隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展以及移動智能終端設(shè)備的普及,人們對無處不在的高數(shù)據(jù)速率無線通信的需求不僅給基站(BS,Base Station)帶來巨大的流量負載,也造成了頻譜資源緊缺、能量消耗和溫室氣體的增加。因此,如何有效的卸載BS的數(shù)據(jù)流量、降低通信系統(tǒng)的能耗、以及充分利用頻譜資源成為亟待解決的問題。作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一,設(shè)備間直接通信(D2D Communications,Device-to-Device Communications)被認為是一種有效的技術(shù)手段不僅可以緩解BS壓力,還可以提升頻譜利用率,增加系統(tǒng)容量和節(jié)約終端設(shè)備能量,因而,受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。本文分別針對帶內(nèi)D2D通信和帶外D2D通信兩個場景來研究D2D通信中無線資源分配問題,探討如何有效的使用D2D技術(shù)來提升系統(tǒng)性能。根據(jù)問題的特點,分別對其進行數(shù)學建模,設(shè)計資源分配算法,并通過仿真實驗驗證提出的資源分配方案的有效性。具體而言,本文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新之處在于:(1)針對帶內(nèi)D2D通信場景,為進一步提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率和系統(tǒng)容量,提出了以最大化D2D用戶總的數(shù)據(jù)速率為目標的聯(lián)合子載波分配和功率分配方案。具體來說,考慮“多對多”資源復用關(guān)系,即每個D2D用戶可以使用多個子載波,每個子載波可以給多個D2D用戶使用的資源復用場景,首先,對聯(lián)合子載波和功率分配以最大化系統(tǒng)中D2D用戶數(shù)據(jù)速率問題進行數(shù)學建模。為了有效的求解這個混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP,Mixed Integer Non-Linear Programming)問題,將其分解為子載波分配和功率分配問題,并分別設(shè)計啟發(fā)式的子載波分配算法和迭代的功率分配算法解決子載波分配和功率分配子問題。仿真結(jié)果表明,所提的資源分配方案能夠有效的提升系統(tǒng)中D2D用戶的數(shù)據(jù)速率,且不影響蜂窩用戶(CUE,Cellular User Equipment)的正常通信。(2)針對帶內(nèi)D2D通信場景,為降低蜂窩D2D網(wǎng)絡(luò)中通信帶來的巨大能量消耗,實現(xiàn)綠色通信,提出了以最小化系統(tǒng)功率消耗為目標的聯(lián)合子載波分配和功率分配方案。具體而言,考慮“多對多”資源復用場景,在保證CUE和D2D用戶的最小數(shù)據(jù)速率需求的同時,對聯(lián)合優(yōu)化子載波和功率分配以最小化系統(tǒng)的功率消耗問題進行數(shù)學建模。該問題是一個MINLP問題,為了有效的進行求解,將其分成子載波分配子問題和功率分配子問題。對于子載波分配問題,設(shè)計了啟發(fā)式的子載波分配算法為用戶分配子載波。在給定子載波分配方案后,使用連續(xù)凸近似(SCA,Successive Convex Approximation)方法將非凸的功率分配子問題轉(zhuǎn)化為一系列的凸優(yōu)化問題,并設(shè)計迭代的功率分配算法來求解該子問題。仿真分析表明,所提方案在保證用戶正常通信的同時,能夠有效的降低系統(tǒng)功率消耗。(3)針對中繼協(xié)作接入網(wǎng)絡(luò)(帶外D2D通信場景),提出了中繼用戶選擇和基于博弈論的資源分配方案。具體來說,首先對聯(lián)合中繼用戶選擇和資源分配以最大化系統(tǒng)的效用問題進行數(shù)學建模。為了降低問題的復雜度,將其劃分為中繼用戶選擇問題和頻譜資源分配問題�？紤]到用戶之間信道條件的多樣化,將終端用戶與中繼用戶之間的匹配問題建模成最大加權(quán)二分匹配問題,并借助匈牙利算法為終端用戶尋找最佳的協(xié)作中繼用戶。在給定用戶匹配方案后,設(shè)計了兩階段的Stackelberg博弈模型來解決終端用戶與中繼用戶之間的頻譜資源分配問題。仿真結(jié)果表明,所提方案能夠有效的提升終端用戶的下載速率,實現(xiàn)終端用戶與中繼用戶的“雙贏”局面。
【學位單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

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本文編號：2846828