本文關(guān)鍵詞：D2D通信無線資源分配研究

  更多相關(guān)文章： 5G D2D直通通信 頻譜共享 資源分配 凸優(yōu)化

【摘要】：近年來,隨著智能通信終端的普及和移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)步,近距離通信服務(wù)的需求越來越多,例如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共享、本地多播和廣播等。為了滿足這些業(yè)務(wù)日益增長的高傳輸速率要求,提升用戶的服務(wù)體驗(yàn),同時(shí)減少電信運(yùn)營商由于擴(kuò)容而增加的運(yùn)行成本,終端直通(Device-to-Device,D2D)通信技術(shù)被廣泛認(rèn)為是下一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù),鄰近用戶之間的通信可以不經(jīng)過基站(Base Station,BS)的中繼而直接傳輸。由于直通鏈路距離短,D2D通信可以帶來信道增益、復(fù)用增益和跳數(shù)增益,有助于提高通信系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。但是另一方面,D2D通信也給蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來了更加復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境。如果干擾不能得到有效控制,D2D通信會(huì)損害其他用戶的通信質(zhì)量從而降低系統(tǒng)的總體性能。因此,有效的干擾管理機(jī)制是發(fā)揮D2D通信潛在優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵,也是其難點(diǎn)。本文致力于D2D通信干擾管理和資源分配研究,從干擾協(xié)調(diào)、資源優(yōu)化的角度出發(fā),解決D2D通信和傳統(tǒng)蜂窩通信的共存問題,主要研究內(nèi)容包括以下四個(gè)部分:(1)完美信道信息下基于跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)的D2D通信資源分配;(2)非完美信道信息下基于通信服務(wù)質(zhì)量(Quality-of-Service,QoS)保證的D2D通信資源分配;(3)頻譜效率優(yōu)先的D2D通信傳輸模式選擇;(4)能量效率優(yōu)先的D2D通信傳輸模式選擇。第一部分研究了在全負(fù)載的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,D2D用戶如何通過復(fù)用普通蜂窩用戶(Cellular User,CU)的頻譜資源接入網(wǎng)絡(luò)并最大化系統(tǒng)吞吐量的問題。在系統(tǒng)模型中考慮基站擁有所有相關(guān)信道的完美信道信息并同時(shí)保證CU用戶和要接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶的最小信干噪比(Signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR)需求。文中設(shè)計(jì)了聯(lián)合用戶接入控制、功率分配和信道分配的跨層優(yōu)化資源分配算法。這個(gè)算法分為三個(gè)步驟:1)根據(jù)用戶的QoS需求和功率限制,提出一個(gè)基于用戶距離的接入準(zhǔn)則。依據(jù)這個(gè)準(zhǔn)則,基站可以找出所有可以接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶,并為每對(duì)可接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶找到所有可供其復(fù)用信道的CU用戶。2)根據(jù)凸優(yōu)化理論,提出最大化D2D用戶和CU用戶總體吞吐量的最優(yōu)功率分配算法。3)利用圖論中加權(quán)二部圖的最優(yōu)匹配算法,為每對(duì)可接入網(wǎng)絡(luò)的D2D用戶找到最合適的CU復(fù)用搭檔。仿真結(jié)果表明,與已有的兩個(gè)經(jīng)典算法——Fixed Margin算法和基于混合整數(shù)非線性規(guī)劃(Mixed Iinteger Nonlinear Programming,MINLP)問題的啟發(fā)式算法相比,本文提出的跨層優(yōu)化算法能顯著提高D2D用戶的接入率以及系統(tǒng)吞吐量。此外,仿真結(jié)果還顯示出d2d通信系統(tǒng)的性能與d2d用戶的通信距離、d2d用戶在網(wǎng)絡(luò)中位置、網(wǎng)絡(luò)中cu用戶和d2d用戶的數(shù)目以及用戶的最大功率限制等參數(shù)密切相關(guān)。第二部分研究了基站對(duì)cu用戶和d2d用戶接收端之間的信道(cu-dlink)沒有完美信道信息時(shí),d2d用戶的接入控制和資源分配問題。與完美信道信息下的系統(tǒng)假設(shè)類似,文中考慮了一個(gè)全負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景并保證接入用戶的qos需求。不同的是,當(dāng)基站沒有cu-d鏈路的完美信道信息時(shí),d2d用戶接收端的最小sinr不能得到保證,因此文中用最大傳輸中斷概率來保證d2d用戶的qos需求。文中采用了基于信道概率統(tǒng)計(jì)特性的概率型資源分配策略和基于用戶選擇的有限反饋機(jī)制這兩種不同的思路來處理信道信息的不確定性。在基于信道概率統(tǒng)計(jì)特性的概率型資源分配策略中,針對(duì)不同的衰落信道模型,對(duì)于給定的傳輸中斷概率閥值,分別提出了改進(jìn)的d2d用戶最小接入距離準(zhǔn)則,并在此基礎(chǔ)上提出了概率型的用戶資源分配方案。在基于用戶選擇的有限反饋機(jī)制資源分配策略中,提出了一個(gè)選擇最優(yōu)反饋用戶的最大距離比值(maximum-distanceratio,mdr)準(zhǔn)則。兩種資源分配策略各有利弊,概率型資源分配策略不需要額外的反饋信息傳輸,但是d2d用戶出現(xiàn)傳輸中斷現(xiàn)象不可避免;而有限反饋機(jī)制存在反饋信息開銷,但是不會(huì)出現(xiàn)傳輸中斷。因此最后文中提出了綜合兩種資源分配策略各自優(yōu)點(diǎn)的混合策略資源分配算法。仿真結(jié)果表明混合策略資源分配算法對(duì)信道衰落模型變化不敏感,而且可以進(jìn)一步減小d2d用戶中斷概率和反饋信令開銷。第三部分研究了以最大化系統(tǒng)頻譜效率為目標(biāo)的d2d通信最優(yōu)傳輸模式選擇問題。文中綜合考慮用戶最小速率要求、最大功率限制以及用戶業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí),分別定義了正交模式、復(fù)用模式和基站中繼模式下系統(tǒng)頻譜效率最優(yōu)的頻譜和功率資源分配問題,然后提出了相應(yīng)的最優(yōu)算法。具體地,對(duì)于正交模式和基站中繼模式,證明了其優(yōu)化問題是擬凸優(yōu)化問題,并采用二分法(bisectionalgorithm)獲得了最優(yōu)解。對(duì)于復(fù)用模式,首先通過函數(shù)重組把優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)凸函數(shù)差的形式(differenceofconvex,d.c.),然后通過凸凹過程(concave-convexprocedure,cccp)算法獲得d.c.優(yōu)化問題的最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明基于最優(yōu)模式選擇的d2d通信能顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率。第四部分研究了以最大化用戶終端能量效率為目標(biāo)的d2d通信最優(yōu)傳輸模式選擇問題。在系統(tǒng)模型中,同時(shí)考慮了用戶發(fā)射功率消耗和固定的電路功率消耗。與頻譜效率優(yōu)先的傳輸模式選擇問題類似,文中針對(duì)d2d通信三種傳輸模式下的最優(yōu)資源分配子問題,都提出了相應(yīng)的最優(yōu)算法。與頻譜效率優(yōu)化問題相比,能量效率優(yōu)化問題更加復(fù)雜。因此,文中首先通過基于參數(shù)法的dinkelbach算法把原非線性的分?jǐn)?shù)規(guī)劃(Nonlinear Fractional Programming,NFP)問題,轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)上更容易處理的形式。在正交模式和基站中繼模式下,證明了轉(zhuǎn)化后的問題屬于標(biāo)準(zhǔn)的凸優(yōu)化問題,采用內(nèi)點(diǎn)法得到最優(yōu)解;在復(fù)用模式下,轉(zhuǎn)化后的問題可以進(jìn)一步化簡成D.C.問題,然后采用CCCP算法和內(nèi)點(diǎn)法獲得最優(yōu)解。仿真結(jié)果表明基于能量效率優(yōu)先的模式選擇能顯著提高用戶終端的能量效率。此外,仿真結(jié)果還顯示在大部分場(chǎng)景中,考慮用戶能量效率時(shí),最優(yōu)的傳輸模式是復(fù)用模式;考慮系統(tǒng)頻譜效率時(shí),最優(yōu)傳輸模式是正交模式。本文中所取得的研究成果,可以為分析更復(fù)雜的D2D通信系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ),并為設(shè)計(jì)啟發(fā)式算法提供數(shù)值依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：5G D2D直通通信 頻譜共享 資源分配 凸優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN929.5
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-16
• 縮略詞表16-18
• 主要符號(hào)表18-19
• 第一章 緒論19-37
• 1.1 引言19-20
• 1.2 研究背景20-24
• 1.2.1 移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)簡要介紹20-22
• 1.2.25G通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)22-24
• 1.3 D2D通信的特點(diǎn)及應(yīng)用24-27
• 1.3.1 D2D通信的特點(diǎn)24-26
• 1.3.2 D2D通信的應(yīng)用26-27
• 1.4 D2D通信研究現(xiàn)狀27-32
• 1.4.1 D2D通信鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制27-28
• 1.4.2 D2D通信會(huì)話建立28
• 1.4.3 D2D通信干擾協(xié)調(diào)28-30
• 1.4.4 D2D通信傳輸模式選擇30-32
• 1.5 研究意義及動(dòng)機(jī)32-33
• 1.6 主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)33-36
• 1.6.1 主要研究內(nèi)容33-35
• 1.6.2 創(chuàng)新點(diǎn)35-36
• 1.7 論文結(jié)構(gòu)及內(nèi)容安排36-37
• 第二章 完美信道信息下基于跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)的D2D通信資源分配37-62
• 2.1 引言37-38
• 2.2 系統(tǒng)模型及問題描述38-41
• 2.2.1 系統(tǒng)模型38-39
• 2.2.2 問題描述39-41
• 2.3 基于跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)的D2D用戶接入控制和資源分配41-51
• 2.3.1 D2D用戶接入控制41-45
• 2.3.2 D2D用戶和CU復(fù)用搭檔的最優(yōu)功率分配45-49
• 2.3.3 D2D用戶和普通用戶的最優(yōu)信道配對(duì)49-51
• 2.4 仿真驗(yàn)證與性能分析51-61
• 2.4.1 仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)置52
• 2.4.2 性能分析52-61
• 2.5 本章小結(jié)61-62
• 第三章 非完美信道信息下基于服務(wù)質(zhì)量保證的D2D通信資源分配62-88
• 3.1 引言62-64
• 3.2 系統(tǒng)模型及問題描述64-67
• 3.2.1 系統(tǒng)模型64-65
• 3.2.2 問題描述65-67
• 3.3 基于信道概率統(tǒng)計(jì)特性的資源分配67-76
• 3.3.1 D2D用戶接入控制67-72
• 3.3.2 D2D用戶和CU復(fù)用搭檔的功率分配72-74
• 3.3.3 D2D用戶信道分配74-76
• 3.4 基于用戶選擇的有限反饋機(jī)制76-78
• 3.5 混合策略資源分配78
• 3.6 仿真驗(yàn)證與性能分析78-86
• 3.6.1 仿真環(huán)境78-79
• 3.6.2 性能分析79-86
• 3.7 本章小結(jié)86-88
• 第四章 頻譜效率優(yōu)先的D2D通信傳輸模式選擇88-102
• 4.1 引言88-89
• 4.2 系統(tǒng)模型及問題描述89-92
• 4.2.1 系統(tǒng)模型89
• 4.2.2 復(fù)用模式下的頻譜效率優(yōu)化問題89-90
• 4.2.3 正交模式下的頻譜效率優(yōu)化問題90-91
• 4.2.4 基站中繼模式下的頻譜效率優(yōu)化問題91-92
• 4.2.5 頻譜效率最優(yōu)的模式選擇問題92
• 4.3 頻譜效率最優(yōu)的通信資源分配92-97
• 4.3.1 復(fù)用模式下頻譜效率最優(yōu)的通信資源分配92-95
• 4.3.2 正交模式下頻譜效率最優(yōu)的通信資源分配95-96
• 4.3.3 基站中繼模式下頻譜效率最優(yōu)的通信資源分配96-97
• 4.4 仿真驗(yàn)證與性能分析97-101
• 4.4.1 仿真環(huán)境98
• 4.4.2 性能分析98-101
• 4.5 本章小結(jié)101-102
• 第五章 能量效率優(yōu)先的D2D通信傳輸模式選擇102-117
• 5.1 引言102
• 5.2 系統(tǒng)模型及問題描述102-105
• 5.2.1 系統(tǒng)模型103
• 5.2.2 復(fù)用模式下的能量效率優(yōu)化問題103-104
• 5.2.3 正交模式下的能量效率優(yōu)化問題104
• 5.2.4 基站中繼模式下的能量效率優(yōu)化問題104-105
• 5.2.5 能量效率最優(yōu)的模式選擇問題105
• 5.3 頻譜效率最優(yōu)的通信資源分配105-110
• 5.3.1 基于參數(shù)變換的Dinkelbach算法105-107
• 5.3.2 復(fù)用模式下能量效率最優(yōu)的通信資源分配107-108
• 5.3.3 正交模式下能量效率最優(yōu)的通信資源分配108-110
• 5.3.4 基站中繼模式下能量效率最優(yōu)的通信資源分配110
• 5.4 仿真驗(yàn)證與性能分析110-116
• 5.4.1 仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)置111
• 5.4.2 性能分析111-116
• 5.5 本章小結(jié)116-117
• 第六章 總結(jié)與展望117-120
• 6.1 本文總結(jié)117-119
• 6.2 下一步工作展望119-120
• 致謝120-121
• 參考文獻(xiàn)121-130
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果130-133

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本文編號(hào)：696291