【摘要】：密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過引入多種通信制式共享頻譜來提升頻譜效率,但會帶來嚴(yán)重的干擾管理問題。認(rèn)知無線電技術(shù)是解決干擾管理問題的有效途徑,所以需要密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)來滿足未來無線通信的需求。密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的用戶直連通信(Device-to-Device,D2D)作為一種低成本提升頻譜利用率的技術(shù),得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。D2D通信可以讓鄰近用戶建立直接通信鏈路,能夠有效提升頻譜利用率,與此同時,D2D通信復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的頻譜會引入嚴(yán)重的同頻干擾,尤其在用戶分布密集時干擾問題更加突出,所以密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的干擾管理問題是一個亟待解決的問題。認(rèn)知無線電技術(shù)是解決干擾管理問題的有效途徑,D2D通信作為認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)智能復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)頻譜,可以抑制授權(quán)網(wǎng)絡(luò)與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)之間的干擾。無線網(wǎng)絡(luò)資源分配作為認(rèn)知無線電的關(guān)鍵技術(shù)旨在通過合理的資源配置來緩解干擾,提高資源的利用效率,所以有必要研究密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的資源分配。論文選題依托國家自然科學(xué)基金項目“密集異構(gòu)無線環(huán)境下極化資源感知與利用研究”(項目編號61571062)。本文研究了D2D通信的資源分配算法來解決密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信產(chǎn)生的干擾管理問題,分別提出了基于位置感知超圖的D2D頻譜分配算法和基于深度強化學(xué)習(xí)的D2D資源分配算法,主要研究內(nèi)容和貢獻如下:在密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中,針對密集分布的D2D通信對與蜂窩用戶共享頻譜導(dǎo)致的累積干擾問題,提出了基于位置感知超圖的D2D頻譜分配算法。算法引入超圖來建模多個D2D用戶間的同層累積干擾關(guān)系;引入位置感知區(qū)域來建模多個D2D用戶對蜂窩用戶的跨層累積干擾關(guān)系;設(shè)計超圖著色算法,為D2D用戶分配頻譜,實現(xiàn)在保證蜂窩用戶通信質(zhì)量的前提下,最大化系統(tǒng)容量;仿真結(jié)果表明,所提算法可以將蜂窩用戶的中斷概率降低到接近0,與此同時,所提算法相比現(xiàn)有的基于圖論的方法可以達到更高的系統(tǒng)容量。因此,所提算法可以應(yīng)用于密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中D2D通信的資源分配,能夠可靠的保護蜂窩用戶通信質(zhì)量同時提升頻譜利用率。在密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中,現(xiàn)有研究提出的算法會因為設(shè)備數(shù)量的大幅增長出現(xiàn)信令開銷大、計算復(fù)雜度高等問題,所以本文提出了兩種分布式的基于深度強化學(xué)習(xí)的資源分配算法,使D2D通信對具備認(rèn)知能力,實現(xiàn)D2D通信對自主進行頻譜選擇和功率控制。兩種算法分別從單智能體強化學(xué)習(xí)和多智能體強化學(xué)習(xí)兩個角度建模D2D通信對分布式的頻譜分配與功率控制問題,從用戶的歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)策略指導(dǎo)即時的資源分配;結(jié)合位置感知區(qū)域的選擇狀態(tài)特征;設(shè)計回報函數(shù)懲罰對蜂窩用戶和D2D用戶造成有害干擾的策略,獎勵能提升D2D鏈路容量的策略;分別建立單智能體深度強化學(xué)習(xí)模型和多智能體深度強化學(xué)習(xí)模型,從而學(xué)習(xí)出個體優(yōu)化策略和合作優(yōu)化策略;仿真結(jié)果表明個體優(yōu)化策略具有更快的收斂速度,合作優(yōu)化策略可以達到更好的系統(tǒng)性能。因此,兩種算法可以分別應(yīng)用于通信環(huán)境快速變化和高通信性能要求場景下的資源分配,在不需要全局信道狀態(tài)信息的情況下,依然能夠保護蜂窩用戶和D2D用戶的通信質(zhì)量同時提升頻譜利用率。
【圖文】：

２．１密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)逡逑密集異構(gòu)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是指在用戶和接入點密集分布、多種異構(gòu)通信方式共存的逡逑密集異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用認(rèn)知無線電技術(shù)，融合多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，緩解多種逡逑異構(gòu)通信方式之間的干擾，實現(xiàn)提升頻譜效率、改善用戶服務(wù)質(zhì)量、提高網(wǎng)絡(luò)性逡逑能的一種網(wǎng)絡(luò)形式。逡逑２．１．１密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)概述逡逑隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，手機、平板電腦等移動智能設(shè)備的普及，多媒逡逑體應(yīng)用的豐富，無線通信網(wǎng)絡(luò)在大容量和高速率方面的需求迅猛增長。據(jù)思科公逡逑司２０１７年的預(yù)測，從２０１６年開始接下來的五年，，全世界范圍內(nèi)的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逡逑量將會從增長７倍［５Ｕ為了滿足移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的增長需求，ＩＭＴ－２０２０指出，在逡逑下一代移動無線通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率將達到ｌＧｂｐｓ，設(shè)備的密度將逡逑有１０倍的增長，單位面積范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)容量將提升１０００倍［６１。逡逑

Ｄ２Ｄ通信可以被分為兩類，帶外（Ｏｕｔ－ｂａｎｄ）通信和帶內(nèi)通信（Ｉｎ－ｂａｎｄ），兩逡逑類的區(qū)別在于Ｄ２Ｄ通信占用的頻譜不同。Ｄ２Ｄ通信的分類以及頻譜占用方式如逡逑圖２－２所示。逡逑９逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5

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