LTE-A系统下D2D通信能效技术研究

发布时间：2020-06-24 14:42

【摘要】：随着移动互联业务的不断发展,终端对电池电量的需求越来越大,使得移动终端能量消耗问题日益严重,在设备直连技术(Device-to-Device,D2D)中尤为突出。同时移动终端较短的电池寿命严重制约了用户的服务体验,使得如何提高系统的能量效率显得极为重要,因此本文主要研究了增强版长期演进(Long Term Evolution Advanced,LTE-A)系统下设备直连通信技术的能效,在满足所有用户服务质量条件下,通过适当的资源分配策略和功率控制策略,来提升D2D通信的能效。在一个D2D对(D2D Pair,DP)复用多个蜂窝用户(Cell User,CU)的上行链路资源,且一个CU的上行链路资源至多能被一个DP所复用的场景下,本文主要考虑DP如何复用CU的资源,以及在资源分配后如何进行功率控制来实现DP能效的优化。本文首先将该模式下的能效优化问题,转化为两个子问题:资源分配和功率控制问题,并进行分段解决。通过基于粒子群优化的资源分配策略,使得系统中的上行链路资源得到有效的利用,在设计适应度函数时,本文综合考虑DP的服务质量和系统的总能效,设计了基于信道增益和DP服务质量的适应度函数,同时设计了自适应扰动的惯性权重调节策略。之后,在资源分配的基础上,进行了适当的功率控制,以D2D系统的总能效作为优化目标,采用Dinkelbach算法求解最优的功率分配。合理地提升了D2D系统的总能效,实现了一个DP能复用多个CU上行链路资源。最后仿真结果与分析验证了本文所提策略的可行性,并对不断变化的通信环境具有较强的适应性,策略在提高38%左右系统能效的同时,更多DP能接入到网络中,功率得到降低,DP的总吞吐量得到了有效的提高。在多个DP能复用一个CU上行链路资源场景下的D2D通信能效研究中,针对系统中复杂的干扰问题,本文提出一种基于改进自适应差分进化(Improved adaptive differential evolution,IADE)算法的联合资源分配和功率控制策略。在IADE算法中,将构造的资源分配矩阵和功率控制矩阵合并作为一个个体基因,把蜂窝用户的服务质量约束条件当作一个优化目标,从而将能效优化问题转化为有两个目标函数的多目标优化问题,并且将DP服务质量的约束条件用来修正个体。为了提高算法的搜索能力和收敛速度,利用个体适应度值的差别指导缩放因子的更新,同时采用非线性动态策略增加交叉概率,当个体都为不可行解时采用基于个体片段的选择策略,使较优的片段进入下一代个体中,合理地提升了DP的总能效并实现了DP和CU资源的多对多复用。仿真结果表明提出的IADE算法不仅能效显著提升了近75%,接入率也随之提高。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5
【图文】：

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预计到 2021 年达到 116亿部，移动网络连接平均速度将从 6.8Mbps 增到 20.4Mbps，具体的增长趋势如图1.1，图 1.2 所示。这些数据的增长使得移动通信面临的挑战越来越严峻，尤其是在频谱资源和能量效率方面。图 1.1 移动终端数目的增长趋势图 1.2 网络连接速度的增长趋势呈指数增长的移动数据通信使原本匮乏的频谱资源变得越来越紧张。为了应对如此大规模的设备对频谱资源的需求，一些能提升频谱利用率的技术被提出，如稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access, SCMA)，认知无线电(Cognitive Radio,CR)。其中设备直连(Device-to-Device, D2D)通信技术作为提升蜂窝系统频谱效率，缓解频谱压力的一项关键技术被引入到未来第五代移动通信网络(The Fifth

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至 1978 年贝尔实验室开发出首个呈蜂窝形状的移动通信网，移动通信进入到了飞速发展的阶段。经过四十年的不断发展，移动通信从以模拟技术为主的第一代移动通信系统发展到如今已大量商用的第四代数字移动通信系统，并且第五代的研究早已拉开帷幕，预计在 2020 年实现大规模商用。移动通信技术不断地向前发展，通信中的数据传输速率也在持续提升，新兴移动互联业务越来越多样。数字芯片技术的不断发展推动了移动终端的价格降低，使得移动终端的拥有量增高，终端数目出现爆发式增长，数据通信量出现了前所未有的增长。根据思科视觉网络指数[1]显示，2016 年全球移动终端数量超过 80 亿部，预计到 2021 年达到 116亿部，移动网络连接平均速度将从 6.8Mbps 增到 20.4Mbps，具体的增长趋势如图1.1，图 1.2 所示。这些数据的增长使得移动通信面临的挑战越来越严峻，尤其是在频谱资源和能量效率方面。

【参考文献】