基于D2D與全雙工通信的異構蜂窩網(wǎng)絡資源分配研究.pdf

1、為了應對移動互聯(lián)業(yè)務的爆發(fā)式增長，同時為用戶提供無縫式網(wǎng)絡覆蓋，第三代伙伴合作計劃組織在LTE-Aadvance標準中提出了異構蜂窩網(wǎng)絡技術，通過在傳統(tǒng)宏蜂窩小區(qū)中重疊布置低功率小型基站來提升系統(tǒng)的整體性能。與傳統(tǒng)同構蜂窩網(wǎng)絡相比，異構蜂窩網(wǎng)絡能夠有效改善系統(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較弱的區(qū)域或者通信熱點區(qū)域，因

2、而能有效改善宏小區(qū)的無線覆蓋，為用戶提供泛在的接入服務。隨著對異構蜂窩網(wǎng)絡研究的不斷深入，如何進一步提高系統(tǒng)容量、擴大網(wǎng)絡覆蓋、降低能量消耗成為異構蜂窩網(wǎng)絡研究中所需要面對的新問題?？紤]到蜂窩直通（Device-to-Device， D2D）通信和全雙工通信技術在提升傳輸頻譜效率和能量效率上的優(yōu)勢，將D2D通信和全雙工通信技術引入異構蜂窩網(wǎng)絡，構建高頻譜效率、高能量效率的無線傳輸系統(tǒng)已成為當前的研究熱點。然而D2D通信和全雙工通信的引入

3、也會給異構蜂窩網(wǎng)絡的資源分配帶來挑戰(zhàn)。因此，本文致力于基于D2D和全雙工通信的異構蜂窩網(wǎng)絡資源分配研究，通過解決用戶接入、發(fā)射功率控制、傳輸頻段選擇以及信令開銷等問題，來提升系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。主要研究內容有下面四個部分：（1）基于單D2D中繼的異構蜂窩用戶接入；（2）基于多D2D中繼的異構蜂窩用戶接入；（3）正交頻譜共享下全雙工通信的異構蜂窩網(wǎng)絡資源分配；（4）非正交頻譜共享下全雙工通信的異構蜂窩網(wǎng)絡資源分配。
　　第一部

4、分針對單D2D中繼的場景，研究了異構蜂窩用戶聯(lián)合接入控制與資源分配問題，提出了一種基于跨層設計的用戶接入算法來優(yōu)化系統(tǒng)上行傳輸頻譜效率和能量效率。該算法分為接入點選擇、發(fā)射功率控制和傳輸模式切換三個步驟。每一步都簡單易行，并且能夠得到相關優(yōu)化問題最優(yōu)解的閉合表達式。仿真結果表明所提出的算法大大能提升小區(qū)邊緣用戶上行傳輸?shù)男阅?，同時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帶來更多的性能增益。此外，

5、仿真結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系。
　　第二部分研究了多D2D中繼場景下的異構蜂窩用戶接入問題。由于D2D中繼和小型基站的分布具有隨機性，系統(tǒng)中信道狀態(tài)的測量會引起大量的信令開銷。當D2D中繼數(shù)目較多時，這種信令開銷變得更加可觀。因此，在多D2D中繼場景下，如何設計高效用戶接入算法來降低信令開銷值得進一步研究。為了解決這個問題，本文提出了基于位置信息的用戶接入算法來平衡信令開銷與用戶傳輸性能之間的關系。該

6、算法首先從理論上分析最優(yōu)中繼節(jié)點的位置，然后根據(jù)D2D中繼與最優(yōu)中繼位置之間的相對關系來進行中繼節(jié)點的選擇。最后根據(jù)選定的中繼節(jié)點來確定最優(yōu)的發(fā)射功率與傳輸模式。仿真結果證明所提出的算法在提升異構蜂窩用戶上行傳輸能量效率的同時，還能有效降低系統(tǒng)的計算開銷與信令開銷。
　　第三部分研究了正交頻譜共享場景下全雙工通信的異構蜂窩網(wǎng)絡資源分配問題。綜合考慮基站和用戶的發(fā)射功率限制，以最大化小小區(qū)容量為目標，構建了聯(lián)合上下行用戶子載波分配和

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

8、工通信的異構蜂窩網(wǎng)絡資源分配問題。與正交頻譜共享場景不同，在非正交頻譜共享場景下，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)容量的同時還需要限制其對宏小區(qū)的跨層干擾。此外，由于小型基站的位置具有隨機性，宏基站可能無法準確獲得跨層干擾的準確信息。因此，本文考慮了信道測量誤差的影響，并根據(jù)魯棒優(yōu)化理論構建了聯(lián)合上下行用戶子載波分配和發(fā)射功率控制的優(yōu)化問題。與正交頻譜共享的場景類似，利用拉格朗日對偶分解，該優(yōu)化問題被等效化簡為一個原始優(yōu)