移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下D2D通信理論與技術(shù)研究.pdf

1、移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下D2D通信是指兩個距離靠近的用戶不再通過基站等第三方中繼，直接建立通信鏈路。該技術(shù)具有提高頻帶利用率、縮短通信延遲、降低功率損耗、改善通信質(zhì)量以及提高信息安全性等優(yōu)勢，因此受到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下D2D通信的特點是D2D用戶使用合法頻段并受控于該網(wǎng)絡(luò)，這樣可以保證通信的可靠性及干擾的可控性。D2D通信的關(guān)鍵技術(shù)之一就是為D2D用戶設(shè)計有效的資源共享策略（主要包括分配物理資源與控制功率），達(dá)到降低D2D用

2、戶與移動網(wǎng)絡(luò)用戶之間同頻干擾的目的。近年來，公眾對無線通信的安全性要求也越來越高，已有研究人員關(guān)注D2D通信中物理層安全問題。例如，采用D2D通信模式是否意味著比傳統(tǒng)的基站中繼模式更加有利于保護(hù)數(shù)據(jù)安全。當(dāng)允許D2D用戶接入移動網(wǎng)絡(luò)時，如何降低安全隱患等。眾所周知，多天線技術(shù)可以在帶寬一定，功率一定的情況下增加系統(tǒng)容量和/或抑制干擾。隨著移動網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，多天線將成為基站和移動終端的主流配置，在此背景下研究如何利用多天線技術(shù)克服移動網(wǎng)絡(luò)

3、環(huán)境下D2D通信的干擾問題也受到廣泛關(guān)注。本論文針對上述移動通信網(wǎng)絡(luò)下的D2D通信技術(shù)開展深入研究，具體來說，論文作了以下主要貢獻(xiàn):
　　本論文第二章針對一個多用戶系統(tǒng)，研究了D2D用戶復(fù)用多個上行資源時最優(yōu)功率控制問題。本章研究的功率控制問題的優(yōu)化目標(biāo)分包括:1.最大化D2D復(fù)用這些資源時的頻譜效率，同時保證所有上行用戶的最低通信速率不低于一個預(yù)設(shè)的門限值;2.最大化D2D用戶和上行用戶的加權(quán)和速率。本章獲得了第一個功率控制問題

4、的最優(yōu)解，并提出了兩種低復(fù)雜度的功率控制算法，有效地實現(xiàn)了性能與復(fù)雜度之間的折中。計算機仿真結(jié)果表明最優(yōu)解相比已有算法有了一定提升，同時簡化算法也具有良好的性能。本章針對第二個功率控制問題采取從簡單到一般的研究方法，首先給出了D2D用戶復(fù)用單個資源場景下的功率控制最優(yōu)解，然后提出了三種D2D用戶復(fù)用多個資源場景下的功率優(yōu)化策略，同時還包括一個判定解的全局最優(yōu)性條件，該條件可以合理地評估算法性能的最優(yōu)性。計算機仿真表明提出的部分優(yōu)化算法在

5、多數(shù)情況下可以滿足全局最優(yōu)性條件。
　　本論文第三章研究多個D2D用戶和多個移動網(wǎng)絡(luò)用戶資源共享模型，涉及到分配物理資源與控制功率聯(lián)合優(yōu)化問題。本章采取的優(yōu)化目標(biāo)是在保證所有移動網(wǎng)絡(luò)用戶最低通信質(zhì)量(QoS)的同時最大化所有D2D用戶的效益函數(shù)。依據(jù)該優(yōu)化準(zhǔn)則構(gòu)建的聯(lián)合資源分配與功率控制問題是一個組合優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)和QoS約束條件都是非凸函數(shù)，且功率約束條件包含耦合性。為了克服上述困難，本章首先將原問題轉(zhuǎn)化為一個易于處理的等價

6、形式，對該等價問題作時間共享式的放松可以獲得一個連續(xù)化的凸優(yōu)化問題。接著，通過求解該放松問題本章給出了D2D用戶資源分配與控制功率的最優(yōu)解，同時還包括了求解原問題性能上界的方法。最后，本章提出了一種有效的優(yōu)化算法來求解聯(lián)合資源分配與功率控制問題。計算機仿真結(jié)果表明提出的資源共享優(yōu)化算法較其他已有算法有性能優(yōu)勢，且與性能上界的損失幾乎可以忽略。
　　論文第四章重點關(guān)注D2D通信中的物理層全安全問題。首先本章詳細(xì)推導(dǎo)了D2D通信方式和

7、中繼方式下的安全中斷概率，分析發(fā)現(xiàn)D2D通信方式相比于傳統(tǒng)的基站中繼方式更有利于用戶避免竊聽。該物理層安全上的優(yōu)勢來源于D2D通信方式實際上是將兩次高功率信號發(fā)送方式（中繼方式）變成了一次低功率信號單跳傳輸，從而降低了用戶私密信息對竊聽者的暴露程度。通過計算機仿真發(fā)現(xiàn)基站中繼方式僅僅在某些特定場景下才具有安全上的優(yōu)勢，例如當(dāng)基站配置有較大數(shù)目的天線且獲取了精確的信道信息時才優(yōu)于D2D通信方式。接著，本章設(shè)計安全資源共享策略在保證移動網(wǎng)絡(luò)

8、用戶的通信速率和安全需求的同時充分挖掘系統(tǒng)資源，從而提高D2D通信資源復(fù)用效益。通過聯(lián)合優(yōu)化移動網(wǎng)絡(luò)用戶和D2D用戶的資源分配和功率控制，達(dá)到最大化所有D2D用戶效益函數(shù)的同時，保證所有移動網(wǎng)絡(luò)用戶最低安全通信速率不低于門限值的目的。本章分析了D2D用戶安全復(fù)用移動網(wǎng)絡(luò)用戶資源的先決條件，同時獲得了一些對該聯(lián)合安全資源分配功率控制問題的有益結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，本章提出了一種聯(lián)合資源分配和功率控制的算法來盡可能獲得最優(yōu)性能，同時還提出了一種

9、簡化的安全資源分配算法。最后，通過計算機仿真評估了所提出算法的性能。
　　最后，論文第五章考慮了在多天線環(huán)境下聯(lián)合優(yōu)化收發(fā)機的設(shè)計問題，這里我們以最大化D2D通信和移動通信系統(tǒng)和速率作為優(yōu)化準(zhǔn)則。由于構(gòu)建的聯(lián)合優(yōu)化問題具有非凸特性，本章采取了將原問題分解為一系列子問題并分而求之的策略，分解之后的每一個子問題都是一個標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問題。接著提出了一種基于迭代的序貫優(yōu)化算法來求解基站和所有用戶(包括移動網(wǎng)絡(luò)用戶和D2D用戶）端的發(fā)送預(yù)