蜂窝与D2D混合组网下的资源分配研究
发布时间：2020-11-10 01:08
随着移动通信和智能终端的发展,移动数据量急剧增加,移动业务的种类也日益多样化,运营商面临着严重频谱资源不足的挑战。为了应对各种通信场景和业务的需求,第五代(Fifth-Generation,5G)移动通信系统提出支持高达数十Gbps的峰值速率和1百万台/平方公里的海量连接密度的性能指标。传统以基站侧为中心的蜂窝网络将面临严重的频谱效率低和基站超负荷等问题,5G网络架构中将终端直连通信(Device-to-Device Communication,D2D)引入蜂窝网络,使其作为对基站侧通信的补充机制,通过复用小区蜂窝用户(Cellular UE,CU)频谱资源进行终端设备间的直接数据通信,可以减轻基站侧负载,满足海量用户终端的连接需求、增强小区覆盖和提升整体用户速率。目前,蜂窝与D2D混合组网已经成为5G通信系统的主流网络架构之一。本文主要研究蜂窝与D2D混合组网架构中的资源分配问题。主要研究内容分为以下两个部分:首先,本文针对基于D2D多播的文件分发场景中面临的D2D多播容量受限于簇内信道质量最差用户和D2D多播复用小区蜂窝用户信道产生的同频干扰的问题,提出了一种新的分簇策略与资源分配的联合优化算法,在保证蜂窝和 D2D 用户最小信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR)前提下,最大化系统总容量。由于该优化问题的最优解难以获得,本文通过将该问题分解成功率控制子问题和用户分簇与信道分配子问题求得其次优解。其中,分簇策略采用改进k-medoids的基于用户信道质量的多播分簇算法,在保证D2D用户公平性的前提下提升了瓶颈用户吞吐量,然后通过联合分簇策略和信道分配,减小信道复用产生的同频干扰。仿真表明,所提算法相比传统分簇策略能够显著提升多播簇容量,并提升系统总吞吐量。其次,针对在实际通信场景中瞬时信道状态信息(Channel State Information,CSI)难以获取的问题以及D2D终端的移动性和用户间的社交互动对D2D链路可靠性的影响,本文通过统计CSI和用户社交统计信息分别对无线链路状态和D2D链路可靠性进行刻画,在蜂窝与D2D混合组网下提出一种基于统计信息的资源分配策略。该资源分配方案实现了在保证CU最小各态历经容量和D2D用户最小成功传输概率的服务质量(Quality of Service,QoS)的前提下,最大化CU各态历经容量。为了刻画D2D通信链路的可靠性,本文将社交网络中用户的平均交互持续时间作为社交统计量,并根据用户的平均交互持续时间为D2D用户定义一个成功传输概率,一个可靠的D2D链路应该满足成功传输概率大于规定的最小成功传输概率门限。由于所提问题中的干扰只存在于每个CU-D2D对之间,本文先针对每个CU-D2D对求得其最优功率分配,然后通过匹配算法求出最优频谱复用方式。仿真表明,所提算法在保证蜂窝用户容量的同时,利用用户社交统计信息提高了 D2D链路的可靠性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：
?所有图和表的列表??图１．１?面向５Ｇ的Ｄ２Ｄ通信技术?１??图２．１基于通信频段的Ｄ２Ｄ通信分类?８??图２．２?Ｄ２Ｄ会话发起流程?１０??图２．３?Ｄ２Ｄ通信的应用?１１??图２．４基于社交网络的Ｄ２Ｄ通信?１２??图２．５蜂窝与Ｄ２Ｄ混合组网下的资源复用?１４??图３．１系统模型?２１??图３．２功率控制接入条件?２４??图３．３不同算法Ｄ２Ｄ多播簇中最小吞吐量（Ｋ＝９）??２８??图３．４?Ｄ２Ｄ多播簇个数与系统总吞吐量关系（ｒ＝３０ｍ）??２９??图３．５?Ｄ２Ｄ多播簇半径与系统总吞吐量关系（Ｋ＝９）??３０??图４．１基于社交网络的Ｄ２Ｄ通信系统模型?３２??图４．２功率可行域?３７??图４．３不同算法下用户性能与最小成功传输概率门限对比图（Ｍ＝２０，??Ｎ＝１０）??４１??图４．４蜂窝总容量与最小成功传输概率门限关系?４２??图４．５蜂窝用户总容量与Ｄ２Ｄ最大通信半径关系（Ｍ＝２０）??４３??表３．１?Ｄ２Ｄ多播分簇与信道分配算法?２７??表３．２仿真参数?２８??表４．１仿真
从不同的分类角度对Ｄ２Ｄ通信做简要介绍。??？基于Ｄ２Ｄ通信频段分类??如图２．１所示，Ｄ２Ｄ通信根据其占用的频段资源不同，可分为ＯｕｔｂａｎｄＤ２Ｄ??和ＩｎｂａｎｄＤ２Ｄ两大类。其中，ＯｕｔｂａｎｄＤ２Ｄ采用非授权频段进行通信，例如采??用ＩＳＭ频段通信的Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ等技术。由于其干扰不受控制，可能导??致用户服务质量较差。Ｉｎｂａｎｄ?Ｄ２Ｄ采用运营商授权频段进行通信，与基于ＩＳＭ??频段的Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等技术相比，其最大的优势在于Ｉｎｂａｎｄ?Ｄ２Ｄ在通信过程中的??干扰环境可控，用户所采用的信道以及发射功率等资源都可以由基站统一管理，??能够保证Ｄ２Ｄ通信质量，提高用户体验。目前关于Ｄ２Ｄ通信的研究大部分都??集中于ＩｎｂａｉｉｄＤ２Ｄ的研宄。根据Ｄ２Ｄ用户占用蜂窝频谱资源的方式不同，可??进一步将Ｉｎｂａｎｄ?Ｄ２Ｄ的工作模式分为专用模式（Ｏｖｅｒｌａｙ?ｍｏｄｅ）和复用模式??（Ｕｎｄｅｒｌａｙ?ｍｏｄｅ）。在专用模式中
随着互联网和移动智能终端的发展，基于用户地理位置的服务和各种社交??ＡＰＰ不断兴起，Ｄ２Ｄ通信的应用日益广泛。??图２．３为Ｄ２Ｄ通信的主要应用场景。从应用价值来讲，３ＧＰＰ?ＳＡ丨中把Ｄ２Ｄ??应用分成以下两大类［１８１：??＊商业应用场景〖６】??（１）基于地理位置的广告推送：随着基于用户地理位置服务的普及，商家??等信息发布者可以精确定位目标用户，并以本地多播／广播等方式通过Ｄ２Ｄ通??信给目标群体推送广告信息。此外，通过Ｄ２Ｄ通信帮助基站下行传输还可以提??１０??
【参考文献】
本文编号：2877236
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：
?所有图和表的列表??图１．１?面向５Ｇ的Ｄ２Ｄ通信技术?１??图２．１基于通信频段的Ｄ２Ｄ通信分类?８??图２．２?Ｄ２Ｄ会话发起流程?１０??图２．３?Ｄ２Ｄ通信的应用?１１??图２．４基于社交网络的Ｄ２Ｄ通信?１２??图２．５蜂窝与Ｄ２Ｄ混合组网下的资源复用?１４??图３．１系统模型?２１??图３．２功率控制接入条件?２４??图３．３不同算法Ｄ２Ｄ多播簇中最小吞吐量（Ｋ＝９）??２８??图３．４?Ｄ２Ｄ多播簇个数与系统总吞吐量关系（ｒ＝３０ｍ）??２９??图３．５?Ｄ２Ｄ多播簇半径与系统总吞吐量关系（Ｋ＝９）??３０??图４．１基于社交网络的Ｄ２Ｄ通信系统模型?３２??图４．２功率可行域?３７??图４．３不同算法下用户性能与最小成功传输概率门限对比图（Ｍ＝２０，??Ｎ＝１０）??４１??图４．４蜂窝总容量与最小成功传输概率门限关系?４２??图４．５蜂窝用户总容量与Ｄ２Ｄ最大通信半径关系（Ｍ＝２０）??４３??表３．１?Ｄ２Ｄ多播分簇与信道分配算法?２７??表３．２仿真参数?２８??表４．１仿真
从不同的分类角度对Ｄ２Ｄ通信做简要介绍。??？基于Ｄ２Ｄ通信频段分类??如图２．１所示，Ｄ２Ｄ通信根据其占用的频段资源不同，可分为ＯｕｔｂａｎｄＤ２Ｄ??和ＩｎｂａｎｄＤ２Ｄ两大类。其中，ＯｕｔｂａｎｄＤ２Ｄ采用非授权频段进行通信，例如采??用ＩＳＭ频段通信的Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ等技术。由于其干扰不受控制，可能导??致用户服务质量较差。Ｉｎｂａｎｄ?Ｄ２Ｄ采用运营商授权频段进行通信，与基于ＩＳＭ??频段的Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ等技术相比，其最大的优势在于Ｉｎｂａｎｄ?Ｄ２Ｄ在通信过程中的??干扰环境可控，用户所采用的信道以及发射功率等资源都可以由基站统一管理，??能够保证Ｄ２Ｄ通信质量，提高用户体验。目前关于Ｄ２Ｄ通信的研究大部分都??集中于ＩｎｂａｉｉｄＤ２Ｄ的研宄。根据Ｄ２Ｄ用户占用蜂窝频谱资源的方式不同，可??进一步将Ｉｎｂａｎｄ?Ｄ２Ｄ的工作模式分为专用模式（Ｏｖｅｒｌａｙ?ｍｏｄｅ）和复用模式??（Ｕｎｄｅｒｌａｙ?ｍｏｄｅ）。在专用模式中
随着互联网和移动智能终端的发展，基于用户地理位置的服务和各种社交??ＡＰＰ不断兴起，Ｄ２Ｄ通信的应用日益广泛。??图２．３为Ｄ２Ｄ通信的主要应用场景。从应用价值来讲，３ＧＰＰ?ＳＡ丨中把Ｄ２Ｄ??应用分成以下两大类［１８１：??＊商业应用场景〖６】??（１）基于地理位置的广告推送：随着基于用户地理位置服务的普及，商家??等信息发布者可以精确定位目标用户，并以本地多播／广播等方式通过Ｄ２Ｄ通??信给目标群体推送广告信息。此外，通过Ｄ２Ｄ通信帮助基站下行传输还可以提??１０??
【参考文献】
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1 杜柏生;无线物理层多播中的预编码技术研究[D];中国科学技术大学;2014年
本文编号：2877236
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