用户中继蜂窝系统下行文件分发方案优化与上行接入性能分析

发布时间：2020-09-26 17:00

　　 5G/B5G将在网络架构方面将出现中继、D2D通信、用户自组织、异构网络等演进,为基站选择移动用户作为中继下发文件,以及移动用户选择其他移动用户作为一跳中继接入基站提供了可能。因此研究用户中继蜂窝系统下行文件分发方案,分析采用移动用户中继之后系统上行接入性能的提升,具有重要的理论意义和应用价值。本文围绕用户中继蜂窝系统的下行文件分发方案以及采用移动用户中继之后系统上行接入性能的提升展开了研究,主要工作与创新点如下:一、D2D下行负载分流系统最大化分流增益的组推送概率优化。主要工作包含:1)在组内与组间分享概率相等时,组与组的分享概率两两不等的情况下,针对D2D下行负载分流系统基于最大化分流增益优化组推送概率问题,基于最优解满足的KKT条件,推导了最优解的闭合表达式;在组分享概率存在相等的情况下,将这些分享概率相同的组合并为一组,利用分享概率两两不等时得到的结论,也给出了最优解的闭合表达式。通过对闭合表达式的分析发现,在这种情况下,最佳推送策略表明具有高共享概率的组总是需要承担分流大部分流量。请求密度最大的组不一定要给予最高推送概率,其推送概率受其他组的共享行为影响。2)在组内和组间概率不等的情况下,提出交替用户组优化算法(AGO)解决这个问题。该算法的基本思想是在给定其他用户组的推送概率时,优化当前组的推送概率,这样对每一组交替进行得到局部最优解。尽管得到的优化问题是非凸的,但是所提出的迭代算法具有多项式复杂度。3)仿真验证了组内与组间分享概率相等时的最优分流性能的正确性,并证明了所提迭代算法的收敛性。二、共信道干扰D2D负载分流系统最大化分流用户密度的文件缓存优化。主要工作包含:1)在共信道干扰D2D负载分流系统中,考虑了移动用户的连接偏置、共信道干扰和信道衰落对负载分流的影响,运用随机几何理论,通过计算用户与不同组之间建立D2D连接的概率以及不同组的D2D活跃用户比例,推导了D2D成功传输概率,也即D2D接收SIR高于正确解调阈值的概率。2)针对无偏置情况下基于最大化成功分流用户密度的最优组缓存策略问题,根据凸问题的KKT条件,推导了最优组缓存用户密度的闭式解。3)针对有偏置一般情况下基于最大化成功分流用户密度的最优组缓存策略问题,提出了一种基于梯度投影更新算法,该算法可以收敛到优化问题的全局最优解;此外,通过D2D成功传输概率的渐进近似,对原问题进行了简化,并对该简化问题提出了低复杂度的迭代算法,来计算渐近形式下的优化问题的缓存用户密度。4)仿真验证了理论分析得到的D2D成功传输概率及其渐近逼近的正确性,以及所提算法的有效性;仿真结果表明,所提算法在负载分流性能方面优于其他文献提出的组缓存策略。三、D2D中继接入系统速率提升分析。主要工作包括:1)提出了用D2D中继接入覆盖概率与不采用D2D中继接入的直接接入模式下的中断概率的乘积所定义的接入概率,来衡量D2D中继系统接入速率性能提升的方法;2)通过推导接入用户与最近用户中继间的距离分布,得到D2D中继模式下的覆盖概率;根据用户中继与基站间距离的概率密度函数,推导了直接接入模式下的中断概率;从而得到了接入概率的表达式。3)仿真验证了分析得到的理论结果的正确性;仿真结果表明,在高接收门限和长传输距离的场景下,D2D中继模式的采用在接入速率的提升方面,较直接接入模式有显著提升。四、D2D上行中继接入系统平均接入功率性能提升分析。主要工作包括:1)在D2D中继选择为功率节省超过门限要求才允许进行D2D中继传输的条件下,首先将中继选择的功率要求转化为中继用户选择的位置约束,证明了满足D2D一跳功率要求的中继用户只存在于特定的圆形区域内。2)基于所获得的“中继区域”推导得到了D2D中继接入的中断概率。3)D2D中继网络接入的功耗性能被分两个阶段分别进行评估。通过应用格林定理对平面上的双重积分运算进行化简和适当的变量替换,推导得出了每个阶段的平均功耗的闭合表达式。并且提供了两种特殊情况下的简化表达式。4)通过数值仿真证实了理论推导结果的正确性以及系统参数对接入功率性能的影响。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN929.5
【文章目录】：
摘要
Abstract
缩略词
符号说明
第一章 绪论
    1.1 研究背景以及意义
        1.1.1 5G/B5G系统的业务密度和数据量显著提升
        1.1.2 5G/B5G系统网络拓扑结构的变革
        1.1.3 结论
    1.2 研究文献综述
        1.2.1 用户中继下行数据分发文献综述
        1.2.2 用户中继上行接入文献综述
        1.2.3 研究现状分析
    1.3 论文研究内容简介
        1.3.1 论文研究思路
        1.3.2 论文工作创新点
第二章 D2D下行负载分流系统最大化分流增益的文件推送优化
    2.1 引言
    2.2 问题表述
        2.2.1 系统模型
        2.2.2 D2D分流增益
        2.2.3 最大化分流增益的优化问题
        2.2.4 优化问题求解思路
    2.3 组内与组间分享概率相等时问题的闭式解
        2.3.1 组分享概率两两不等场景下的闭式解
        2.3.2 组分享概率存在相等场景下的闭式解
    2.4 组内和组间分享概率不等时问题的求解
        2.4.1 算法思路
        2.4.2 转化为一维凸优化问题求解
        2.4.3 算法归纳
        2.4.4 算法的收敛性
    2.5 仿真结果
        2.5.1 组内与组间分享概率相等场景中的负载分流性能
        2.5.2 AGO算法性能
    2.6 本章小结
第三章 存在共信道干扰的D2D负载分流系统中最大化分流用户密度的文件缓存优化
    3.1 引言
    3.2 系统模型
        3.2.1 用户分组及分布
        3.2.2 D2D连接选择参考量
        3.2.3 接收UR的信干比
    3.3 D2D分流用户密度推导
        3.3.1 D2D分流用户密度
m表达式推导'>        3.3.2 P_m表达式推导
m的推导'>        3.3.3 比例因子ρ_m的推导
m
th[SIR_m>γ_th]表达式推导'>        3.3.4 Pm
th[SIR_m>γ_th]表达式推导
    3.4 最大化D2D分流用户密度的缓存策略优化问题
        3.4.1 优化问题表述
        3.4.2 优化问题在无偏置场景下的理论分析
        3.4.3 基于梯度投影法的优化问题迭代算法
        3.4.4 优化问题的渐进近似
    3.5 仿真结果
        3.5.1 D2D成功概率
        3.5.2 分流用户密度
        3.5.3 组缓存策略分析
    3.6 本章小结
第四章 D2D上行中继接入网络中接入速率性能提升分析
    4.1 引言
    4.2 系统模型
        4.2.1 直接接入模式
        4.2.2 D2D中继接入模式
    4.3 接入速率提升性能指标
        4.3.1 D2D中继接入模式下的覆盖概率分析
        4.3.2 中继接入的第一跳阶段
        4.3.3 中继接入的第二跳阶段
        4.3.4 直接接入模式下的中断概率分析
    4.4 仿真结果
    4.5 本章小结
第五章 D2D上行中继接入网络中接入功耗性能提升分析
    5.1 引言
    5.2 系统模型
    5.3 基于功率节省的中继选择
    5.4 中断概率
    5.5 D2D中继接入的平均功耗
        5.5.1 D2D中继接入的第一阶段
        5.5.2 D2D中继接入的第二阶段
        5.5.3 总功耗
    5.6 仿真结果
        5.6.1 中断概率
        5.6.2 功率消耗
    5.7 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 工作总结及贡献
    6.2 进一步研究方向
参考文献
攻读博士学位论文期间的研究成果
致谢

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本文编号：2827235

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