蜂窝网络下D2D通信的干扰控制和资源分配技术研究

摘要

出于更充分地利用蜂窝频谱资源及缓解基站负担的考量，终端直连的D2D（device-to-device）技术应运而生。在蜂窝网络中应用D2D通讯的挑战之一在于频谱共享带来的蜂窝链路与D2D链路间的干扰。为解决干扰问题，适当的频谱资源分配方案是必要的，并且吸引了大量的研究者的关注。传统的复用情形下带内D2D通信干扰控制和资源调度方法中的局限性在于每个子信道至多被一对蜂窝链路与D2D链路共享。这一假设不仅使得蜂窝频谱得不到充分利用，D2D用户的接入率也受到了极大的限制。本文的研究重点在于打破上述局限性，为复用模式带内D2D通信的干扰控制与资源分配提供高效的解决方案来充分地利用频谱、提高频谱效率以及用户接入率。
　　本文提出的完全资源复用策略FRESH（Full REsource SHaring strategy），通过让每个子信道资源可以被任意数目的D2D链路和一个蜂窝链路复用，来实现更高效的频谱利用。随后，本文对基于FRESH策略以最大化系统吞吐量为目标的资源分配问题进行了建模，并将FRESH策略下的资源分配问题进一步分解为复用集合划分问题和复用集合间的资源分配问题。分析证明，两个子问题均为NP-Hard，并且第一个子问题没有多项式时间内的逼近算法。接下来，本文针复用集合划分的子问题进行了研究，提出了弱干扰集的概念和不同工作模式下弱干扰集的判别准则，并且基于这一理论基础提出了复杂度为O(n3)的干扰感知的复用集合划分算法。然后，对基于复用集合划分的资源分配问题进行了重新建模，并针对于高系统吞吐量和高D2D用户接入率的不同目标，提出了相应的复杂度为O(n)的基于动态规划的解决算法。
　　大量仿真实验结果证明，与现有的user-oriented方案和resource-oriented方案以及平均分配的baseline方案相比，FRESH在没有提升运算复杂度的前提下，能够提供更细粒度的资源调度，从而取得了系统吞吐量和D2D通讯接入率的显著提升。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文的工作安排

2 复用模式带内D2D通信的干扰控制与资源分配技术

2.1 面向用户的资源分配方案

2.2 面向资源的资源分配方案

2.3 传统方法的分析与比较

2.4 本章小结

3 FRESH:基于完全资源复用策略的资源分配方案

3.1 主要变量说明

3.2 系统模型

3.3 问题建模与分析

3.4 本章小结

4 干扰感知的复用集合划分算法设计

4.1 专用模式下的资源复用条件

4.2 复用模式下的资源复用条件

4.3 干扰感知的复用集合划分算法设计及复杂度分析

4.4 本章小结

5 基于复用集合划分的资源分配算法设计

5.1 已知复用集合的资源分配问题建模

5.2 基于复用集合划分的资源分配算法设计及复杂度分析

5.3 本章小结

6 性能仿真

6.1 仿真参数设定

6.2 系统吞吐量

6.3 D2D用户接入率

6.4 算法复杂度比较

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 论文的主要贡献

7.2 进一步的工作建议

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间参与的科研项目和研究成果