關(guān)于D2D通信抗干擾的問題研究

　　論文摘要：在這個信息化時代，人們已經(jīng)無法適應(yīng)沒有信息的傳遞和交流的現(xiàn)代化、快節(jié)奏的生活和工作。無線移動通信的迅猛發(fā)展，無線移動通信技術(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)離不開各種無線通信設(shè)備。

　　論文關(guān)鍵詞： D2D 通信 信息

　　第 1 章 緒 論

　　1.1 研究背景

　　在無線技術(shù)短短的幾十年的發(fā)展歷程中，從第一代模擬蜂窩移動通信網(wǎng)(AMPS)發(fā)展到支持低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的第二代數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)(GSM)，然后發(fā)展到支持移動多媒體通信業(yè)務(wù)的第三代數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)(3G)[1][2]，進(jìn)而發(fā)展到現(xiàn)在能夠支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率的多媒體業(yè)務(wù)的第四代移動通信技術(shù)，與此同時,更多的工作已經(jīng)投入到下一代移動通信技術(shù)的研究計劃。無線移動通信技術(shù)的發(fā)展趨勢是開發(fā)更高的頻段、有效地利用頻譜資源、數(shù)字化，將為設(shè)備制造商和業(yè)務(wù)運營商提供更大的市場空間，而且造就一個龐大的業(yè)務(wù)服務(wù)群體并為其提供良好的市場空間。各種移動通信系統(tǒng)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)的共同問題[3]，如何更大效用的利用頻譜資源并創(chuàng)造新的價值是一項具有現(xiàn)實意義的研究問題。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)成為無線通信技術(shù)的一個核心課題。為解決日趨緊缺的頻帶資源問題，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)是指短距離的兩個用戶設(shè)備在基站控制下，可以通過復(fù)用小區(qū)頻譜資源的方式實現(xiàn)終端間直接數(shù)據(jù)傳輸。D2D 通信可以在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中直接升級而來，無需大規(guī)模的鋪設(shè)重建過程。D2D 系統(tǒng)與蜂窩系統(tǒng)的結(jié)合，不但能夠擴(kuò)大蜂窩容量，而且能提高頻譜利用率，有效降低基站負(fù)荷，減少移動終端的電池功耗，縮短延時等優(yōu)點，還能支持新型的小范圍點對點數(shù)據(jù)服務(wù)。如今，D2D 通信技術(shù)與大規(guī)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(高級國際移動通信)研究的關(guān)鍵技術(shù)。D2D 以其靈活的工作方式和實用性在 4G LTE-A 系統(tǒng)中將會得到越來越多的應(yīng)用。

　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　D2D 通信技術(shù)已受到了越來越多的關(guān)注，研究者在相關(guān)的領(lǐng)域里做出了許多的研究，國內(nèi)外關(guān)于 D2D 的研究主要存在以下幾個方向：應(yīng)用場景研究、理論架構(gòu)研究以及抗干擾性研究。文獻(xiàn)[4]提出通過基站在其數(shù)據(jù)庫中建立“用戶動態(tài)匹配數(shù)據(jù)庫”(DynamicMapping Users, DMU)，用來及時追蹤所有蜂窩頻段的被復(fù)用狀況，而 D2D 設(shè)備主動選擇復(fù)用干擾水平較低的蜂窩資源，來避免或減小干擾的最優(yōu)模式選擇策略。此機(jī)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)以及兩種用戶之間的相互干擾。文獻(xiàn)[5]通過以小區(qū)內(nèi)用戶的空間隔離度為出發(fā)點，選出合理蜂窩用戶和 D2D用戶對，這樣減少了兩種通信模式之間產(chǎn)生的干擾問題，改善了蜂窩的吞吐量。文獻(xiàn)[6]提出一種用戶分組的資源分配方案，將小區(qū)中 D2D 用戶依據(jù)其地理位置分成幾個 D2D 用戶組，然后依據(jù)不同分配法給不同的 D2D 用戶組分別分配不同的資源頻帶，再將分配到的資源在 D2D 組內(nèi)用戶進(jìn)行分配，各個用戶組使用不同的資源分配算法。文獻(xiàn)[7]給出了一種 D2D 通信用戶模式映射方案。在這種方案中，基站首先確定系統(tǒng)中通信用戶的地理位置，然后根據(jù)位置信息決策適合各用戶的通信模式，最后為其分配相應(yīng)的資源。這種模式映射方案以損失有限的性能增益為代價，較大降低系統(tǒng)決策的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[8]基于單小區(qū)蜂窩多天線場景，提議了兩類復(fù)用蜂窩下行鏈路的預(yù)編碼算法來消除因為頻譜復(fù)用所引起的干擾問題。一類是窮盡搜索已知碼本中所有預(yù)編碼，采用最好預(yù)編碼，該方案系統(tǒng)開銷比較大。另一類采用分布式算法，如果能夠獲得準(zhǔn)確的信道反饋，即使相比窮盡搜索獲得的最優(yōu)的預(yù)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)，它允許用戶在基站控制下通過復(fù)用小區(qū)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直接進(jìn)行通信，可以有效減少用戶間干擾,降低傳輸信號功率，提高資源利用效率，對本地數(shù)據(jù)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，使通信雙方不通過基站轉(zhuǎn)發(fā)就能進(jìn)行通信的方式。如圖 2.1 所示，D2D 通信與傳統(tǒng)的蜂窩通信模式不同，D2D 通信不需要通過基站來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是用戶間直接進(jìn)行通信，這樣節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間以及通信的開銷，同時還節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源。D2D 用戶也有與蜂窩用戶相同的地方，D2D 用戶需要受到小區(qū)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(jiān)控下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。D2D 用戶與蜂窩用戶之間，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(fù)載，并減少終端的電量損耗,電池的使用期限就會延長。D2D 通信這種短距離的通信帶來的高數(shù)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。并且隨著移動網(wǎng)絡(luò)熱點覆蓋的增加,數(shù)率的不斷提高以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷普及，D2D 通信將會得到越來越多的應(yīng)用。

　　2.2 D2D 通信關(guān)鍵技術(shù)

　　移動通信的研究和發(fā)展方向與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用密切相關(guān)，這意味著越來越多的關(guān)注將集中于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這也是未來運營商們競爭的焦點。從移動通信的發(fā)展趨勢來看，移動通信網(wǎng)絡(luò)目前正處于從以語音為主要業(yè)務(wù)逐漸轉(zhuǎn)向以高速數(shù)據(jù)為主要業(yè)務(wù)的階段，而且，移動多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展也對移動通信系統(tǒng)的帶寬提出了新的難題。D2D 通信也是基于對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一種應(yīng)用方式，同樣需要移動通信系統(tǒng)提供足夠的帶寬支持。目前 D2D 技術(shù)已經(jīng)成為無線通信技術(shù)行業(yè)的重要研究課題之一。如何在現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上使其得以實現(xiàn)，并解決其關(guān)鍵技術(shù)問題已經(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(shè)備發(fā)現(xiàn)，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 用戶可以復(fù)用蜂窩用戶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功率控制和資源分配來解決，盡管 D2D 干擾特性還沒有完全得到認(rèn)識。功率控制只在上行鏈路傳輸中對移動通信用戶的發(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 用戶的發(fā)射功率，這樣才能保證蜂窩用戶不受到干擾。在保證 D2D 接收端的信干噪比 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)最小時，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，對蜂窩用戶產(chǎn)生的干擾越大，系統(tǒng)容量也會受到影響。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是功率控制的目的。

　　第 3 章 部分頻率復(fù)用 D2D 通信抗干擾研究 ..16

　　3.1 系統(tǒng)模型..16

　　3.2 核心區(qū)域 D2D 通信的頻率復(fù)用 17

　　3.3 邊緣區(qū)域 D2D 通信的頻率復(fù)用 21

　　3.4 性能分析..25

　　第 4 章 基于隔離區(qū)的 D2D 通信干擾控制 28

　　4.1 系統(tǒng)模型..28

　　4.2 隔離區(qū)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

　　增長中的本地服務(wù)需求以及逐漸增長的頻譜擁塞引發(fā)了針對在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中提高頻譜效率的研究活動。D2D 通信作為一個能夠復(fù)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(qiáng)小區(qū)吞吐量。D2D 通信中一個關(guān)鍵問題是由 D2D 通信與傳統(tǒng)蜂窩通信的資源分享造成的干擾管理問題，而這個問題會大大影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量和通信可靠性。在本章中，探討資源共享的問題，從分布式和合作前景的角度來優(yōu)化在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的 D2D 通信的系統(tǒng)性能，特別的，制定一個可轉(zhuǎn)移效用的聯(lián)盟博弈[46 47]，在其中，每一個用戶在最大化自己的效用的同時，和其他用戶合作形成更強(qiáng)的用戶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(shè)計了一個分布式的融合與分裂方案以有效的處理資源分配問題。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，其中存在兩種類型的通信方式，即 BS 和 UE 之間的傳統(tǒng)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(tǒng)蜂窩通信的襯底。重點放在由于 D2D 與傳統(tǒng)蜂窩通信的資源共享帶來的小區(qū)內(nèi)部干擾。假設(shè)在研究的網(wǎng)絡(luò)中有 M 個傳統(tǒng)蜂窩用戶，N 個 D2D對。Am，m=1,2,…..M,表示傳統(tǒng)蜂窩用戶，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足直接 D2D 通信距離的約束。Dn,t代表D2D 對的發(fā)射機(jī)，Dn,r代表 D2D 對的接收機(jī)。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)用于同時支持傳統(tǒng)蜂窩通信和 D2D 通信。R={RB1,RB2…RBk}表示總共的 K 個用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪�塊。每個模塊由一定確定量的副載波組成，在 LTE 的物理層標(biāo)準(zhǔn)，每個模塊由 12 個副載波組成。集合{1,2…M}，{1,2….N}以及傳統(tǒng)蜂窩用戶集合，D2D對集合用 M，N，A 和 D 來表示。

　　總結(jié)

　　隨著無線通信業(yè)的發(fā)展，人們期望隨時隨地、及時可靠、不受時空限制地進(jìn)行信息交流，提高工作的效率和經(jīng)濟(jì)效益，各種滿足人們需求的無線通信技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。經(jīng)過統(tǒng)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)就是近距離的用戶間通過復(fù)用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源直接進(jìn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊豁椥录夹g(shù)[50 51]，D2D 通信不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，而且能夠減小功耗延長電池的使用。同時還能夠在邊緣地區(qū)或熱點區(qū)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)的幾個關(guān)鍵問題都進(jìn)行了研究,包括 D2D 設(shè)備查找技術(shù)，多跳的 D2D 通信,以及與 D2D 通信抗干擾問題等。針對干擾這個關(guān)鍵問題,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，具有一定的借鑒價值。本文首先對 D2D 的研究背景，D2D 的概念以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。對于目前日趨匱乏的頻譜資源，D2D 復(fù)用技術(shù)在 LTE 蜂窩移動通信系統(tǒng)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(yīng)用中的一個關(guān)鍵性問題，也是本論文研究的重點。接著，本文針對 D2D 通信的抗干擾問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(fù)用的干擾控制，根據(jù)用戶的位置，將蜂窩分成核心區(qū)域和邊緣區(qū)域，分別提出對處于核心區(qū)域和邊緣區(qū)域的 D2D 通信的部分頻率復(fù)用干擾控制方案，并通過性能分析來證明此方案是可行的。另一種是基于隔離區(qū)的 D2D 干擾控制，通過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控制干擾，最后介紹了聯(lián)盟形成博弈的算法。

　　參考文獻(xiàn)(略)

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