關於D2D通信抗幹擾的問題研究
論文摘要： 在這個信息化時代，人們已經無法適應沒有信息的傳遞和交流的現代化、快節奏的生活和工作。無線移動通信的迅猛發展，無線移動通信技術已經與人們的生活密切相關，人們的日常生活中已經離不開各種無線通信設備。
論文關鍵詞： D2D 通信 信息
第 1 章 緒 論
1.1 研究背景
在無線技術短短的幾十年的發展歷程中，從第壹代模擬蜂窩移動通信網(AMPS)發展到支持低速率數據業務的第二代數字蜂窩移動通信網絡(GSM)，然後發展到支持移動多媒體通信業務的第三代數字移動通信網絡(3G)[1][2]，進而發展到現在能夠支持更高的數據傳輸速率的多媒體業務的第四代移動通信技術，與此同時,更多的工作已經投入到下壹代移動通信技術的研究計劃。無線移動通信技術的發展趨勢是開發更高的頻段、有效地利用頻譜資源、數字化，將為設備制造商和業務運營商提供更大的市場空間，而且造就壹個龐大的業務服務群體並為其提供良好的市場空間。各種移動通信系統不斷的演進，帶寬需求隨之日益增加，頻帶資源短缺成為世界通信業的***同問題[3]，如何更大效用的利用頻譜資源並創造新的價值是壹項具有現實意義的研究問題。由於頻譜資源有限，如何進壹步提高頻譜資源利用率已經成為無線通信技術的壹個核心課題。為解決日趨緊缺的頻帶資源問題，研究者提出壹種在蜂窩網絡中引入 D2D(Device-to-Device)通信技術[3]，D2D 通信技術是指短距離的兩個用戶設備在基站控制下，可以通過復用小區頻譜資源的方式實現終端間直接數據傳輸。D2D 通信可以在現有的蜂窩網絡中直接升級而來，無需大規模的鋪設重建過程。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，減少移動終端的電池功耗，縮短延時等優點，還能支持新型的小範圍點對點數據服務。如今，D2D 通信技術與大規模MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output 多輸入多輸出)、中繼技術、超密集部署、靈活雙工等技術壹並確定為 IMT-Advanced(高級國際移動通信)研究的關鍵技術。D2D 以其靈活的工作方式和實用性在 4G LTE-A 系統中將會得到越來越多的應用。
1.2 國內外研究現狀及發展趨勢
D2D 通信技術已受到了越來越多的關註，研究者在相關的領域裏做出了許多的研究，國內外關於 D2D 的研究主要存在以下幾個方向：應用場景研究、理論架構研究以及抗幹擾性研究。文獻[4]提出通過基站在其數據庫中建立?用戶動態匹配數據庫?(DynamicMapping Users, DMU)，用來及時追蹤所有蜂窩頻段的被復用狀況，而 D2D 設備主動選擇復用幹擾水平較低的蜂窩資源，來避免或減小幹擾的最優模式選擇策略。此機制和算法,充分考慮了蜂窩網絡的服務質量(QoS, Quality of Service)以及兩種用戶之間的相互幹擾。文獻[5]通過以小區內用戶的空間隔離度為出發點，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生的幹擾問題，改善了蜂窩的吞吐量。文獻[6]提出壹種用戶分組的資源分配方案，將小區中 D2D 用戶依據其地理位置分成幾個 D2D 用戶組，然後依據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 組內用戶進行分配，各個用戶組使用不同的資源分配算法。文獻[7]給出了壹種 D2D 通信用戶模式映射方案。在這種方案中，基站首先確定系統中通信用戶的地理位置，然後根據位置信息決策適合各用戶的通信模式，最後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，較大降低系統決策的復雜度。文獻[8]基於單小區蜂窩多天線場景，提議了兩類復用蜂窩下行鏈路的預編碼算法來消除因為頻譜復用所引起的幹擾問題。壹類是窮盡搜索已知碼本中所有預編碼，采用最好預編碼，該方案系統開銷比較大。另壹類采用分布式算法，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的預編碼對，也可以獲得更高的增益。
第 2 章 D2D 通信技術
2.1 D2D 概念
D2D(Device-to-Device)通信是壹種短距離間直接通信技術，它允許用戶在基站控制下通過復用小區資源直接進行通信。這種通信方式有利於近距離的本地用戶直接進行通信，可以有效減少用戶間幹擾,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務尤其適用。D2D 通信是壹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發就能進行通信的方式。如圖 2.1 所示，D2D 通信與傳統的蜂窩通信模式不同，D2D 通信不需要通過基站來轉發數據，而是用戶間直接進行通信，這樣節省了數據傳輸的時間以及通信的開銷，同時還節約了網絡資源。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，在基站的協助與監控下進行數據傳輸。D2D 用戶與蜂窩用戶之間，可以分別使用獨立的資源，也可以***用相同的資源，合理配置使用的資源可以提高蜂窩網絡的資源利用率。如若進行 D2D通信的雙方都是以較低的功率進行傳輸，則能夠減輕網絡的負載，並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率和良好的通信質量，能夠提高蜂窩網絡的容量和頻譜的利用率。並且隨著移動網絡熱點覆蓋的'增加,數率的不斷提高以及互聯網業務的不斷普及，D2D 通信將會得到越來越多的應用。
2.2 D2D 通信關鍵技術
移動通信的研究和發展方向與互聯網應用密切相關，這意味著越來越多的關註將集中於數據業務，這也是未來運營商們競爭的焦點。從移動通信的發展趨勢來看，移動通信網絡目前正處於從以語音為主要業務逐漸轉向以高速數據為主要業務的階段，而且，移動多媒體業務的快速發展也對移動通信系統的帶寬提出了新的難題。D2D 通信也是基於對數據業務的壹種應用方式，同樣需要移動通信系統提供足夠的帶寬支持。目前 D2D 技術已經成為無線通信技術行業的重要研究課題之壹。如何在現有的通信網絡基礎設施上使其得以實現，並解決其關鍵技術問題已經吸引了學術界和產業界較多註意。D2D 關鍵技術主要包括設備發現，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 用戶可以復用蜂窩用戶上行資源或下行資源，而在引入 D2D 通信後，保證對原有蜂窩用戶不產生幹擾或產生的幹擾能保證蜂窩通信正常很重要。壹般情況下幹擾主要通過功率控制和資源分配來解決，盡管 D2D 幹擾特性還沒有完全得到認識。功率控制只在上行鏈路傳輸中對移動通信用戶的發射功率以及下行鏈路傳輸中對基站的發射功率的控制[15]，用以保證通信的正常。在蜂窩通信中引入 D2D 通信，需要進壹步控制 D2D 用戶的發射功率，這樣才能保證蜂窩用戶不受到幹擾。在保證 D2D 接收端的信幹噪比 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)最小時，D2D 發射端功率越大越好，這樣可以可以使得接收功率越高，進而獲得的容量越高。但是，發射功率越高，對蜂窩用戶產生的幹擾越大，系統容量也會受到影響。因此，在使得功率最大化和限制其產生的幹擾之間找到平衡點是功率控制的目的。
第 3 章 部分頻率復用 D2D 通信抗幹擾研究 ..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 基於隔離區的 D2D 通信幹擾控制 28
4.1 系統模型..28
4.2 隔離區域..30
4.3 幹擾分析..30
4.4 頻譜效率..324.5 性能分析..33
第 5 章 基於聯盟博弈的 D2D 通信幹擾控制 ..37
增長中的本地服務需求以及逐漸增長的頻譜擁塞引發了針對在蜂窩網絡中提高頻譜效率的研究活動。D2D 通信作為壹個能夠復用蜂窩資源的底層蜂窩網絡可以提高頻譜利用率與增強小區吞吐量。D2D 通信中壹個關鍵問題是由 D2D 通信與傳統蜂窩通信的資源分享造成的幹擾管理問題，而這個問題會大大影響網絡吞吐量和通信可靠性。在本章中，探討資源***享的問題，從分布式和合作前景的角度來優化在蜂窩網絡下的 D2D 通信的系統性能，特別的，制定壹個可轉移效用的聯盟博弈[46 47]，在其中，每壹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的用戶組以獲得更佳的頻譜資源。此外，在新定義的聯盟最大次序下，基於聯盟形成算法，設計了壹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，考慮在蜂窩網絡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。重點放在由於 D2D 與傳統蜂窩通信的資源***享帶來的小區內部幹擾。假設在研究的網絡中有 M 個傳統蜂窩用戶，N 個 D2D對。Am，m=1,2,?..M,表示傳統蜂窩用戶，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 對的發射機，Dn,r代表 D2D 對的接收機。正交頻分復用(OFDM)技術用於同時支持傳統蜂窩通信和 D2D 通信。R={RB1,RB2?RBk}表示總***的 K 個用於數據傳輸的模塊。每個模塊由壹定確定量的副載波組成，在 LTE 的物理層標準，每個模塊由 12 個副載波組成。集合{1,2?M}，{1,2?.N}以及傳統蜂窩用戶集合，D2D對集合用 M，N，A 和 D 來表示。
總結
隨著無線通信業的發展，人們期望隨時隨地、及時可靠、不受時空限制地進行信息交流，提高工作的效率和經濟效益，各種滿足人們需求的無線通信技術取得了巨大的發展。經過統計研究，目前大量的通信都發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 技術就是近距離的用戶間通過復用蜂窩網絡的資源直接進行進行數據傳輸的壹項新技術[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電池的使用。同時還能夠在邊緣地區或熱點區域提供網絡覆蓋，從而增加網絡的容量。本文對 D2D 技術的幾個關鍵問題都進行了研究,包括 D2D 設備查找技術，多跳的 D2D 通信,以及與 D2D 通信抗幹擾問題等。針對幹擾這個關鍵問題,本文進行深入的探討和研究，並提出了具體抗幹擾性的研究方案，具有壹定的借鑒價值。本文首先對 D2D 的研究背景，D2D 的概念以及國內外研究現狀進行了詳細的介紹。對於目前日趨匱乏的頻譜資源，D2D 復用技術在 LTE 蜂窩移動通信系統中得到廣泛的關註。而對於在蜂窩網中兩種通信間造成的相互幹擾控制成為 D2D 應用中的壹個關鍵性問題，也是本論文研究的重點。接著，本文針對 D2D 通信的抗幹擾問題提出了三種幹擾抑制和控制的方案，壹種是基於部分頻率復用的幹擾控制，根據用戶的位置，將蜂窩分成核心區域和邊緣區域，分別提出對處於核心區域和邊緣區域的 D2D 通信的部分頻率復用幹擾控制方案，並通過性能分析來證明此方案是可行的。另壹種是基於隔離區的 D2D 幹擾控制，通過幹擾分析和頻譜效率分別解決 D2D 通信對原有蜂窩通信的幹擾和蜂窩通信對 D2D 通信的幹擾問題。最後壹種是基於聯盟形成博弈的幹擾控制，解釋了聯盟形成博弈，主要是基於聯盟形成的融合與分裂的資源分配來控制幹擾，最後介紹了聯盟形成博弈的算法。
參考文獻(略)
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