论文研究-D2D通信系统功率控制算法的研究与实现 .pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.44M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn D2D 通信系统功率控制算法的研究与实现冀常鹏，韩星美* （辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁葫芦岛市，125105）摘要：为了缓解通信系统频谱资源紧张、容量十分有限的现状，将 D2D 技术引入蜂窝网络中。本篇文章简单介绍了 D2D 通信系统的工作原理，并以此为前提条件，在 LTE 上行链路中开环功率控制算法和闭环功率控制算法的基础上，对仿真平台进行建立，分析和研究了不同功率控制算法对 D2D 用户及蜂窝用户通信效果性能的改善。并在此基础之上加入了联合功率控制算法，通过建模仿真分析得到 D2D 用户和蜂窝用户之间的 SINR 分布情况、及整个小区内的吞吐量情况。经分析可得，功率控制算法可减少系统间干扰，提高系统吞吐量；并且经过对比可知，其中联合功率控制算法的效果更好性能更优。关键词：LTE；D2D；功率控制；开环功率控制；闭环功率控制中图分类号：TN915.07 Research and implementation of power control algorithm for D2D communication system JI Changpeng, HAN Xingmei (School of electronic and information engineering,Liaoning Technical University,Huludao,Liaoning 125105) Abstract: In order to alleviate the shortage of spectrum resources and limited capacity of communication system, D2D technology is introduced into cellular network. In this paper, it briefly introduces the working principle of D2D communication system, the open-loop power control algorithm and closed-loop power control algorithm in LTE uplink. Through the establishment of the simulation platform, the improvement of communication effect performance of D2D users and cellular users by different power control algorithms is analyzed and studied. The SINR distribution between D2D users and cellular users and the throughput of the whole cell are obtained through modeling and simulation analysis. Through analysis, it can be concluded that the power control algorithm can reduce inter-system interference and improve system throughput. And the comparison shows that the combined power control algorithm has better effect and better performance. Key words: LTE; D2D; Power control; Open loop power control；Closed loop power control 5 10 15 20 25 30 0 引言 35 由于无线通信系统的不断进步，无线通信技术也对整个通信系统的频谱资源的利用使用情况提出了更多的要求。提升通信系统的频谱利用效率成了人们需要解决的问题与挑战。现阶段，伴随着大容量媒体业务和设备的不断引入，使得传统蜂窝网络的频谱资源变得更为有限。并且随着负载段端负荷的逐步加重，给基站也增加了很大的负担，使得基站的整体性能显著下降。 40 D2D 技术[1]是指在不存在任何基础网络设备的前提下，可以直接通过 D2D 链路，利用小区资源完成用户之间的通信的过程。它可以解决频谱资源匮乏的问题，还可以有效地减轻基站设施承载的压力、降低用户终端设备的发射功率。通过将 D2D 技术与蜂窝网络相结合作者简介：冀常鹏（1970-），男，教授、硕导，主要研究方向：信号检测与估计、计算机通信网络研究. E-mail: ccp@lntu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的机制，D2D 用户与蜂窝用户可以共同分享使用小区内的资源。因此，D2D 用户经由复用蜂窝用户资源的过程进而实现频谱利用性能的优化、扩充系统容量的作用。但随之而来的， 45 D2D 用户与蜂窝用户之间存在着的干扰也就无法避免。虽然这种干扰无法彻底阻止。但是可以通过无线资源管理算法[2]进行调控与调节。本文就是使用功率控制算法，用以减小整个系统内的干扰，从而提升整体的吞吐量。本文对三种功率控制算法：开环功率控制算法、闭环功率控制算法、联合功率控制算法进行了仿真实现，并由此可分析得到 D2D 技术的优越性及功率控制算法对小区整体吞吐量性能的 50 提高。 1 D2D 技术 D2D 通信可在某种系统的控制下，在某种距离范围内不经过基站即可完成设备与设备间直接进行通信的技术。D2D 通信方式包括集中式控制[3]和分布式控制。与传统蜂窝通信的区别是它不再需要基站的转接，因此可以降低对服务基站的负荷，并可以减小能耗，在某种 55 意义上可以缓解频谱资源紧张的问题。并且在此基础之上还可以实现蜂窝网络容量的扩增。我们将 D2D 通信引入进蜂窝网络，在减轻基站负担的同时还可以缩短时延，与传统蜂窝通信不同的是，它极大地节省了频谱资源。对于通信距离近的用户可以减小传输所需功率，减小终端能源的消耗。 1.1 无线资源管理 60 由于将 D2D 引入蜂窝网络势必会造成二者之间相互干扰的情况。实际上，可以利用无线资源管理算法来解决这种干扰造成的影响。其中包括功率控制、资源调度和模块选择三个模块。其中功率控制模块即可设置合适的 D2D 发射功率，减小干扰，并且提高小区总的吞吐量。目前 D2D 的传输功率包括静态设置和动态设置[4]。静态设置方式基站通过退避因子设置用户设备的传输功率实现干扰协调，但是不能够及时反应新到的动态变化，并且这种大功 65 率的传输更会加剧干扰的影响。动态设置方式能够及时发现信道的变化，并及时对终端设备功率做出调整，能够有效减小小区内与小区间的干扰。 1.2 D2D 通信过程采用集中式控制方式进行 D2D 通信时过程如下：首先，用户 UE1 向基站发送与用户终 70 端 UE2 进行通信的会话请求。随后基站会从通信传输距离、接收功率以及蜂窝网络对用户所产生的影响等多方面进行考量，以判断这两个用户终端之间是否能够直接进行 D2D 通信。若可以进行，在基站发送完评估请求之后，终端之间会互相发送刺探信号以评估信道状况。收到评估的结果后，基站会比较 D2D 通信与蜂窝通信的性能，若 D2D 通信效果更优，基站随之会分配无线资源、为用户选择合适的工作模式，并会选择蜂窝信道干扰较小的发送功率， 75 这样即可给用户带来更佳的体验感受，如图 1。 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 1 D2D 通信会话建立过程 Fig.1 D2D communication session establishment process 1.3 模式选择 80 D2D 通信的工作模式主要有以下三种：公用模式，专用模式以及蜂窝模式[5]。在公用模式中，D2D 在对蜂窝用户的资源进行复用时容易产生同频干扰，这个时候基站就可以通过对功率进行控制、对资源进行合理分配、以及采用先进的编码技术来解决这一问题。在这一过程中由于资源相互之间正交，故二者不会产生干扰。与传统蜂窝模式不同的是，基站在这一过程中负责相关通信的转接工作，致使通信链路彼此间都拥有独立互不干扰且正交的信 85 道资源。当 D2D 设备之间损耗小于基站之间损耗时，则使用 D2D 通信，这一选择方式虽然简单但是性能较差。通过复用蜂窝网络频率资源这样的方式，D2D 技术势必会以其较高的频谱利用率、较大的网络覆盖范围得到更广泛的应用与发展。由于想要获得 D2D 技术极大频谱利用效率的优势，我们将其引入蜂窝通信系统，虽然 90 势必会造成 D2D 技术与蜂窝系统间的相互干扰，但可以使用功率控制技术来调控这种干扰所造成的影响。本文采用 D2D 用户利用整个系统中蜂窝用户上行链路[6]的频谱资源的复用方式，这样的干扰更为可控。并且进一步使用功率控制技术对这两种通信方式间存在的干扰进行人为的处理，简单的解决了资源分配的问题，进而整体提升整个通信系统的吞吐量。 2 D2D 功率控制算法 2.1 开环功率控制算法 95 相较于复用蜂窝用户的下行链路资源，本文中采用的方式仅是在考虑对基站造成的影响之下进行对上行链路资源的复用。这是由于相较于其他运动着的蜂窝用户而言，对固定不动的基站造成的影响更为可控。因此本文采取的功率控制技术实际上是对上行信道的发射功率进行调控的，最终计算较为恰当的发射功率，实现终端的正常工作。这里，将标记为蜂窝用户，部分功率控制公式[7][8]： 100 （1） - 3 - 用户1用户2基站检查是否用户之间可以直接通信检测终端用户之间更适合哪种通信用户2会话设置请求测量请求测量报告imax0101()min{,()log()()()}emcsiPiPPiMiPLif

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 其中，指用户设备的最大发射功率，随用户级别而改变；指用户设备或小区的特定参数；取值为 1，认为为每个用户都分配了一个资源块；为功率偏移量，在本文所述的过程中默认为 0；指小区内特定的路径损耗补偿系数，在无功率补偿和全功率补偿之间，以下会做详细说明。代表下行参考信号的路径损耗[9]。 105 故可以将公式简化为： [dBm] (2) 其中越大，那么就意味着 D2D 用户的路径损耗更大，即发射得功率也就更大，随之而来的，也就使得 D2D 用户的 SINR 性能更加优越。但是 D2D 用户发射端功率增大，就会使得蜂窝用户接收端所受到的干扰更大，这就意味着蜂窝用户的整体 SINR 性能不太理想。 [10]作为合适的路径补偿系数，以此来平衡 D2D 用户与蜂所以本次设计仿真中选择 110 窝用户之间的关系与特性，实现较为理想的效果。那么，开环功率控制就是指：基站会将和的具体信息（如具体的干扰水平等）发送给整个小区范围内部的所有用户设备，如图 2 所示，由用户设备对信号及基站发送的参数进行评估，并且初始化其自身的发射功率。 115 图 2 开环功控模型 Fig.2 Open loop power control model 2.2 闭环功率控制算法相较与开环功率控制，闭环功率控制则多加了一项负责反馈。其中，代表着 120 整个小区内存在着的干扰因素、与路径损耗估计中存在的误差等等影响因素。由此，闭环功率控制就可以根据反馈得知信道的变化状况进而实现对功率的调控。公式如下： (3) 闭环功率控制的参数由用户终端目前的及功率控制的积累量相互配合进行控制。这两个变量各自具有其上限及下限，它们共同组成了功控窗口，如图 3。在基站对用 125 户终端发送功率控制的指令时，用户终端设备会通过对步长进行调整实现对功率的控制。当时，则表明目前的信道环境尚可，用户因而可以将发射功率调小至某一水 - 4 - maxP0()Pi()MimcsPLmax0()min{,()}ePiPPiPL0.80P()ifimax010()min{,()log()()()}emcsiPiPPiMiPLifiSINR()fiihighSINRSINR

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 平，改善对其他用户的干扰及影响。相反，当时，则代表当前的信道环境并不理想，用户此时可以将发射功率调大。 130 图 3 闭环功控窗口 Fig.3 Closed loop power control window 2.3 开环功率控制仿真及其性能分析本次仿真是为了解决资源分配的问题，使用不同的功率控制算法实现 D2D 用户对蜂窝用户资源的复用，以降低它们之间存在的干扰，并且最终提高频谱资源的利用效率。本次仿 135 真搭建了 LTE 上行的环境，其中蜂窝用户以 60%的概率生成，D2D 用户以 40%的概率生成，蜂窝网络边界及用户分布如图 4。 140 图 4 蜂窝网络边界及用户分布 Fig.4 Cellular network boundaries and user distribution 仿真参数具体设置如下：蜂窝小区半径为 250m，D2D 用户数为 10 对，蜂窝用户数为，整个系统带宽设置 50 个，最大发射功率为 24dBm，P0 设为-78dBm，路径损耗因子为 180kHz。仿真结果会从 SINR 与吞吐量曲线这两个指标分析功率控制技术的实际效果与功效，进而对功率控制算法的性能进行分析与研究。由仿真结果图 5 可知，在具备相同的 CDF 分布前提下，D2D 用户相较于蜂窝用户具备 - 5 - ilowSINRSINR0.8

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 145 有更加优秀的 SINR 性能。由此可知，D2D 用户在受功率控制算法的影响更大更加显著，并且它在功率控制算法的调节作用之下具备着比蜂窝用户更优越的性能。与之相对应的是，由于 D2D 用户自身发射的功率相对而言更小，不足以对蜂窝用户产生极为强烈的干扰及影响，使得蜂窝用户受到功率控制算法的影响更加不明显。由仿真结果图 6 可知，在具备相同的 CDF 分布前提下，在开环功率控制技术的调控之下，D2D 用户相较于蜂窝用户具备着更高 150 的吞吐量。由此可见，在功率控制下，减少了 D2D 用户与蜂窝用户间存在着的干扰，使 D2D 用户具备着更高的吞吐量与更加优秀的性能，进而极大地提升了频谱资源的利用效率，实现了性能优化的目标。 155 图 5 开环功率控制用户 SINR 分布图 Fig.5 User SINR profile of open loop power control 图 6 开环功率控制用户吞吐量分布图 Fig.6 User throughput distribution of open loop power control 2.4 联合功率控制算法 160 但无论是开环功率控制技术还是闭环功率控制技术都存在着其自身的局限性[11]。即它们都没有从性质上对小区内的用户进行分类，那就意味着所提供和设定的路径损耗因子都具备着相同的值。可实际上，由于小区内的用户距离基站的位置远近各不一样，那么不同用户所受到的干扰也就各不相同。如果与基站相距更近，那么就会受到很显著的干扰；距离基站 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 很远，那么受到的影响就比较小。因此，可以通过分类，对受到干扰类型不同的类别设置或 165 调节与之相匹配的路径补偿因子。基于路径损耗将用户进行划分[12]，实现对补偿因子的动态调整[13]。整个低干扰群组发射功率的公式为公式 2.4：高干扰群组的发射功率的公式如下： (2.4) (2.5) 170 那么受到干扰较大的用户类型就会被设定成较小的补偿因子，而受到干扰较小的用户类型就会被设定成较大的补偿因子，进而增加发射的功率。综合补偿因子与 D2D 用户 SINR 性能之间的关系[10]，本次仿真设计设置，作为适当的补偿因子这种联合功率控制的方法可以降低相互之间的干扰和影响，实现对通信质量的提高及优化，并且可以提升系统整体的吞吐量，达到性能的优化。 175 2.5 三种功率控制算法性能分析与研究图 7 蜂窝用户 SINR 对比图 Fig.7 SINR comparison chart for cellular users 180 图 8 蜂窝用户吞吐量对比图 Fig.8 Comparison chart of cellular user throughput - 7 - max0101()min{,()log()()()}emcsiPiPPiMiPLifmax0102()min{,()log()()()}emcsiPiPPiMiPLif0.30.7

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 由蜂窝用户 SINR（图 7 所示）及吞吐量对比图（图 8 所示）可以看出，开环功率控制与闭环功率控制下的蜂窝用户的 SINR 分布曲线及吞吐量分布曲线可以说是基本重合的，但 185 联合功率算法的性能却更优与前两种算法，无论是 SINR 性能亦或者是吞吐量，都取得了很好的调节结果。这是由于联合功率控制算法通过基于对补偿因子进行调节，使系统间的干扰和性能得以改善，进而提升了吞吐量，实现了 SINR 性能的改善。同时，由 D2D 用户的 SINR （图 9 所示）及吞吐量对比图（图 10 所示）可见，闭环功率控制算法与联合功率控制算法的曲线几乎重合，并且都优于开环功率控制算法，实现了 SINR 性能及吞吐量的提升及改善。 190 联合功率算法在前两种功率控制方法的基础之上，通过对干扰大小加以区分，设定不同的路径补偿因子，平衡发射功率与干扰之间的矛盾关系，进而实现优化及改良。而闭环功率控制算法通过加入了函数，使得其可以根据具体的信道变化对功率进行调节，达到更为精确和良好的调控效果。 195 200 图 9 D2D 用户 SINR 对比图 Fig.9 SINR comparison chart for D2D users 图 10 D2D 用户吞吐量对比图 Fig.10 Comparison chart of D2D user throughput 图 11 是指在三种功率控制方法之下小区所有用户的吞吐量对比，经过观察可知，联合功率控制实现了对小区用户吞吐量的改善与调节，性能更加优于前两种功率控制方法。这种动态调控、动态补偿的机制提升了 D2D 系统的性能及蜂窝用户的性能。将发射功率造成的干扰，寻求一种近似平衡的状态，这样依据干扰设置和调节路径补偿因子的方法，可以在前 - 8 - ()fi

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