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【摘要】本文分析了在LTE网络中引入D2D通信后所带来的干扰协调问题及功率控制问题，针对单小区环境下D2D通信引入的干扰问题，提出了一种基于中继技术的干扰抑制算法模型。该算法对于满足中继触发条件的D2D通信对，在K个候选中继用户组成的集合中选择基于容量最优的中继。与传统蜂窝通信相比，带有中继的D2D通信能充分利用小区空闲资源来有效提高用户容量，从而提升系统性能。
【关键词】 D2D;干扰协调;网络容量;中继
1. 中继通信
一个终端能否以网络通信，以及可以用的數据速率，取决于几个因素，终端和基站之间的路径损耗是其一。LTE链路性能已经比较接近香农极限，而且从一个单纯的链路预算的角度而言，LTE支持的最高数据传输速率要求比较高的信噪比。除非，可以通过使用不同类型的波束赋形解决方案等来改善链路预算，否则就需要一种密集的网络结构来降低终端到基站的距离，从而提高链路预算。
一个密集的基础设施主要是从部署方面讲，但在后期版本的LTE中，还包括了各种支持低功耗基站的方法。中继就是其中一种，它可用于降低终端和基础设施之间的距离，从而提高链路预算，进而可能提高数据速率。原则上，可以通过部署传统的基站来达到减少终端到基础设施之间距离的目的。这些传统基站有线链接到网络的其余部分。然而，在一个较短的部署时间中，中继往往是一个有吸引力的选择，因为部署中继不需要一个特定的回程链路。
2. 中继的基本分类
中继有以下几个基本的大类：
（1）根据从信源基站到用户终端的传递次数，可以分为两跳中继和多跳中继。在中继的理论研究中，多跳（multi-hop）中继是一个热点。多跳十分适用于应急网络，每个节点可以移动，组成mesh network，使得用户与用户以及用户与系统的通信不会因为局部的一两个节点的失效而无法进行。一些研究也表明如果资源调配合理，多跳中继可以带来容量的提升。
（2）按照是否有基站处理，中继可以分为放大转发中继（Amplify and Forward，AF）和译码转发中继（Decoding and Forwarding，DF）。前者基本不需要基带处理，跟直放站有些类似，所以时延很小，可以做到全双工。但是两段链路之间需要足够的隔离，以防止信号间的串扰，因此部署场景有些限制。而译码转发中继需要基带处理，可以抑制干扰的再次放大，有一定的处理时延，一般是半双工工作，对两段链路之间的隔离度要求不高。
（3）按照回传链路（基站到中继）和接入链路（中继到终端）是否在同一频带工作，可以分为带内中继（inband relay）和带外中继（outband relay）。带外中继需要有两套射频电路，可以全双工工作，但运营商得有足够频谱分别用于回传链路和接入链路。带内中继只需要一套射频，成本稍低，但需要考虑回传链路和接入链路的资源如何分配。
（4）按照回传链路和接入链路的资源复用，可分为频分（Frequency Division Multiplexed， FDM）和时分（Time Division Multiplexed， TDM）。频分方式在一个系统带宽内，属于带内中继。频分方式的优点是资源分配的灵活性较高，在回传链路和接入链路都可以动态的调度资源。但频分方式存在一个问题，即频域的保护间隔。为了防止两条链路间的串扰，一般要求隔离深度在50-60dB，而根据一般射频器件能达到的滤波水平，隔离带宽可能会吃掉很大一部分系统带宽，这将十分影响频谱利用率。
（5）按照中继节点的移动性可以分为移动中继（mobile relay）和静止中继（stationary/fixed relay）。静止中继回传链路的质量较高，对网络架构的影响较小。移动中继比较适合组群移动或应急部署场景，由于快衰和部署地点的欠优化，回传链路的质量不容易保持很高水平。而且因为节点本身的移动性，对网络架构的影响比较大。
3. 中继技术在D2D通信中的应用
在D2D通信中，为了保证通信的可靠性和有效性，干扰问题的解决成为现阶段研究的热点问题之一。目前的很多研究都将重点放在了蜂窝网络中引入D2D 通信的单个小区性能，如吞吐量、中断概率等，而很少有将中继节点应用到D2D 通信后系统的性能的研究。而事实上，在D2D通信的过程中，当用户位置、信道增益产生变化从而导致信道衰落无法继续满足通信质量要求时，那么D2D间的正常通信将会中断。此时，考虑在D2D通信链路中加入合适的中继来保证通信的正常进行，并且，中继的加入将会给D2D通信带来如下改进：
（1）降低系统功耗：在如今5G关键技术的研究中，D2D技术因其能有效的提高资源利用率而受到广泛关注，但当D2D链路受传输环境影响而导致信道衰落较大时，那么将中继引入到D2D通信过程可以降低D2D发送端的发射功率，减小系统功耗。
（2）提高系统吞吐量：当直通链路因信道衰落而不能满足正常通信数据业务的要求时，利用中继来对信号进行转发，可以提高资源利用率，从而提高系统总吞吐量。
（3）提高 D2D通信的可靠性：将D2D直通通信的过程转化为经过中继进行数据转发的过程，虽然会增加通信时延，但如果将时延控制在用户通信业务的要求范围内，并且整个过程对用户透明，则带给用户最直接的体验便是通信中断概率的降低。因此，整体而言，中继的加入提升了通信的服务质量。
（4）减小基站通信负担：当D2D直通链路信道状况发生改变时通过中继的接入，使数据传输得以正常进行，这个过程不需要向基站要求分配额外的上/下行资源，只要被复用资源的蜂窝用户受到的干扰在容许范围内，就可以直接使用原有频谱资源进行通信，该方式为基站减轻了负担，尤其在小区业务量较多，基站负荷较大的情况下。
4. 算法描述
针对系统容量的非线性规划问题，我们利用一种简单有效的调度算法来进行求解。当D2D通信及蜂窝通信满足最低通信要求时，即两种通信的信号干扰噪声比大于系统设定的阈值时，采用正常的D2D通信模式进行通信，当D2D直通链路的信道质量下降时，且蜂窝通信的发射功率已经达到系统预设终端发射功率最大值时，D2D的发射端可以通过中继选择来满足接收端的信干噪比要求。
5. 小结
本文首先对中继技术进行了简单介绍，并对D2D系统引入中继的场景进行简要分析，然后在上述分析的基础上提出了一种基于中继技术的D2D干扰抑制算法。文中以容量最优为标准，分析了中继技术的加入对D2D通信带来的改进。提出的算法旨在有效减少通信间干扰，提高系统总容量。但是文中的研究考虑了单向数据传送。在实际系统中，不管是直通通信还是传统的蜂窝通信，其数据传输通信都是双向的。因此，为双向数据传输设计基于中继技术的干扰抑制算法将是进一步研究的方向。
参考文献：
[1] 荣涛，吴斌，糜正琨.一种LTE网络D2D共享算法研究[J].南京邮电大学学报， 2013，（3）：87-92.
[2] 顾闻.基于D2D的中继选择算法研究[D][硕士论文].南京邮电大学，2013.
[3] 王彬，陈力，张欣等.在LTE-Advanced网络下的Device-to-Device通信[J]， 现代电信科技，2010，40（7）：50-57.
【关键词】 D2D;干扰协调;网络容量;中继
1. 中继通信
一个终端能否以网络通信，以及可以用的數据速率，取决于几个因素，终端和基站之间的路径损耗是其一。LTE链路性能已经比较接近香农极限，而且从一个单纯的链路预算的角度而言，LTE支持的最高数据传输速率要求比较高的信噪比。除非，可以通过使用不同类型的波束赋形解决方案等来改善链路预算，否则就需要一种密集的网络结构来降低终端到基站的距离，从而提高链路预算。
一个密集的基础设施主要是从部署方面讲，但在后期版本的LTE中，还包括了各种支持低功耗基站的方法。中继就是其中一种，它可用于降低终端和基础设施之间的距离，从而提高链路预算，进而可能提高数据速率。原则上，可以通过部署传统的基站来达到减少终端到基础设施之间距离的目的。这些传统基站有线链接到网络的其余部分。然而，在一个较短的部署时间中，中继往往是一个有吸引力的选择，因为部署中继不需要一个特定的回程链路。
2. 中继的基本分类
中继有以下几个基本的大类：
（1）根据从信源基站到用户终端的传递次数，可以分为两跳中继和多跳中继。在中继的理论研究中，多跳（multi-hop）中继是一个热点。多跳十分适用于应急网络，每个节点可以移动，组成mesh network，使得用户与用户以及用户与系统的通信不会因为局部的一两个节点的失效而无法进行。一些研究也表明如果资源调配合理，多跳中继可以带来容量的提升。
（2）按照是否有基站处理，中继可以分为放大转发中继（Amplify and Forward，AF）和译码转发中继（Decoding and Forwarding，DF）。前者基本不需要基带处理，跟直放站有些类似，所以时延很小，可以做到全双工。但是两段链路之间需要足够的隔离，以防止信号间的串扰，因此部署场景有些限制。而译码转发中继需要基带处理，可以抑制干扰的再次放大，有一定的处理时延，一般是半双工工作，对两段链路之间的隔离度要求不高。
（3）按照回传链路（基站到中继）和接入链路（中继到终端）是否在同一频带工作，可以分为带内中继（inband relay）和带外中继（outband relay）。带外中继需要有两套射频电路，可以全双工工作，但运营商得有足够频谱分别用于回传链路和接入链路。带内中继只需要一套射频，成本稍低，但需要考虑回传链路和接入链路的资源如何分配。
（4）按照回传链路和接入链路的资源复用，可分为频分（Frequency Division Multiplexed， FDM）和时分（Time Division Multiplexed， TDM）。频分方式在一个系统带宽内，属于带内中继。频分方式的优点是资源分配的灵活性较高，在回传链路和接入链路都可以动态的调度资源。但频分方式存在一个问题，即频域的保护间隔。为了防止两条链路间的串扰，一般要求隔离深度在50-60dB，而根据一般射频器件能达到的滤波水平，隔离带宽可能会吃掉很大一部分系统带宽，这将十分影响频谱利用率。
（5）按照中继节点的移动性可以分为移动中继（mobile relay）和静止中继（stationary/fixed relay）。静止中继回传链路的质量较高，对网络架构的影响较小。移动中继比较适合组群移动或应急部署场景，由于快衰和部署地点的欠优化，回传链路的质量不容易保持很高水平。而且因为节点本身的移动性，对网络架构的影响比较大。
3. 中继技术在D2D通信中的应用
在D2D通信中，为了保证通信的可靠性和有效性，干扰问题的解决成为现阶段研究的热点问题之一。目前的很多研究都将重点放在了蜂窝网络中引入D2D 通信的单个小区性能，如吞吐量、中断概率等，而很少有将中继节点应用到D2D 通信后系统的性能的研究。而事实上，在D2D通信的过程中，当用户位置、信道增益产生变化从而导致信道衰落无法继续满足通信质量要求时，那么D2D间的正常通信将会中断。此时，考虑在D2D通信链路中加入合适的中继来保证通信的正常进行，并且，中继的加入将会给D2D通信带来如下改进：
（1）降低系统功耗：在如今5G关键技术的研究中，D2D技术因其能有效的提高资源利用率而受到广泛关注，但当D2D链路受传输环境影响而导致信道衰落较大时，那么将中继引入到D2D通信过程可以降低D2D发送端的发射功率，减小系统功耗。
（2）提高系统吞吐量：当直通链路因信道衰落而不能满足正常通信数据业务的要求时，利用中继来对信号进行转发，可以提高资源利用率，从而提高系统总吞吐量。
（3）提高 D2D通信的可靠性：将D2D直通通信的过程转化为经过中继进行数据转发的过程，虽然会增加通信时延，但如果将时延控制在用户通信业务的要求范围内，并且整个过程对用户透明，则带给用户最直接的体验便是通信中断概率的降低。因此，整体而言，中继的加入提升了通信的服务质量。
（4）减小基站通信负担：当D2D直通链路信道状况发生改变时通过中继的接入，使数据传输得以正常进行，这个过程不需要向基站要求分配额外的上/下行资源，只要被复用资源的蜂窝用户受到的干扰在容许范围内，就可以直接使用原有频谱资源进行通信，该方式为基站减轻了负担，尤其在小区业务量较多，基站负荷较大的情况下。
4. 算法描述
针对系统容量的非线性规划问题，我们利用一种简单有效的调度算法来进行求解。当D2D通信及蜂窝通信满足最低通信要求时，即两种通信的信号干扰噪声比大于系统设定的阈值时，采用正常的D2D通信模式进行通信，当D2D直通链路的信道质量下降时，且蜂窝通信的发射功率已经达到系统预设终端发射功率最大值时，D2D的发射端可以通过中继选择来满足接收端的信干噪比要求。
5. 小结
本文首先对中继技术进行了简单介绍，并对D2D系统引入中继的场景进行简要分析，然后在上述分析的基础上提出了一种基于中继技术的D2D干扰抑制算法。文中以容量最优为标准，分析了中继技术的加入对D2D通信带来的改进。提出的算法旨在有效减少通信间干扰，提高系统总容量。但是文中的研究考虑了单向数据传送。在实际系统中，不管是直通通信还是传统的蜂窝通信，其数据传输通信都是双向的。因此，为双向数据传输设计基于中继技术的干扰抑制算法将是进一步研究的方向。
参考文献：
[1] 荣涛，吴斌，糜正琨.一种LTE网络D2D共享算法研究[J].南京邮电大学学报， 2013，（3）：87-92.
[2] 顾闻.基于D2D的中继选择算法研究[D][硕士论文].南京邮电大学，2013.
[3] 王彬，陈力，张欣等.在LTE-Advanced网络下的Device-to-Device通信[J]， 现代电信科技，2010，40（7）：50-57.