基于D2D與全雙工通信的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源分配研究.pdf

1、為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，同時(shí)為用戶(hù)提供無(wú)縫式網(wǎng)絡(luò)覆蓋，第三代伙伴合作計(jì)劃組織在LTE-Aadvance標(biāo)準(zhǔn)中提出了異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)在傳統(tǒng)宏蜂窩小區(qū)中重疊布置低功率小型基站來(lái)提升系統(tǒng)的整體性能。與傳統(tǒng)同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠有效改善系統(tǒng)的頻譜效率和覆蓋范圍。一方面，小小區(qū)通過(guò)與宏小區(qū)共享傳輸頻段，增加了頻譜空間使用率，從而提高了系統(tǒng)的頻譜效率。另一方面，小型基站一般被布置在宏基站信號(hào)較弱的區(qū)域或者通信熱點(diǎn)區(qū)域，因

2、而能有效改善宏小區(qū)的無(wú)線(xiàn)覆蓋，為用戶(hù)提供泛在的接入服務(wù)。隨著對(duì)異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究的不斷深入，如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋、降低能量消耗成為異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)研究中所需要面對(duì)的新問(wèn)題。考慮到蜂窩直通（Device-to-Device， D2D）通信和全雙工通信技術(shù)在提升傳輸頻譜效率和能量效率上的優(yōu)勢(shì)，將D2D通信和全雙工通信技術(shù)引入異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建高頻譜效率、高能量效率的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。然而D2D通信和全雙工通信的引入

3、也會(huì)給異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源分配帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，本文致力于基于D2D和全雙工通信的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源分配研究，通過(guò)解決用戶(hù)接入、發(fā)射功率控制、傳輸頻段選擇以及信令開(kāi)銷(xiāo)等問(wèn)題，來(lái)提升系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。主要研究?jī)?nèi)容有下面四個(gè)部分：（1）基于單D2D中繼的異構(gòu)蜂窩用戶(hù)接入；（2）基于多D2D中繼的異構(gòu)蜂窩用戶(hù)接入；（3）正交頻譜共享下全雙工通信的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源分配；（4）非正交頻譜共享下全雙工通信的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源分配。
　　第一部

4、分針對(duì)單D2D中繼的場(chǎng)景，研究了異構(gòu)蜂窩用戶(hù)聯(lián)合接入控制與資源分配問(wèn)題，提出了一種基于跨層設(shè)計(jì)的用戶(hù)接入算法來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)上行傳輸頻譜效率和能量效率。該算法分為接入點(diǎn)選擇、發(fā)射功率控制和傳輸模式切換三個(gè)步驟。每一步都簡(jiǎn)單易行，并且能夠得到相關(guān)優(yōu)化問(wèn)題最優(yōu)解的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果表明所提出的算法大大能提升小區(qū)邊緣用戶(hù)上行傳輸?shù)男阅?，同時(shí)還顯示在面向頻譜效率和能量效率的傳輸中，基于D2D中繼的傳輸模式比直傳模式能給用戶(hù)帶來(lái)更多的性能增益。此外，

5、仿真結(jié)果還展示了所提出算法在頻譜效率和能量效率上的折中關(guān)系。
　　第二部分研究了多D2D中繼場(chǎng)景下的異構(gòu)蜂窩用戶(hù)接入問(wèn)題。由于D2D中繼和小型基站的分布具有隨機(jī)性，系統(tǒng)中信道狀態(tài)的測(cè)量會(huì)引起大量的信令開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)D2D中繼數(shù)目較多時(shí)，這種信令開(kāi)銷(xiāo)變得更加可觀(guān)。因此，在多D2D中繼場(chǎng)景下，如何設(shè)計(jì)高效用戶(hù)接入算法來(lái)降低信令開(kāi)銷(xiāo)值得進(jìn)一步研究。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出了基于位置信息的用戶(hù)接入算法來(lái)平衡信令開(kāi)銷(xiāo)與用戶(hù)傳輸性能之間的關(guān)系。該

6、算法首先從理論上分析最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)的位置，然后根據(jù)D2D中繼與最優(yōu)中繼位置之間的相對(duì)關(guān)系來(lái)進(jìn)行中繼節(jié)點(diǎn)的選擇。最后根據(jù)選定的中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)確定最優(yōu)的發(fā)射功率與傳輸模式。仿真結(jié)果證明所提出的算法在提升異構(gòu)蜂窩用戶(hù)上行傳輸能量效率的同時(shí)，還能有效降低系統(tǒng)的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)與信令開(kāi)銷(xiāo)。
　　第三部分研究了正交頻譜共享場(chǎng)景下全雙工通信的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源分配問(wèn)題。綜合考慮基站和用戶(hù)的發(fā)射功率限制，以最大化小小區(qū)容量為目標(biāo)，構(gòu)建了聯(lián)合上下行用戶(hù)子載波分配和

7、發(fā)射功率控制的優(yōu)化問(wèn)題，并采用拉格朗日對(duì)偶的理論將該問(wèn)題分解為一個(gè)原始優(yōu)化問(wèn)題和一個(gè)對(duì)偶優(yōu)化問(wèn)題。由于原始優(yōu)化問(wèn)題具有非凸結(jié)構(gòu)，因而可以采用凸凹過(guò)程（Concave-Convex Procedure，CCCP）把該問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列凸問(wèn)題進(jìn)行求解。通過(guò)共軛次梯度法，對(duì)偶優(yōu)化問(wèn)題可以得到有效解決。通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證驗(yàn)證，基于拉格朗日對(duì)偶分解的資源分配算法能以較低的運(yùn)算代價(jià)提升的系統(tǒng)容量。
　　第四部分研究了非正交頻譜共享場(chǎng)景下全雙

8、工通信的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源分配問(wèn)題。與正交頻譜共享場(chǎng)景不同，在非正交頻譜共享場(chǎng)景下，小小區(qū)和宏小區(qū)之間存在跨層干擾，因此在優(yōu)化小小區(qū)容量的同時(shí)還需要限制其對(duì)宏小區(qū)的跨層干擾。此外，由于小型基站的位置具有隨機(jī)性，宏基站可能無(wú)法準(zhǔn)確獲得跨層干擾的準(zhǔn)確信息。因此，本文考慮了信道測(cè)量誤差的影響，并根據(jù)魯棒優(yōu)化理論構(gòu)建了聯(lián)合上下行用戶(hù)子載波分配和發(fā)射功率控制的優(yōu)化問(wèn)題。與正交頻譜共享的場(chǎng)景類(lèi)似，利用拉格朗日對(duì)偶分解，該優(yōu)化問(wèn)題被等效化簡(jiǎn)為一個(gè)原始優(yōu)