- 1 -
中国科技论文在线
D2D 邻居发现中基于时延性能的资源自适
应分配方案
许祝登，郝建军，郭一珺**
作者简介：许祝登（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：移动通信，D2D
通信联系人：郝建军（1969-），男，副教授，主要研究方向：移动通信，网络编码等
（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876） 5
摘要：D2D 通信是不通过基站转发在设备之间进行直接通信的技术，由于它能够提高的频
谱利用率和降低移动设备的功耗，因此成为 LTE-A的关键技术之一。D2D邻居发现是建立
D2D通信的重要步骤，其中资源分配方案对 D2D邻居发现的发现范围、功耗、发现率、发
现时延等性能有着重要的影响。针对当前资源分配方案对不同用户密度场景适应性差的问10
题，文本提出了基于时延性能的子帧调整方案和基于时延性能的子帧、发现周期联合调整方
案。两个方案都可以一定程度满足时延敏感服务的需求或作为通用的自适应方案。其中子帧、
发现周期联合调整方案可以在保障时延性能的基础上实现最高的资源利用率，从而提高频谱
利用率。针对以上的提出的分配方案，本文分别进行了详细的数值分析和实际仿真,有力地
说明了所提方案的正确性和有效性。 15
关键词：D2D；邻居发现；资源分配；自适应；时延
中图分类号：
Adaptive resource allocation for D2D Discovery under
discovey delay 20
XU Zhudeng, HAO Jianjun, GUO Yijun
(Information and Communication Engineering School, Beijing University of Posts and
Telecommunications, Beijing 100876)
Abstract: D2D communication, which promises direct communication between devices without
relaying via base stations, turns out to be a key technology for LTE-A, due to its potential in 25
improving the spectrum efficiency and reducing energy consumption. D2D discovering is a key
step in D2D communication. Resource allocation plays an essential role in D2D discovery
procedure, since it directly affects system performance such as discovery range, energy
consumption, discovery ratio and delay. To solve the problem that current resource allocation
shcemes has a poor adaptation capability to different dense of user deployment,we propose two 30
resource allocation schemes. Delay-based sub-frame adaption scheme and delay-based joint
sub-frame and discovery period adaption scheme can provision the delay-sensitive service or serve
as an universal adaption strategy to some extent. It should be emphasized that the joint sub-frame
and discovery period adaption scheme can maximize the resource utilization while guaranteeing
delay performance. Both numerical analysis and simulation results highlight the correctness and 35
efficiency of the proposed schemes.
Key words: D2D; Discovery; Resource Allocation; Adaptation; Delay
0 引言
当前架构的蜂窝网络已经不再能够满足日益增长的本地化服务需求，例如移动社交网络40
[1]、移动营销、M2M应用。D2D通信非常适用于本地化的应用，因为它可以提供较高的传
输速率和较低的传输时延。市场上已经有一些设备之间直接通信的无线通信技术，如蓝牙、
Wi-Fi Direct、ZigBee，这些通信技术都是工作在已经很拥挤的非授权频段。LTE-D2D是 LTE
架构中引入的一种新的通信模式，它工作在 LTE授权的频段并且能够获得基站的辅助功能，
- 2 -
中国科技论文在线
3GPP已经把 D2D通信作为 LTE-A Rel-12中的一个研究立项[2]。使用授权频段的 D2D通信45
可以采用高效的邻居发现方案和资源分配方案，此外，可以更好地进行干扰管理、QoS支持
和安全管理。
D2D 邻居发现是发现周边邻近的其他设备，是 D2D 通信的关键步骤。近年来对 D2D
邻居发现的研究得到了一定的发展。文献[3]提出一个分布式的基于能量感知的协议用于一
个初步的 D2D通信系统 FlashLinQ，文献[4]提出了一种基于信标信号的 D2D邻居发现方案，50
其中信标信号由主同步序列、辅同步序列和一些信息比特组成。然而这两种方案并不能应用
于现有的 LTE-A系统中。在文献[5]中提出一个自适应的资源分配方案，但是它的分析模型
并与 3GPP 对于 D2D 通信的一些假定并不相符，例如方案中没有考虑到半双工的影响、没
有采用分配连续子帧的建议。在本文中，我们提出了一个比文献[5]中提出的分析模型更加
准确的分析模型。基于分析的模型，我们提出了两种保障时延性能的自适应资源分配方案。55
第一个方案是自适应地调整子帧个数的方案来保障平均的发现时延；第二个方案是联合调整
发现周期和子帧个数的方案，在保障平均发现时延的条件下，最大化资源的利用率。
本文的内容结构是如下安排：第 1部分给出了系统模型，第 2部分提出了基于时延性能
的自适应资源分配方案，在第 3部分给出了仿真的结果和分析，第 4部分对全文进行了总结。
1 系统模型 60
发现资源块(DRB)
发现周期 发现区间
载波
PUCCH
PUCCH
用于D2D邻居发现
的资源区域
UE 1
UE 2 UE 3
...
...
...
...
频率
时间
图 1 D2D邻居发现的资源结构图
Fig. 1 Allocation of RBs for D2D discovering
在本节中，我们给出了 D2D邻居发现的系统模型。在 LTE-A标准中有针对上行链路和65
下行链路的通信有两种双工的模式，TDD 和 FDD。本文主要针对的是 FDD 系统。如图 1
给出了 D2D 邻居发现的资源结构图，无线资源在时间上被划分为时长为 10ms 的无线帧，
其中每个无线帧由 10个 1ms的子帧组成，每个子帧由两个 的时隙组成。在频域上，
每个时隙包含 25个资源块（Resource Block，RB），其中的 4个资源块用于 PUCCH，另外
的 21个资源块用于 PUSCH。资源块是 LTE-A 系统中进行资源调度的最小单元。每个资源70
- 3 -
中国科技论文在线
块在由 7个 OFDM符号组成，每个 OFDM符号在频域上包含 12个 15kHz的子载波。LTE-A
系统中一个时隙包含的资源块数目由系统的带宽决定。 在我们的方案中，我们以半静态的
方式周期性地分配了上行的资源池用于 D2D 邻居发现。这个资源池中的资源块可以给所有
请求的 D2D设备使用。半静态的调度方式可以减少信令的开销。D2D设备在每个发现周期
会发送发现信号，系统会为 D2D设备分配N 个子帧用于邻居发现。每个子帧包含K个资源75
块。我们定义分配用于 D2D邻居发现的资源块为邻居发现资源块（Discovery RB，DRB）。
基站会通过系统信息广播通知 D2D设备资源的分配情况。在发现流程之中，每个参与 D2D
邻居发现的设备会选择一个 DRB用于发送发现信号，发现信号会携带用户的标识或其他的
必要的信息。因为半双工的原因，D2D 设备在发送发现信号的同时无法检测其他设备发送
的发现信号。 80
考虑单个蜂窝小区的情况，小区中有M 个用户开启了邻居发现的服务，所有参与邻居
发现的用户用集合 1,2,...,U M 表示。用户 i接收到的用户 j的发现信号的 SINR为
2
, ( ) ( )
i ij ij
ij
k kj kjk U R k R i
P d h
r
P d h
, (1)
其中 iP是用户 i的发现信号的发送功率。为了简化，这里假定所有用户的发现信号的功率都
为 beaconP ， ijd 表示用户 i和 j之间的欧式距离， ijh 表示用户 i到用户 j的信道衰落，
2 为85
噪声功率， R i 表示用户 i所选择 DRB。分母的第一项表示的是用户 i之外的其他用户的
发现信号在用户 j处对接收用户 i的发现信号的干扰。当接收的信干噪比大于门限值 时（
是保证发现信号能被成功检测时对接收信噪比要求的门限值）认为用户 i可以成功发现用户
j。
2 基于时延性能的资源自适应分配方案 90
当前的资源分配方案中，资源池的大小是固定的，并不能满足一些时延敏感的服务如车
辆的防撞预警，对不同用户密度的场景的适应性也比较差。本节我们将基于时延性能提出了
两种自适应的资源分配方案。两种所提的方案中，每个 UE在参与邻居发现之前需要向基站
发送请求，当请求被基站同意以后。UE将在随后的发现周期发送发现信号。因此基站能够
知道小区中参与邻居发现的 UE的数量。第一个方案将根据参与邻居发现的 UE的数量来调95
整分配的发现子帧数来满足平均的发现时延的性能。第二个方案将根据参与邻居发现的联合
调整发现子帧数和发现周期，在满足平均发现时延的要求下，使资源的利用达到最高。
平均发现时延的简化分析模型
集合 | , ,ijS i j r j U j i 表示一个发现周期内成功发现用户 i的其他用户，
im 表示集合 ( )S i 的大小。单个周期的发现概率定义为一个用户经过一个发现周期被小区中100
的其他用户发现的概率，表示如下
/dis ip i m M , (2)
因此，单个周期的平均发现概率为
- 4 -
中国科技论文在线
1
dis dis
i U
p p i
M
, (3)
单个周期的发现概率可以作为 D2D 邻居发现中的资源分配方案的性能指标，发现概率较大105
时，D2D设备会被蜂窝小区中的大部分其他 D2D设备发现。
下面将给出了采用随机的资源选取方案时，平均发现概率的简化模型。模型对发现条件
进行了如下的简化：
(1)如果多个设备选择了相同的资源块用于发送发现信号，则这些设备都不能够被其他
的设备发现，可以理解为如果资源选取有冲突，则有冲突的资源块中的发现信号的干扰将使110
得它们不能被其他设备发现。
(2)设备 A选择了的资源块是其他设备都没有选择的，而设备 B选择的资源块跟设备 A
选择的资源块不在一个子帧，则设备 B 可以发现 A。这里假定了发现信号的能够覆盖整个
小区。
由以上两个简化的条件，可以得出平均的发现概率 115
2
dis
1 1
1 1
M
P
N kN
, (4)
其中N 是发现子帧的个数， k 是一个子帧内的发现资源块的个数。通过仿真可以看出这个
模型与实际场景下的结果是很相近的。
发现时延是邻居发现的一个重要的性能，D2D 设备发现它邻近的一个设备的过程可能
需要经历多个发现周期，记需要经过的发现周期数为 Tn ，则发现时延可以表示为 120
= T Dist n T , (5)
不同的发现周期中的发现过程是相互独立的过程，因此服从参数为 disp 的几何分布，平均的
发现时延表示如下，
1
= =T Dis Dis
dis
t n T T
p
, (6)
在资源池大小固定的情况下，当用户数增加时发现概率将减小，结合式（6）可以得出此时125
平均的发现时延将增大。当用户的数量要比资源池的大小大很多时，发现时延可能会超出服
务的容忍上限。
基于时延性能的子帧调整方案
有些邻居发现服务对于时延过长的情况是不可容忍的或者服务有一个预期的时延，为了
避免在用户数较多的时候出现过长的发现时延，而在用户数较少的时候浪费频谱资源，系统130
可以设定一个预期的平均发现时延。结合式（4）和式（6）可以看出发现时延与资源池的大
小成反比，而与用户数成正比。可以通过调整子帧的数量来满足发现时延的要求。当平均时
延大于时，增加分配子帧数以使平均时延小于预期的时延，当平均时延小于并且减少分配的
子帧数仍可以使平均时延小于预期时延时减少分配的子帧数。而具体需要分配多少子帧，可
以通过简化的平均发现概率的模型推导得出。 135
根据时延性能的要求，
=Disdis L
e
T
p p
t
, (7)
- 5 -
中国科技论文在线
由式（4）和式（7）有，
2
1 1
1 1
M
LP
N kN
, (8)
1
ln ln 1
2
1
ln 1
LP
N
M
kN
, (9) 140
通过式(9)右侧函数的渐进线的方式得出的，上式可以近似地简化为下面的表示。通过分析
可知渐近线与原有的函数非常贴近。
3
ln
2
LM kN P k , (10)
3
2
ln lnL L
k
M
N
k P k P
, (11)
3
2
ln lnDis Dis
e e
k
M
N
T T
k k
t t
, (12) 145
由图 2 可以看出这个简化的模型与实际的场景得出的结果是很相近的。于是，可以根据式
（12）估算的值和蜂窝中加入邻居发现的用户数来调整分配的子帧个数。
基于时延性能的子帧、发现周期联合调整方案
上一节提供的方案是根据预期的平均时延去动态地调整分配的子帧的个数，本节将提出
另一种方案，通过联合地调整子帧的个数和发现周期，在保证发现时延的前提下最大化频谱150
利用率。
定义邻居发现使用资源的占用比为邻居发现使用的资源块的数量占总的资源块的数量
的比值，可得
dis
Nk
T K
, (13)
K是一个子帧中的总的资源块的数量，在这里 k和K都是常量。 155
结合式（6）和式（13）有
dis
Nk
t
p K
, (14)
记 = dis
p
kN
，于是
1
=
K t
, (15)
从式（15）可以看出，当当取为预设的平均发现时延阈值，与成反比。于是取得最大160
值时，资源占用比取得最小值，即保证发现时延的前提下，使用了最少的频谱资源。使用
式（4）中得出的简化的发现概率来分析如何获得最小值，
- 6 -
中国科技论文在线
2
1 1 1
= 1 1
M
disp
kN kN N kN
, (16)
记关于发现子帧数的函数如下
2
1 1 1
1 1
M
x
kx x kx
, (17) 165
对 x 进行求导，
3
2
2 4
1
1
2 1
M
d kx
kx k M x M
dx k x
, (18)
=0
d
dx
时，取得极小值，可以求解得
222 1 2 2 1
1
2
M k M M k M
x
k k
, (19)
式（19）中不等式的推导是通过求渐进线的方式得出的，通过分析可知渐进线与原有的函数170
非常贴近。得出分配子帧的数量后，通过式(17)和式(18)可以求解出对应的发现周期
2
1
= = 1
M
dis e e
M
T Nk t t
M k M k
, (20)
此时的资源占用比
2
=
1 1
1 1
M
e
kN
k t
N kN
, (21)
我们对很多的发现时延阈值和用户数的情况下的资源占用比随子帧个数的变化情况进行了175
仿真，资源占用比的值是通过仿真得到的发现概率求解得到的。
3 仿真结果与分析
表 1给出了仿真的参数设置
表 1 仿真参数配置
Tab. 1 Simulation Parameters 180
参数 取值
蜂窝的半径 250m
设备的分布 均匀分布
载波频率
路径损耗 PL=+(km)
阴影衰落 标准差 7dB的对数正态分布
D2D UE的发射功率 23dBm
每个 RB的噪声功率
图 2给出了分析模型和实际仿真情况下，单个周期的平均发现概率随分配的子帧数的变
化。给出了用户数分别为 150、250和 350时实际仿真得到的发现概率和分析得出的发现概
率，可以看出实际的发现概率和分析出来的发现概率是很接近的。通过大量的仿真发现不管
用户数为多少，实际的发现概率和分析的发现概率的取值都是很接近的。 185
- 7 -
中国科技论文在线
图 2 单个发现周期的平均发现概率随分配的子帧数的变化
Fig. 2 Average discovery probability of one discovery period with different numbers of sub-frames
图 3 给出其中的几组仿真结果，其中平均时延的期望值设为 1s，用户数分别取 250 和190
350。
图 3 资源的占用比随分配的子帧数的变化
Fig. 3 Resource occupy ratio with different numbers of sub-frames
195
可以看出资源占用比随子帧数的增加先减后增，对应一个用户数，会有一个最优的子帧
数使得资源占用比最低。此外，可以看出实际仿真得到的结果和数值分析得到的结果是很相
近的。于是可以根据式（19）和式（20）估算的值来配置分配的子帧个数和发现周期，这种
分配子帧数和发现周期联合的调整方案在使得满足发现时延的要求下最大化频谱利用率。
4 结论 200
本文针对随机的资源选取的方案适应性差的问题，对邻居发现的平均时延进行了分析，
并提出了简化的分析模型。通过仿真验证了这个简化的分析模型与实际场景比较相近。基于
- 8 -
中国科技论文在线
简化的分析模型，我们提出了基于时延性能的子帧调整方案和基于时延性能的子帧、发现周
期联合调整方案来提高资源分配方案的适应性。两个方案都能够一定程度的保障服务的时延
性能，而后者可以进一步使资源的使用最少，从而节省频谱资源。 205
[参考文献] (References)
[1] Kayastha N, Niyato D, Wang P, et al. Applications, Architectures, and Protocol Design Issues for Mobile
Social Networks: A Survey[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(12):2130-2158.
[2] 3GPP TR v12, Rel 12, in Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on
architecture enhancements to support Proximity Services (ProSe), March 2014 210
[3] Baccelli F, Khude N, Laroia R, et al. On the design of device-to-device autonomous discovery.[C]//
Communication Systems and Networks (COMSNETS), 2012 Fourth International Conference on. IEEE, 2012:1-9
[4] Doppler K, Ribeiro C B, Kneckt J. Advances in D2D communications: Energy efficient service and device
discovery radio[C]// Wireless Communication, Vehicular Technology, Information Theory and Aerospace &
Electronic Systems Technology (Wireless VITAE), 2011 2nd International Conference on. IEEE, 2011:1-6. 215
[5] Yang Z J, Huang J C, Chou C T, et al. Peer discovery for device-to-device (D2D) communication in LTE-A
networks[C]// IEEE Globecom Workshops. 2013:665-670.
