趙季紅 ，董姣姣 ，唐睿 ，曲樺

（1.西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.西安交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

蜂窩通信與設(shè)備直通通信混合網(wǎng)絡(luò)下的資源優(yōu)化

趙季紅1，2，董姣姣1，唐睿2，曲樺2

（1.西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.西安交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

設(shè)備直通通信通過復(fù)用傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻帶資源，能夠充分利用鄰近通信對(duì)之間良好的信道環(huán)境，大幅度降低移動(dòng)終端能耗，提升系統(tǒng)吞吐量，增加接入鏈路數(shù)目，改善用戶的服務(wù)質(zhì)量 （quality of service，QoS）。但是頻帶復(fù)用會(huì)帶來同頻干擾，因此資源分配機(jī)制的設(shè)計(jì)受到了廣泛的重視。優(yōu)化了能耗、系統(tǒng)頻帶利用率、能效（頻帶利用率與終端總能耗的比值）、接入鏈路數(shù)目和最差接入用戶性能這5個(gè)系統(tǒng)核心性能指標(biāo)，與此同時(shí)保證所有接入鏈路的QoS需求。通過仿真，驗(yàn)證了所提算法性能并觀察分析了各性能指標(biāo)優(yōu)化間的折中關(guān)系。

設(shè)備直通通信；節(jié)能優(yōu)化；系統(tǒng)吞吐量；用戶公平性；性能折中；資源分配

1 引言

隨著局域應(yīng)用（如本地廣播、內(nèi)容共享、在線游戲等）的不斷涌現(xiàn)，近距離移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增多，使得設(shè)備間通信（device-to-device communication，D2D）成為未來 5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。D2D通信允許鄰近用戶設(shè)備之間通過復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻帶資源直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不用通過基站（base station，BS）中繼，這不但減少了BS負(fù)荷，提高了頻帶利用率，而且降低了終端能耗和通信時(shí)延，進(jìn)而提升了用戶體驗(yàn)。此外，借助多播、移動(dòng)中繼等多種形式［1-4］還可以豐富近距離多媒體業(yè)務(wù)。

然而，蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的D2D通信也面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在上述混合網(wǎng)絡(luò)場景下，由于頻帶復(fù)用，相同小區(qū)內(nèi)蜂窩鏈路（cellular link，CL）和 D2D 鏈路（D2D link，DL）之間會(huì)不可避免地出現(xiàn)同頻干擾。因此，如何解決同頻干擾成為當(dāng)前研究的主要難題。資源分配作為一種重要的無線資源管理技術(shù)，可以有效地協(xié)調(diào)同頻干擾，因而被廣泛地研究。參考文獻(xiàn)［2-4］都是以節(jié)能優(yōu)化為目標(biāo)，不同的是，參考文獻(xiàn)［2］加入了多用戶的可行性檢測(cè)，采用非協(xié)作博弈論，通過分布式功率控制權(quán)衡頻帶利用率和能耗優(yōu)化之間的折中，但僅考慮了單信道場景；參考文獻(xiàn)［3］在多播場景下，聯(lián)合中繼節(jié)點(diǎn)選擇和功率控制使中繼節(jié)點(diǎn)能耗最小化，其仍然只適用于單信道場景的情況；參考文獻(xiàn)［4］在同樣場景下考慮了多信道多用戶的情況，聯(lián)合功率控制和信道分配優(yōu)化中繼節(jié)點(diǎn)能耗，但沒有考慮對(duì)CL的功率控制；參考文獻(xiàn)［5-7］都以系統(tǒng)總吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)，不同的是，參考文獻(xiàn)［5］在單個(gè)CL和單個(gè) DL場景下考慮了聯(lián)合頻帶復(fù)用模式和功率控制，但忽略了對(duì)于D2D用戶服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）的保證；參考文獻(xiàn)［6］引出多信道多用戶場景，設(shè)計(jì)了貪婪啟發(fā)式信道分配，但忽略了功率控制的設(shè)計(jì)；參考文獻(xiàn)［7］在參考文獻(xiàn)［5，6］的基礎(chǔ)上增加了接入控制機(jī)制，并聯(lián)合功率控制和信道分配進(jìn)行優(yōu)化，但都沒有考慮節(jié)能和用戶公平性；參考文獻(xiàn)［8］和參考文獻(xiàn)［9］都是在單信道場景下優(yōu)化能效，不同的是，參考文獻(xiàn)［8］在碼分多址網(wǎng)絡(luò)下聯(lián)合模式選擇和功率控制優(yōu)化系統(tǒng)總能效，但沒有設(shè)計(jì)相關(guān)的可行性檢測(cè)，從而造成上述優(yōu)化問題可行域?yàn)榭占那闆r；參考文獻(xiàn)［9］僅利用功率控制優(yōu)化DL的能效，并沒有考慮系統(tǒng)整體的能效；參考文獻(xiàn)［10］在多信道多用戶場景下，考慮到公平性，但沒有考慮各用戶的QoS需求，而且僅僅設(shè)計(jì)了信道分配。綜上所述，已有參考文獻(xiàn)存在以下不足：沒有同時(shí)保證蜂窩和D2D用戶各自的 QoS 需求，如參考文獻(xiàn)［5，6，8，10］；僅對(duì)所述場景下單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，如參考文獻(xiàn)［3-10］；僅設(shè)計(jì)部分資源分配，抑或沒有同時(shí)通過對(duì)CL和DL的功率與信道分配進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化，如參考文獻(xiàn)［2，6，9，10］。

基于以上分析，本文在保證蜂窩和D2D用戶最低QoS需求與發(fā)射功率限制的基礎(chǔ)上，通過提出聯(lián)合功率控制和信道分配的資源分配方案來完整地考慮系統(tǒng)各整體性能指標(biāo)的優(yōu)化，并觀察和分析它們之間的影響，涉及的多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)包括：終端總能耗；歸一化的系統(tǒng)吞吐量，即頻帶利用率；終端總能效；接入鏈路數(shù)目；最差接入用戶性能。該資源分配方案分為兩步實(shí)現(xiàn)：第一步，在單信道單用戶場景下，首先進(jìn)行可行性檢測(cè)，即判斷蜂窩用戶和D2D用戶復(fù)用相同頻帶資源時(shí)，各自的最低QoS需求能否同時(shí)被滿足，在此基礎(chǔ)上，通過功率控制使能耗最小、系統(tǒng)吞吐量以及能效最大；第二步，基于第一步功率優(yōu)化的反饋信息在多信道多用戶場景下進(jìn)行信道分配，使得系統(tǒng)各個(gè)整體目標(biāo)性能最優(yōu)。到此，對(duì)目標(biāo)的優(yōu)化問題等價(jià)于二分圖［4］中的最大匹配問題，繼而借助匈牙利算法［7］求得最優(yōu)解；此外，針對(duì)最大化最差接入用戶速率，借助瓶頸分配問題進(jìn)行建模，并借助一種基于聯(lián)合門限調(diào)整和增廣路徑搜索的算法［11］得到最終信道分配的最優(yōu)解。最后，通過仿真對(duì)比驗(yàn)證了所提資源分配機(jī)制的有效性，并觀察分析了各目標(biāo)性能之間的折中關(guān)系。

2 系統(tǒng)模型和問題制定

本文僅考慮單小區(qū)場景，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分均勻布的CL和 DL 的數(shù)目分別是N和M，C=｛1，2，…，N}、D=｛1，2，…，M}分別表示CL和DL集合。由于上下行負(fù)載的不對(duì)稱性，假設(shè)DL復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行頻帶資源，考慮蜂窩網(wǎng)絡(luò)滿載的情況，而且N個(gè)CL已經(jīng)完全分配給N個(gè)信道且相互正交。為了保證用戶和信道公平性，單個(gè)信道只能被單條DL復(fù)用，同時(shí)單條DL只能復(fù)用單個(gè)信道。如圖1所示，DT與DR通信采用時(shí)分雙工模式，本文討論傳輸方向確定情況下的瞬時(shí)資源分配機(jī)制，由于頻帶復(fù)用，DT會(huì)在BS側(cè)對(duì)CL產(chǎn)生同頻干擾，類似地，CL也會(huì)在DR端對(duì)DL產(chǎn)生同頻干擾。用 Dj表示第 j條 DL，Ci表示第 i條 CL，則當(dāng) Ci和Dj共享相同頻帶資源時(shí)，Ci和 Dj的信干噪比 （signal to interference plus noise ratio，SINR）值分 別 定 義 如 下 ：

圖1 當(dāng)DL復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行頻帶資源時(shí)系統(tǒng)的同頻干擾示意

其中，式（12）、式（13）是蜂窩用戶和 D2D 用戶的最低QoS需求，式（14）、式（15）表示蜂窩用戶和 D2D用戶最大發(fā)射功率限制，式（16）、式（17）分別表示單條CL僅能被單條DL復(fù)用和單條DL僅能復(fù)用單條CL。

3 資源分配機(jī)制

上述構(gòu)造的優(yōu)化問題均是混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，屬于NP-hard問題。因此，提出了一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化結(jié)構(gòu)簡化上述所有問題，優(yōu)化方案分為功率控制和信道分配兩部分。首先在單信道單用戶場景下，對(duì)D2D用戶進(jìn)行可行性檢測(cè)，繼而通過功率控制得出任意DL復(fù)用任意CL時(shí)各自的最優(yōu)性能，包括單鏈路上的最小能耗、最大吞吐量和最大能效以及各自對(duì)應(yīng)的最優(yōu)發(fā)射功率；基于上述功率優(yōu)化的反饋結(jié)果進(jìn)行全局性能優(yōu)化，在多信道多用戶場景下，借助匈牙利算法［7］選擇使（P1）～（P4）這 4 個(gè)系統(tǒng)整體性能最優(yōu)時(shí)的信道，并聯(lián)合門限調(diào)整和增廣路徑搜索算法［11］選擇使目標(biāo)P5達(dá)到最優(yōu)時(shí)的信道。這樣就聯(lián)合功率控制和信道分配求得了所有的目標(biāo)最優(yōu)解以及對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率和信道，即原問題的最優(yōu)發(fā)射功率和最優(yōu)信道分配。

3.1 單用戶單信道場景下的功率優(yōu)化

在單用戶單信道場景下，首先在滿足可行域S非空的前提下，分別計(jì)算每個(gè)信道上可接入DL時(shí)、CL和DL總能耗最小、總吞吐量最大和總能效最大時(shí)的蜂窩用戶和D2D用戶的最優(yōu)發(fā)射功率。同樣，各目標(biāo)平行進(jìn)行，不失一般性，考慮任意Ci和Dj共享信道時(shí)的情況，數(shù)學(xué)模型2如式（18）～式（22）所示：

3.1.1 可接入DU及能耗最優(yōu)時(shí)的功率優(yōu)化

若上述模型中各目標(biāo)函數(shù)存在可行解，則必須同時(shí)滿足約束式（22），即蜂窩用戶和D2D用戶各自的QoS需求和功率限制必須同時(shí)得到滿足，為此提出兩步可行性檢測(cè)機(jī)制驗(yàn)證，以Dj能否接入Ci為例。

步驟 1檢查 D（Γmin）Z的最大特征值是否小于1，其中D（Γmin）是對(duì)角元素為Ci和Dj的SINR門限值的對(duì)角矩陣，即；Z是一個(gè)歸一化路徑增益矩陣，且當(dāng)m=n 時(shí)，Zm，n=0；否則，Zm，n為鏈路m發(fā)射端到鏈路n接收端的歸一化路徑增益矩陣，即。如果滿足最大特征值小于1，由Perron-Frobenius定理，求得Ci和Dj的最優(yōu)發(fā)射功率，其中，E 是單位矩陣是 Ci和 Dj標(biāo)準(zhǔn)化的噪聲向量。

圖2 吞吐量最大時(shí)，CL和DL發(fā)射功率的可行域

如果步驟1、步驟2同時(shí)滿足，則Dj可接入Ci，記

3.1.2 最大吞吐量功率優(yōu)化結(jié)果

其中，Q1和Q2分別為圖2（a）中的節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)。

可接入?yún)^(qū)域如圖2（b）陰影，同理，功率最優(yōu)于實(shí)線EF上，即Dj的最優(yōu)功率，同時(shí)為關(guān)于單調(diào)的凸函數(shù)，故最優(yōu)功率解位于端點(diǎn)E或F。因此，此場景下最優(yōu)解表述為：

其中，Q3和 Q4分別為圖 2（b）中的節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)F的坐標(biāo)。

其中，Q5、Q6和 Q7分別為圖 2（c）中的節(jié)點(diǎn) C、節(jié)點(diǎn) O和節(jié)點(diǎn)F的坐標(biāo)。

3.1.3 最大能效的功率優(yōu)化結(jié)果

簡單替代為：

經(jīng)過lg變換后：

其中，Px=lgP，已有參考文獻(xiàn)［8］證明式（28）前半部分和后半部分都是（lg，x）-凸函數(shù)，因此式（27）是（lg，lg）-凸函數(shù)，式（26）也是關(guān)于和的（lg，lg）凸函數(shù)。原能效優(yōu)化問題就近似轉(zhuǎn)化為凸規(guī)劃問題，并借助障礙法進(jìn)行求解得到滿足目標(biāo)最優(yōu)解的最優(yōu)發(fā)射功率。

基于同樣的方法，通過遍歷所有DL復(fù)用所有CL，就得到了任意可接入DL復(fù)用任意信道時(shí)式（18）～式（21）的目標(biāo)最優(yōu)解，即最小總能耗、最大總吞吐量、最大總能效和可接入DL以及對(duì)應(yīng)各自的蜂窩和D2D用戶的最優(yōu)發(fā)射功率。

此處，遍歷所有DL復(fù)用所有信道的總復(fù)雜度為O（MN）。需要注意的是，對(duì)于進(jìn)行第3.1.1節(jié)可行性檢測(cè)之后不能接入的 DL，即時(shí)，對(duì)于優(yōu)化問題P1～P5分別設(shè)置，

3.2 聯(lián)合功率控制和信道分配

第3.1節(jié)僅僅考慮了單用戶單信道場景，而沒有考慮多個(gè)DL之間的信道選擇對(duì)于系統(tǒng)整體性能的影響。根據(jù)第3.1節(jié)單用戶單信道功率優(yōu)化的反饋結(jié)果，原問題式（7）～式（17）轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題式（29）～式（34），約束條件式（12）～式（15）已經(jīng)包含在第3.1節(jié)所求的發(fā)射功率最優(yōu)解中，因此，這部分僅僅需要考慮的優(yōu)化式（16）、式（17），即如何為DL匹配合適的信道以及相應(yīng)的功率才能滿足使系統(tǒng)總性能達(dá)到最優(yōu)。

3.2.1 優(yōu)化系統(tǒng)整體性能

為了描述模型 3 的式（29）～式（33），借助二分圖 G=（V，E，W）［4］進(jìn)行建模，如圖 3 所示。其中，V 是頂點(diǎn)的集合，可分為兩組互不相交的頂點(diǎn)集合CL和DL；E是邊的集合，每條邊所關(guān)聯(lián)的兩個(gè)頂點(diǎn)分別屬于CL和DL，代表兩者之間的復(fù)用關(guān)系；W表示邊對(duì)應(yīng)的權(quán)值集合，圖中權(quán)值Wj，i在式（29）～式（33）中分別表示第3.1節(jié)功率控制反饋所得的第 j條DL復(fù)用第i條CL時(shí)的最小能耗的相反數(shù)、最大吞吐量、最大能效和最大接入用戶數(shù)目，則此過程中目標(biāo)式（29）～式（33）的求解等價(jià)轉(zhuǎn)化為圖論中經(jīng)典的分配問題，繼而借助匈牙利算法［7］得到模型3中目標(biāo)式（29）～式（33）的信道分配最優(yōu)解。結(jié)合第3.1節(jié)所求各功率最優(yōu)解，可得到模型1中式（7）～式 （10）目標(biāo)最優(yōu)時(shí)的最優(yōu)信道分配與對(duì)應(yīng)最優(yōu)發(fā)射功率，原問題得解。分析可得，匈牙利算法的復(fù)雜度為O（max（M，N）3）。

圖3 二分圖模型

3.2.2 優(yōu)化最差接入用戶性能

對(duì)于目標(biāo)式（33）的求解，聯(lián)合門限調(diào)整和增廣路徑搜索算法求得信道分配最優(yōu)解。此處對(duì)應(yīng)參考文獻(xiàn)［11］中 C，此過程的復(fù)雜度為 O（max（M，N）4），算法具體流程如下。

步驟 1 讓所有 Rij≤V 的（i，j）元素均可接入，對(duì)R借助Ford-Fulkeson［11］增廣路徑算法在接入域求得從行到列的一個(gè)最大流，記此最大流值為X。

圖4 蜂窩用戶的SINR門限值變化時(shí)的性能比較

步驟 2 如果 X＜L，調(diào)整門限值 V為（1）中 Rij中所有標(biāo)記的行與未標(biāo)記的列組成的元素中的最小值，即V=min｛Rij|i表示標(biāo)記的行，j表示未標(biāo)記的例}，取消先前迭代中的標(biāo)記，轉(zhuǎn)至步驟1。

步驟3 如果X=L，則終止迭代，最優(yōu)分配對(duì)應(yīng)從行到列的流分配，目標(biāo)最優(yōu)解即為對(duì)應(yīng)的。

4 仿真結(jié)果

仿真考慮一個(gè)半徑為200 m的圓形單小區(qū)，BS在中心，所有CL和DL均勻分布在小區(qū)內(nèi)，D2D用戶之間距離隨機(jī)分布在5～20 m，其他參數(shù)總結(jié)見表1［3］。通過 MATLAB 平臺(tái)進(jìn)行仿真，分別以最小化系統(tǒng)總能耗、最大化系統(tǒng)總吞吐量、最大化系統(tǒng)總能效、最大化接入D鏈路數(shù)目和最大化最差接入用戶速率為優(yōu)化目標(biāo)的5大系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真對(duì)比，仿真圖中各目標(biāo)性能曲線依次用EC、ST、EE、SC、MR來表示。

表1 仿真參數(shù)

如圖4所示，固定DL數(shù)目為10，觀察了各系統(tǒng)性能隨著蜂窩用戶的SINR門限值的變化趨勢(shì)。隨著蜂窩用戶的SINR門限值的增大，D2D用戶所能使用的功率逐步減少，使ST和MR的系統(tǒng)總能耗呈下降趨勢(shì)，如圖4（a）所示，同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)總吞吐量在減少，如圖4（b）所示。而EC、EE和SC曲線的目標(biāo)僅需滿足CL和DL的最低QoS需求，所需總能耗較小，因此為了滿足蜂窩用戶增長的QoS需求，蜂窩用戶所使用功率的增加，從而不同于ST和MR，這3條性能曲線的系統(tǒng)總能耗呈上升趨勢(shì)，如圖4（a）所示，卻換來了系統(tǒng)總吞吐量增益的提高，如圖4（b）所示。蜂窩用戶的SINR值為14 dB時(shí)，ST相對(duì)于MR在系統(tǒng)總吞吐量方面提高了15.25%，能效提高了14.58%（見表2），但相應(yīng)的系統(tǒng)總能耗增加了8.38%?？梢?，ST利用多用戶分集增益，對(duì)信道條件好的鏈路分配相對(duì)較高的功率，從而能效較好，而MR的性能卻與多用戶分集增益成反比，對(duì)信道條件差的用戶往往使用較高的發(fā)射功率，從而導(dǎo)致表2中MR性能低于ST。相對(duì)于只優(yōu)化能耗的EC來說，系統(tǒng)總能耗增加了4.5倍，但系統(tǒng)總能效卻提高了11.44倍；EC相對(duì)于ST的能耗減少了99.66%，但是卻使吞吐量增益也減少了36.50%；EC相對(duì)于SC來說能耗下降了73.26%，接入DL數(shù)目也減少了0.21%?？梢奅E與EC、EC與ST、EC與SC之間的折中關(guān)系。如圖4（c）所示，EE、EC和SC系統(tǒng)總能效相對(duì)ST和MR較大，原因是系統(tǒng)總能耗相對(duì)較小。由于D2D用戶的最低QoS需求限制，導(dǎo)致信道中質(zhì)量差的DL不能接入，因此如圖4（d）所示，各目標(biāo)曲線的接入DL數(shù)目均逐漸減少。由此可見，系統(tǒng)各目標(biāo)性能之間的折中關(guān)系，即同一場景下，不同目標(biāo)性能不可能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

表2 系統(tǒng)總能效部分仿真結(jié)果

表3 系統(tǒng)總能效仿真結(jié)果

如圖5所示，固定蜂窩用戶的SINR門限值為15 dB且CL數(shù)目為10條，觀察了各算法性能隨著小區(qū)中D2D鏈路的變化趨勢(shì)。DL的大量加入大幅度提高了系統(tǒng)總吞吐量，當(dāng)然系統(tǒng)能耗也隨之增加。當(dāng)D2D鏈路數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，系統(tǒng)的多用戶分集增益增加，提供了更多的機(jī)會(huì)和更好的鏈路配對(duì)情況，EC、EE和SC曲線則選擇與CL系統(tǒng)復(fù)用能耗更小的DL，因此能耗呈遞減趨勢(shì)，如圖5（a）所示。ST和MR則選擇與CL復(fù)用同頻干擾更?。聪到y(tǒng)吞吐量更大）的DL，由于自身限制條件，只通過不同DL的互換，帶來能耗減小或吞吐量增大，因此相應(yīng)曲線下降或增長較為緩慢。表3列舉了一組仿真數(shù)據(jù)來區(qū)別圖5（b）中ST和MR曲線與圖5（c）中EC和SC的仿真曲線。ST相對(duì)于MR在系統(tǒng)總吞吐量方面提高了15.84%，能效提高了15.94%，但相應(yīng)的系統(tǒng)總能耗增加了8.5%；ST相對(duì)于SC吞吐量提高了53.64%，但接入DL數(shù)目減少了1.87%；EE的能耗消耗是EC的4.47倍，接入DL數(shù)目是SC的0.96倍，但換來EE的能效是EC的12.07倍，是SC的3.96倍，如圖5（c）所示。經(jīng)比較可得 ST與 SC、EE與EC、EE與SC等性能之間的折中關(guān)系。

5 結(jié)束語

本文提出了一種聯(lián)合功率控制和信道分配的資源分配機(jī)制，在同時(shí)保證蜂窩和D2D兩類用戶各自最低QoS需求的前提下優(yōu)化混合網(wǎng)絡(luò)的整體性能指標(biāo)（包括節(jié)能優(yōu)化、頻帶利用率以及用戶公平性）。最后，通過仿真，觀察了系統(tǒng)各優(yōu)化性能隨著蜂窩用戶的SINR門限值和小區(qū)中D2D鏈路數(shù)目變化的變化情況，可以看出系統(tǒng)各性能之間相互制約，需要在實(shí)際中按照所需靈活設(shè)置側(cè)重目標(biāo)，妥善處理性能之間的折中關(guān)系。

［1］ASADIA， WANG Q， MANCUSO V.A survey on device-to-device communication in cellular networks ［J］.IEEE Communication Surveys&Tutorials，2014，16（4）：1801-1809.

［2］TANG R，ZHAO J H，QU H.Distributed power control for energy conservation in hybrid cellular network with device-to-device communication［J］.China Communications，2014，11（3）：27-39.

［3］趙季紅，王元，唐睿，等.移動(dòng)中繼多播場景下的節(jié)能 ［J］.電信科學(xué)，2015，31（4）：2015109.ZHAO JH，WANGY，TANG R，etal.Energysaving optimization for mobile relays in multicast transmission underlying cellular network ［J］.Telecommunications Science，2015，31（4）：2015109.

［4］王元，趙季紅，唐睿，等.D2D多播場景下面向節(jié)能的資源分配機(jī)制［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，43（2）：173-178.WANG Y，ZHAO J H，TANG R，et al.Energy-aware resource allocation for underlaid D2D multicast ［J］.Journal of Xidian University，2016，43（2）：173-178.

［5］YU C H，DOPPLER K，RIBEIRO C B，et al.Resource sharing optimization fordevice-to-device communication underlaying cellular network ［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications，2011，10（8）：2752-2763.

［6］ZULHASNINE M，HUANG C C，SRINIVASAN A.Efficient resource allocation for device-to-device communication underlaying LTE network［C］／／The IEEE International Conference on Wireless and Mobile Computing，Networking and Communication（WiMob），October 11-13，2010，Ontario，Canada.New Jersey：IEEE Press，2010：368-375.

［7］FENG D，LU L，Yi Y W，et al.Device-to-device communications underlaying cellular networks ［J］.IEEE Transactions on Communications，2013，61（8）：3541-3551.

［8］JUNG M，HWANG K，CHOI S.Joint mode selection and power allocation scheme for power-efficientdevice-to-device（D2D）communication ［C］／／The IEEE VTC-Spring，May 6-9，2012，Yokohama，Japan.New Jersey：IEEE Press，2012：1-5.

［9］WU Y，WANG J H，QIAN L P，et al.Optimal power control for energy efficient D2D communication and its distributed implementation［J］.Communications Letters，2015，19（5）：815-818.［10］JANIS P，KOIVUNEN V，RIBEIRO C，et al.Interference-aware resource allocation for device-to-device radio underlaying cellular networks ［C］／／The 69th Vehicular Technology Conference （VTC Spring），April 26-29，2009，Barcelona，Spain.New Jersey：IEEE Press，2009：1-5.

［11］GARFINKEL R S.An improved algorithm for the bottleneck assignment problem ［J］.Operation Research，1971，19 （7）：1747-1751.

Resource optimization for device-to-device communication underlaying cellular network

ZHAO Jihong1，2，DONG Jiaojiao1，TANG Rui2，QU Hua2
1.School of Telecommunication and Information Engineering，Xi’an University of Posts&Telecommunications，Xi’an 710061，China 2.School of Electronics and Information Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

Device-to-device （D2D）communication underlaying cellular network can greatly reduce the energy consumption for mobile terminals，enhance the aggregate throughput for the system and improve quality-of-service（QoS）experience for individual users by utilizing the proximity gain residing in local communicating pairs.However，intra-cell orthogonality is impaired due to spectral sharing and the design of radio resource allocation mechanism is addressed.Energy consumption，spectral efficiency，energy efficiency，the number of admitted D2D links and the worst individual data rate were optimized and QoS requirement incorporating of all links were guaranteed.With the help of simulations，the efficiency of the proposed mechanism was verified and the trade-offs between different optimization targets was observed.

D2D communication，energy conservation，system throughput，user fairness，performance trade-off，resource allocation

2015-07-07；

2015-12-21

TN929.5

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016043

趙季紅（1963-），女，博士，西安郵電大學(xué)教授，西安交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷拵ㄐ啪W(wǎng)、新一代網(wǎng)絡(luò)的管理與控制。

董姣姣（1988-），女，西安郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)镈2D通信和異構(gòu)網(wǎng)。

唐睿（1988-），男，西安交通大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)镈2D通信和異構(gòu)網(wǎng)。

曲樺（1961-），男，博士，西安交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。