基于SCMA的D2D系统中无线资源管理研究

发布时间：2017-08-30 21:39

  本文关键词：基于SCMA的D2D系统中无线资源管理研究

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【摘要】：随着通信业务的不断发展,当前网络的承载容量还远远不能满足现有设备的海量需求。为了更加高效的利用带宽资源,3GPP提议将D2D通信(Device-to-Device communication)作为一种底层通信方式加入到蜂窝网络中；5G无线技术也将会在新的无线接入技术以及演进的现有无线技术基础上完成。本文正是在上述背景下研究基于稀疏码多址(Sparse Code Multiple Access, SCMA)技术的D2D通信中资源分配及优化的问题。首先,本论文介绍了SCMA的基本技术,包括码本设计及复用、竞争传输单元(Contention Transmission Unit, CTU)定义、用户与CTU映射机制以及竞争传输机制。码本设计方面考虑SCMA本身稀疏性的特点,参考低密度信号(Low-density Signature,LDS)的扩频方法,与正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)映射结合在一起产生新的复数系数向量集合。SCMA借助多维星座来进行编码,产生多维码本来代替QAM调制和LDS扩频。此外,还介绍了SCMA中通过码本来实现资源复用的方法以及新的资源块概念：CTU。与传统时频资源块相比,CTU多出了码本和导频两个维度。通过设计映射规则将用户和CTU进行映射,并考虑利用竞争退避重传机制以降低用户产生碰撞的概率,提高整个系统的传输效率。接下来,本论文研究了在已知信道条件下进行D2D资源分配优化的方法。针对D2D用户对接入控制和资源优化的问题,利用分布式方法进行三步求解：第一步,设计D2D用户接入准则,限定蜂窝用户和D2D用户的最大发射功率和最低信干噪比(SINR)要求,通过不等式的求解将该D2D用户对是否接入网络的判定简化为蜂窝用户和D2D用户对之间的距离,并找到该距离阈值的分段函数；第二步,对复用信道进行功率分配,借助凸优化的边界理论将三种不同可行域情况下的最优功率点分别求出,实现最优功率分配；第三步,根据功率分配进行最终最优信道分配,求出此时D2D用户接入后的总吞吐量增量,借助图论中的加权二部图算法,利用基于匈牙利算法的KM算法求解,为每一个接入的D2D用户对找到最优的信道。最后,本论文基于联盟博弈理论研究了SCMA下行D2D资源分配方案。在保证蜂窝用户及D2D用户QoS需求的前提下,构建了基于SCMA的系统和速率最大的目标函数,利用联盟博弈理论将D2D用户分配到各个SCMA层中,利用拉格朗日对偶分解方法求解各联盟内成员的最优功率,实现通过最大化各联盟的效用而使得联盟内各成员的效用最大化。通过仿真对比在普通蜂窝系统(LTE为例)和SCMA下的系统和速率,可以发现SCMA技术对系统容量和性能提升有显著效果,充分提升了频谱利用效率；将联盟博弈算法和贪婪选择算法以及随机选择算法进行对比,发现联盟博弈算法可以更好地提高系统和速率。
【关键词】：稀疏码多址接入 端到端通信 资源分配 联盟博弈
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-17
• 1.1 研究背景和意义12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 SCMA技术研究现状13
• 1.2.2 D2D通信技术研究现状13-15
• 1.2.3 D2D通信资源分配研究现状15-16
• 1.3 论文的章节安排16-17
• 第2章 稀疏码多址接入技术17-26
• 2.1 SCMA码本设计原理17-22
• 2.1.1 SCMA编码器设计17-18
• 2.1.2 映射矩阵设计18-19
• 2.1.3 星座点和多维母星座19-22
• 2.1.4 星座函数变换22
• 2.2 CTU复用策略研究22-25
• 2.2.1 简单的链接扩展22-23
• 2.2.2 CTU资源块定义23-24
• 2.2.3 竞争传输机制24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 D2D下的无线资源分配优化方法26-42
• 3.1 D2D通信系统建模26-29
• 3.1.1 系统建模26-28
• 3.1.2 问题构成28-29
• 3.2 D2D通信资源优化求解29-38
• 3.2.1 D2D用户接入准则设计29-32
• 3.2.2 复用信道功率分配32-36
• 3.2.3 D2D用户最优信道最终分配36-38
• 3.3 仿真分析38-41
• 3.3.1 仿真参数设计38-39
• 3.3.2 仿真结果分析39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 SCMA下基于联盟博弈的D2D资源分配方案42-53
• 4.1 系统建模与问题形成42-45
• 4.1.1 系统建模42-44
• 4.1.2 问题形成44-45
• 4.2 基于联盟博弈的通信资源分配45-47
• 4.2.1 建立和速率目标函数并求解45-46
• 4.2.2 匹配用户与SCMA层46-47
• 4.3 仿真分析47-52
• 4.3.1 仿真参数设计47-48
• 4.3.2 仿真结果分析48-52
• 4.4 本章小结52-53
• 结束语53-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-61
• 攻读硕士期间发表论文及科研成果61

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本文编号：761636