面向绿色通信的D2D资源分配与功率控制算法研究

摘要

目前，以节能、减排、降耗等为目标的绿色通信已经成为实现通信行业持续发展的必然要求，但是由于移动终端爆炸式增长导致通信业务量也急剧上升，绿色通信面临着巨大的挑战。设备到设备通信（Device-to-Device Communication，D2D）技术能在绿色通信方面发挥发挥很大优势。D2D通信是一种短距离通信技术，移动终端在以D2D方式进行通信时不经过基站转发而是两个用户端直接进行通信，将其引入蜂窝网络不仅能够在一定程度上提高频谱资源利用率，还能够增大小区覆盖面积提高系统的吞吐量，尤其是未来通信系统中，D2D技术在降低能耗以及提高系统能量效率方面也拥有巨大优势。本文研究了D2D通信资源分配与功率控制问题，提出了相应的算法，旨在降低用户能量消耗，提高系统的能量效率。主要研究工作如下： 1.针对D2D用户复用蜂窝用户上行链路资源的场景，提出了一种基于多回合组合双向拍卖的资源分配算法。该场景下不同的D2D用户能够同时复用同一个蜂窝用户资源，在此基础上假定D2D用户对以有偿的方式使用无线资源并获得适当的发送功率。根据用户信干噪比（Signal to Interference Plus Noise Ratio,SINR）以及速率建立以系统能效为目标的效用函数，并将竞争关系引入到系统中，这样蜂窝用户需要“出售”频谱资源，D2D用户需要在获取频谱资源时支付一定的“费用”，因此本文将资源分配问题模拟成一个商品拍卖过程，在此过程中蜂窝用户作为“卖方”，D2D用户作为“买方”，频谱资源作为“竞拍包”，蜂窝用户与D2D用户根据自身情况通过不断调整资源报价来实现买卖双方的双赢，提升了整个通信系统的能量效率。 2.针对D2D用户复用蜂窝用户下行链路资源的场景，假设D2D通信时采用“多对多”模式，这样链路数量增加，导致用户之间干扰复杂性提高，在此基础上提出了联合资源分配与功率控制的算法。首先在保证用户通信质量的前提下，以用户总能耗作为目标函数建立优化问题，由于该问题混合非线性整数规划问题，很难找到有效的方法一次性解决它，因此将原优化问题转化为子载波分配与功率优化两个子问题，并分别提出了基于信道增益的用户级资源分配和逐次迭代优化的功率控制算法，从而实现了用户能耗的最小化。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 新一代移动通信场景下的绿色通信

1.1.2 D2D通信技术

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 模式选择问题

1.3.2 资源分配问题

1.3.3 功率控制问题

1.3.4 D2D技术与其他新技术相结合

1.4 本文的主要内容与结构安排

第2章 绿色通信下D2D技术相关理论

2.1绿色通信下D2D技术的应用

2.1.1 传统的D2D应用场景

2.1.2 绿色通信下新型D2D应用场景

2.2 D2D通信的资源共享方式

2.3 D2D通信在复用模式下的干扰分析

2.3.1 D2D用户复用蜂窝上行链路资源干扰分析

2.3.2 D2D用户复用蜂窝下行链路资源干扰分析

2.4 本章小结

第3章 基于多回合组合双向拍卖的D2D资源分配算法

3.1 引言

3.2 系统模型

3.3 基于多回合双向拍卖的D2D资源分配算法

3.3.1 建立效用函数

3.3.2 基于MCDA的D2D资源分配算法

3.4 仿真与性能分析

3.5 本章小结

第4章 联合功率控制的D2D资源分配算法

4.1 引言

4.2 系统模型

4.3 联合子载波分配与功率优化的D2D节能算法

4.3.1 建立优化目标函数

4.3.2 基于信道增益的用户级资源分配算法

4.3.3 逐次迭代优化的功率控制算法

4.4 仿真结果分析

4.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A攻读硕士学位期间所发表的学术论文

附录B攻读硕士学位期间参与的科研项目