基于容量最大化的D2D通信研究

摘要

随着移动多媒体通信技术的飞速发展，互联网、云计算等新兴技术进入了人们的视野，同时也成为了很多人必不可少的日常需求，互联网也从PC端逐渐向手机端发展，移动互联网成为了大势所趋。而作为无线通信的载体一蜂窝网络也必将迎来新的挑战，手机、平板电脑等移动设备的普及，使移动用户对于带宽的需求也在飞速的增长。然而蜂窝网络中能够使用的带宽是有限的，如何在带宽有限的条件下保证移动用户日益增长的业务需求成为未来通信需要解决的问题。由此设备到设备通信(D2D，Device-to-Device)技术应运而生。
　　D2D通信技术在通信的过程中，用户的通信数据直接由发送端传递到用户接收端。通信过程中信道的数量由两条减少到一条，从而节省了带宽。由于采用D2D通信的设备之间通常相对于基站的距离较近，因此在一定程度上可以减小设备的发送功率，同时也在一定程度上降低了设备的功耗。此外D2D通信所使用的频带资源与蜂窝用户所使用的频带资源相同，由于D2D发射功率较小的特性，D2D用户可在一定范围内复用蜂窝用户的频带资源，进一步提升小区内频带的利用率，增加小区总容量。从而在蜂窝网络中引入D2D通信技术可提升终端用户的传输速率，提升小区的网络带宽利用率，并得到更优质的服务质量。
　　本文研究了D2D用户在复用蜂窝用户频带资源的条件下资源的分配问题，以及单小区场景下D2D多播中继用户的选择问题。首先本文研究了单小区场景下蜂窝用户与D2D用户的资源复用及分配问题。在传统的资源复用分配方案中，通过着色理论将D2D通信对根据不同的地理位置分成不同的簇，每一簇中的D2D通信对复用同一段频带资源，在此基础上，本文提出了基于模糊C均值(FCM)算法和贪婪(greedy)算法的资源分配方案，首先通过FCM算法将D2D通信对分为不同的簇，再使用贪婪算法根据D2D用户与蜂窝用户的距离计算出D2D资源的复用情况。通过对本文提出的资源分配方案进行仿真，并同基于着色理论的资源分配方案进行比较，其仿真结果证明了所提出方案的有效性。相比于着色理论的资源分配方案，基于FCM算法与贪婪算法的资源分配方案有效地提高了小区的系统总容量。
　　此外，本文还研究了蜂窝与D2D混合网络中D2D多播中继用户选择方案。在传统的多播中继用户选择方案中，通过算法求出基站与D2D多播中继用户的信噪比阈值，并通过这个信噪比阈值对用户的通信方式进行选择，同时计算出D2D多播中继用户。本文在此基础上进行了改进，提出了通过使用改进的k-medoids算法计算D2D多播中继用户。并根据中继用户与基站的信噪比判断其余终端的通信方式。通过对本文所提出的经过改进的k中心点算法与传统的基于信噪比阈值算法进行仿真，得出多播通信组速率对比图，结果显示相比于基于信噪比阈值的中继用户选择算法，本文所提出的算法有效地提高了多播通信组的总速率。
　　最后，本文对全文的研究内容进行了总结，并分析了本文所提出方案的优缺点，并对未来的研究方向进行了展望。

目录

摘要

1．1 引言

1．2 选题背景与意义

1．2．1 无线通信领域现状概述

1．2．2 D2D通信技术研究概述

1．3 研究目的与意义

1．4 论文研究内容及章节安排

2．1 引言

2．2 资源分配技术研究问题

2．2．1 资源分配技术简介

2．2．2 资源分配情况研究现状

2．3 多播通信研究问题

2．3．1 多播通信技术简介

2．3．2 D2D多播通信研究现状

2．3．3 多播应用场景

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 系统模型与研究问题

3．2．1 系统模型

3．2．2 容量计算问题

3．3 FCM算法与贪婪算法的资源分配方案

3．4 仿真参数与结果

3．4．1 仿真参数设定

3．4．2 仿真结果

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 系统模型与研究问题

4．2．1 系统模型

4．2．2 中继模式问题

4．3 多播通信组容量优化问题

4．3．1 D2D多播中继用户选择问题

4．3．2 多播通信组容量计算问题

4．4 仿真与结果

4．4．1 仿真参数及说明

4．4．2 仿真结果

4．5 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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