蜂窝网络中D2D通信的能效优化资源分配算法研究

发布时间：2020-07-23 04:57

【摘要】：作为5G的关键技术之一,终端到终端(Device-to-Device,D2D)通信是一种不经过基站转发而直接进行数据通信的短距离通信技术,在扩展蜂窝通信、应急通信、物联网等方面具有广泛应用前景。但在蜂窝网络中引入D2D通信,复用蜂窝用户信道会造成严重干扰,导致系统性能下降,影响用户端设备电池使用寿命。因此,如何在复用信道的同时减少干扰、降低能耗,成为现阶段研究的关键问题之一。论文针对蜂窝和D2D混合网络,研究联合功率控制和信道分配抑制干扰、提升系统能效的方法。主要内容如下:(1)构建混合网络干扰模型,分析一对一、多对一复用场景中的干扰原理以及不同因素对系统性能的影响,研究抑制干扰提升能效的方法,并对现有功率控制算法和信道分配算法进行了对比分析。(2)针对在一对一复用场景下蜂窝用户(Cellular User)与D2D用户间存在干扰导致能效降低的问题,将资源分配问题划分为功率控制和信道分配两个子问题,提出基于Lambert W函数的功率分配算法和基于Gale-Shapley方法的信道匹配算法。首先,以最大化单个D2D用户能效为目标,在满足蜂窝用户最低信干噪比条件下,利用Lambert W函数推导出功率分配闭合表达式。然后,利用得到的功率分配结果,以最大化蜂窝用户信干噪比和D2D用户能效为目标,基于Gale-Shapley婚姻匹配方法提出最大化能量效率的信道匹配算法,得到最优资源分配方案。仿真结果表明,论文所提算法不仅能够保证蜂窝用户速率,而且能够提升系统能效和D2D用户性能。(3)针对引入多个D2D用户复用同一个蜂窝用户信道资源导致系统性能恶化的问题,考虑蜂窝用户信干噪比要求,联合功率控制和信道分配,提出一种基于迭代组合拍卖的资源分配算法。该算法以最大化系统能量效率为目标,把问题求解过程描述为迭代组合拍卖模型,将复用同一信道的D2D用户作为资源包,基站作为拍卖者,蜂窝用户作为竞拍者。在满足蜂窝用户最低性能要求下,首先利用调整功率步进的方式获得D2D用户最佳功率分配值,并计算资源包报价。然后,拍卖者将资源包分配给报价最高的竞拍者,通过迭代获得最优资源分配方案。仿真表明,论文所提算法保证了蜂窝用户和D2D用户的传输速率,有效地提升系统整体能效和传输速率。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5
【图文】：

示意图,蜂窝,传输速率,情况

(a)蜂窝用户受到干扰的情况 (b) D2D 用户受到干扰的情况图 2.4 蜂窝用户和 D2D 用户受到干扰的情况Fig 2.4 The interference of cellular users and D2D users(a)蜂窝用户传输速率 (b) D2D 用户传输速率图 2.5 蜂窝用户和 D2D 用户传输速率示意图

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(a)蜂窝用户传输速率 (b) D2D 用户传输速率图 2.5 蜂窝用户和 D2D 用户传输速率示意图Fig 2.5 The rate of Cellular User and D2D User图 2.4(a)给出了蜂窝用户受到的不同位置上的 D2D 用户的干扰图，x 坐标和 y坐标表示 D2D 用户的地理位置，z 坐标表示 D2D 在不同位置上对小区基站收到的蜂窝用户信号的干扰。可以看出 D2D 用户距离基站越远，基站受到的干扰越小；距离基站越近，基站受到的干扰越大。图 2.3(b)给出了不同位置上的 D2D 用户受到蜂窝用户的干扰图。可以看到 D2D 用户的位置距离蜂窝用户发射端越远，所受到的蜂窝用户干扰越小；反之，干扰越大。图 2.4(a)和图 2.4(b)分别为蜂窝用户传输速率和 D2D 用户传输速率。对比图2.3(a)和图 2.4(a)可知，如果 D2D 用户对蜂窝用户产生的干扰越小，蜂窝用户的传输速率就越大。对比图 2.3(b)和图 2.4(b)可知，如果蜂窝用户带给 D2D 用户的干扰越小，D2D 用户的传输速率越大。因此，合理的选择与蜂窝用户复用频谱资源的

【参考文献】