蜂窝网络中D2D功率控制及安全速率技术研究

摘要

在蜂窝网络中引入设备到设备(D2D，Device-to-device)通信，邻近用户之间的通信可以不经过基站(BS，Base Station)的中继而直接传输，从而提高整个蜂窝系统的资源利用率。然而，D2D通信的引入会使得D2D通信信号变成干扰的新来源，使蜂窝链路受到D2D传输的干扰，而D2D链路不仅会受到其他D2D用户传输造成的干扰，而且会受到来自蜂窝链路的干扰。因此，为保证蜂窝用户(CU，Cellular User)和D2D用户的共存，干扰管理是必不可少的。功率控制是减轻无线网络中的干扰的有效方法之一，它被广泛地用在当前的无线系统中。
　　本文首先针对蜂窝网络中引入D2D通信之后，对D2D用户与蜂窝用户存在相互干扰场景，提出了一种基于干扰对齐（IA，Interference Alignment）的功率控制算法。该算法通过IA技术使得所有的D2D用户能够同时占用可使用的子载波;同时，控制每一个D2D用户在子载波上的功率，使所有D2D用户在对CU产生的干扰小于干扰阈值的前提下，D2D用户系统的速率和达到最大。仿真结果表明，与传统的频分多址(FDMA，Frequency Division Multiple Access)系统的部分功率控制算法相比，该功率控制算法在干扰阈值为10dBm时，所得到的D2D用户的总速率和提升约6bit/s/Hz。
　　本文针对基于IA的功率控制算法的高计算复杂度这一缺点，提出了一种基于IA的功率控制改进算法。该改进算法控制每一个D2D用户在子载波上的功率时运用注水迭代使所有D2D用户在对蜂窝用户产生的干扰小于更新的干扰阈值前提下，D2D用户系统的速率和达到最大。仿真结果表明，与传统的FDMA的部分功率控制算法相比，该功率控制算法在干扰阈值为10dBm时，所得到的D2D用户的总速率和提升约5bit/s/Hz，而且明显降低了计算复杂度。
　　本文又针对D2D通信复用蜂窝网络下行资源通信的场景中D2D通信的安全问题提出了一种基于功率控制的D2D通信安全速率优化算法，以增强基于D2D通信的物理层安全性，并同时保证蜂窝用户的数据速率要求。首先，考虑系统场景中存在窃听者窃听D2D发送端的信息。然后，提出D2D通信的安全区域，当D2D驻留在安全区域外时，不允许D2D共享CU的频谱，以避免窃听者窃听D2D的有用信息。当D2D驻留在安全区域内时，通过优化D2D和CU的发射功率来最大化D2D的安全速率。仿真结果表明，与使用随机接入算法相比，当信干噪比为15dB时，所提出算法的D2D安全率提高了2.8bps/Hz。

目录

摘要

英文缩略语表

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 D2D通信及相关技术简介

1．3．2 D2D通信技术在蜂窝网络中的应用场景

1．3．3 D2D与蜂窝系统存在的干扰分析

1．3．4 D2D功率控制方案简介

1．3．5 干扰对齐技术简介

1．4 研究工作和安排

第2章 基于干扰对齐的D2D功率控制算法

2．1 引言

2．2 系统模型

2．3 功率控制优化模型

2．4 仿真结果

2．5 本章小结

第3章 基于干扰对齐的D2D功率控制改进算法

3．1 引言

3．2 改进算法模型

3．3 仿真结果

3．4 本章小结

第4章 基于功率控制的D2D通信的安全速率优化

4．1 引言

4．2 系统模型和问题描述

4．3 简化的D2D安全速率优化算法

4．3．1 安全区域

4．3．2 最佳D2D复用的选择

4．3．3 最佳功率控制策略

4．4 仿真结果

4．5 本章小结

5．1 本文总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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