无线蜂窝网络中的D2D多播资源分配技术研究

发布时间：2020-10-18 10:11

　　 随着智能终端的普及以及移动互联网业务的日益丰富,庞大的数据传输量,丰富的业务,导致蜂窝通信网络中的基站负担越来越重。为了降低基站的负荷,终端直通(Device-to-Device, D2D)技术被引入蜂窝通信系统。终端直通技术的引入不仅能够降低基站的负载,还能提高系统通信容量、降低传输时延、减少功率损耗、拓展网络覆盖范围,以及提高小区边缘用户的性能。为了避免D2D通信与蜂窝通信之间的互相干扰,更有效地提高D2D通信系统的性能,需要对蜂窝网络中D2D通信系统进行合理的资源分配。针对D2D通信技术资源分配问题的研究被广泛开展。但是,目前绝大多数关于D2D通信技术资源分配的研究具有以下局限性：1)在考虑干扰协调的过程中主要关注D2D通信与蜂窝网络通信之间的干扰,忽略了多个D2D链路之间的干扰；2)大多数研究都只针对一对一的D2D单播通信方式展开,没有对D2D多播通信进行研究；3)大部分研究都只考虑了单个小区场景之中的D2D通信,对于多小区环境下的D2D通信的研究不多。针对以上局限性,本文主要针对蜂窝网络中D2D多播通信的资源分配展开研究。分别考虑了将D2D多播通信应用于不同的无线通信场景中,并对系统的资源分配问题进行了研究。本文的主要工作包括以下四个方面：1)首次将D2D通信应用到多媒体广播／多播业务单频网(MBSFN)系统中,研究了MBSFN系统中D2D通信的资源分配问题。在D2D用户具有不同优先级的情况下,提出了一种距离受限的轮询资源分配(DRRS)方案。分别考虑了应用D2D单播通信和D2D多播通信到MBSFN系统的情况,并且分别针对D2D单播通信技术和D2D多播通信技术的不同特点,分析了多个D2D通信对／多播组之间的距离关系。然后通过预先设定的用户的信干比门限值计算出D2D通信对／多播组之间复用相同资源的安全距离。在复用安全距离的限制下,系统从优先级高的D2D通信对／多播组开始依次分配资源。距离大于复用安全距离的两个D2D通信对/多播组可以共用相同频率资源。依据这一原则,依次将系统可用资源分配给所有D2D通信对／多播组。2)研究了MBSFN系统中D2D多播通信的资源分配问题,考虑在D2D用户不具有优先级的情况下,提出了一种基于距离的D2D多播通信公平资源分配(DFRA)算法。为了更好地利用系统可用资源,本文提出让一个MBSFN中的D2D通信不复用本MBSFN中蜂窝通信的资源,而是复用其他MBSFN中的蜂窝用户的资源。不同于1)中介绍的DRRS算法,DFRA算法考虑的场景是D2D通信用户没有优先级的情况下,DFRA考虑了频率分配的公平性。DFRA算法保证系统选择最优的分配顺序并且将系统可用资源公平的分配给D2D通信。仿真结果显示DFRA算法不仅提高了系统的吞吐量性能,降低了D2D通信的中断概率,同时保证了很好的公平性。3)研究了异构蜂窝网络的小小区(Small cell)环境中D2D通信的资源分配问题,提出了一种分步骤的解决资源分配问题的方案。首先对资源分配问题建模,并针对所研究的场景对优化问题建模。由于优化问题是一个复杂的问题,无法获得最优解。因此本文提出了一个分步式资源分配方案来获得次优解,将一个复杂的优化问题分为三个相对简单的子问题：D2D通信组的形成,每个D2D通信组所需子载波数目的估计以及具体的子载波和功率的分配。为了充分利用系统可用资源并且满足每一个D2D用户的速率需求,本文提出了一个基于距离的资源分配算法,保证了系统选择优化的分配顺序并且将合适的子载波和功率分配给每个D2D通信组。仿真结果表明文中提出的分步式资源分配方案不仅能够提高D2D通信的频率效率,同时可以降低D2D通信的中断概率。4)讨论了蜂窝小区中应用D2D通信的场景下如何进行功率分配来提高系统性能,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的D2D通信功率分配的方案。分别针对两种情况进行了研究：D2D多播组只与一个蜂窝用户复用相同资源；D2D多播组与多个蜂窝用户复用相同资源。第一种情况相对简单,通过应用PSO算法即可实现功率分配。第二种情况中,由于D2D多播组与多个蜂窝用户复用相同资源,如果设置最大化整体吞吐量,可能会造成D2D通信和蜂窝通信的不公平。因此,本文折中考虑了公平性和吞吐量之间的关系,提出一种新的适应值,并根据新的适应值调整PSO算法,最终实现功率分配优化。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN929.5
【部分图文】：

?Ｂ．松基站控制??图２－１?Ｄ２Ｄ通信控制方式??从网络角度看，如图２－１所示，设备发现过程可Ｗ分为Ｗ下两种类型；紧基站??控制和松基站控制方式ｆＷＫＷ。??在紧基站控制方式中，整个设备发现■过程都是在基站的控制之下完成的。基站??首先向想要发起Ｄ２Ｄ通信的用户询问发现信标，包括同步、身份识别Ｗ及需求业??务信息。接着，基站指定某个目标邻近用户接收该发现信标。该想要发起Ｄ２Ｄ通??信的用户与目标邻近用户组成Ｄ２Ｄ通信对。两个Ｄ２Ｄ用户之间仅仅进行数据的传??输。通过紧基站控制方式，用户发现过程能够快速而准确地完成。但是，紧基站控??制方式会给基站带来很大的信令开销。??在松基站控制方式中，基站只是配合用户完成设备发现过程，主要的控制信令??１０??

？、．．山占一＇??图２－３?Ｄ２Ｄ多播通信??在Ｄ２Ｄ单播通信中，Ｄ２Ｄ发送节点一次仅给一个接收用户发送信息。如果在??它覆盖范围内有多个用户都需要共享相同数据，该Ｄ２Ｄ发送节点需要发送多次才??能完成对多个Ｄ２Ｄ接收用户的数据传输。这些数据内容相同，需求巧户都在Ｄ２Ｄ??发送节点的可覆盖范围内，可考虑将Ｄ２Ｄ通信技术结合多播技术。Ｄ２Ｄ多播通??１２??

基站到用户的中维?用户到用户的中继??图２－２?Ｄ２Ｄ单播通信??用户到用户的直接传输指的是两个Ｄ２Ｄ用户建立起Ｄ２Ｄ链接，通过Ｄ２Ｄ传输??方式直接进行数据传输。??当ＵＥ作为网络到用户的中继时，该ＵＥ位于Ｅ－ＵＴＲＡＮ的覆盖范围之内。该??ＵＥ与演进型Ｎｏｄｅ?Ｂ?（ｅＮＢ）之间通过网络基础设施通信，同时通过Ｄ２Ｄ通信方式与??覆盖范围之外的ＵＥ之间进行通信。这种方式扩大了系统的覆盖范围使得在基站覆??盖范围１＾外的ＵＥ能够与基站之间建立通信。??两个用户之间无法直接进行通信时，可Ｗ借助另外一个能够与双方都能进行通??信的ＵＥ中继。ＵＥ接收一个用户的信息，并将这些信息转发给另外一个用户。完??成Ｄ２Ｄ中继通信过程。??２丄２．２?Ｄ２Ｄ多播通信方式??Ｄ２Ｄ多播通信方式指的是＆?Ｄ２Ｄ通信方式下建立起来的多播链接。??／＇?广？＾１、＼??？、．．山占一＇??图２－３?Ｄ２Ｄ多播通信??在Ｄ２Ｄ单播通信中，Ｄ２Ｄ发送节点一次仅给一个接收用户发送信息。如果在??它覆盖范围内有多个用户都需要共享相同数据，该Ｄ２Ｄ发送节点需要发送多次才??能完成对多个Ｄ２Ｄ接收用户的数据传输。这些数据内容相同

本文编号：2846163