5G/B5G將在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面將出現(xiàn)中繼、D2D通信、用戶自組織、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等演進(jìn),為基站選擇移動用戶作為中繼下發(fā)文件,以及移動用戶選擇其他移動用戶作為一跳中繼接入基站提供了可能。因此研究用戶中繼蜂窩系統(tǒng)下行文件分發(fā)方案,分析采用移動用戶中繼之后系統(tǒng)上行接入性能的提升,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。本文圍繞用戶中繼蜂窩系統(tǒng)的下行文件分發(fā)方案以及采用移動用戶中繼之后系統(tǒng)上行接入性能的提升展開了研究,主要工作與創(chuàng)新點如下:一、D2D下行負(fù)載分流系統(tǒng)最大化分流增益的組推送概率優(yōu)化。主要工作包含:1)在組內(nèi)與組間分享概率相等時,組與組的分享概率兩兩不等的情況下,針對D2D下行負(fù)載分流系統(tǒng)基于最大化分流增益優(yōu)化組推送概率問題,基于最優(yōu)解滿足的KKT條件,推導(dǎo)了最優(yōu)解的閉合表達(dá)式;在組分享概率存在相等的情況下,將這些分享概率相同的組合并為一組,利用分享概率兩兩不等時得到的結(jié)論,也給出了最優(yōu)解的閉合表達(dá)式。通過對閉合表達(dá)式的分析發(fā)現(xiàn),在這種情況下,最佳推送策略表明具有高共享概率的組總是需要承擔(dān)分流大部分流量。請求密度最大的組不一定要給予最高推送概率,其推送概率受其他組的共享行為影響。2)在組內(nèi)和組間概率不等的情況下,提出交替用戶組優(yōu)化算法(AGO)解決這個問題。該算法的基本思想是在給定其他用戶組的推送概率時,優(yōu)化當(dāng)前組的推送概率,這樣對每一組交替進(jìn)行得到局部最優(yōu)解。盡管得到的優(yōu)化問題是非凸的,但是所提出的迭代算法具有多項式復(fù)雜度。3)仿真驗證了組內(nèi)與組間分享概率相等時的最優(yōu)分流性能的正確性,并證明了所提迭代算法的收斂性。二、共信道干擾D2D負(fù)載分流系統(tǒng)最大化分流用戶密度的文件緩存優(yōu)化。主要工作包含:1)在共信道干擾D2D負(fù)載分流系統(tǒng)中,考慮了移動用戶的連接偏置、共信道干擾和信道衰落對負(fù)載分流的影響,運(yùn)用隨機(jī)幾何理論,通過計算用戶與不同組之間建立D2D連接的概率以及不同組的D2D活躍用戶比例,推導(dǎo)了D2D成功傳輸概率,也即D2D接收SIR高于正確解調(diào)閾值的概率。2)針對無偏置情況下基于最大化成功分流用戶密度的最優(yōu)組緩存策略問題,根據(jù)凸問題的KKT條件,推導(dǎo)了最優(yōu)組緩存用戶密度的閉式解。3)針對有偏置一般情況下基于最大化成功分流用戶密度的最優(yōu)組緩存策略問題,提出了一種基于梯度投影更新算法,該算法可以收斂到優(yōu)化問題的全局最優(yōu)解;此外,通過D2D成功傳輸概率的漸進(jìn)近似,對原問題進(jìn)行了簡化,并對該簡化問題提出了低復(fù)雜度的迭代算法,來計算漸近形式下的優(yōu)化問題的緩存用戶密度。4)仿真驗證了理論分析得到的D2D成功傳輸概率及其漸近逼近的正確性,以及所提算法的有效性;仿真結(jié)果表明,所提算法在負(fù)載分流性能方面優(yōu)于其他文獻(xiàn)提出的組緩存策略。三、D2D中繼接入系統(tǒng)速率提升分析。主要工作包括:1)提出了用D2D中繼接入覆蓋概率與不采用D2D中繼接入的直接接入模式下的中斷概率的乘積所定義的接入概率,來衡量D2D中繼系統(tǒng)接入速率性能提升的方法;2)通過推導(dǎo)接入用戶與最近用戶中繼間的距離分布,得到D2D中繼模式下的覆蓋概率;根據(jù)用戶中繼與基站間距離的概率密度函數(shù),推導(dǎo)了直接接入模式下的中斷概率;從而得到了接入概率的表達(dá)式。3)仿真驗證了分析得到的理論結(jié)果的正確性;仿真結(jié)果表明,在高接收門限和長傳輸距離的場景下,D2D中繼模式的采用在接入速率的提升方面,較直接接入模式有顯著提升。四、D2D上行中繼接入系統(tǒng)平均接入功率性能提升分析。主要工作包括:1)在D2D中繼選擇為功率節(jié)省超過門限要求才允許進(jìn)行D2D中繼傳輸?shù)臈l件下,首先將中繼選擇的功率要求轉(zhuǎn)化為中繼用戶選擇的位置約束,證明了滿足D2D一跳功率要求的中繼用戶只存在于特定的圓形區(qū)域內(nèi)。2)基于所獲得的“中繼區(qū)域”推導(dǎo)得到了D2D中繼接入的中斷概率。3)D2D中繼網(wǎng)絡(luò)接入的功耗性能被分兩個階段分別進(jìn)行評估。通過應(yīng)用格林定理對平面上的雙重積分運(yùn)算進(jìn)行化簡和適當(dāng)?shù)淖兞刻鎿Q,推導(dǎo)得出了每個階段的平均功耗的閉合表達(dá)式。并且提供了兩種特殊情況下的簡化表達(dá)式。4)通過數(shù)值仿真證實了理論推導(dǎo)結(jié)果的正確性以及系統(tǒng)參數(shù)對接入功率性能的影響。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【文章目錄】：
摘要
Abstract
縮略詞
符號說明
第一章 緒論
    1.1 研究背景以及意義
        1.1.1 5G/B5G系統(tǒng)的業(yè)務(wù)密度和數(shù)據(jù)量顯著提升
        1.1.2 5G/B5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變革
        1.1.3 結(jié)論
    1.2 研究文獻(xiàn)綜述
        1.2.1 用戶中繼下行數(shù)據(jù)分發(fā)文獻(xiàn)綜述
        1.2.2 用戶中繼上行接入文獻(xiàn)綜述
        1.2.3 研究現(xiàn)狀分析
    1.3 論文研究內(nèi)容簡介
        1.3.1 論文研究思路
        1.3.2 論文工作創(chuàng)新點
第二章 D2D下行負(fù)載分流系統(tǒng)最大化分流增益的文件推送優(yōu)化
    2.1 引言
    2.2 問題表述
        2.2.1 系統(tǒng)模型
        2.2.2 D2D分流增益
        2.2.3 最大化分流增益的優(yōu)化問題
        2.2.4 優(yōu)化問題求解思路
    2.3 組內(nèi)與組間分享概率相等時問題的閉式解
        2.3.1 組分享概率兩兩不等場景下的閉式解
        2.3.2 組分享概率存在相等場景下的閉式解
    2.4 組內(nèi)和組間分享概率不等時問題的求解
        2.4.1 算法思路
        2.4.2 轉(zhuǎn)化為一維凸優(yōu)化問題求解
        2.4.3 算法歸納
        2.4.4 算法的收斂性
    2.5 仿真結(jié)果
        2.5.1 組內(nèi)與組間分享概率相等場景中的負(fù)載分流性能
        2.5.2 AGO算法性能
    2.6 本章小結(jié)
第三章 存在共信道干擾的D2D負(fù)載分流系統(tǒng)中最大化分流用戶密度的文件緩存優(yōu)化
    3.1 引言
    3.2 系統(tǒng)模型
        3.2.1 用戶分組及分布
        3.2.2 D2D連接選擇參考量
        3.2.3 接收UR的信干比
    3.3 D2D分流用戶密度推導(dǎo)
        3.3.1 D2D分流用戶密度
m表達(dá)式推導(dǎo)'>        3.3.2 P_m表達(dá)式推導(dǎo)
m的推導(dǎo)'>        3.3.3 比例因子ρ_m的推導(dǎo)
m
th[SIR_m>γ_th]表達(dá)式推導(dǎo)'>        3.3.4 Pm
th[SIR_m>γ_th]表達(dá)式推導(dǎo)
    3.4 最大化D2D分流用戶密度的緩存策略優(yōu)化問題
        3.4.1 優(yōu)化問題表述
        3.4.2 優(yōu)化問題在無偏置場景下的理論分析
        3.4.3 基于梯度投影法的優(yōu)化問題迭代算法
        3.4.4 優(yōu)化問題的漸進(jìn)近似
    3.5 仿真結(jié)果
        3.5.1 D2D成功概率
        3.5.2 分流用戶密度
        3.5.3 組緩存策略分析
    3.6 本章小結(jié)
第四章 D2D上行中繼接入網(wǎng)絡(luò)中接入速率性能提升分析
    4.1 引言
    4.2 系統(tǒng)模型
        4.2.1 直接接入模式
        4.2.2 D2D中繼接入模式
    4.3 接入速率提升性能指標(biāo)
        4.3.1 D2D中繼接入模式下的覆蓋概率分析
        4.3.2 中繼接入的第一跳階段
        4.3.3 中繼接入的第二跳階段
        4.3.4 直接接入模式下的中斷概率分析
    4.4 仿真結(jié)果
    4.5 本章小結(jié)
第五章 D2D上行中繼接入網(wǎng)絡(luò)中接入功耗性能提升分析
    5.1 引言
    5.2 系統(tǒng)模型
    5.3 基于功率節(jié)省的中繼選擇
    5.4 中斷概率
    5.5 D2D中繼接入的平均功耗
        5.5.1 D2D中繼接入的第一階段
        5.5.2 D2D中繼接入的第二階段
        5.5.3 總功耗
    5.6 仿真結(jié)果
        5.6.1 中斷概率
        5.6.2 功率消耗
    5.7 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
    6.1 工作總結(jié)及貢獻(xiàn)
    6.2 進(jìn)一步研究方向
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位論文期間的研究成果
致謝

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本文編號：2827235

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