D2D通信無線資源分配研究.pdf

1、近年來，隨著智能通信終端的普及和移動通信技術(shù)的進(jìn)步，近距離通信服務(wù)的需求越來越多，例如點對點的數(shù)據(jù)共享、本地多播和廣播等。為了滿足這些業(yè)務(wù)日益增長的高傳輸速率要求，提升用戶的服務(wù)體驗，同時減少電信運營商由于擴容而增加的運行成本，終端直通（Device-to-Device, D2D）通信技術(shù)被廣泛認(rèn)為是下一代蜂窩移動通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù)，鄰近用戶之間的通信可以不經(jīng)過基站（Base Stati

2、on，BS）的中繼而直接傳輸。由于直通鏈路距離短，D2D通信可以帶來信道增益、復(fù)用增益和跳數(shù)增益，有助于提高通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。但是另一方面，D2D通信也給蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來了更加復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境。如果干擾不能得到有效控制，D2D通信會損害其他用戶的通信質(zhì)量從而降低系統(tǒng)的總體性能。因此，有效的干擾管理機制是發(fā)揮D2D通信潛在優(yōu)勢的關(guān)鍵，也是其難點。本文致力于D2D通信干擾管理和資源分配研究，從干擾協(xié)調(diào)、資源優(yōu)化的角度出發(fā)，解決D2

3、D通信和傳統(tǒng)蜂窩通信的共存問題，主要研究內(nèi)容包括以下四個部分：(1)完美信道信息下基于跨層優(yōu)化設(shè)計的D2D通信資源分配；(2)非完美信道信息下基于通信服務(wù)質(zhì)量（Quality-of-Service，QoS）保證的D2D通信資源分配；(3)頻譜效率優(yōu)先的D2D通信傳輸模式選擇；(4)能量效率優(yōu)先的D2D通信傳輸模式選擇。
　　第一部分研究了在全負(fù)載的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，D2D用戶如何通過復(fù)用普通蜂窩用戶（Cellular User，CU）的

4、頻譜資源接入網(wǎng)絡(luò)并最大化系統(tǒng)吞吐量的問題。在系統(tǒng)模型中考慮基站擁有所有相關(guān)信道的完美信道信息并同時保證CU用戶和要接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶的最小信干噪比（Signal-to-interference-plus-noise ratio，SINR）需求。文中設(shè)計了聯(lián)合用戶接入控制、功率分配和信道分配的跨層優(yōu)化資源分配算法。這個算法分為三個步驟：1)根據(jù)用戶的QoS需求和功率限制，提出一個基于用戶距離的接入準(zhǔn)則。依據(jù)這個準(zhǔn)則，基站可以找出所有可以

5、接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶，并為每對可接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶找到所有可供其復(fù)用信道的CU用戶。2)根據(jù)凸優(yōu)化理論，提出最大化D2D用戶和CU用戶總體吞吐量的最優(yōu)功率分配算法。3)利用圖論中加權(quán)二部圖的最優(yōu)匹配算法，為每對可接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶找到最合適的CU復(fù)用搭檔。仿真結(jié)果表明，與已有的兩個經(jīng)典算法——Fixed Margin算法和基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃（Mixed Iinteger Nonlinear Programming，MINLP）問

6、題的啟發(fā)式算法相比，本文提出的跨層優(yōu)化算法能顯著提高D2D用戶的接入率以及系統(tǒng)吞吐量。此外，仿真結(jié)果還顯示出D2D通信系統(tǒng)的性能與D2D用戶的通信距離、D2D用戶在網(wǎng)絡(luò)中位置、網(wǎng)絡(luò)中CU用戶和D2D用戶的數(shù)目以及用戶的最大功率限制等參數(shù)密切相關(guān)。
　　第二部分研究了基站對CU用戶和D2D用戶接收端之間的信道（CU-D link）沒有完美信道信息時， D2D用戶的接入控制和資源分配問題。與完美信道信息下的系統(tǒng)假設(shè)類似，文中考慮了一個

7、全負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)場景并保證接入用戶的QoS需求。不同的是，當(dāng)基站沒有CU-D鏈路的完美信道信息時， D2D用戶接收端的最小SINR不能得到保證，因此文中用最大傳輸中斷概率來保證D2D用戶的QoS需求。文中采用了基于信道概率統(tǒng)計特性的概率型資源分配策略和基于用戶選擇的有限反饋機制這兩種不同的思路來處理信道信息的不確定性。在基于信道概率統(tǒng)計特性的概率型資源分配策略中，針對不同的衰落信道模型，對于給定的傳輸中斷概率閥值，分別提出了改進(jìn)的D2D用戶

8、最小接入距離準(zhǔn)則，并在此基礎(chǔ)上提出了概率型的用戶資源分配方案。在基于用戶選擇的有限反饋機制資源分配策略中，提出了一個選擇最優(yōu)反饋用戶的最大距離比值（Maximum-Distance Ratio，MDR）準(zhǔn)則。兩種資源分配策略各有利弊，概率型資源分配策略不需要額外的反饋信息傳輸，但是D2D用戶出現(xiàn)傳輸中斷現(xiàn)象不可避免；而有限反饋機制存在反饋信息開銷，但是不會出現(xiàn)傳輸中斷。因此最后文中提出了綜合兩種資源分配策略各自優(yōu)點的混合策略資源分配算法

9、。仿真結(jié)果表明混合策略資源分配算法對信道衰落模型變化不敏感，而且可以進(jìn)一步減小D2D用戶中斷概率和反饋信令開銷。
　　第三部分研究了以最大化系統(tǒng)頻譜效率為目標(biāo)的D2D通信最優(yōu)傳輸模式選擇問題。文中綜合考慮用戶最小速率要求、最大功率限制以及用戶業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，分別定義了正交模式、復(fù)用模式和基站中繼模式下系統(tǒng)頻譜效率最優(yōu)的頻譜和功率資源分配問題，然后提出了相應(yīng)的最優(yōu)算法。具體地，對于正交模式和基站中繼模式，證明了其優(yōu)化問題是擬凸優(yōu)化問題

10、，并采用二分法（Bisection Algorithm）獲得了最優(yōu)解。對于復(fù)用模式，首先通過函數(shù)重組把優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成兩個凸函數(shù)差的形式（Difference of Convex， D.C.），然后通過凸凹過程（Concave-Convex Procedure，CCCP）算法獲得D.C.優(yōu)化問題的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明基于最優(yōu)模式選擇的D2D通信能顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率。
　　第四部分研究了以最大化用戶終端能量效率為目標(biāo)的D2D通

11、信最優(yōu)傳輸模式選擇問題。在系統(tǒng)模型中，同時考慮了用戶發(fā)射功率消耗和固定的電路功率消耗。與頻譜效率優(yōu)先的傳輸模式選擇問題類似，文中針對D2D通信三種傳輸模式下的最優(yōu)資源分配子問題，都提出了相應(yīng)的最優(yōu)算法。與頻譜效率優(yōu)化問題相比，能量效率優(yōu)化問題更加復(fù)雜。因此，文中首先通過基于參數(shù)法的Dinkelbach算法把原非線性的分?jǐn)?shù)規(guī)劃（Nonlinear Fractional Programming，NFP）問題，轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)上更容易處理的形式。在

12、正交模式和基站中繼模式下，證明了轉(zhuǎn)化后的問題屬于標(biāo)準(zhǔn)的凸優(yōu)化問題，采用內(nèi)點法得到最優(yōu)解；在復(fù)用模式下，轉(zhuǎn)化后的問題可以進(jìn)一步化簡成 D.C.問題，然后采用CCCP算法和內(nèi)點法獲得最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明基于能量效率優(yōu)先的模式選擇能顯著提高用戶終端的能量效率。此外，仿真結(jié)果還顯示在大部分場景中，考慮用戶能量效率時，最優(yōu)的傳輸模式是復(fù)用模式；考慮系統(tǒng)頻譜效率時，最優(yōu)傳輸模式是正交模式。
　　本文中所取得的研究成果，可以為分析更復(fù)雜的D2D