面向5G的D2D通信中激励机制的研究

摘要

随着智能手持设备的普及和各种多媒体业务的迅速发展,用户对移动宽带业务的需求正经历着空前的崛起,网络需要处理的数据流量也已突破了现有蜂窝系统的极限。在面向第五代移动通信系统(5G)的研究中,D2D(Device-to-Device)终端直通技术作为5G的关键技术之一,由于其能够使网络中的邻近设备跳过基站直接建立通信链路,具有潜在的提升蜂窝频谱利用率、减轻基站流量负载、降低终端能耗以及提升网络容量等优势,从而一直备受关注。但是由于D2D独特的频谱复用通信方式使得其不可避免的会对网络中的原始蜂窝用户引入额外的干扰,如果缺乏有效的资源分配和干扰管理手段,由于干扰造成的系统性能下降问题将会很大程度上限制D2D技术在未来通信场景中的应用。
　　为此,本文首先研究了D2D频谱共享中的干扰管理问题,借助微观经济学合同理论中的相关框架模型,通过将网络运营商(基站)看作卖方,D2D用户看作买方,提出了一种约束D2D功率的频谱租赁定价机制即PCSR(Power-Constrained Spectrum Renting)定价机制,设计了频谱交易中双方各自的效用函数并推导了二者为实现自身最大效用的最优行动策略。利用这一机制基站可以有效约束D2D用户的行为,并激励网络中蜂窝用户与D2D用户间更有效地资源共享与协作通信,从而实现二者的友好共存和提升系统效用等目标。仿真结果验证了所提的PCSR定价机制可以在实现高效干扰管理的同时提升系统的整体性能,并能激励网络中更多的优质用户参与到D2D内容共享中去。
　　此外,为进一步研究D2D通信在5G网络中的应用潜力,本文结合未来移动通信场景中的特定需求,基于对智能终端能耗问题的考虑,构建了D2D通信系统的能效优化问题,旨在通过合理分配无线资源来协调设备间干扰、降低传输中的功耗以实现系统能效最优的目标。在求解非线性多约束优化问题时,本文基于和声搜索算法提出了一种集中式的联合频谱资源分配和功率控制(JRAPC)算法,针对所考虑的系统场景设计了相应的算法编码方案,通过对不可行解的处理很大程度上避免了算法陷入局部最优的问题。仿真结果表明本文提出的算法可以实现基站对D2D用户高效的频谱资源分配和功率控制,在保障网络中用户服务质量(QoS)的同时有效提升系统的能量效率,具有很大的创新性和现实意义。

目录

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致谢

摘要

缩略词索引

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究内容和结构安排

2 合同理论与定价机制

2．1 合同理论介绍

2．2 完全合同理论：逆向选择和道德风险问题

2．3 道德风险和逆向选择下的最优定价

2．4 本章小结

3 基于合同理论的D2D频谱租赁定价机制研究

3．1 系统模型

3．2 定价模型与效用函数

3．2．1 定价模型

3．2．2 买方：D2D用户的效用函数

3．2．3 卖方：基站的效用函数

3．3 最优行为及策略求解

3．3．1 买方：最优行为的选择

3．3．2 卖方：最优定价策略的制定

3．4 系统仿真与分析

3．4．1 仿真条件及参数

3．4．2 仿真结果与分析

3．5 本章小结

4 基于HS算法的D2D通信中能效优化问题研究

4．1 D2D资源分配及功率控制研究阐述

4．2 系统模型

4．2．1 应用场景描述

4．2．2 干扰分析及能效定义

4．2．3 目标函数建立与问题定式化

4．3 基于HS算法的D2D资源分配和功率控制设计

4．3．1 和声记忆库的编码机制

4．3．2 和声记忆库的初始化机制

4．3．3 和声记忆库的更新迭代机制

4．4 算法描述

4．5 系统仿真与分析

4．5．1 仿真条件及参数

4．5．2 仿真结果与分析

4．6 本章小结

5．1 论文总结

5．2 未来展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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