D用户对可共享相同的蜂窝用户资源，此时D2D用户对之间将产生同频干扰。针对该问题，在系统中用户正常通信的前提下，提出了一种基于图论中点着色的资源分配算法。该算法将D2D用户对之间的同频干扰限制在可接受范围内，利用图论中图的点着色算法协调D2D用户对和蜂窝用户之间的资源以最大化系统的吞吐量。仿真结果表明，相比于传统的半双工D2D通信，该算法有效地提高了D2D用户的通信质量，并提升了整个蜂窝网络的系统容量。
D2D通信；全双工；多共享模式；资源分配
中图分类号：TN929.5
A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.024
中文引用格式：黄巍，柯文韬，张海波，等. 全双工D2D通信系统下的一种资源分配算法[J].电子技术应用，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
作为5G通信的关键候选技术之一，D2D通信[1，2]可以通过复用蜂窝用户频谱资源的方式提高频谱利用率，并且减轻基站负载。D2D通信被用于短距离终端间的通信，而将全双工通信运用于短距离通信时，终端性能将得到更大提升，故将全双工技术运用在D2D通信中。
目前资源分配的研究大多集中于半双工D2D通信[3-5]中。近年来，随着自干扰消除技术的日渐成熟，专家、学者开始研究全双工D2D通信。文献[6]提出了一种简单的全双工D2D通信协议，该协议提高了带宽效率和系统吞吐量。文献[7]提出了基于干扰受限区域资源分配方案，结果表明处于全双工D2D通信下D2D链路吞吐量接近半双工的两倍。文献[8]以系统吞吐量最大化为目标，提出一种图论中图着色的全双工资源分配方案，但该文献未考虑自干扰所带来的影响。文献[9]以最大化D2D用户数量为目标，提出了多个D2D对复用单个蜂窝用户资源的方案，但是该方案并未涉及D2D用户间的同频干扰。文献[10]提出了一种基于保障蜂窝用户服务质量的启发算法，但复杂度过大。
针对上述问题，本文针对全双工通信场景，解决多对D2D用户复用同一个蜂窝用户资源的资源分配问题，提出了一种支持全双工D2D通信的资源分配算法。该算法在保证蜂窝用户与D2D用户服务质量的前提下，通过图论中点着色理论来对D2D用户进行资源分配。
1 系统模型
如图1所示，假设D2D复用蜂窝用户上行链路资源，其中有K个D2D用户对、N个蜂窝用户均随机分布在小区中。
其中，1≤i≤N，1≤j≤K，l∈{1，2}。
如果第i个蜂窝用户的上行链路资源被第j对D2D用户复用，则第j对D2D链路中的第l个D2D用户的信干噪比(SINR)可得出：
其中，式(9)表示一个D2D对只能复用一个蜂窝用户的信道资源。
2 基于图着色理论的资源分配算法
为了求解上述问题，本文从图论的角度考虑，将D2D资源分配问题转化为图论中的点着色问题。
根据D2D用户对彼此之间同频干扰的关系，构建出一个干扰图G=(V，E)，集合V中的每个节点表示小区中的D2D用户对，集合E表示连接D2D用户对的边。若D2D用户对x和D2D用户对y之间存在不可容忍的干扰，则用边连接x与y节点；反之，不连线。
干扰图中的两点间如果产生连线，则表明对应的D2D通信对之间的同频干扰较大，无法复用同一蜂窝资源，反之为潜在的可复用资源。在完成干扰图的构建之后，将对图进行点着色。着色函数记为π，点着色数记为τ，将进行着色的点按照定点度的大小降序排列。算法伪代码如下所示。
基于图着色资源分配算法：
3 仿真分析
为了便于实现，本文在单小区场景下对提出的算法进行仿真，仿真参数如表1所示。
由图2可以看出，当基站收到干扰增大时，D2D用户的总吞吐量也增大，此时D2D通信对数目随之不断增加。当自干扰消除为95 dB时，半双工（HD）模式表现优于全双工(FD)；当自干扰消除为105 dB和110 dB时，全双工D2D通信模式表现更佳。
图3表示单一D2D链路通信的中断概率与基站收到干扰的关系。相比于半双工D2D通信用户，每个全双工D2D用户将会受到更大的干扰。
图4表示系统吞吐量随着自干扰的变化趋势。由于半双工系统的吞吐量不受自干扰影响，故保持不变。本文采用的图着色资源分配算法有效协调多个D2D用户能够复用同一个蜂窝资源所带来的同频干扰。相比于传统的单一复用模式，本算法提高了系统的吞吐量。
图5表示系统中D2D对数的增加对参与复用的D2D对平均数的影响。运用本文算法使得系统中能够复用蜂窝用户资源的D2D用户数量多于半双工D2D链路数量的一半，进而有效减小了同频干扰。因此合理使用全双工D2D通信模式将会带来一定收益。
4 结论
蜂窝系统中的多对一D2D通信模式能够充分利用有限的频谱资源，从而提高系统吞吐量，但系统中所产生的干扰也将更为严重。本文所提算法在满足系统中所有用户的服务质量QoS的约束条件下，通过图着色算法给D2D用户有效地分配资源，将D2D用户间的同频干扰控制在可接受范围内，从而提高系统的吞吐量。但该研究并未涉及功率优化，因此对系统中用户的功率控制有待进一步研究。
参考文献
[1] DOPPLER K，RINNE M，WIJTING C，et al.Device-to-Device communication as an underlay to LTE-advanced networks[J].IEEE Communications Magazine，2009，47(12)：42-49.
[2] FODOR G，DAHLMAN E，MILDN G，et al.Design aspects of network assisted device-to-device communications[J].IEEE Communications Magazine，2012，47(12)：170-177.
[3] CHEN X H，CHEN L，ZENG M X，et al.Downlink resource allocation for Device-to-Device communication underlaying cellular networks[C].IEEE 23rd International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications，2012：232-237.
[4] AN R，SUN J，ZHAO S，et al.Resource allocation scheme for device-to-device communication underlaying LTE downlink network[C].Wireless Communications & Signal Processing(WCSP)，2012 International Conference on，IEEE，2012：1-5.
[5] ZHU D H，WANG J H，SWINDLEHURST AL，et al.Downlink resource reuse for device-to-device communications underlaying cellular networks[J].IEEE Signal Processing Letters，2014，21(5)：531-534.
[6] SANGHOON KIM，STARK W.Full duplex device-to-device communication in cellular networks[C].IEEE Computing，Networking and Communications(ICNC)，2014：721-725.
[7] ALI S，RAJATHEVA，LATVA-AHO M.Full duplex device-to-device communication in cellular networks[C].IEEE Networks and Communications(EuCNC)，2014：1-5.
[8] YANG H，ZHANG R Q，CHENG X.Resource sharing for device-to-device communications underlaying full-duplex cellular networks[C].IEEE Communication Systems(ICCS)，2014：16-20.
[9] ALI S，NANDANA RAJATHEVA.Effect of interference of full-duplex transmissions in underlay Device-to-Device communication[C].IEEE 14th Canadian Workshop on Information Theory(CWIT)，2015：54-57.
[10] CHENG W C，ZHANG X，ZHANG H L.Heterogeneous statistical QoS provisioning for full-duplex D2D communications over 5G wireless networks[C].2015 IEEE Global Communications Conference(GLOBECOM)，2014：1-7.
