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面向蜂窝网络的D2D通信资源分配算法研究

王鑫  
【摘要】:随着社会经济与通信技术的不断发展,通过无线网络随时随地获取数据和数字化服务已成为人们依赖的生活方式。应用需求和技术发展如同作用力与反作用力,使得无线通信网络不得不与爆炸式的数据流量、海量节点的接入和不断涌现的新业务比肩竞速,高速率、低时延、大连接的多样性需求与频谱资源稀缺之间的矛盾日益凸显。Device-to-Device(D2D)通信技术允许网络中的近邻设备不经过基站直接建立通信,可借助短距离、低功率的优势复用珍贵的频谱资源,有效降低核心网络的数据压力,为网络设备的接入和传输开辟了新途径,成为了第五代移动通信网络(The 5th Generation Mobile Communication Network,5G)的关键技术之一。面向蜂窝网络的D2D通信可以在基站的辅助下建立灵活的接入和复用模式,利用紧缺的频谱资源为网络带来可观的收益。然而,D2D通信也给蜂窝网络带来了多维度的竞争关系和复杂的干扰环境,如何设计合理的资源分配方案有效协调干扰,是D2D通信研究的重点,仍然面临许多尚未攻克的难题。面向蜂窝的D2D通信从一对一复用模式向一对多复用模式,单播向多播的拓展演进中,多层次干扰链路的出现、差异化的用户速率需求、社交特性与物理特性融合等问题使得D2D资源分配的优化模型更加复杂化,但却是提升系统性能的关键所在。因此,针对以上问题本文进行了深入的研究,提出了若干创新性方法,具体贡献如下:(1)在D2D用户与蜂窝用户一对多复用模式下,整体优化的资源算法往往使得非均匀分布场景中蜂窝资源向少数有信道优势的D2D用户集中,通过配额限制又与用户差异化服务需求相悖。针对这一矛盾,本文研究了D2D用户的资源复用问题,提出基于用户速率需求的D2D资源分配算法,通过干扰限制区域、链路稳定性共享阈值完成基于用户速率需求的分段式资源分配。仿真结果表明,所提算法以较小的蜂窝用户速率减少量换取了较高的系统吞吐量增益,同时保证了资源分配的公平性,与对比算法In GRA相比,吞吐量提升了21.6%。(2)针对蜂窝网络中单播D2D通信的冗余传输问题,本文提出基于社交关系的D2D多播通信资源分配算法,利用社交关系形成D2D多播簇并以复用蜂窝用户资源的方式从簇头用户获取数据,避免了数据的冗余传输。算法允许多个D2D多播簇复用同一资源,通过双边交换匹配排除阻塞对,解决了同层干扰引起的同伴效应问题。仿真结果表明,所提算法具有较低的复杂度和较好的收敛性。与对比算法MWBM相比,系统吞吐量提高了15.2%。(3)针对D2D用户与蜂窝用户多对一复用模式所带来的多层干扰抑制难题,提出了基于价格的Stackelberg博弈D2D资源分配算法和基于累积代价的Stackelberg博弈D2D资源分配算法。引入层内和层间干扰价格解耦Stackelberg功率博弈的Qo S约束,利用梯度下降法和Amijo Rule搜索法更新拉格朗日乘子逼近功率最优解;设计了累积代价效用函数,使追随者博弈快速趋于最优解,进一步提高系统的收敛性。仿真结果表明,所提算法大大提高了D2D用户带来的速率增益。与同样针对多对一复用模式的CCPA算法相比,本章所提RASG-price和RASG-cumulative算法的D2D用户和速率分别提高了25.9%和20.4%,为资源分配提供了收敛速度快且易于扩展的分布式解决方案。


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