關(guān)于D2D通信抗干擾的問(wèn)題研究

　　論文摘要：在這個(gè)信息化時(shí)代，人們已經(jīng)無(wú)法適應沒(méi)有信息的傳遞和交流的現代化、快節奏的生活和工作。無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)與人們的生活密切相關(guān)，人們的日常生活中已經(jīng)離不開(kāi)各種無(wú)線(xiàn)通信設備。

　　論文關(guān)鍵詞： D2D 通信 信息

　　第 1 章 緒 論

　　1.1 研究背景

　　在無(wú)線(xiàn)技術(shù)短短的幾十年的發(fā)展歷程中，從第一代模擬蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)(AMPS)發(fā)展到支持低速率數據業(yè)務(wù)的第二代數字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )(GSM)，然后發(fā)展到支持移動(dòng)多媒體通信業(yè)務(wù)的第三代數字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )(3G)[1][2]，進(jìn)而發(fā)展到現在能夠支持更高的數據傳輸速率的多媒體業(yè)務(wù)的第四代移動(dòng)通信技術(shù)，與此同時(shí),更多的工作已經(jīng)投入到下一代移動(dòng)通信技術(shù)的研究計劃。無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢是開(kāi)發(fā)更高的頻段、有效地利用頻譜資源、數字化，將為設備制造商和業(yè)務(wù)運營(yíng)商提供更大的市場(chǎng)空間，而且造就一個(gè)龐大的業(yè)務(wù)服務(wù)群體并為其提供良好的市場(chǎng)空間。各種移動(dòng)通信系統不斷的演進(jìn)，帶寬需求隨之日益增加，頻帶資源短缺成為世界通信業(yè)的共同問(wèn)題[3]，如何更大效用的利用頻譜資源并創(chuàng )造新的價(jià)值是一項具有現實(shí)意義的研究問(wèn)題。由于頻譜資源有限，如何進(jìn)一步提高頻譜資源利用率已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的一個(gè)核心課題。為解決日趨緊缺的頻帶資源問(wèn)題，研究者提出一種在蜂窩網(wǎng)絡(luò )中引入 D2D(Device-to-Device)通信技術(shù)[3]，D2D 通信技術(shù)是指短距離的兩個(gè)用戶(hù)設備在基站控制下，可以通過(guò)復用小區頻譜資源的方式實(shí)現終端間直接數據傳輸。D2D 通信可以在現有的蜂窩網(wǎng)絡(luò )中直接升級而來(lái)，無(wú)需大規模的鋪設重建過(guò)程。D2D 系統與蜂窩系統的結合，不但能夠擴大蜂窩容量，而且能提高頻譜利用率，有效降低基站負荷，減少移動(dòng)終端的電池功耗，縮短延時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，還能支持新型的小范圍點(diǎn)對點(diǎn)數據服務(wù)。如今，D2D 通信技術(shù)與大規模MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output 多輸入多輸出)、中繼技術(shù)、超密集部署、靈活雙工等技術(shù)一并確定為 IMT-Advanced(高級國際移動(dòng)通信)研究的關(guān)鍵技術(shù)。D2D 以其靈活的工作方式和實(shí)用性在 4G LTE-A 系統中將會(huì )得到越來(lái)越多的應用。

　　1.2 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢

　　D2D 通信技術(shù)已受到了越來(lái)越多的關(guān)注，研究者在相關(guān)的領(lǐng)域里做出了許多的研究，國內外關(guān)于 D2D 的研究主要存在以下幾個(gè)方向：應用場(chǎng)景研究、理論架構研究以及抗干擾性研究。文獻[4]提出通過(guò)基站在其數據庫中建立“用戶(hù)動(dòng)態(tài)匹配數據庫”(DynamicMapping Users, DMU)，用來(lái)及時(shí)追蹤所有蜂窩頻段的被復用狀況，而 D2D 設備主動(dòng)選擇復用干擾水平較低的蜂窩資源，來(lái)避免或減小干擾的最優(yōu)模式選擇策略。此機制和算法,充分考慮了蜂窩網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量(QoS, Quality of Service)以及兩種用戶(hù)之間的相互干擾。文獻[5]通過(guò)以小區內用戶(hù)的空間隔離度為出發(fā)點(diǎn)，選出合理蜂窩用戶(hù)和 D2D用戶(hù)對，這樣減少了兩種通信模式之間產(chǎn)生的干擾問(wèn)題，改善了蜂窩的吞吐量。文獻[6]提出一種用戶(hù)分組的資源分配方案，將小區中 D2D 用戶(hù)依據其地理位置分成幾個(gè) D2D 用戶(hù)組，然后依據不同分配法給不同的 D2D 用戶(hù)組分別分配不同的資源頻帶，再將分配到的資源在 D2D 組內用戶(hù)進(jìn)行分配，各個(gè)用戶(hù)組使用不同的資源分配算法。文獻[7]給出了一種 D2D 通信用戶(hù)模式映射方案。在這種方案中，基站首先確定系統中通信用戶(hù)的地理位置，然后根據位置信息決策適合各用戶(hù)的通信模式，最后為其分配相應的資源。這種模式映射方案以損失有限的性能增益為代價(jià)，較大降低系統決策的復雜度。文獻[8]基于單小區蜂窩多天線(xiàn)場(chǎng)景，提議了兩類(lèi)復用蜂窩下行鏈路的預編碼算法來(lái)消除因為頻譜復用所引起的干擾問(wèn)題。一類(lèi)是窮盡搜索已知碼本中所有預編碼，采用最好預編碼，該方案系統開(kāi)銷(xiāo)比較大。另一類(lèi)采用分布式算法，如果能夠獲得準確的信道反饋，即使相比窮盡搜索獲得的最優(yōu)的預編碼對，也可以獲得更高的增益。

　　第 2 章 D2D 通信技術(shù)

　　2.1 D2D 概念

　　D2D(Device-to-Device)通信是一種短距離間直接通信技術(shù)，它允許用戶(hù)在基站控制下通過(guò)復用小區資源直接進(jìn)行通信。這種通信方式有利于近距離的本地用戶(hù)直接進(jìn)行通信，可以有效減少用戶(hù)間干擾,降低傳輸信號功率，提高資源利用效率，對本地數據的傳輸業(yè)務(wù)尤其適用。D2D 通信是一種能夠在通信兩端之間建立直接的鏈路，使通信雙方不通過(guò)基站轉發(fā)就能進(jìn)行通信的方式。如圖 2.1 所示，D2D 通信與傳統的蜂窩通信模式不同，D2D 通信不需要通過(guò)基站來(lái)轉發(fā)數據，而是用戶(hù)間直接進(jìn)行通信，這樣節省了數據傳輸的時(shí)間以及通信的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)還節約了網(wǎng)絡(luò )資源。D2D 用戶(hù)也有與蜂窩用戶(hù)相同的地方，D2D 用戶(hù)需要受到小區的基站的控制和管理，D2D 通信在基站的控制下獲得所需的通信頻譜資源以及傳輸功率，在基站的協(xié)助與監控下進(jìn)行數據傳輸。D2D 用戶(hù)與蜂窩用戶(hù)之間，可以分別使用獨立的資源，也可以共用相同的資源，合理配置使用的資源可以提高蜂窩網(wǎng)絡(luò )的資源利用率。如若進(jìn)行 D2D通信的雙方都是以較低的功率進(jìn)行傳輸，則能夠減輕網(wǎng)絡(luò )的負載，并減少終端的電量損耗,電池的使用期限就會(huì )延長(cháng)。D2D 通信這種短距離的通信帶來(lái)的高數率和良好的通信質(zhì)量，能夠提高蜂窩網(wǎng)絡(luò )的容量和頻譜的利用率。并且隨著(zhù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )熱點(diǎn)覆蓋的增加,數率的不斷提高以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷普及，D2D 通信將會(huì )得到越來(lái)越多的應用。

　　2.2 D2D 通信關(guān)鍵技術(shù)

　　移動(dòng)通信的研究和發(fā)展方向與互聯(lián)網(wǎng)應用密切相關(guān)，這意味著(zhù)越來(lái)越多的關(guān)注將集中于數據業(yè)務(wù)，這也是未來(lái)運營(yíng)商們競爭的焦點(diǎn)。從移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢來(lái)看，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )目前正處于從以語(yǔ)音為主要業(yè)務(wù)逐漸轉向以高速數據為主要業(yè)務(wù)的階段，而且，移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展也對移動(dòng)通信系統的帶寬提出了新的難題。D2D 通信也是基于對數據業(yè)務(wù)的一種應用方式，同樣需要移動(dòng)通信系統提供足夠的帶寬支持。目前 D2D 技術(shù)已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)行業(yè)的重要研究課題之一。如何在現有的通信網(wǎng)絡(luò )基礎設施上使其得以實(shí)現，并解決其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界較多注意。D2D 關(guān)鍵技術(shù)主要包括設備發(fā)現，功率控制，資源管理以及信道測量等[14]。在蜂窩通信中引入 D2D 通信，D2D 用戶(hù)可以復用蜂窩用戶(hù)上行資源或下行資源，而在引入 D2D 通信后，保證對原有蜂窩用戶(hù)不產(chǎn)生干擾或產(chǎn)生的干擾能保證蜂窩通信正常很重要。一般情況下干擾主要通過(guò)功率控制和資源分配來(lái)解決，盡管 D2D 干擾特性還沒(méi)有完全得到認識。功率控制只在上行鏈路傳輸中對移動(dòng)通信用戶(hù)的發(fā)射功率以及下行鏈路傳輸中對基站的發(fā)射功率的控制[15]，用以保證通信的正常。在蜂窩通信中引入 D2D 通信，需要進(jìn)一步控制 D2D 用戶(hù)的發(fā)射功率，這樣才能保證蜂窩用戶(hù)不受到干擾。在保證 D2D 接收端的信干噪比 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)最小時(shí)，D2D 發(fā)射端功率越大越好，這樣可以可以使得接收功率越高，進(jìn)而獲得的容量越高。但是，發(fā)射功率越高，對蜂窩用戶(hù)產(chǎn)生的干擾越大，系統容量也會(huì )受到影響。因此，在使得功率最大化和限制其產(chǎn)生的干擾之間找到平衡點(diǎn)是功率控制的目的。

　　第 3 章 部分頻率復用 D2D 通信抗干擾研究 ..16

　　3.1 系統模型..16

　　3.2 核心區域 D2D 通信的頻率復用 17

　　3.3 邊緣區域 D2D 通信的頻率復用 21

　　3.4 性能分析..25

　　第 4 章 基于隔離區的 D2D 通信干擾控制 28

　　4.1 系統模型..28

　　4.2 隔離區域..30

　　4.3 干擾分析..30

　　4.4 頻譜效率..324.5 性能分析..33

　　第 5 章 基于聯(lián)盟博弈的 D2D 通信干擾控制 ..37

　　增長(cháng)中的本地服務(wù)需求以及逐漸增長(cháng)的頻譜擁塞引發(fā)了針對在蜂窩網(wǎng)絡(luò )中提高頻譜效率的研究活動(dòng)。D2D 通信作為一個(gè)能夠復用蜂窩資源的底層蜂窩網(wǎng)絡(luò )可以提高頻譜利用率與增強小區吞吐量。D2D 通信中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是由 D2D 通信與傳統蜂窩通信的資源分享造成的干擾管理問(wèn)題，而這個(gè)問(wèn)題會(huì )大大影響網(wǎng)絡(luò )吞吐量和通信可靠性。在本章中，探討資源共享的問(wèn)題，從分布式和合作前景的角度來(lái)優(yōu)化在蜂窩網(wǎng)絡(luò )下的 D2D 通信的系統性能，特別的，制定一個(gè)可轉移效用的聯(lián)盟博弈[46 47]，在其中，每一個(gè)用戶(hù)在最大化自己的效用的同時(shí)，和其他用戶(hù)合作形成更強的用戶(hù)組以獲得更佳的頻譜資源。此外，在新定義的聯(lián)盟最大次序下，基于聯(lián)盟形成算法，設計了一個(gè)分布式的融合與分裂方案以有效的處理資源分配問(wèn)題。如圖 5.1 所示，考慮在蜂窩網(wǎng)絡(luò )中的下行鏈路傳輸方案，其中存在兩種類(lèi)型的通信方式，即 BS 和 UE 之間的傳統蜂窩通信方式以及直接的 D2D 通信方式，其中 D2D 通信被作為傳統蜂窩通信的襯底。重點(diǎn)放在由于 D2D 與傳統蜂窩通信的資源共享帶來(lái)的小區內部干擾。假設在研究的網(wǎng)絡(luò )中有 M 個(gè)傳統蜂窩用戶(hù)，N 個(gè) D2D對。Am，m=1,2,…..M,表示傳統蜂窩用戶(hù)，Dn,t 和 Dn,r，n=1,2,…..N 表示潛在的D2D 對，這些 D2D 對的距離近到足以滿(mǎn)足直接 D2D 通信距離的約束。Dn,t代表D2D 對的發(fā)射機，Dn,r代表 D2D 對的接收機。正交頻分復用(OFDM)技術(shù)用于同時(shí)支持傳統蜂窩通信和 D2D 通信。R={RB1,RB2…RBk}表示總共的 K 個(gè)用于數據傳輸的模塊。每個(gè)模塊由一定確定量的副載波組成，在 LTE 的物理層標準，每個(gè)模塊由 12 個(gè)副載波組成。集合{1,2…M}，{1,2….N}以及傳統蜂窩用戶(hù)集合，D2D對集合用 M，N，A 和 D 來(lái)表示。

　　總結

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信業(yè)的發(fā)展，人們期望隨時(shí)隨地、及時(shí)可靠、不受時(shí)空限制地進(jìn)行信息交流，提高工作的效率和經(jīng)濟效益，各種滿(mǎn)足人們需求的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。經(jīng)過(guò)統計研究，目前大量的通信都發(fā)生在近距離間的傳輸，所以更多的工作需求投入到近距離的通信傳輸中，其中 D2D 技術(shù)就是近距離的用戶(hù)間通過(guò)復用蜂窩網(wǎng)絡(luò )的資源直接進(jìn)行進(jìn)行數據傳輸的一項新技術(shù)[50 51]，D2D 通信不僅提高了數據傳輸速率，而且能夠減小功耗延長(cháng)電池的使用。同時(shí)還能夠在邊緣地區或熱點(diǎn)區域提供網(wǎng)絡(luò )覆蓋，從而增加網(wǎng)絡(luò )的容量。本文對 D2D 技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題都進(jìn)行了研究,包括 D2D 設備查找技術(shù)，多跳的 D2D 通信,以及與 D2D 通信抗干擾問(wèn)題等。針對干擾這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,本文進(jìn)行深入的探討和研究，并提出了具體抗干擾性的研究方案，具有一定的借鑒價(jià)值。本文首先對 D2D 的研究背景，D2D 的概念以及國內外研究現狀進(jìn)行了詳細的介紹。對于目前日趨匱乏的頻譜資源，D2D 復用技術(shù)在 LTE 蜂窩移動(dòng)通信系統中得到廣泛的關(guān)注。而對于在蜂窩網(wǎng)中兩種通信間造成的相互干擾控制成為 D2D 應用中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，也是本論文研究的重點(diǎn)。接著(zhù)，本文針對 D2D 通信的抗干擾問(wèn)題提出了三種干擾抑制和控制的方案，一種是基于部分頻率復用的干擾控制，根據用戶(hù)的位置，將蜂窩分成核心區域和邊緣區域，分別提出對處于核心區域和邊緣區域的 D2D 通信的部分頻率復用干擾控制方案，并通過(guò)性能分析來(lái)證明此方案是可行的。另一種是基于隔離區的 D2D 干擾控制，通過(guò)干擾分析和頻譜效率分別解決 D2D 通信對原有蜂窩通信的干擾和蜂窩通信對 D2D 通信的干擾問(wèn)題。最后一種是基于聯(lián)盟形成博弈的干擾控制，解釋了聯(lián)盟形成博弈，主要是基于聯(lián)盟形成的融合與分裂的資源分配來(lái)控制干擾，最后介紹了聯(lián)盟形成博弈的算法。

　　參考文獻(略)

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