蜂窝网络中D2D通信资源分配策略研究

发布时间：2020-05-13 02:44

【摘要】：为应对5G超低时延、海量设备互联、超高流量密度以及高移动性等方面的挑战,本文着眼于端到端(D2D,Device to Device)通信技术展开研究。蜂窝网络下D2D通信技术从提高资源空间利用率的角度出发,通过复用蜂窝网络资源实现用户间直接传输,能够有效的减小发射功率、提高资源利用率、提升系统容量。D2D通信无需基站中转,因而还可减小端到端传输时延并减轻基站负载。此外,与传统近距离通信技术相比,蜂窝网络管理下的D2D通信能够在干扰可控环境中建立更为可靠的传输链路。因此,蜂窝网络下D2D通信技术不仅能够提升原有蜂窝网络性能,还能够服务于大规模机器类通信等新兴应用,是一项极具应用前景的5G候选技术。为突破用户间信道条件和蜂窝通信干扰约束对D2D通信的限制,在D2D通信中引入中继实现协作传输,可进一步提升D2D通信性能、扩展D2D通信应用场景。此外,低时延高可靠的D2D通信技术能够为智能交通系统和移动互联网提供有效技术支撑,因此移动场景下D2D通信也逐渐受到关注。在上述场景中,允许D2D通信复用蜂窝授权频谱资源可提升网络资源利用率,但随之而来的共信道干扰对实现D2D通信的技术优势、保障原有蜂窝通信性能带来了新的挑战。为满足5G对于大幅提升频谱效率和能量效率的迫切需求,本文针对中继D2D通信和移动D2D通信的资源分配技术展开研究,取得的主要成果总结如下:1、对蜂窝网络下中继D2D通信中面向能量效率的资源分配策略展开研究。中继的引入在提高D2D通信传输可靠性及频谱效率的同时,也带来了额外的发射功率和电路功率消耗。未来5G通信不仅追求更高的传输速率,还要求获得高能量效率,真正实现绿色通信。针对这一目标,本文针对中继D2D通信中能量效率进行了理论分析并提出了最大化D2D通信能量效率的资源分配策略。·提出了最大化能量效率的功率控制策略。首先对存在共信道干扰的中继D2D通信的平均能量效率进行了理论分析,得到其闭式表达式。同时,在实际通信系统中用户频谱效率是由信干噪比量化而形成的信道质量指示(CQI,Channel Quality Identity)等级确定的,发射功率增加而CQI等级不变时,额外的功率消耗并不会提高频谱效率,反而降低系统能量效率。因此本文在理论分析的基础上提出了基于CQI等级的中继用户发射功率控制策略,在保障蜂窝通信干扰功率约束的同时最大化D2D通信能量效率。该策略根据CQI等级将发射功率离散后进行功率控制,能够避免不必要的功率调整和无效的发射功率消耗。·除了功率控制外,D2D通信中复用信道选择以及通信模式选择也是提高D2D通信能量效率、保障蜂窝通信性能的有效手段,因此本文提出了一种功率-信道-模式联合优化的资源分配策略。该策略在保障蜂窝用户服务质量要求的条件下,最大化D2D通信能量效率。利用用户传输模式唯一性以及D2D用户间资源正交性,将三维优化问题进行分解并设计了相应功率迭代求解算法和整体求解流程。2、对中继D2D通信中面向EE-SE优化的功率控制策略展开研究。频谱效率和能量效率是5G网络两项关键技术指标,而最大化能量效率与最大化频谱效率间存在非一致性,且单独优化任一指标无法实现网络整体性能最优。为此,本文研究了中继D2D通信中能量效率和频谱效率的折中问题。为了刻画资源复用模式对于蜂窝通信的影响,本文首先分析了共信道干扰存在时蜂窝通信的中断性能,并推导得到了中断概率的理论表达式。在此基础上,以中断概率为约束,在保障D2D通信能量效率约束的条件下,通过最大化D2D通信的频谱效率对中继用户的发射功率进行了优化。其次,为了进一步提升中继D2D通信性能,本文对源用户-中继用户的发射功率进行了联合优化。在保障蜂窝干扰功率约束及D2D通信能量效率约束条件下,通过最大化D2D通信的频谱效率得到了源-中继用户的最优发射功率,并分析了能量效率门限对最优发射功率的影响。此外,尽管复用模式下蜂窝网络可在相同资源上服务更多用户,随之而来的共信道干扰会引起原有蜂窝通信性能的下降。为了评估引入D2D通信后网络的整体性能,本文提出网络频谱效率变化函数并分析了蜂窝通信干扰门限对D2D-蜂窝两者性能折中的影响。3、针对移动环境下D2D通信能量效率和频谱效率优化展开研究,并从经济效益角度分析了二者间折中。为了准确的描述移动环境中D2D通信收发端移动性以及车辆密度对无线信道传播特性的影响,本文采用三维车辆与车辆间信道模型并分析了不同车辆密度场景下能量效率与频谱效率间的相互关系。可观察到在高车辆密度场景下,在能量效率峰值点略微减小能量效率可获得频谱效率的显著提升;在低车辆密度场景下,在频谱效率峰值点略微减小频谱效率能够带来能量效率明显的上升。因此本文提出了面向不同车辆密度场景的功率分配策略,即在低车辆密度场景下最大化能量效率而在高车辆密度场景中最大化频谱效率,并分别得到了最优发射功率表达式。为了进一步优化发射功率中能量效率/频谱效率门限,本文采用经济效益作为性能指标,从网络开销和系统收益的角度对能量效率和频谱效率的折中进行了定量评估。仿真结果表明经济效益指标能够为不同通信条件下能量效率和频谱效率折中问题提供统一的度量标准。
【图文】：

网络通信,类型,应用场,时延

UHD/图1.2 5G网络通信类型及典型应用除了通信终端类型多样，不同应用场景下无线传输的关键技术指标也千差万别。根据用户移动性及不同应用场景、数据速率和时延等关键技术指标，未来5G应用场景可分为增强移动宽带（eMBB，，enhanced Mobile BroadBand）、超可靠超低时延通信（URLLC，Ultra Reliable and Low Latency Communications）和大规模机器类型通信（mMTC，massive Machine Type Communication）三大类，具体如图1.3所示。xMBBmMTC uMTC>1 Gbps/<10 ms E2E>300 Mbps/>1 million />10>50 Mbps/<10 ms E2E<5 ms E2E>100 Mbps/图1
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

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