1、出处： Kim S, Stark W. Full duplex device to device communication in cellular networksC/Computing, Networking and Communications (ICNC), 2014 International Conference on. IEEE, 2014: 721-725. 中文 5870 字 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 kimsanghumich.edu/ starkumich.edu 摘要 在本文中，我们研
2、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
3、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 IEEE
4、802.11 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： 双工通信系统 图片：全双工 D2D 和基础设施通信的比较 结合 D
5、2D 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。
6、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
7、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 22MIMO 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
8、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（ II
9、D） 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 | tr Pd (1) 其中 h 是 Rayleigh 衰落， 2| h | 1E ， 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
10、 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 20ttPdS I N R N W K P （
11、 2） tP 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 Flashlin
12、q9 和 Wi-Fi Direct10。 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 Flashlinq9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
13、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
