【摘要】：為應對5G超低時延、海量設(shè)備互聯(lián)、超高流量密度以及高移動性等方面的挑戰(zhàn),本文著眼于端到端(D2D,Device to Device)通信技術(shù)展開研究。蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信技術(shù)從提高資源空間利用率的角度出發(fā),通過復用蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)用戶間直接傳輸,能夠有效的減小發(fā)射功率、提高資源利用率、提升系統(tǒng)容量。D2D通信無需基站中轉(zhuǎn),因而還可減小端到端傳輸時延并減輕基站負載。此外,與傳統(tǒng)近距離通信技術(shù)相比,蜂窩網(wǎng)絡(luò)管理下的D2D通信能夠在干擾可控環(huán)境中建立更為可靠的傳輸鏈路。因此,蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信技術(shù)不僅能夠提升原有蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能,還能夠服務(wù)于大規(guī)模機器類通信等新興應用,是一項極具應用前景的5G候選技術(shù)。為突破用戶間信道條件和蜂窩通信干擾約束對D2D通信的限制,在D2D通信中引入中繼實現(xiàn)協(xié)作傳輸,可進一步提升D2D通信性能、擴展D2D通信應用場景。此外,低時延高可靠的D2D通信技術(shù)能夠為智能交通系統(tǒng)和移動互聯(lián)網(wǎng)提供有效技術(shù)支撐,因此移動場景下D2D通信也逐漸受到關(guān)注。在上述場景中,允許D2D通信復用蜂窩授權(quán)頻譜資源可提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率,但隨之而來的共信道干擾對實現(xiàn)D2D通信的技術(shù)優(yōu)勢、保障原有蜂窩通信性能帶來了新的挑戰(zhàn)。為滿足5G對于大幅提升頻譜效率和能量效率的迫切需求,本文針對中繼D2D通信和移動D2D通信的資源分配技術(shù)展開研究,取得的主要成果總結(jié)如下:1、對蜂窩網(wǎng)絡(luò)下中繼D2D通信中面向能量效率的資源分配策略展開研究。中繼的引入在提高D2D通信傳輸可靠性及頻譜效率的同時,也帶來了額外的發(fā)射功率和電路功率消耗。未來5G通信不僅追求更高的傳輸速率,還要求獲得高能量效率,真正實現(xiàn)綠色通信。針對這一目標,本文針對中繼D2D通信中能量效率進行了理論分析并提出了最大化D2D通信能量效率的資源分配策略�！ぬ岢隽俗畲蠡芰啃实墓β士刂撇呗浴Ｊ紫葘Υ嬖诠残诺栏蓴_的中繼D2D通信的平均能量效率進行了理論分析,得到其閉式表達式。同時,在實際通信系統(tǒng)中用戶頻譜效率是由信干噪比量化而形成的信道質(zhì)量指示(CQI,Channel Quality Identity)等級確定的,發(fā)射功率增加而CQI等級不變時,額外的功率消耗并不會提高頻譜效率,反而降低系統(tǒng)能量效率。因此本文在理論分析的基礎(chǔ)上提出了基于CQI等級的中繼用戶發(fā)射功率控制策略,在保障蜂窩通信干擾功率約束的同時最大化D2D通信能量效率。該策略根據(jù)CQI等級將發(fā)射功率離散后進行功率控制,能夠避免不必要的功率調(diào)整和無效的發(fā)射功率消耗�！こ斯β士刂仆�,D2D通信中復用信道選擇以及通信模式選擇也是提高D2D通信能量效率、保障蜂窩通信性能的有效手段,因此本文提出了一種功率-信道-模式聯(lián)合優(yōu)化的資源分配策略。該策略在保障蜂窩用戶服務(wù)質(zhì)量要求的條件下,最大化D2D通信能量效率。利用用戶傳輸模式唯一性以及D2D用戶間資源正交性,將三維優(yōu)化問題進行分解并設(shè)計了相應功率迭代求解算法和整體求解流程。2、對中繼D2D通信中面向EE-SE優(yōu)化的功率控制策略展開研究。頻譜效率和能量效率是5G網(wǎng)絡(luò)兩項關(guān)鍵技術(shù)指標,而最大化能量效率與最大化頻譜效率間存在非一致性,且單獨優(yōu)化任一指標無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體性能最優(yōu)。為此,本文研究了中繼D2D通信中能量效率和頻譜效率的折中問題。為了刻畫資源復用模式對于蜂窩通信的影響,本文首先分析了共信道干擾存在時蜂窩通信的中斷性能,并推導得到了中斷概率的理論表達式。在此基礎(chǔ)上,以中斷概率為約束,在保障D2D通信能量效率約束的條件下,通過最大化D2D通信的頻譜效率對中繼用戶的發(fā)射功率進行了優(yōu)化。其次,為了進一步提升中繼D2D通信性能,本文對源用戶-中繼用戶的發(fā)射功率進行了聯(lián)合優(yōu)化。在保障蜂窩干擾功率約束及D2D通信能量效率約束條件下,通過最大化D2D通信的頻譜效率得到了源-中繼用戶的最優(yōu)發(fā)射功率,并分析了能量效率門限對最優(yōu)發(fā)射功率的影響。此外,盡管復用模式下蜂窩網(wǎng)絡(luò)可在相同資源上服務(wù)更多用戶,隨之而來的共信道干擾會引起原有蜂窩通信性能的下降。為了評估引入D2D通信后網(wǎng)絡(luò)的整體性能,本文提出網(wǎng)絡(luò)頻譜效率變化函數(shù)并分析了蜂窩通信干擾門限對D2D-蜂窩兩者性能折中的影響。3、針對移動環(huán)境下D2D通信能量效率和頻譜效率優(yōu)化展開研究,并從經(jīng)濟效益角度分析了二者間折中。為了準確的描述移動環(huán)境中D2D通信收發(fā)端移動性以及車輛密度對無線信道傳播特性的影響,本文采用三維車輛與車輛間信道模型并分析了不同車輛密度場景下能量效率與頻譜效率間的相互關(guān)系。可觀察到在高車輛密度場景下,在能量效率峰值點略微減小能量效率可獲得頻譜效率的顯著提升;在低車輛密度場景下,在頻譜效率峰值點略微減小頻譜效率能夠帶來能量效率明顯的上升。因此本文提出了面向不同車輛密度場景的功率分配策略,即在低車輛密度場景下最大化能量效率而在高車輛密度場景中最大化頻譜效率,并分別得到了最優(yōu)發(fā)射功率表達式。為了進一步優(yōu)化發(fā)射功率中能量效率/頻譜效率門限,本文采用經(jīng)濟效益作為性能指標,從網(wǎng)絡(luò)開銷和系統(tǒng)收益的角度對能量效率和頻譜效率的折中進行了定量評估。仿真結(jié)果表明經(jīng)濟效益指標能夠為不同通信條件下能量效率和頻譜效率折中問題提供統(tǒng)一的度量標準。
【圖文】：

UHD/圖1.2 5G網(wǎng)絡(luò)通信類型及典型應用除了通信終端類型多樣，不同應用場景下無線傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)指標也千差萬別。根據(jù)用戶移動性及不同應用場景、數(shù)據(jù)速率和時延等關(guān)鍵技術(shù)指標，未來5G應用場景可分為增強移動寬帶（eMBB，，enhanced Mobile BroadBand）、超可靠超低時延通信（URLLC，Ultra Reliable and Low Latency Communications）和大規(guī)模機器類型通信（mMTC，massive Machine Type Communication）三大類，具體如圖1.3所示。xMBBmMTC uMTC>1 Gbps/<10 ms E2E>300 Mbps/>1 million />10>50 Mbps/<10 ms E2E<5 ms E2E>100 Mbps/圖1
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.5

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4 張知v

本文編號：2661245