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蜂窝网络中的全双工通信设备

Sanghoon Kim和韦恩·斯塔克

密歇根州大学，安阿伯，MI48109

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摘要——在本文中，我们研究了单波段全双工通信设备的性能改进，它可以发送和接收蜂窝网络同一频率的波段。在蜂窝网络中，两个不同的频率能够同时发送和接收半双工无线电。最近，全双工无线电允许无线节点同时发送和接收同一个频段。这表明，对于短距离通信，它是有作用的。同样，全双工通信是适合设备到设备（D2D ）通信的，D2D通信通常是一个短距离通信。(D2D)通信是蜂窝网络中的垫片方案，使对等网络对主蜂窝网络产生有限的影响。当用户设备更靠近其他用户设备，而不是基站时，D2D通信会提高使用者之间通信的带宽效率。当全双工通信用于D2D通信时，本地用户之间的双向通信就只需要一个频段。全双工通信提高了D2D通信的带宽效率。我们提出了一个简单的全双工D2D通信协议，并对比传统蜂窝通信方案来分析该协议的带宽增益。

I.简介

无线网络经常在带宽效率或能量效率中受到限制。蜂窝网络通常依靠两个使用者之间的通信并利用大量基础设施来检查基站。如果两个使用者无限接近，那么频谱和能量的利用就不够有效，若此次通信包含大量信息，那么效率会更低。D2D通信直接发生在两个设备间，而不需通过一些基础设施，当D2D通信是适合的，协议的设计也是适合的，那么D2D通信就有了决定性的挑战。设备到设备的通信已包含在诸如IEEE802.11分布式标准中。在IEEE 802.11网络中，无线节点感知到信道，并决定它是否可以发送一个分组。在分布式无线网络中，节点采用了碰撞避免机制，例如CSMA / CA或RTS/ CTS协议。当一个接入点（AP）通常用于IEEE802.11 网络时，AP不直接控制任何的信道访问或资源分配。然而，设备到设备的通信没有被应用在蜂窝网络中。在蜂窝网络中，信息通过基站发送到目标用户设备（UE）。基站一般控制信道访问和分配资源，即使该通信发生在同一单元的用户设备中。

图片１：双工通信系统

图片２：全双工D2D和基础设施通信的比较

结合D2D 通信和蜂窝通信，可提高蜂窝网络的效率。当用户设备之间的距离近于到基站的距离，D2D 通信相对于通过基站的通信，能源和带宽效率更高。图2是D2D 通信效率更高的一个实例。因为信道访问与资源都受基站控制，所以蜂窝网络中的D2D 通信也应该由基站控制。因此，基站只允许在同一单元的本地用户设备之间使用D2D 通信，前提是它必须比通过基站的传统通信更有效率。用户设备节点比较靠近时，使用D2D 通信是合适的。随着用户设备节点的增加， D2D 通信吞吐量会急剧下降[1]。因为距离较短， D2D 通信比正常的蜂窝通信需要更少的资源，这就提高了总电池容量[2]。为D2D 通信管理干扰的协调资源分配被提议出来[3]。

我们将D2D 通信模型以无线通信的形式来支持位于邻近的设备的应用服务。适用于全双工D2D 通信的一个例子是，移动用户与此区的其他移动用户一起玩流行游戏，邻近用户设备之间的文件，图像，视频可以共享也是一个这样的例子。随着社会服务越来越多，通过移动设备邻近用户设备服务也变得可以利用，对D2D 通信的需求也会变得越多。

全双工通信的应用通常依靠频分复用或时分复用。应用D2D 通信需要无线电能够在单个频率上发送和接收信息。发射天线的发送给同时接受的接收天线带来了强大的自我干扰，D2D 通信应用因此受到挑战。模拟和数字干扰抵消的结合可以抑制自干扰[4]和[5]。有两个天线的全双工无线电已经应用，并已证明比处于低发射功率水平的半双工2×2MIMO 通信[5]具有更好的性能。在[6]和[7]，采用全双工通信的MAC 协议是在ad-hoc 网络的背景下提出来的。

蜂窝通信采用的全双工通信已被考虑在[8]中的基于通信的基础设施。

全双工通信的特点与D2D 通信配合良好。 D2D 通信适用于近距离，全双工通信 在较短的距离内表现更好。在更短的距离内，全双工通信的自干扰会减少，因为发射功率会变低。在本文中，我们提出了一个完整的蜂窝网络D2D 双工通信协议。我们还分析了单频D2D 通信协议的带宽效率，并将它与传统蜂窝通信方案进行比较。这表明了单一频率D2D 通信提高了小区带宽效率。

这篇文章的要点如下。在第二节，我们会介绍系统模型。在第三节中，我们会分析单一频率的D2D 通信的性能。在第四节，我们提出了单频通信的资源分配协议和性能分析。结论会在第五节给出。

II. 系统模型

我们假设D2D 通信和初级（移动台对基站和基站对移动台）蜂窝网络共享整个相同的频带。我们假设网络以10 MHz 频段运行，并基于正交频分多址（OFDMA ）。

A. 信道模型

我们假设独立等分布（IID ）Rayleigh 衰落是在带宽的不同部分（在不同的时间间隔）。此外，有一个距离相关的路径损耗。假设在一个特定频率下所发送的信号功率是Pt ，在距离为d1是接收到的信号功率是：

21P |h |t r P d α

= (1) 其中h 是Rayleigh 衰落，2|h |1E ??=??，α是路径损耗指数。使用MIMO 时，在发射器

和接收器天线元件之间，该信道在一个特定的频率h 衰弱被替换成衰落矩阵H 。可用于任何类型通信的带宽相对相干带宽是足够大的，所以衰落是独立的。

B. 无线电模型

我们假设无线电配备两个天线，D2D 模式传输天线用于传输，而另一个天线用于接

收。我们考虑的情况是，用户可以在一个天线传输同时在第二天线接收，如图1所示，然而，一个节点的发射天线所发送的信号会干扰到在同一节点中的接收天线所接收的信号。模拟和数字干扰抵消只能部分取消自干扰。另外，自干扰是不可能被完全地取消的。当一个节点是发射功率Pt ，残留的自干扰功率KPt 量中K 是自干扰消除因子。随着传输信号功率的增加，残留的自干扰也会增加。当两个用户之间的信道是独立同分布的快衰落与距离相关的路径损耗，完整的双工通信的SINR 可以表示为

20t t

P d SINR N W KP α=+ （2） t P 是D2D 通信的发射功率，2d 是两个节点之间的距离。

C. D2D 通信模型

我们假设D2D 通信只用于同一单元中的用户设备，因为D2D 通信被基站控制，不同单元的设备可能不能够直接通信，否则将是低效的。D2D 通信的带宽分配将在下一章介绍。

要建立D2D 通信，两个步骤是必需的。第一步骤是发现。发现是用来寻找邻近区域的可用服务。当D2D 通信支持用户移动设备的应用程序， D2D 通信的可能性就能被确定下来。用户设备需要确定其它装置是否处于同一单元的邻近区域，是否具备D2D 通信能力。这还存在服务发现协议，如Flashlinq[9] 和Wi-Fi Direct[10]。 Flashlinq 支持蜂窝网络中的服务发现。第二个步骤是D2D 通信设置。用户设备要求D2D 通信到基站和基站确定这两个通信方案（D2D 和正常通信）哪个更高效。当确定D2D 通信比通过基站的通信更有效率，D2D 通信就会被允许的，相关资源会得到分配。在本文中，我们假设第一个步骤是成功的，只考虑第二个步骤和实际的D2D 通信。我们假定用户清楚该信道状态，例如路径损耗和用户设备与D2D 通信之间的衰弱。在如 Flashlinq[9]的协议中，一种特殊类型的信标被用于广播或发现服务，用户设备通过听信标来估计到其他用户设备的信道。

因为全双工通信可以在同一频带中传输和接收信息，它可以提高一个单元的带宽效率。当D2D 通信用于同一单元两个用户设备之间的通信时，它用的带宽是基于基础设施的通信（FDD ）的一半。全双工D2D 通信和基于基础设施的通信区别如图2所示。当用户设备与基站通信，它使用半双工模式的两个天线。当用户设备采用的是D2D 通信，它会采用全双工通信，各个方向使用天线1。

D. 基于基础设施的通信模型

我们假设基于频分双工的蜂窝通信在蜂窝网络中应用。基于基础设施的通信会出现两种情况。第一种情况是同一单元的用户设备间的通信。在协议中，当用户设备与同一单元的其他用户设备通信时，用户设备需要进行D2D 通信。当基站确定现有的蜂窝通信比D2D 通信更高效，两个用户设备则通过基站进行通信。在这种情况下，需要双频段来进行通信。每频段分配给每个用户设备来与该基站进行通信。用于用户设备和基站的通信，使用FDD 。我们假设有一半分配的带宽被用于上行链路，而另一半用于下行链路。对于D2D 通信的带宽分配将在下一章介绍。第二种情况是用户设备连接到一个单元外的实体。实体可以是互联网上的服务器或在另一个单元的另一个用户设备。对于这两种情况，我们只考虑用户设备和基站之间的开销。第二种情况，是不能被D2D 通信所取代的，并且与传统的蜂窝通信相同。

与D2D 通信相比，我们关心基于基础设施的通信的带宽效率。我们假定2×2的MIMO 通信投入使用，在接收器处的信道状态信息中通信实现2×2的MIMO 信道容量。然后，

容量为[11]

22

1log det(I )2H HH C E N *???=+???

? （3） 2×2的MIMO 通信中，N 为噪声方差，H 是信道矩阵。实际的蜂窝通信系统中存在开销传输，例如控制或信令信息，需要在使用者与基站之间进行交换。然而，在本文中，我们只考虑实际的数据包传输，因为D2D 通信和蜂窝通信需要的开销具有可比性。

III. 全双工D2D 通信协议

A. D2D 通信设置

在本节中，我们描述了D2D 通讯设置协议。一个用户设备请求与另一用户设备通过基站进行D2D 通信，请求中包括D2D 信道状态信息。当D2D 通信比蜂窝通信更高效时，基站会为D2D 通信分配一个频带。图3说明了一个具有D2D 通信功能的单元。我们假设用户设备和基站之间的信道状态通过蜂窝通信中的参考信号[12] 对基站而言是已知的。当基站发现的基础设施通信比提出的D2D 通信更高效时，它通过基站为通信分配资源。当D2D 通信完成时，该装置通知基站信息以重新分配资源。

图片３：全双工通信系统

B. D2D 通信标准

用给定的信道状态信息时，基站决定D2D 通讯是否比通过基站的通信更高效。hD2D 代表D2D 通信中1x1的信道状态，Hb ，i 是用户i 和基站之间的2x2信道状态。当

两个用户设备要发送给彼此包括M 位的数据包时，我们假设D2D 通信具有信道相互性。随后采用全双工D2D 通信传输两方数据包时间消耗为

2222log (1|h |SINR)D D D D M T WE =??+??

（４） 其中SINR 在（2）中已给出。同一单元使用基于基础设施的通信的两方数据传输时间消耗为

inf inf 222,1,11inf 222,2,222log det(I )222log det(I )22b b O b b O M

T P W E H H N W d M P W E H H N W d αα*?*?=??+????+??+????

（５） 其中d1和 d2为用户设备和基站之间的距离，Pinf 是基于基础设施通信的传输信号功率。

全双工D2D 通信有效吞吐量SD2D ，基于基础设施的通信有效吞吐量Sinf ，分别为 222D D D D

M S T =

（６） 和 inf inf

2M S T = （７） 当基站从用户设备接收到D2D 通信请求和相关的信息时，它会比较两种方案的有效吞吐量（6）和（7），并选择可实现更高的吞吐量的传输方式。

C ．资源分配

进行通信的带宽应该由所述基站分配。在相同单元两个用户设备之间的通信需要两个频

带，因为每个用户设备都需要访问基站。 D2D 通信和单元外实体蜂窝通信需要一个频带。我们对一个单位的带宽定义为

22unit D D Cin Cout

W W N N N =++ （８） 其中，W 是分配给单元的总带宽，ND2D 和 Ncin 分别是使用在同一单元用户设备之间

的D2D 通信和蜂窝通信的配对数，Ncout 是单元外实体通信的用户设备数量。D2D 对通信和实体外的用户设备通信得到了一个单元的带宽，同一单元用户设备之间的蜂窝通信得到了两个单元的带宽。按这种情况每个单元带宽被分配给每个用户设备。

IV. 性能分析

随着性能分析的第一步，我们比较同一单元下的两个用户设备使用全双工通信和基于

基础设施通信的吞吐量。我们假设两个用户设备距离百米，每个用户设备到基站的距离被假定相等，为100米-900米不等。我们也假设为基于基础设施的通信使用20 dBm 的发射功率，D2D 通信使用10 dBm 的发射功率。假设路径损耗指数α为4。我们假设130分贝自干扰消除由无线电实现。图４显示了全双工通信和基于基础设施的通信的吞吐量性能。首先，我们可以看到，自干扰消除确定了全双工通信的吞吐量。全双工通信用更少的自干扰消除实现了更少的吞吐量。我们可以看到当用户设备和基站之间的距离增加时，D2D 通信变得比基于基础设施的通信更高效。到基站的距离增加时，基于基础设施的通信的吞吐量会降低。然而，D2D 通信的性能没有随着到基站的距离的缩短而改变。我们认为当用户设备之间的距离减小时，全双工D2D 通信的性能会提高。距离缩短时，更小的发射功率是必要的，它能减少自干扰，从而提高吞吐量。全双工通信的性能对自干扰消除的量是敏感的。目前自干扰抵消可以通过110分贝[13]降低自干扰。我们显示了110分贝，120分贝和130分贝干扰减少的结果。

图片４：D2D通信系统与基础设施通信系统的吞吐量比较

在下一步的性能分析中，我们考虑在D2D通信带宽更高效的情况下，单元支持D2D 通信时总容量的大小。我们还考虑在单元只支持基于基础建设的通信时的总吞吐量性能。总容量是一个单元在同一时间的所有有效吞吐量的总和。我们假设单元的形状是六边形，正好可以嵌入半径为1km的圆。我们假设一个单元有100个用户。用户分两种类型。第一种用户与单元外实体通信。第二种用户中，我们假设m％的总用户要与单元内其他用户通信。他们请求当全双工D2D通信提高吞吐量时，允许进行D2D通信。当D2D通信不被允许时，他们通过基站进行通信。我们随机放置单元内的100个用户设备。我们假定用户设备选择一个最邻近的用户设备作为D2D通信伙伴，选择过程由发现算法完成。我们假定D2D通信使用的发射功率为10dBm和蜂窝通信使用的发射功率为20dBm。

图片５：全双工D2D通信启用单元的总容量和传统通信的比较

图5所示的是全双工D2D通信启用单元的总容量和传统通信的比较。首先，我们可以看到，传统蜂窝通信的吞吐量会随着单元内通信比例的增加而减少。因为单元内部通信，相比其他情况会需要双倍的带宽，单元内部通信的增加就意味着单元内部带宽效率的降低。第二，全双工D2D通信可避免显著性能下降。使用全双工的D2D通信，单元支持单元内用户设备之间的通信需求的资源比传统通信所需少一半。然而，全双工D2D

只有比基于基础设施的通信更高效时才会被允许使用。当在单元内通信比率低时，距离最邻近的用户设备很远的可能性就越大。在这种情况下，使用基于基础设施的通信更好，全双工D2D通信也是不被基站允许的。因此，随着单元内通信比率的增加，总容量会减少。由于在单元内部通信需求增加，需要进行D2D通信的用户设备距离比较近的可能性就越大。因此，130分贝自干扰抵消的总和吞吐量再一次随着单元内部通信的大量增多而增多。第三，使用全双工D2D通信的单元内部总容量依赖于自干扰消除量。在用户设备非常接近的情况下，消除量越少，全双工D2D通信性就比基于基础设施的通信具有更好的性能。因此，使用全双工D2D通信随着自干扰消除的减小而减小，引起了总和容量的下降。然而，在所有的自干扰假设下，全双工D2D通信比传统的蜂窝通信提高了更多的吞吐量总和，性能增益会随着单元内部比率的增加而增加。当单元内部通信比率是50％，全双工D2D启用单元会达到13％（110分贝取消），32％（120分贝取消），和51％的（130分贝取消）的总吞吐量，这比传统通信要高很多。

V.结论

在本文中，我们调查了全双工D2D通信的性能改进和基于基础设施通信的性能改进，并进行比较。D2D通信是覆盖通信方案，可以让邻近的用户以一个对等的方式交换数据包。当用户邻近时，它可以提高单元的容量。单波段全双工通信再同一频带上发射和接收信息，与D2D通信特征匹配。在两个用户距离临近时，它的性能比半双工更好。我们提出了一个在蜂窝网络中采用全双工D2D通信的协议。它表明提出的协议和全双工D2D通信提高了单元容量，和两个用户之间的有效吞吐量。它也表明，随着单元内部通信比率的增加，全双工D2D通信的性能增益也会增加。我们的结论是在未来蜂窝通信网络中，许多邻近的通信服务需要实行，全双工D2D通信可以作为一个提高带宽效率的候选。

VI.感谢

国家科学基金会批号CCF-0910765的资金支持了部分研究。

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