【摘要】：為了應(yīng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中頻譜緊張的困局和滿足多媒體、社交網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用帶來的蜂窩通信數(shù)據(jù)流量快速增長的需求,第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)中引入了終端直通(Device-to-Device communications,D2D)通信技術(shù)。其中,蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的D2D通信不僅能夠提高系統(tǒng)整體通信容量、小區(qū)邊緣用戶的性能,還能夠降低通信傳輸時(shí)延和基站的通信負(fù)載。由于D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的頻譜資源,共享頻譜的用戶之間將會(huì)產(chǎn)生干擾。為了有效避免干擾,提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信系統(tǒng)性能,需要對(duì)系統(tǒng)中的通信資源進(jìn)行合理且有效的分配。鑒于此,本文主要針對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的資源分配問題展開研究,分別研究了D2D單播通信模式下聯(lián)合上下行子載波和組播通信模式下的資源管理問題以提升系統(tǒng)性能。針對(duì)D2D不同通信模式下研究內(nèi)容,進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并設(shè)計(jì)資源管理算法,進(jìn)一步通過仿真分析驗(yàn)證了所提算法的性能。本文的主要工作包括以下兩個(gè)方面:(一)研究了聯(lián)合上下行子載波的D2D單播資源分配問題,考慮在D2D對(duì)聯(lián)合復(fù)用蜂窩用戶上行和下行子載波的情況下,最大化系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)速率。具體而言,不同于以往方案設(shè)計(jì)中D2D對(duì)僅可復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行或下行子載波的通信場景,本文允許D2D用戶聯(lián)合復(fù)用上行和下行子載波資源,并研究在同時(shí)保證蜂窩用戶和D2D用戶基本數(shù)據(jù)速率需求情況下最大化系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)速率問題。為了有效解決構(gòu)造的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題,提出子載波分配和功率控制算法。首先,針對(duì)每一對(duì)潛在的蜂窩用戶和D2D用戶互相匹配情況下,使用幾何規(guī)劃算法得出用戶最優(yōu)的功率控制結(jié)果。然后,使用匈牙利算法實(shí)現(xiàn)了子載波資源和D2D用戶的最優(yōu)匹配。最后,通過合理的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提資源分配算法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,聯(lián)合復(fù)用上行和下行子載波資源較傳統(tǒng)的資源分配方案,對(duì)系統(tǒng)性能有較大的提升。不僅能夠提升系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)速率,還能進(jìn)一步提高D2D用戶接入通信網(wǎng)絡(luò)的概率。(二)研究了“多對(duì)多”子載波復(fù)用情況下組播速率最大化的D2D組播資源分配問題,考慮從系統(tǒng)整體資源管理角度對(duì)蜂窩用戶和D2D組播用戶進(jìn)行子載波分配和功率控制。具體而言,研究在滿足蜂窩用戶基本數(shù)據(jù)速率需求的基礎(chǔ)上最大化D2D組播組的數(shù)據(jù)速率問題。對(duì)該問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,分析該問題性質(zhì)為MINLP問題,故將該問題分解為兩個(gè)子問題進(jìn)行求解。其中,在子載波分配子問題中,提出一種啟發(fā)式子載波分配算法。此基礎(chǔ)上,在功率分配問題的解決步驟中,首先使用D.C.算法,將問題中的非凸函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸函數(shù)形式。然后將非光滑目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行處理,進(jìn)一步揭示了功率分配問題中潛在的可凸優(yōu)化性質(zhì)。最后,通過詳盡的仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)所提算法進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表示,在“多對(duì)多”子載波復(fù)用場景下,從系統(tǒng)整體資源管理角度進(jìn)行聯(lián)合子載波分配和功率控制,能夠大幅提升D2D組播組數(shù)據(jù)速率之和。
【圖文】：

圖 3.3 聯(lián)合分配上下行子載波資源系統(tǒng)模型圖Figure 3.3 System model of joint uplink and downlink subcarrier assignment此外，二元變量,ui j 和,di j 的定義如下：如果 D2D 用戶復(fù)用了蜂窩用戶Uplink communication）的子載波資源，那么定義,1ui j ，反之，，則,ui ，如果 D2D 用戶復(fù)用了蜂窩用戶下行通信（Downlinkcommunication）源，那么定義 ，反之 。那么，蜂窩用戶 j 收到的信干擾比（erference-plus-noise-ratio，簡稱 SINR）如下式：,, , 01uj j Bj Nui j i i Bip gp g N ，, ,, , 01dB j B jj Ndi j i i jip gp g N ，符號(hào)jp ，ip 和B ,jp 分別表示蜂窩用戶 j 的上行通信發(fā)送功率，D2D 用的發(fā)送功率以及基站對(duì)蜂窩用戶下行通信時(shí)的發(fā)送功率，符號(hào)0N 表示性高斯白噪聲的方差。因此，蜂窩用戶 j 可以實(shí)現(xiàn)的上行通信數(shù)據(jù)速率和下行通信數(shù)據(jù)速率可

,, 2, 0 , 0,( , ) log (1 )(1 )( / ) ( / )> ( , )ui i ij j Bi j i jj j i i i jui j i jp gp gR p pp g N p g NR p p (3.11)也就是說，當(dāng) 1時(shí)，能夠得到,( , )ui j i jR p p ,> ( , )ui j i jR p p ，這也就違背了（ip ,jp ）為最優(yōu)的功率分配結(jié)果這一初始假設(shè)。所以，如果蜂窩用戶和 D2D 用戶的發(fā)送功率沒有一個(gè)是其最大的發(fā)送功率，那么二者就可以提升其發(fā)送功率直至最大功率以增大問題 2的目標(biāo)函數(shù)。因此，問題 的最優(yōu)功率分配結(jié)果將會(huì)有ip 或 者等于其最大的發(fā)送功率maxip 或maxjp 。由引理 3.1 可得，問題 的最優(yōu)發(fā)送功率的解，可以在封閉區(qū)間 的邊界處取得。由圖 3.4 所示，可行解所在區(qū)域 有四種不同的分布情況，四種不同結(jié)果受到信道增益、信干擾比閾值、最大發(fā)送功率等參數(shù)的影響。由此可以得到最優(yōu)的功率分配結(jié)果可以落在圖 3.4（b）中線1 2Y Y 或線2 3Y Y 上，或存在于圖 3.4（c）中線3 4Y Y上，或落在圖 3.4（d）中線1 5Y Y 上。為了得到功率分配結(jié)果，即用戶功率的閉式表達(dá)式，接下來證明引理 3.2。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉艷君;郭愛煌;;蜂窩系統(tǒng)中基于時(shí)延的D2D通信模式選擇算法[J];通信技術(shù);2015年07期

本文編號(hào)：2614012