D2D無(wú)線通信系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展，用戶之間進(jìn)行信息共享的業(yè)務(wù)越來(lái)越普遍，地理上相鄰用戶之間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量越來(lái)越大，致使業(yè)務(wù)具有更加明顯的本地特性。傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)缺乏應(yīng)對(duì)和利用這一全新發(fā)展趨勢(shì)及特性的相關(guān)機(jī)制和技術(shù)。終端直通技術(shù)（Device-to-Device，D2D）通信徹底改變了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中信息處理和信息傳輸方式，實(shí)現(xiàn)終端間直接通信，可有效提高頻譜資源效率、降低能耗、增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性，被列為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5th Generatio

2、n Mobile Communication Systems，5G）的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí)，隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信，網(wǎng)絡(luò)中存在大量的用戶終端可作為中繼協(xié)助用戶間通信，將無(wú)線中繼技術(shù)引入D2D通信，可以改善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，拓展無(wú)線中繼的應(yīng)用場(chǎng)景，有效提高系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量和總體性能。本論文圍繞傳統(tǒng)D2D通信中的干擾問題和結(jié)合中繼技術(shù)的D2D通信系統(tǒng)的性能及優(yōu)化展開了研究，主要包括：
　　1)針對(duì)D2D通信對(duì)蜂窩系統(tǒng)的

3、干擾問題進(jìn)行了研究。首先，對(duì)于單對(duì)D2D用戶共享蜂窩通信下行鏈路資源場(chǎng)景，基于蜂窩用戶干擾約束，建立蜂窩用戶的干擾受限區(qū)域，提出基于干擾受限區(qū)的D2D用戶接入策略，并對(duì)采用該策略的系統(tǒng)用戶的中斷概率進(jìn)行理論推導(dǎo)。仿真結(jié)果表明，采用該接入策略可提高系統(tǒng)中斷概率性能。其次，對(duì)于多對(duì)D2D通信共享蜂窩通信上行鏈路資源場(chǎng)景，在分析多對(duì)D2D通信產(chǎn)生的累積干擾服從weighted chi-squared分布的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出蜂窩系統(tǒng)中斷概率閉合表達(dá)

4、式，通過仿真揭示了D2D的鏈路數(shù)和D2D鏈路的分布區(qū)域等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響。仿真結(jié)果表明，增加D2D鏈路數(shù)會(huì)增大對(duì)基站的干擾，但當(dāng)D2D鏈路分布滿足一定的距離條件，較大的D2D鏈路數(shù)也能夠保證系統(tǒng)中斷概率，同時(shí)使引入多對(duì)D2D通信鏈路的共享系統(tǒng)總?cè)萘康玫教嵘?br>　　2)針對(duì)放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-Forward，AF）協(xié)議雙向中繼D2D系統(tǒng)的性能及功率分配方案進(jìn)行了研究。首先，針對(duì)三時(shí)隙固定增益因子的AF雙向中

5、繼 D2D通信系統(tǒng)，考慮D2D源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)均受到干擾與噪聲，利用積分區(qū)域近似推導(dǎo)出系統(tǒng)中斷概率的近似表達(dá)式。以最小化系統(tǒng)中斷概率為目標(biāo)，采用等效的兩條單向鏈路中最小信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR）最大化方法，推導(dǎo)出最優(yōu)功率分配系數(shù)。其次，針對(duì)三時(shí)隙變?cè)鲆嬉蜃拥腁F雙向中繼D2D通信系統(tǒng)，考慮D2D源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)均受到干擾與噪聲，推導(dǎo)出瞬時(shí)SINR變量的緊致上界，在

6、此基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)出系統(tǒng)中斷概率下界和遍歷容量上界，并以最大化系統(tǒng)遍歷容量為目標(biāo)，提出最優(yōu)功率分配方案。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性，表明采用所提出的最優(yōu)功率分配方案可提高系統(tǒng)性能，揭示了干擾功率、源節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率、功率分配系數(shù)及中繼節(jié)點(diǎn)位置等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。3)針對(duì)解碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-and-Forward，DF）DF協(xié)議雙向多中繼D2D系統(tǒng)的中繼選擇方案進(jìn)行了研究。在DF協(xié)議的雙向多中繼D2D通信系統(tǒng)中，考慮D2D源節(jié)

7、點(diǎn)和所有中繼節(jié)點(diǎn)均受到共道干擾（Cochannel Interference，CCI）及噪聲的影響，利用順序統(tǒng)計(jì)理論推導(dǎo)L個(gè)中繼中有 k個(gè)中繼可正確解碼兩源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的概率，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)出獨(dú)立非同分布瑞利衰落信道下三種中繼選擇方案（隨機(jī)中繼選擇、最大最小選擇和直接傳輸）的系統(tǒng)中斷概率的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性，揭示了中繼個(gè)數(shù)、中繼分布區(qū)域及功率分配系數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)中斷概率性能的影響，仿真結(jié)果還表明，使用中

8、繼選擇方案的DF雙向中繼D2D系統(tǒng)的性能優(yōu)于無(wú)中繼的傳統(tǒng)D2D系統(tǒng)性能，最大最小中繼選擇方案系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于隨機(jī)中繼選擇方案的系統(tǒng)性能。
　　4)針對(duì)AF協(xié)議雙向多中繼D2D系統(tǒng)中繼選擇方案進(jìn)行了研究。在變?cè)鲆嬉蜃覣F協(xié)議的雙向多中繼D2D通信系統(tǒng)中，考慮D2D源節(jié)點(diǎn)和所有中繼節(jié)點(diǎn)均受到來(lái)自蜂窩系統(tǒng)同頻干擾及噪聲的影響，對(duì)于包含多個(gè)隨機(jī)變量的瞬時(shí)SINR，采用合理的數(shù)學(xué)近似獲得瞬時(shí)SINR變量的緊致上界，推導(dǎo)出SINR上界的累積分