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 寬帶移動通信動員中心，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着色的資源分配算法。該算法將D2D用戶對之間的同頻干擾限制在可接受範圍內，利用圖論中圖的點着色算法協調D2D用戶對和蜂窩用戶之間的資源以最大化系統的吞吐量。仿真結果表明，相比於傳統的半雙工D2D通信，該算法有效地提高了D2D用戶的通信質量，並提升了整個蜂窩網絡的系統容量。
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，隨着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，提出一種圖論中圖着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通信的資源分配算法。該算法在保證蜂窩用戶與D2D用戶服務質量的前提下，通過圖論中點着色理論來對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佈在小區中。
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 基於圖着色理論的資源分配算法
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着色問題。
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，將對圖進行點着色。着色函數記為π，點着色數記為τ，將進行着色的點按照定點度的大小降序排列。算法偽代碼如下所示。
基於圖着色資源分配算法：
3 仿真分析
為了便於實現，本文在單小區場景下對提出的算法進行仿真，仿真參數如表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表示系統吞吐量隨着自干擾的變化趨勢。由於半雙工系統的吞吐量不受自干擾影響，故保持不變。本文採用的圖着色資源分配算法有效協調多個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，通過圖着色算法給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。
參考文獻
[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.
