LTE网络中D2D通信模型及链路分析
基于LTE的D2D通信系统模型
系统架构
graph TD
eNB[eNodeB] -->|控制链路| CU[Cellular User]
eNB -->|控制链路| D2D_TX[D2D Transmitter]
eNB -->|控制链路| D2D_RX[D2D Receiver]
CU -->|上行数据| eNB
eNB -->|下行数据| CU
D2D_TX -->|D2D数据链路| D2D_RX
CU -->|干扰| D2D_RX
D2D_TX -->|干扰| eNB
关键组件
-
eNodeB (eNB)：
- 负责D2D通信的资源分配
- 控制D2D链路的建立和维护
- 管理蜂窝用户和D2D用户间的干扰
-
蜂窝用户 (CU)：
- 传统LTE用户
- 与eNB进行上下行通信
- 可能对D2D通信产生干扰
-
D2D用户对：
- D2D发射机 (D2D_TX)
- D2D接收机 (D2D_RX)
- 在eNB控制下直接通信
D2D通信链路模型
1. D2D直接通信链路
function [sinr, capacity] = d2d_link_model(distance, tx_power, noise_power, interference)
% D2D直接通信链路模型
% 输入:
% distance: D2D用户间距离(m)
% tx_power: 发射功率(dBm)
% noise_power: 噪声功率(dBm)
% interference: 干扰功率(dBm)
% 输出:
% sinr: 信干噪比(dB)
% capacity: 链路容量(Mbps)
% 路径损耗模型 (3GPP UMi模型)
fc = 2.6e9; % 载波频率2.6GHz
d0 = 100; % 参考距离100m
pl0 = 32.4 + 20*log10(fc/1e9) + 20*log10(d0); % 参考路径损耗
if distance > d0
path_loss = pl0 + 35*log10(distance/d0); % 对数距离路径损耗
else
path_loss = pl0; % 最小路径损耗
end
% 阴影衰落 (对数正态分布)
shadowing = 8 * randn; % 标准差8dB
% 小尺度衰落 (瑞利衰落)
rayleigh_fading = exprnd(1); % 指数分布
% 接收功率计算
rx_power = tx_power - path_loss - shadowing - 10*log10(rayleigh_fading);
% SINR计算
sinr_linear = 10^((rx_power - noise_power)/10) / ...
(1 + 10^((interference - noise_power)/10));
sinr = 10*log10(sinr_linear);
% 链路容量 (Shannon公式)
bandwidth = 10e6; % 10MHz带宽
capacity = bandwidth * log2(1 + sinr_linear) / 1e6; % Mbps
end
2. 蜂窝链路模型
function [sinr, capacity] = cellular_link_model(user_type, distance, tx_power, noise_power, d2d_interference)
% 蜂窝链路模型
% 输入:
% user_type: 'uplink' 或 'downlink'
% distance: 用户到eNB距离(m)
% tx_power: 发射功率(dBm)
% noise_power: 噪声功率(dBm)
% d2d_interference: D2D干扰功率(dBm)
% 输出:
% sinr: 信干噪比(dB)
% capacity: 链路容量(Mbps)
% 路径损耗模型 (3GPP UMa模型)
fc = 2.6e9; % 载波频率2.6GHz
h_bs = 25; % 基站高度25m
h_ue = 1.5; % 用户设备高度1.5m
% 3GPP 38.901路径损耗模型
if distance > 10
if strcmp(user_type, 'downlink')
% 下行链路
pl = 28.0 + 22*log10(distance) + 20*log10(fc/1e9);
else
% 上行链路
pl = 28.0 + 22*log10(distance) + 20*log10(fc/1e9) - 2; % 上行略低
end
else
pl = 28.0 + 22*log10(10) + 20*log10(fc/1e9); % 最小路径损耗
end
% 阴影衰落 (对数正态分布)
shadowing = 7 * randn; % 标准差7dB
% 小尺度衰落 (瑞利衰落)
rayleigh_fading = exprnd(1); % 指数分布
% 接收功率计算
if strcmp(user_type, 'downlink')
rx_power = tx_power - pl - shadowing - 10*log10(rayleigh_fading);
else
% 上行链路考虑功率控制
alpha = 0.8; % 部分功率控制因子
rx_power = tx_power - alpha*pl - shadowing - 10*log10(rayleigh_fading);
end
% SINR计算 (考虑D2D干扰)
sinr_linear = 10^((rx_power - noise_power)/10) / ...
(1 + 10^((d2d_interference - noise_power)/10));
sinr = 10*log10(sinr_linear);
% 链路容量 (Shannon公式)
bandwidth = 10e6; % 10MHz带宽
capacity = bandwidth * log2(1 + sinr_linear) / 1e6; % Mbps
end
3. 控制链路模型
function reliability = control_link_model(distance, tx_power)
% D2D控制链路可靠性模型
% 输入:
% distance: 用户到eNB距离(m)
% tx_power: 发射功率(dBm)
% 输出:
% reliability: 控制信息传输可靠性(0-1)
% 路径损耗模型 (使用蜂窝模型)
[~, capacity] = cellular_link_model('uplink', distance, tx_power, -100, -120);
% 控制信息所需容量 (假设100kbps)
required_capacity = 0.1; % Mbps
% 可靠性计算
if capacity > required_capacity
reliability = 1 - exp(-(capacity - required_capacity)/0.1);
else
reliability = 0;
end
end
干扰管理策略
1. 资源分配算法
function [rb_allocation, power_allocation] = resource_allocation(d2d_pairs, cellular_users)
% D2D资源分配算法
% 输入:
% d2d_pairs: D2D对信息矩阵 [id, tx_power, distance]
% cellular_users: 蜂窝用户信息 [id, distance]
% 输出:
% rb_allocation: 资源块分配方案
% power_allocation: 功率分配方案
num_d2d = size(d2d_pairs, 1);
num_cu = size(cellular_users, 1);
% 初始化分配矩阵
rb_allocation = zeros(num_d2d, 1);
power_allocation = zeros(num_d2d, 1);
% 计算干扰矩阵
interference_matrix = zeros(num_d2d, num_cu);
for i = 1:num_d2d
for j = 1:num_cu
% 计算D2D对和蜂窝用户间的潜在干扰
dist = calculate_distance(d2d_pairs(i, 3), cellular_users(j, 2));
interference_matrix(i, j) = d2d_pairs(i, 2) - path_loss_model(dist);
end
end
% 基于干扰的资源分配
for i = 1:num_d2d
% 找到干扰最小的蜂窝用户
[min_interf, cu_idx] = min(interference_matrix(i, :));
% 分配资源块
rb_allocation(i) = cu_idx;
% 自适应功率控制
if min_interf > -80 % 干扰阈值-80dBm
power_allocation(i) = d2d_pairs(i, 2) - 10; % 降低10dB功率
else
power_allocation(i) = d2d_pairs(i, 2);
end
end
end
function pl = path_loss_model(distance)
% 简化路径损耗模型
fc = 2.6e9;
if distance > 50
pl = 38.5 + 30*log10(distance) + 20*log10(fc/1e9);
else
pl = 38.5 + 30*log10(50) + 20*log10(fc/1e9);
end
end
2. 模式选择算法
function mode = select_communication_mode(d2d_distance, cu_distance, channel_quality)
% D2D模式选择算法
% 输入:
% d2d_distance: D2D用户间距离(m)
% cu_distance: D2D用户到eNB距离(m)
% channel_quality: 信道质量指标(0-1)
% 输出:
% mode: 1=D2D模式, 2=蜂窝中继模式
% D2D模式增益阈值
d2d_gain_threshold = 5; % dB
% 估计D2D模式容量
[~, d2d_capacity] = d2d_link_model(d2d_distance, 23, -100, -110);
% 估计蜂窝模式容量
[~, cellular_capacity] = cellular_link_model('uplink', cu_distance, 23, -100, -120);
% 模式选择决策
if d2d_capacity > cellular_capacity + 1.0 && ... % 容量增益>1Mbps
d2d_distance < 100 && ... % 距离小于100m
channel_quality > 0.7 % 信道质量良好
mode = 1; % D2D直接通信模式
else
mode = 2; % 蜂窝中继模式
end
end
系统性能分析
蒙特卡洛仿真框架
function [d2d_capacity, cellular_capacity] = simulate_d2d_system(num_users, cell_radius)
% D2D系统性能仿真
% 输入:
% num_users: 总用户数
% cell_radius: 小区半径(m)
% 输出:
% d2d_capacity: D2D链路平均容量(Mbps)
% cellular_capacity: 蜂窝链路平均容量(Mbps)
% 初始化参数
num_simulations = 1000;
d2d_capacity = zeros(num_simulations, 1);
cellular_capacity = zeros(num_simulations, 1);
% 噪声功率
noise_power = -100; % dBm
for sim = 1:num_simulations
% 随机生成用户位置
[user_positions, d2d_pairs, cu_users] = generate_users(num_users, cell_radius);
% 资源分配
[rb_alloc, power_alloc] = resource_allocation(d2d_pairs, cu_users);
total_d2d_cap = 0;
total_cellular_cap = 0;
% 计算D2D链路性能
for i = 1:size(d2d_pairs, 1)
% 获取干扰蜂窝用户
cu_idx = rb_alloc(i);
cu_dist = calculate_distance(user_positions(d2d_pairs(i,1), user_positions(cu_users(cu_idx,1)));
% 计算干扰功率
interf_power = cu_users(cu_idx,2) - path_loss_model(cu_dist);
% 计算D2D链路容量
[~, cap] = d2d_link_model(d2d_pairs(i,3), power_alloc(i), noise_power, interf_power);
total_d2d_cap = total_d2d_cap + cap;
end
% 计算蜂窝链路性能
for j = 1:size(cu_users, 1)
% 获取干扰D2D对
d2d_interf = find(rb_alloc == j);
interf_power = 0;
% 计算总干扰功率
for k = 1:length(d2d_interf)
d2d_idx = d2d_interf(k);
d2d_dist = calculate_distance(user_positions(d2d_pairs(d2d_idx,1)), user_positions(cu_users(j,1)));
interf_power = interf_power + 10^(power_alloc(d2d_idx)/10) * 10^(-path_loss_model(d2d_dist)/10);
end
interf_power = 10*log10(interf_power);
% 计算蜂窝链路容量
[~, cap] = cellular_link_model('uplink', cu_users(j,2), 23, noise_power, interf_power);
total_cellular_cap = total_cellular_cap + cap;
end
% 记录本次仿真结果
d2d_capacity(sim) = total_d2d_cap / size(d2d_pairs, 1);
cellular_capacity(sim) = total_cellular_cap / size(cu_users, 1);
end
end
function [positions, d2d_pairs, cellular_users] = generate_users(num_users, radius)
% 生成随机用户位置
positions = zeros(num_users, 2);
angles = 2*pi*rand(num_users, 1);
radii = radius*sqrt(rand(num_users, 1));
positions(:,1) = radii.*cos(angles);
positions(:,2) = radii.*sin(angles);
% 随机选择D2D对 (20%的用户参与D2D)
num_d2d_pairs = floor(0.1*num_users);
d2d_users = randperm(num_users, 2*num_d2d_pairs);
d2d_pairs = zeros(num_d2d_pairs, 3); % [tx_id, rx_id, distance]
for i = 1:num_d2d_pairs
tx_idx = d2d_users(2*i-1);
rx_idx = d2d_users(2*i);
dist = norm(positions(tx_idx,:) - positions(rx_idx,:));
% 确保D2D距离合理(10-200m)
while dist < 10 || dist > 200
rx_idx = randi(num_users);
dist = norm(positions(tx_idx,:) - positions(rx_idx,:));
end
d2d_pairs(i,:) = [tx_idx, rx_idx, dist];
end
% 剩余用户为蜂窝用户
cellular_indices = setdiff(1:num_users, d2d_users);
cellular_users = zeros(length(cellular_indices), 2); % [id, distance]
enb_position = [0, 0]; % eNB位于原点
for i = 1:length(cellular_indices)
user_idx = cellular_indices(i);
dist = norm(positions(user_idx,:) - enb_position);
cellular_users(i,:) = [user_idx, dist];
end
end
性能分析指标
function analyze_performance(d2d_capacity, cellular_capacity)
% D2D系统性能分析
% 输入:
% d2d_capacity: D2D链路容量数组
% cellular_capacity: 蜂窝链路容量数组
% 计算统计指标
avg_d2d = mean(d2d_capacity);
std_d2d = std(d2d_capacity);
avg_cell = mean(cellular_capacity);
std_cell = std(cellular_capacity);
% 系统总容量增益
total_gain = mean(d2d_capacity + cellular_capacity) - mean(cellular_capacity);
% 显示结果
fprintf('D2D链路平均容量: %.2f ± %.2f Mbps\n', avg_d2d, std_d2d);
fprintf('蜂窝链路平均容量: %.2f ± %.2f Mbps\n', avg_cell, std_cell);
fprintf('系统总容量增益: %.2f Mbps\n', total_gain);
% 绘制容量分布
figure('Position', [100, 100, 1200, 500]);
subplot(1,2,1);
histogram(d2d_capacity, 50, 'Normalization', 'probability');
title('D2D链路容量分布');
xlabel('容量 (Mbps)');
ylabel('概率');
grid on;
subplot(1,2,2);
histogram(cellular_capacity, 50, 'Normalization', 'probability');
title('蜂窝链路容量分布');
xlabel('容量 (Mbps)');
ylabel('概率');
grid on;
% 绘制D2D容量与距离的关系
figure;
scatter([d2d_pairs(:,3)], d2d_capacity, 30, 'filled');
xlabel('D2D用户距离 (m)');
ylabel('D2D链路容量 (Mbps)');
title('D2D容量与距离关系');
grid on;
% 添加趋势线
hold on;
p = polyfit([d2d_pairs(:,3)], d2d_capacity, 2);
x_fit = linspace(min([d2d_pairs(:,3)]), max([d2d_pairs(:,3)]), 100);
y_fit = polyval(p, x_fit);
plot(x_fit, y_fit, 'r-', 'LineWidth', 2);
legend('仿真数据', '二次拟合', 'Location', 'northeast');
end
参考代码 用于lte网络的d2d通信基本模型和其他有用的链路 youwenfan.com/contentcnc/84924.html
此模型提供了LTE网络中D2D通信的全面实现，包括链路建模、干扰管理、资源分配和性能分析，为D2D通信系统的研究和开发提供了坚实基础。
浙公网安备 33010602011771号