异构蜂窝网络中终端直通（D2D）资源分配关键技术研究

发布时间：2020-09-07 18:45

　　随着物联网以及智能无线终端的出现,无线终端设备与移动数据流量急剧增长,无人驾驶、远程医疗和智慧家居等新应用场景迅速发展,人们对更先进宽带服务的需求越来越迫切。传统以基站为中心的网络架构,如蜂窝异构网、超密集组网等,往往部署成本大且本地网络灵活性不高,很难满足未来无线应用场景中大量数据业务和用户体验的需求。蜂窝网络中融合终端直通(Device-to-Device,D2D)技术,不仅能提高频谱利用率和系统容量、扩展覆盖区域,还能减轻蜂窝网络负担、降低终端功耗等。只有采用合理有效的资源分配方法才能够进一步提高系统性能,然而,目前D2D通信的资源分配技术还存在几方面的挑战:一方面大部分研究工作都是采用单一的干扰管理或模式选择方法,另一方面没有考虑到同一信道内D2D的最优数目以及最大数目。本论文利用蜂窝异构网络的资源分配方法抑制链路间相互干扰,讨论了复用同一资源的D2D链路数目、限制区域与模式选择对系统容量的影响,实现了提高系统性能的目标,取得了三方面的研究成果:(1)针对D2D链路数目的增加在干扰与性能提升之间的平衡问题展开分析研究,理论推导了两种链路覆盖概率以及数据速率的闭式解,分析了复用同一资源的用户总数目以及D2D用户(D2D User,DU)所占总用户数目的比值(η)对数据速率的影响。在总用户数目固定时,D2D用户比例越高,系统性能越好;在固定比例系数时,用户数目存在一个最优值以及最大值,例如η= 0.6时,系统总速率最大对应的最优用户数目以及能承载的最大用户数目分别为12和34。(2)针对蜂窝异构网络中资源分配的链路干扰抑制难题,利用干扰限制区域的方法分析了复用蜂窝链路的D2D用户位置对系统性能的影响,推导了该机制下两种链路的覆盖概率以及数据速率闭式解,分析了信干噪比(Signal-to-Interference-plus-NoiseRatio,SINR)阈值、D2D 对之间的距离等关键参数对系统性能的影响,实现了利用地理位置来衡量通信质量以决定是否建立D2D链路的目标。与基于干信比(Interference to Signal Ratio,ISR)和干噪比(Interference over Thermal Noise,IoTN)经典算法的蒙特卡洛仿真相比,利用闭式解方程式大大地降低了其计算复杂度,且总数据速率在dBR=50m时分别提高了 83.3%和86.4%,在dBR=500m时分别提高了 10.5%和8.8%。(3)在多信道多用户场景下,针对D2D通信模式以及复用链路的问题,围绕中继模式中最优中继点的选取,联合功率控制选择合适的通信模式、复用链路,提出了两种不同的区域划分方法,分别用于选择最优中继节点和最佳复用链路,建立了系统容量最大化的目标函数,进一步优化异构网络的资源分配机制。相比较区域划分(Area Division,AD)机制,中继节点与蜂窝链路候选数目分别减少了 41%与76%,相比较随机选择(Random Selection,RS)、区域划分机中随机选择(Random Selection in Range Division,RSRD)与AD机制,数据速率分别提高了约71%,41%和10%。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：

数字业务,移动数据,网络服务,增长趋势

逡逑如图１－１所示，Ｃｉｓｃｏ预计在未来五年内全球移动数据流量增速在七倍以上，逡逑个别发达地区如上海、北京热点地区的增速更高，达到１０００倍。逡逑６０邋逦逡逑５０邋逦逡逑２逡逑ｉ４０邋逦Ｔ．③一逡逑ｉｓｏ逦—逡逑！逦４９ＥＢ逡逑栜邋２0逦—逦—逦—逡逑叫逦３５ＥＢ逡逑埘邋ｌｎ逦２４ＥＢ逡逑１０邋逦＿＿邋—邋１７ＥＢ——逦一一一逡逑７ＥＢ邋１１ＥＢ逡逑0邋邋邋逦—逦逦逦逦逦逦逦—逡逑２０１６年邋２０１７年邋２０１８年邋２０１９年邋２０２０年邋２０２１年逡逑图１－１邋Ｃｉｓｃｏ公司预测的移动数据量增长趋势图逡逑相比于急剧增长的数字业务需求，网络服务能力的提升速度与之不相匹逡逑配。具体而言，无线通信移动设备连接数、数据流量以及功耗增加必然会导逡逑致基站负载压力过大，频谱资源匮乏，系统功耗过大等后果［１８］。逡逑目前“以基站为中心”的无线接入网络架构导致每个通信链路都必须有逡逑基站参与，极大地增加了基站负载，导致网络频谱效率不高。为了应对上述逡逑挑战，业界提出了多种解决方案，如异构网络（Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，逡逑ＨｅｔＮｅｔ）、ＵＤＮ以及大规模ＭＩＭ０技术等。这些新技术在一定程度上能够提逡逑升整个无线网络的服务能力，增加基站密度可以在一定程度上提高频谱利用逡逑率、提升网络中能量效率以及系统容量

技术,链路,蜂窝,异构网络

在蜂窝与Ｄ２Ｄ通信融合的异构网络中，Ｄ２Ｄ技术可以大大地提高系统逡逑性能，但是由于Ｄ２Ｄ链路（Ｄ２Ｄ邋Ｌｉｎｋ，邋ＤＬ）共享蜂窝链路（Ｃｅｌｌｕｌａｒ邋Ｌｉｎｋ，逡逑ＣＬ）的频谱资源，无论Ｄ２Ｄ链路采用直接、中继还是其他通信模式，必然逡逑会给共享同一频谱的ＣＬ和ＤＬ带来干扰，从而导致蜂窝网络的性能和效率逡逑下降［２８］。此外，无线资源分配和干扰环境的快速变化，复用同一资源的Ｄ２Ｄ逡逑发射端（Ｄ２Ｄ邋Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ＤＴ）与邋Ｄ２Ｄ邋接收端（Ｄ２Ｄ邋Ｒｅｃｅｉｖｅｒ，邋ＤＲ）之间逡逑距离过近都将会产生强烈干扰，无序的资源复用不仅无法改善系统性能，还逡逑可能导致网络性能恶化，因此蜂窝异构网络中必须对复用资源进行合理地管逡逑理与分配［５２＿５４］。逡逑综上所述，蜂窝异构网络中，Ｄ２Ｄ链路与蜂窝链路之间的相互干扰是制逡逑约Ｄ２Ｄ通信技术发展的主要因素，而合理有效的资源分配能够降低链路之间逡逑的相互干扰，以保证链路的通信质量（Ｑｕａｌｉｔｙ邋ｏｆ邋Ｓｅｒｖｉｃｅ，ＱｏＳ）。由此可见，逡逑资源分配技术制约着能否建立Ｄ２Ｄ链路，己成为Ｄ２Ｄ通信技术中亟待解决逡逑的关键问题之一。本论文的主要目的就是针对蜂窝异构网络中Ｄ２Ｄ通信资源逡逑

组织结构图,组织结构

与邋１０％。逡逑１．６论文的组织结构逡逑图１－３描述了本论文的组织结构，后面各章的内容具体安排如下：逡逑第２章Ｄ２Ｄ通信技术概述。概括了邋Ｄ２Ｄ通信技术的技术背景，介绍了逡逑影响Ｄ２Ｄ性能的关键技术和所需的特殊函数等；逡逑第３章基于Ｄ２Ｄ用户数目的性能优化模型。在单小区内，推导出多蜂逡逑窝多Ｄ２Ｄ场景下覆盖概率以及数据速率的闭式解，理论分析出系统性能最大逡逑化时用户数目的最优值；逡逑第４章干扰限制区域机制与基于用户位置的优化模型。在单小区内，在逡逑保证链路ＱｏＳ的前提下，限定了邋ＣＵ与ＤＵ的限制区域，理论推导出单蜂窝逡逑多Ｄ２Ｄ用户场景下覆盖概率以及数据速率的闭式解，并进行性能分析：逡逑第５章基于Ｄ２Ｄ通信模式的性能优化模型。在多信道多用户场景下，逡逑建立了直通与中继两种模式的系统容量最大的目标函数

【参考文献】