D2D無線通信系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化設計.pdf

1、隨著移動通信技術的高速發(fā)展，用戶之間進行信息共享的業(yè)務越來越普遍，地理上相鄰用戶之間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量越來越大，致使業(yè)務具有更加明顯的本地特性。傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)缺乏應對和利用這一全新發(fā)展趨勢及特性的相關機制和技術。終端直通技術（Device-to-Device，D2D）通信徹底改變了蜂窩網(wǎng)絡中信息處理和信息傳輸方式，實現(xiàn)終端間直接通信，可有效提高頻譜資源效率、降低能耗、增強系統(tǒng)實時性和可靠性，被列為第五代移動通信系統(tǒng)（5th Generatio

2、n Mobile Communication Systems，5G）的關鍵技術之一。同時，隨著蜂窩網(wǎng)絡中引入D2D通信，網(wǎng)絡中存在大量的用戶終端可作為中繼協(xié)助用戶間通信，將無線中繼技術引入D2D通信，可以改善網(wǎng)絡結構，提升無線網(wǎng)絡覆蓋性能，拓展無線中繼的應用場景，有效提高系統(tǒng)的服務質量和總體性能。本論文圍繞傳統(tǒng)D2D通信中的干擾問題和結合中繼技術的D2D通信系統(tǒng)的性能及優(yōu)化展開了研究，主要包括：
　　1)針對D2D通信對蜂窩系統(tǒng)的

3、干擾問題進行了研究。首先，對于單對D2D用戶共享蜂窩通信下行鏈路資源場景，基于蜂窩用戶干擾約束，建立蜂窩用戶的干擾受限區(qū)域，提出基于干擾受限區(qū)的D2D用戶接入策略，并對采用該策略的系統(tǒng)用戶的中斷概率進行理論推導。仿真結果表明，采用該接入策略可提高系統(tǒng)中斷概率性能。其次，對于多對D2D通信共享蜂窩通信上行鏈路資源場景，在分析多對D2D通信產(chǎn)生的累積干擾服從weighted chi-squared分布的基礎上，推導出蜂窩系統(tǒng)中斷概率閉合表達

4、式，通過仿真揭示了D2D的鏈路數(shù)和D2D鏈路的分布區(qū)域等系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)中斷概率的影響。仿真結果表明，增加D2D鏈路數(shù)會增大對基站的干擾，但當D2D鏈路分布滿足一定的距離條件，較大的D2D鏈路數(shù)也能夠保證系統(tǒng)中斷概率，同時使引入多對D2D通信鏈路的共享系統(tǒng)總容量得到提升。
　　2)針對放大轉發(fā)（Amplify-and-Forward，AF）協(xié)議雙向中繼D2D系統(tǒng)的性能及功率分配方案進行了研究。首先，針對三時隙固定增益因子的AF雙向中

5、繼 D2D通信系統(tǒng)，考慮D2D源節(jié)點和中繼節(jié)點均受到干擾與噪聲，利用積分區(qū)域近似推導出系統(tǒng)中斷概率的近似表達式。以最小化系統(tǒng)中斷概率為目標，采用等效的兩條單向鏈路中最小信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR）最大化方法，推導出最優(yōu)功率分配系數(shù)。其次，針對三時隙變增益因子的AF雙向中繼D2D通信系統(tǒng)，考慮D2D源節(jié)點和中繼節(jié)點均受到干擾與噪聲，推導出瞬時SINR變量的緊致上界，在

6、此基礎上進一步推導出系統(tǒng)中斷概率下界和遍歷容量上界，并以最大化系統(tǒng)遍歷容量為目標，提出最優(yōu)功率分配方案。仿真結果驗證了理論推導的正確性，表明采用所提出的最優(yōu)功率分配方案可提高系統(tǒng)性能，揭示了干擾功率、源節(jié)點發(fā)送功率、功率分配系數(shù)及中繼節(jié)點位置等系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。3)針對解碼轉發(fā)（Decode-and-Forward，DF）DF協(xié)議雙向多中繼D2D系統(tǒng)的中繼選擇方案進行了研究。在DF協(xié)議的雙向多中繼D2D通信系統(tǒng)中，考慮D2D源節(jié)

7、點和所有中繼節(jié)點均受到共道干擾（Cochannel Interference，CCI）及噪聲的影響，利用順序統(tǒng)計理論推導L個中繼中有 k個中繼可正確解碼兩源節(jié)點發(fā)送信息的概率，在此基礎上進一步推導出獨立非同分布瑞利衰落信道下三種中繼選擇方案（隨機中繼選擇、最大最小選擇和直接傳輸）的系統(tǒng)中斷概率的閉合表達式。仿真結果驗證了理論推導的正確性，揭示了中繼個數(shù)、中繼分布區(qū)域及功率分配系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)中斷概率性能的影響，仿真結果還表明，使用中

8、繼選擇方案的DF雙向中繼D2D系統(tǒng)的性能優(yōu)于無中繼的傳統(tǒng)D2D系統(tǒng)性能，最大最小中繼選擇方案系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于隨機中繼選擇方案的系統(tǒng)性能。
　　4)針對AF協(xié)議雙向多中繼D2D系統(tǒng)中繼選擇方案進行了研究。在變增益因子AF協(xié)議的雙向多中繼D2D通信系統(tǒng)中，考慮D2D源節(jié)點和所有中繼節(jié)點均受到來自蜂窩系統(tǒng)同頻干擾及噪聲的影響，對于包含多個隨機變量的瞬時SINR，采用合理的數(shù)學近似獲得瞬時SINR變量的緊致上界，推導出SINR上界的累積分