蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信性能的研究

1、蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信性能的研究XXXX，物理與電子信息學(xué)院摘 要：隨著目前移動(dòng)通信的發(fā)展，人們對(duì)高帶寬，高效率，高質(zhì)量和低延時(shí)性業(yè)務(wù)的需求不斷加強(qiáng)，然而有限的頻譜資源成為了阻礙蜂窩系統(tǒng)性能提高的最主要因素，然而隨著大數(shù)據(jù)量的本地業(yè)務(wù)的興起會(huì)對(duì)頻譜資源造成更大的消耗，這也要求未來(lái)網(wǎng)絡(luò)具備相應(yīng)的技術(shù)來(lái)更好地支持這種局部通信形式。蜂窩網(wǎng)落下的D2D通信技術(shù)是一種充分利用頻譜資源的技術(shù)，這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)本地大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，兩個(gè)直連通信用戶之間采用很小的功率進(jìn)行通信，并且對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生很小的干擾，只需通過(guò)基站控制即可，D2D通信系統(tǒng)允許終端通過(guò)復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信，這能有效地提高蜂窩系統(tǒng)的頻譜效率。所以

2、，在LTE系統(tǒng)中引入D2D通信的同時(shí)降低系統(tǒng)內(nèi)之間的干擾問(wèn)題成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞：蜂窩網(wǎng)絡(luò)；直連通信；模式選擇；功率控制；資源分配Performance Research of D2D in Cellular NetworksXXXX，College of Physics and Electronic InformationAbstract：With the development of mobile communication，people needs continue to strengthen of high bandwi

3、dth, high efficiency, however limited of spectrum resources became has hinder cellular systemic can improve of most main factors, but with big data volume of local business of rise will on spectrum resources caused more big of consumption, this also requirements future network ha

4、s corresponding of technology to better to support this local communications form. Cellular network falling D2D communication technology is a technique to fully utilize spectrum resources, this technique enables a large local data services, the use of communication between two directly connecte

5、d users communicate very little power, and no transfer station by simply controlled by the base station, this system allows the terminal by multiplexing cell resources to communicate directly, which can effectively improve the spectrum efficiency of cellular systems. Therefore, the introduction of D

6、2D communication in the LTE system and reducing interference between the systems now become a research hotspot. Key words：cellular network; Device-to-Device (D2D) communication; mode selection; power control; resource allocation目錄摘要1一 移動(dòng)通信和D2D通信系統(tǒng)介紹31.1 引言31.2 移動(dòng)通信發(fā)展和現(xiàn)狀31.3 D2D直連通信技術(shù)41.4 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信技

7、術(shù)4二 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信性能研究62.1 D2D通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介62.2 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信工作模式選擇82.3 功率控制92.4 D2D通信遠(yuǎn)近效應(yīng)92.5 資源分配10三 系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)仿真123.1 蜂窩網(wǎng)下愛(ài)的D2D建模123.1.1硬性合并123.1.2 軟合并123.2 系統(tǒng)模型133.2.1 單小區(qū)仿真場(chǎng)景143.2.2 多小區(qū)仿真模型143.3 仿真平臺(tái)說(shuō)明153.3.1 仿真流程153.4 仿真參數(shù)描述163.4.1 基本方針參數(shù)163.4.2基站參數(shù)163.4.3 移動(dòng)臺(tái)參數(shù)173.4.4 D2D用戶對(duì)參數(shù)17四 仿真結(jié)果及其分析184.1 功率控制效果184.2 蜂窩系

8、統(tǒng)中引入D2D通信技術(shù)的增益和影響因素194.2.1 單小區(qū)場(chǎng)景194.2.2多小區(qū)場(chǎng)景204.3 優(yōu)化機(jī)制的干擾協(xié)調(diào)效果的評(píng)估20五 結(jié)束語(yǔ)22參考文獻(xiàn)22致謝23一 移動(dòng)通信和D2D通信系統(tǒng)介紹1.1 引言 自從十九世紀(jì)九十年代，馬可尼第一次完成了無(wú)線通信試驗(yàn)，目前移動(dòng)通信技術(shù)在我們生活中漸漸的普及開(kāi)來(lái)。從模擬通信到2G通信，再到目前的3G通信技術(shù)，為了獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的系統(tǒng)容量，人們發(fā)展第三代合作項(xiàng)目計(jì)劃（3GPP）下的長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目(Long Term Evolution, LTE )LTE被稱為第四代（4G）移動(dòng)通信技術(shù)，為了滿足更高的頻譜利用率和支持更多種類業(yè)務(wù)的要求,D

9、2D通信在眾多備用技術(shù)中脫穎而出。其成本低，耗能少，帶寬資源使用效率高等特點(diǎn)也正是它引人注目的地方。 無(wú)線頻譜資源的不可再生性及其較低的利用率一直是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，但隨著大數(shù)據(jù)量的本地業(yè)務(wù)的興起會(huì)對(duì)頻譜資源造成更大的消耗，這也要求未來(lái)網(wǎng)絡(luò)具備相應(yīng)的技術(shù)來(lái)更好地支持這種局部通信形式。本文的研究點(diǎn)包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)下直連通信用戶的連接建立方法、性能影響因素、干擾協(xié)調(diào)及性能優(yōu)化方案等。其中性能優(yōu)化方案包括直連通信用戶的功率控制、資源分配和模式選擇。目前在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信已經(jīng)日趨與成熟，增加了用戶的同時(shí)又增加了系統(tǒng)的性能和吞吐量，在許多場(chǎng)景下都發(fā)揮了重要的角色。1.2 移動(dòng)通信發(fā)展和現(xiàn)狀1946

10、年，根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的計(jì)劃，貝爾系統(tǒng)在圣路易斯城建立了世界上第一個(gè)公用汽車電話網(wǎng)。之后各個(gè)國(guó)家都推出了自己的第一代通信網(wǎng)。模擬通信網(wǎng)雖然取得了很大成功，但也暴露了一些問(wèn)題。例如，頻譜利用率低，移動(dòng)設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用較貴，業(yè)務(wù)種類受限制以及通話易被竊聽(tīng)等，最主要的問(wèn)題是其容量已不能滿足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)用戶需求。解決這些問(wèn)題的方法是開(kāi)發(fā)新一代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。第二代數(shù)字通信系統(tǒng)（GSM）的出現(xiàn)使頻譜利用率大大提高，同時(shí)也提高系統(tǒng)容量。另外，數(shù)字網(wǎng)能提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)多種業(yè)務(wù)服務(wù)，并與ISDN等兼容。并且GSM系統(tǒng)的功耗低，靈活和其安全性使其逐漸成為廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)。隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的依賴

11、，第三代通信系統(tǒng)（3G）在第二代系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展來(lái)的寬帶碼分多址（WCDMA），它與前兩代系統(tǒng)相比主要在語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸速率上有了很大的提升，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫漫游。 隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，全球微波互聯(lián)接入技術(shù)(World interoperability Microwave Access, WiMAX)也得到了迅速的發(fā)展。在2004年，第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project , 3GPP)組織提出了通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunication System, UMTS)的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)。目前，移動(dòng)通信面

12、臨著更多地困難：1）無(wú)線環(huán)境性能差，無(wú)線傳播環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境中有大量的散射物，建筑物的阻擋，同時(shí)在空間中有各種繞射波，反射波，散射波的疊加，造成電場(chǎng)強(qiáng)度的起伏不定，導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)的傳播常常經(jīng)歷深度的衰落，從而接收端接收性能很差，最大可相差2030dB；并且當(dāng)終端運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收端的衰落也會(huì)隨著終端的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，嚴(yán)重影響通信的性能；2）無(wú)線頻譜資源有限，無(wú)線頻譜是一種不可再生的資源，為了提高目前的頻譜利用率，人們開(kāi)始采取措施，如窄帶化，縮小頻帶之間的間隔，同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻譜的再利用；3）強(qiáng)干擾環(huán)境，在信號(hào)的傳播時(shí)經(jīng)常會(huì)處于深度衰落中，在加上一些外部干擾（發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火噪聲等）和系統(tǒng)自身的干擾對(duì)移動(dòng)通信的性能造

13、成嚴(yán)重的影響。1.3 D2D直連通信技術(shù) Device-to-Device(D2D)通信是一種在系統(tǒng)的控制下，兩個(gè)對(duì)等的設(shè)備之間不需通過(guò)基站傳輸而直接進(jìn)行短距離傳輸，允許終端之間通過(guò)復(fù)用小區(qū)資源直接進(jìn)行通信的新型技術(shù)，它能夠增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，在一定程度上解決無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問(wèn)題。直連通信技術(shù)指在不同的場(chǎng)景中他有不同詮釋，在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的P2P（Peer to Peer）、物聯(lián)網(wǎng)中的M2M（Machine to Machine）,其實(shí)這些只是在特殊場(chǎng)景下的特殊應(yīng)用而已。D2D技術(shù)可以應(yīng)用于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以提高資源利用率和網(wǎng)絡(luò)容量。D2D通信將在宏蜂窩基站

14、的控制下獲得通信所需的頻率資源和傳輸功率。它與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共享無(wú)線資源的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)一定的干擾。 D2D 通信對(duì)所有用戶是公平、明確的。用戶向基站提出D2D 通信的請(qǐng)求，基站接收到請(qǐng)求后將用戶的通信方式切換到D2D 連接模式。設(shè)計(jì)D2D 通信時(shí)不能只局限于一種服務(wù)，應(yīng)當(dāng)支持多種服務(wù)，另外，當(dāng)沒(méi)有采用D2D 通信時(shí)，不能給系統(tǒng)帶來(lái)額外的信令開(kāi)銷。D2D 可應(yīng)用于多種本地通信業(yè)務(wù)，近距離或同一房間內(nèi)的通信。如一個(gè)巡回音樂(lè)會(huì)的視頻服務(wù)，觀眾可以通過(guò)無(wú)線D2D 下載音樂(lè)會(huì)提供的材料。當(dāng)然也可以通過(guò)系統(tǒng)小區(qū)基站來(lái)提供視頻服務(wù)，但是通過(guò)D2D 方式可以減少小區(qū)基站負(fù)載，在進(jìn)行D2D 通信的同時(shí)，系統(tǒng)可以提供

15、話音和因特網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 D2D 通信的主要問(wèn)題之一是復(fù)用小區(qū)用戶的資源所帶來(lái)的干擾問(wèn)題。D2D 通信復(fù)用上行鏈路資源時(shí)，系統(tǒng)中受D2D通信干擾的是基站，基站可調(diào)節(jié)D2D 通信的發(fā)送功率以及復(fù)用的資源來(lái)控制干擾，可以將小區(qū)的功率控制信息應(yīng)用到D2D 通信的控制中來(lái)。此時(shí)D2D通信的發(fā)送功率需要減小到一個(gè)閥值以保證系統(tǒng)上行鏈路SINR 大于目標(biāo)SINR，而當(dāng)D2D 通信采用系統(tǒng)分配的專用資源時(shí)，D2D 用戶可以用最大功率發(fā)送。 D2D 通信復(fù)用下行鏈路資源時(shí)，系統(tǒng)中受D2D通信干擾的是下行鏈路的用戶。而受干擾的下行用戶的位置決定于基站的短期調(diào)度。因此受D2D 傳輸干擾的用戶可能是小區(qū)服務(wù)的任何用戶

16、。當(dāng)D2D 鏈路建立后，基站控制D2D 傳輸?shù)陌l(fā)送功率來(lái)保證系統(tǒng)小區(qū)用戶的通信。合適的D2D 發(fā)送功率控制可以通過(guò)長(zhǎng)期觀察不同功率對(duì)系統(tǒng)小區(qū)用戶的影響來(lái)確定。在資源分配方面，基站可以將復(fù)用資源的小區(qū)用戶和D2D 用戶在傳播空間上分開(kāi)。如基站可分配室內(nèi)的D2D 用戶和室外的小區(qū)用戶相同的系統(tǒng)資源。同時(shí)基站可以根據(jù)小區(qū)用戶的鏈路質(zhì)量反饋來(lái)調(diào)節(jié)D2D 通信，當(dāng)用戶鏈路質(zhì)量過(guò)度下降時(shí)降低D2D 通信的發(fā)送功率。1.4 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信技術(shù) 移動(dòng)通信不斷向著高數(shù)據(jù)速率，高容量發(fā)展。正因?yàn)檫@樣，移動(dòng)通信技術(shù)也從原來(lái)的模擬通信發(fā)展到現(xiàn)在的第四代通信技術(shù)。目前，國(guó)際電信聯(lián)盟正積極的研究各項(xiàng)無(wú)線接口技術(shù)來(lái)更

17、好的為新系統(tǒng)服務(wù)，在眾多的技術(shù)中，直連通信技術(shù)（D2D）由于低成本，高效率，即插即用和更高的資源利用率以及更好的支持未來(lái)的大數(shù)據(jù)本地業(yè)務(wù)被廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而隨著用戶的爆發(fā)式增長(zhǎng)，當(dāng)前的資源頻譜和資源利用率無(wú)法為如此多的用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，解決的方法只有在一些人口眾多的地方架設(shè)蜂窩基站或家庭基站等，可這些基站的干擾近似全局干擾，范圍相對(duì)較大。并且這種方法成本相對(duì)較大。 移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，除了來(lái)自市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)之外，還應(yīng)該有相應(yīng)的技術(shù)力量來(lái)支持，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的無(wú)線通信需求。但是隨著社會(huì)的發(fā)展，通信用戶終端的數(shù)量急劇增多，并且，移動(dòng)通信對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸速率要求越來(lái)越高。通信系統(tǒng)的容量和

18、可以使用的頻譜資源己經(jīng)成為阻礙移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要因素，需要通過(guò)引入新的通信技術(shù)來(lái)提高通信系統(tǒng)的資源利用率和擴(kuò)大通信系統(tǒng)的容量。 為了提高通信系統(tǒng)的資源利用率，人們提出把蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相互結(jié)合的想法。目前，蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN技術(shù)相互融合的技術(shù)比較成熟，己經(jīng)廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中。蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的相互融合也受到了廣泛的關(guān)注。 但是只有工作在許可頻段，才能夠提供干擾可控、穩(wěn)定的工作環(huán)境。由于最近幾年提出的D2D通信技術(shù)工作在許可頻段，因此，D2D通信技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。D2D通信技術(shù)是指相距很近的用戶終端可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，他們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信

19、息不需要經(jīng)過(guò)基站的轉(zhuǎn)發(fā)。在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù)可以減少基站的負(fù)載，增加統(tǒng)的容量。并且，D2D通信技術(shù)可以共用小區(qū)內(nèi)其他蜂窩通信用戶的無(wú)線資源，從而可以提高蜂窩通信系統(tǒng)的無(wú)線資源利用率。但是，基站通過(guò)控制鏈路控制D2D通信用戶所使用的無(wú)線資源和發(fā)射功率。 由于D2D通信用戶之間的距離很近，他們可以利用較小的發(fā)射功率來(lái)獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。 在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率、減少傳輸功率、提高通信網(wǎng)絡(luò)容量、擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍。蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)可以給D2D通信用戶提供加密密鑰，因此，可以不用手工的用戶配對(duì)或者輸入密鑰來(lái)建立保密的直接通信連接。由于D2D通信技術(shù)工作的

20、距離很近，因此，D2D通信用戶可以利用較小的發(fā)射功率來(lái)進(jìn)行高速率的數(shù)據(jù)通信，因此，用戶終端設(shè)備的能量效率可以得到有效地提高。 當(dāng)D2D通信重用通信系統(tǒng)內(nèi)其他蜂窩通信用戶的無(wú)線資源時(shí)，D2D通信與蜂窩通信之間會(huì)產(chǎn)生干擾，如果干擾不被有效控制的話，將會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。為了提高通信系統(tǒng)的性能，基于干擾感知的無(wú)線資源分配機(jī)制被提出。蜂窩通信系統(tǒng)可以通過(guò)控制D2D通信的最大發(fā)射功率來(lái)限制D2D通信對(duì)于蜂窩通信的干擾?；谕ㄐ啪嚯x的無(wú)線資源共享機(jī)制可以降低來(lái)自蜂窩通信對(duì)于 D2D通信產(chǎn)生的干擾。并且，可以通過(guò)利用分段頻率重用技術(shù)(Fractional Frequency Reuse FFR)來(lái)降低D2

21、D通信與蜂窩通信之間的相互干擾。二 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信性能研究第一章已經(jīng)簡(jiǎn)單的闡述了在蜂窩網(wǎng)下的D2D通信的優(yōu)勢(shì)及目前亟需解決的問(wèn)題，在一種原有的通信構(gòu)架中加入一種新的通信方式，必然會(huì)引起兩種系統(tǒng)的沖突。當(dāng)解決沖突后，使得通信的容量和頻譜的利用率大大的提高。本章主要講在蜂窩網(wǎng)下引入D2D通信時(shí)的性能研究。2.1 D2D通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖2.1 單蜂窩小區(qū)中D2D通信示意圖 在蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)中引入D2D通信技術(shù)后的系統(tǒng)模型如圖2.1所示。在這里，我們假設(shè)只有一個(gè)蜂窩通信小區(qū)，其中，eNB是小區(qū)的演進(jìn)型基站，UE 1(用戶終端1)與基站進(jìn)行普通的蜂窩通信，UE2(用戶終端2)與UE3(用戶終端3)進(jìn)

22、行直接的D2D通信。其中，UE2和UE3需要在小區(qū)基站的控制鏈路控制下，利用基站分配的無(wú)線資源和發(fā)射功率值進(jìn)行可靠的直接通信。 在傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)中，當(dāng)兩個(gè)用戶終端需要進(jìn)行通信時(shí)，他們所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息需要先經(jīng)過(guò)基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。但是，如果兩個(gè)相距很近的用戶終端需要進(jìn)行通信，我們可以考慮讓他們直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息不需要經(jīng)過(guò)基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。由于D2D通信用戶之間相距很近，他們可以利用較小的發(fā)射功率來(lái)進(jìn)行通信，可以提高終端設(shè)備的電池使用壽命。 可以考慮這樣一種情形:在一個(gè)音樂(lè)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)有一個(gè)媒體主服務(wù)器，客人可以利用D2D通信技術(shù)從這個(gè)媒體主服務(wù)器上直接下載音樂(lè)。目前，只有工作在非許可頻段的

23、藍(lán)牙技術(shù)或者WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))技術(shù)可以用于設(shè)置到媒體主服務(wù)器的直接連接。但是，無(wú)線通信只有工作在許可頻段才能夠提供干擾可控、穩(wěn)定的工作環(huán)境。因此，當(dāng)非許可頻段變得非常擁擠的時(shí)候，本地服務(wù)提供者可能會(huì)想通過(guò)花費(fèi)少量的金錢來(lái)工作在許可頻段獲得較好的服務(wù)質(zhì)量。蜂窩通信運(yùn)營(yíng)商將會(huì)提出在蜂窩通信系統(tǒng)中引入這種便宜的并且干擾可控的D2D通信技術(shù)來(lái)獲得通信系統(tǒng)性能的提升。圖2.2 多個(gè)蜂窩小區(qū)中D2D通信示意圖 圖2.2描述了在多個(gè)蜂窩小區(qū)中引入D2D通信技術(shù)的情形。在一個(gè)蜂窩小區(qū)中，基站協(xié)調(diào)蜂窩通信與D2D通信之間的干擾。基站通過(guò)控制鏈路控制D2D通信使用的發(fā)射功率和無(wú)線資源，限制D2D通信用戶對(duì)于蜂

24、窩通信用戶產(chǎn)生的干擾。D2D通信的操作過(guò)程對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是透明的，其中，如果這些用戶簡(jiǎn)單地輸入統(tǒng)一資源定位符(URL)通信網(wǎng)絡(luò)就會(huì)檢測(cè)到用戶終端和媒體服務(wù)提供者之間的通信，通信網(wǎng)絡(luò)就可以把它們之間的通信模式設(shè)置為D2D通信模式。在D2D通信模式中，用戶終端不需要配置WLAN接入點(diǎn)或者藍(lán)牙的配對(duì)過(guò)程，而且，這些處理過(guò)程可能會(huì)是冗余繁雜的，特別是對(duì)于一個(gè)需要保密的通信連接。和其他一些本地的通信連接技術(shù)相比，例如，藍(lán)牙技術(shù)或者WLAN技術(shù)，這里提出的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信技術(shù)具有更多的優(yōu)勢(shì)。首先，通信網(wǎng)絡(luò)可以廣播目前小區(qū)里的所有的本地服務(wù)。因此，對(duì)于自動(dòng)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)而言，UE不需要經(jīng)常地瀏覽可用的W

25、LAN接入點(diǎn)或者可用的藍(lán)牙通信設(shè)備。因?yàn)橛脩艚K端經(jīng)常地掃描藍(lán)牙通信設(shè)備或者WLAN接入點(diǎn)，這可能會(huì)造成功率資源的浪費(fèi)。其次，蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)可以給D2D通信用戶提供加密密鑰，因此，可以免去手工的用戶配對(duì)或者輸入密鑰來(lái)建立保密的直接通信連接的麻煩。D2D通信技術(shù)的典型的應(yīng)用場(chǎng)景是，用戶終端需要和附近的其他用戶終端共享文件。在D2D通信系統(tǒng)中，不需要選擇非描述性藍(lán)牙通信設(shè)備的名字或者一個(gè)WLAN設(shè)備的服務(wù)區(qū)標(biāo)示符，蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)可以把設(shè)備標(biāo)示符和用戶標(biāo)示符連接起來(lái)。通過(guò)用戶終端之間的直接通信，可以極大地改善通信系統(tǒng)內(nèi)本地用戶的文件共享體驗(yàn)。在蜂窩通信系統(tǒng)中引入本地的D2D通信技術(shù)后，需要引入有效的干擾控

26、制技術(shù)。在干擾受控的情形下，D2D通信技術(shù)可以共用系統(tǒng)內(nèi)其他蜂窩通信用戶的無(wú)線資源，從而提高通信系統(tǒng)的資源利用率。在通信量較小的通信系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)內(nèi)有空閑的無(wú)線資源時(shí)，系統(tǒng)可以讓D2D通信使用專用的無(wú)線資源進(jìn)行通信。此時(shí)，D2D通信不會(huì)對(duì)蜂窩通信產(chǎn)生干擾。相距很近的用戶終端設(shè)備可以工作在D2D通信模式來(lái)提高通信系統(tǒng)的性能。如果系統(tǒng)的通信量比較大，系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有多余的無(wú)線資源時(shí)，系統(tǒng)可以讓D2D通信共用小區(qū)內(nèi)其他蜂窩通信用戶的無(wú)線資源，此時(shí)，系統(tǒng)的無(wú)線資源利用率可以得到有效的提升。當(dāng)在通信系統(tǒng)內(nèi)引入D2D通信技術(shù)后，為了提高通信系統(tǒng)的性能，通信系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的工作情況來(lái)進(jìn)行最優(yōu)的無(wú)線資源管理

27、。2.2 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信工作模式選擇在蜂窩通信系統(tǒng)中引入D2D通信技術(shù)后，根據(jù)通信系統(tǒng)給D2D通信分配的無(wú)線資源，D2D通信技術(shù)可以工作在多種通信模式: 非正交的資源共享模式、正交的資源共享模式、蜂窩模式。不同的D2D通信模式將會(huì)帶來(lái)不同的系統(tǒng)性能，為了取得系統(tǒng)性能的提升，我們應(yīng)該選擇最佳的D2D通信模式。并且，當(dāng)D2D通信共用蜂窩通信用戶的無(wú)線資源時(shí)，他們之間會(huì)產(chǎn)生干擾，應(yīng)該采取有效的干擾控制技術(shù)來(lái)避免通信系統(tǒng)性能的惡化。（1）D2D非正交的資源共享模式(Underlay Mode): D2D用戶與蜂窩用戶使用相同的時(shí)頻資源，相互之間會(huì)形成干擾，但資源利用率很高。為了避免使用相同資源的

28、用戶之間的干擾，這些用戶一般不能使用最大發(fā)射功率。通常情況下，基站會(huì)按照一定的規(guī)則(如系統(tǒng)吞吐量最大化、系統(tǒng)功率效率最大化等)對(duì)兩類用戶的功率進(jìn)行設(shè)定，也會(huì)分配由哪些D2D用戶和蜂窩用戶共享相同的資源。（2）D2D正交的資源共享模式(Overlay Mode ) : D2D用戶與蜂窩用戶使用正交的時(shí)頻資源，相互之間不會(huì)形成干擾，但資源的利用效率較低。這種情況下，如果不考慮小區(qū)間的干擾，則兩類用戶都可以使用最大的發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)射1。綜上，在一個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以選擇的工作模式有三種，即蜂窩用戶模式、D2D非正交的資源共享模式和D2D正交的資源共享模式。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)算法為每一個(gè)用戶選擇最優(yōu)的工作模

29、式。模式選擇的原則是選擇的通信模式能保證在蜂窩用戶的基本通信要求的條件下使得系統(tǒng)吞吐量最大化。假設(shè)系統(tǒng)中所有占用正交資源的用戶均分資源。因此，系統(tǒng)中每增加一個(gè)占用正交資源的用戶，系統(tǒng)中已存在的其他正交資源用戶能夠占用的資源將減小。因此，在模式選擇過(guò)程中計(jì)算某種模式下的系統(tǒng)吞吐量單位、帶寬吞吐量以及當(dāng)前系統(tǒng)中用戶的模式選擇情況。確定用戶是采用蜂窩模式還是D2D模式的關(guān)鍵是比較用戶和基站之間的鏈路與D2D用戶對(duì)之間的鏈路。由于蜂窩通信模式和D2D正交資源共享模式都是占用正交的資源。則可以直接根據(jù)鏈路質(zhì)量來(lái)確定這兩種模式中哪種模式是更優(yōu)，記為TI。計(jì)算模式TI下系統(tǒng)的總吞吐量。計(jì)算如果用戶采用非正交

30、D2D共享模式時(shí)系統(tǒng)的總吞吐量。比較TI模式與非正交的D2D共享模式下系統(tǒng)的吞吐量。選擇吞吐量較大的模式并確定選擇為用戶的最終通信模式2。模式選擇的流程圖如下圖2.3所示圖2.3 模式選擇示意圖2.3 功率控制當(dāng)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶資源時(shí)，蜂窩用戶會(huì)對(duì)D2D用戶產(chǎn)生干擾，同樣D2D用戶也會(huì)對(duì)蜂窩用戶產(chǎn)生干擾。如圖2.4所示，用戶UE2和UE3進(jìn)行D2D通信。UE 1以蜂窩通信的方式與eNB進(jìn)行上行鏈路通信。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，由于通信終端設(shè)備使用的是全向天線，D2D發(fā)送端發(fā)給D2D接收端的信號(hào)會(huì)同時(shí)被eNB接收，這樣會(huì)對(duì)eNB收到來(lái)自蜂窩用戶 UE1 的信號(hào)產(chǎn)生了一定的干擾，從圖可以看出，UE1

31、距離eNB較遠(yuǎn)，如果D2D通信用戶復(fù)用了UE 1上行鏈路資源，會(huì)對(duì)UE1上行通信產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，使其通信性能下降。但是從圖中可以看出，在混合網(wǎng)絡(luò)中，D2D通信終端仍然有可能對(duì)一蜂窩系統(tǒng)上行資源進(jìn)行復(fù)用，例如蜂窩用戶距離eNB很近時(shí)，功率控制一般仍然具有較人的余量，可以抵抗較強(qiáng)的干擾。因此D2D發(fā)送者在進(jìn)行D2D通信時(shí)應(yīng)該避免復(fù)用蜂窩終端用戶UE 1的上行鏈路資源，可以優(yōu)先選擇復(fù)用峰窩終端用戶離基站較近的上行鏈路資源。并且，只要D2D發(fā)送者的發(fā)射功率控制得當(dāng)，便可以獲得較好的系統(tǒng)性能3。圖2.4 直連通信與蜂窩用戶之間的干擾2.4 D2D通信遠(yuǎn)近效應(yīng) 遠(yuǎn)近效應(yīng)是指當(dāng)基站同時(shí)接收兩個(gè)離基站距離不同

32、的移動(dòng)臺(tái)發(fā)來(lái)的信號(hào)時(shí)，由于距離基站較近的移動(dòng)臺(tái)發(fā)來(lái)的信號(hào)較強(qiáng)，距離基站較遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)發(fā)來(lái)的信號(hào)較弱，則距離基站近的移動(dòng)臺(tái)的強(qiáng)信號(hào)將會(huì)對(duì)距離遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)弱信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。 由于在移動(dòng)通信系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行通信的是多個(gè)用戶，這多個(gè)用戶的信號(hào)之間一定要采用一類正交隔離手段，否則就會(huì)相互干擾，在通話時(shí)串話。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，第一代頻分多址系統(tǒng)采用頻段隔離，一個(gè)用戶使用一個(gè)頻段。只要濾波器隔離度做得好，基本上能防止多用戶干擾，因此不存在遠(yuǎn)近效應(yīng)。在第二代時(shí)分多址的GSM系統(tǒng)中，采用時(shí)隙隔離，即每一個(gè)用戶分配一個(gè)正交的時(shí)隙，只要時(shí)間選通隔離度做得好，也能基本上防止多用戶干擾，也不會(huì)帶來(lái)遠(yuǎn)近效應(yīng)的問(wèn)題。 但在C

33、DMA通信系統(tǒng)中，由于不同用戶之間采用的是同一時(shí)隙、同一頻段，而相互之間的隔離是利用碼的自、互相關(guān)特性。但是在實(shí)際通信中很難做到不同碼是完全正交的，此時(shí)就會(huì)帶來(lái)遠(yuǎn)近效應(yīng)的問(wèn)題。 D2D通信中的遠(yuǎn)近效應(yīng)與CDMA中的遠(yuǎn)近效應(yīng)有所不同。在D2D通信建立之后，各個(gè)D2D終端用戶之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而不再通過(guò)基站進(jìn)行中轉(zhuǎn)。在D2D通信過(guò)程中會(huì)面臨多個(gè)D2D用戶同時(shí)發(fā)送，一個(gè)D2D用戶接收的時(shí)候，接收UE會(huì)收到多個(gè)功率級(jí)別的發(fā)送功率信號(hào)。但由于接收UE中的中射頻動(dòng)態(tài)范圍受限等原因，存在接收端對(duì)大信號(hào)接收能力正常，小信號(hào)超出接收范圍而接收不到的情況，這就帶來(lái)了D2D通信場(chǎng)景下的遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題。如圖2.6所示

34、，UE 1, UE2和UE3正在進(jìn)行D2D通信，UE 1和UE2為D2D信號(hào)發(fā)送方，UE3接收同時(shí)發(fā)來(lái)的UEI和UE2的D2D信號(hào)。由于UE1離UE3近，UE2離UE3較遠(yuǎn)，UE1發(fā)出的D2D信號(hào)到達(dá)UE3時(shí)比較強(qiáng)，會(huì)對(duì)UE2發(fā)來(lái)的弱的D2D信號(hào)造成強(qiáng)干擾，產(chǎn)生遠(yuǎn)近效應(yīng)4。圖2.6 D2D通信中的遠(yuǎn)近效應(yīng)2.5 資源分配 D2D的資源分配是和模式選擇相結(jié)合的，對(duì)于使用蜂窩模式進(jìn)行D2D通信的用戶，把D2D用戶當(dāng)作蜂窩用戶加到蜂窩用戶隊(duì)列進(jìn)行全局分配，對(duì)于使用專有模式進(jìn)行D2D通信的用戶，基站會(huì)給D2D用戶劃分一塊專有的資源，D2D用戶使用專有資源進(jìn)行通信;對(duì)于使用復(fù)用模式進(jìn)行D2D通信的用戶，

35、要考慮系統(tǒng)整體性能來(lái)為其選擇合適的復(fù)用資源，一般都會(huì)將這種情況建模為一個(gè)優(yōu)化模型，然后通過(guò)求解這個(gè)優(yōu)化方程來(lái)獲得最優(yōu)化復(fù)用方案。 現(xiàn)有技術(shù)中，研究D2D用戶的資源分配主要是研究復(fù)用模式下的資源分配。復(fù)用模式又分為復(fù)用下行資源和復(fù)用上行資源。當(dāng)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的下行資源時(shí)，蜂窩鏈路的干擾受害方是用戶，D2D的發(fā)射端會(huì)對(duì)本小區(qū)及鄰居小區(qū)的蜂窩用戶產(chǎn)生干擾;D2D鏈路的干擾受害方是接收端，D2D的接收端會(huì)收到本小區(qū)及鄰小區(qū)基站發(fā)射信號(hào)的干擾。當(dāng)D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的上行資源時(shí)，蜂窩鏈路的干擾受害方是基站，D2D的發(fā)射端會(huì)對(duì)所屬基站及鄰居基站產(chǎn)生干擾;D2D鏈路的受害方是接收端，D2D接收端會(huì)

36、收到本小區(qū)及鄰小區(qū)蜂窩用戶發(fā)射信號(hào)的干擾。圖2.6和圖2.7中基站和用戶都會(huì)相互干擾。D2D用戶的資源分配一般會(huì)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)計(jì)不同的優(yōu)化目標(biāo)，如最大化系統(tǒng)的吞吐量，最小化系統(tǒng)的干擾，最小化系統(tǒng)的功率，最大化頻譜利用率等。圖2.6 D2D用戶復(fù)用蜂窩下行資源干擾情況圖2.7 D2D用戶復(fù)用蜂窩上行資源干擾情況 文獻(xiàn)5考慮了蜂窩系統(tǒng)中D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶上行資源時(shí)的干擾避免問(wèn)題，利用基站和用戶聯(lián)合決策D2D用戶使用的資源。為D2D分配資源時(shí)，基站先計(jì)算并更新每一個(gè)上行資源塊RB對(duì)D2D傳輸?shù)母蓴_容忍度，將這些值組成一個(gè)列表并廣播，D2D根據(jù)聽(tīng)到的廣播信息選擇干擾容忍度較高的資源塊進(jìn)行通信。但

37、是這種方法廣播的信令開(kāi)銷較大，增加了基站負(fù)載。文獻(xiàn)6提出一個(gè)貪婪啟發(fā)式算法來(lái)解決資源分配問(wèn)題。文章假設(shè)一個(gè)D2D用戶只能選擇其中一個(gè)蜂窩用戶的資源進(jìn)行共享，且一個(gè)資源塊只能被一個(gè)D2D用戶復(fù)用。該文獻(xiàn)分上行和下行分別建立了資源分配的優(yōu)化模型，優(yōu)化目標(biāo)是最大化蜂窩用戶和D2D用戶的速率之和。文獻(xiàn)7提出一個(gè)距離驅(qū)使的資源分配算法，通過(guò)設(shè)定復(fù)用的最小距離(即選被選用戶到D2D用戶的距離)來(lái)控制他們之間的干擾。文中假設(shè)兩個(gè)D2D用戶間的距離遠(yuǎn)小于D2D用戶到基站的距離，且D2D用戶的發(fā)射功率比蜂窩用戶的發(fā)射功率低得多，因此D2D用戶對(duì)蜂窩用戶的干擾可以忽略不計(jì)，主要考慮蜂窩用戶對(duì)D2D用戶的干擾。設(shè)定

38、一個(gè)距離門限，當(dāng)蜂窩用戶到D2D用戶的距離大于這個(gè)門限值時(shí)，蜂窩用戶的資源才可以被D2D用戶復(fù)用。此外，還有一些文獻(xiàn)89 將模式選擇、資源分配，功率控制聯(lián)合起來(lái)，解決D2D通信中的問(wèn)題。文獻(xiàn)9提出了一種OFDMA系統(tǒng)下的D2D通信的新方案，該方案將功率控制、資源分配和模式選擇結(jié)合起來(lái)。通過(guò)聯(lián)合資源分配和模式選擇，實(shí)現(xiàn)下行總發(fā)射功率的最優(yōu)化。其中子載波分配和自適應(yīng)調(diào)制被用來(lái)分配子載波和比特，每個(gè)D2D用戶對(duì)可以智能的進(jìn)行模式選擇。仿真結(jié)果表明，該方法不僅節(jié)省了發(fā)射功率，而且降低了系統(tǒng)的整體功耗。三 系統(tǒng)建模和仿真設(shè)計(jì) 第二章已對(duì)本文提出的各種性能做了詳細(xì)的介紹。這一章將會(huì)對(duì)仿真中采用的系統(tǒng)模型、

39、仿真平臺(tái)和仿真參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述。3.1 蜂窩網(wǎng)下的D2D建模 第一章已經(jīng)簡(jiǎn)單地闡述了在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下引入D2D通信技術(shù)的需求和優(yōu)勢(shì)。然而，在一種現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入一種新的通信技術(shù)勢(shì)必與原有的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一定的沖突。如果不能很好地處理兩種技術(shù)之間的關(guān)系，使得兩種技術(shù)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)部署下不能很好地融合，那么在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下引入D2D技術(shù)不僅不會(huì)成為一種優(yōu)勢(shì)，反而會(huì)成為一種災(zāi)難。因此，本章會(huì)對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)下引入D2D技術(shù)場(chǎng)景下蜂窩技術(shù)與D2D技術(shù)的各種合并方案進(jìn)行描述，然后對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)下加入D2D技術(shù)的場(chǎng)景進(jìn)行必要的系統(tǒng)假設(shè)。3.1.1 硬性合并 硬性合并是指在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D網(wǎng)絡(luò)之后，任何一種網(wǎng)絡(luò)都不為另一種

40、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行必要的改動(dòng)。換句話說(shuō)，兩個(gè)系統(tǒng)只是簡(jiǎn)單地利用同一塊資源，而不做任何的協(xié)調(diào)和退讓。在本文所說(shuō)的場(chǎng)景之下，就是蜂窩網(wǎng)絡(luò)依然按照原先的方式進(jìn)行運(yùn)作，只是網(wǎng)絡(luò)中有部分用戶接入了D2D網(wǎng)絡(luò)或者說(shuō)采用了D2D通信方式，系統(tǒng)中的蜂窩用戶和D2D用戶并不進(jìn)行相互協(xié)調(diào)。顯然，當(dāng)一部分用戶不再通過(guò)基站的轉(zhuǎn)接進(jìn)行通信時(shí)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載(主要體現(xiàn)在基站端需要處理的用戶數(shù)上)能得到有效的緩解。然而，這或許是硬性合并能帶來(lái)的唯一好處，而兩種網(wǎng)絡(luò)之間的相互干擾將是災(zāi)難性的。在這種互不避讓的環(huán)境下，蜂窩通信用戶和D2D通信用戶會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的互干擾，雙方的通信性能都不可能令人滿意。 蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)一些用于傳輸系統(tǒng)控制信息的控

41、制信道有嚴(yán)格的保護(hù)，而這些控制信道上傳輸?shù)男畔?，例如調(diào)度信息、信道測(cè)量信息等，是網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的必要因素。如果硬性合并場(chǎng)景下的D2D通信用戶不對(duì)自己使用的頻率資源以及采用的發(fā)射功率等進(jìn)行有效的控制，很可能對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的控制信道產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信息出錯(cuò)，最終導(dǎo)致用戶不能進(jìn)行正確的解調(diào)和解碼，通信系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂。對(duì)于用戶數(shù)據(jù)信道也是同樣的道理。相反，如果D2D用戶不與蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)商而隨意使用網(wǎng)絡(luò)中的資源，那么其自身的通信質(zhì)量也有可能遭受到嚴(yán)重的影響。如圖2.6所示。在這個(gè)以蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行通信系統(tǒng)為參考的場(chǎng)景中，有一對(duì)距離基站很近的采用D2D方式進(jìn)行通信的用戶，記D2D用戶對(duì)1。還有一對(duì)采用D2D

42、方式進(jìn)行通信的用戶對(duì)，記為D2D用戶對(duì)2，處在距離一個(gè)邊緣蜂窩用戶很近的位置上。如果D2D用戶對(duì)1與其他蜂窩用戶共享資源，那么接收信號(hào)的基站會(huì)受到嚴(yán)重的干擾;D2D用戶對(duì)2恰好與邊緣蜂窩用戶(發(fā)射功率較大)占用相同的資源，那么D2D用戶對(duì)2中的接收用戶將受到嚴(yán)重的干擾。以上所說(shuō)的嚴(yán)重干擾都是由于不合理的資源共享方式造成的。綜上所述，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D技術(shù)時(shí)需要將兩種技術(shù)很好地融合，否則兩個(gè)系統(tǒng)將產(chǎn)生嚴(yán)重的互干擾，造成任何一個(gè)系統(tǒng)都無(wú)法正常有效地通信1。3.1.2 軟合并 為了對(duì)引入D2D通信技術(shù)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的控制，系統(tǒng)需要引入專門的控制設(shè)備對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)督管理或“推舉”現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)

43、備作為混合網(wǎng)絡(luò)的管理者。幾種備選的方案分別為:1） 引入蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2 D 網(wǎng)絡(luò)之外的一個(gè)控制設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的兩種共存網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源分配和干擾協(xié)調(diào)等操作。即在雙方形成僵持的情況下，請(qǐng)求更高層的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)和管理。不過(guò)這種方法的缺點(diǎn)也十分明顯。第一，新的設(shè)備會(huì)引入新的資源開(kāi)銷。這種能同時(shí)協(xié)調(diào)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2D網(wǎng)絡(luò)的高層設(shè)備的處理能力至少是基站級(jí)別的。第二，引入新的設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)兩種不同的網(wǎng)絡(luò)必然需要設(shè)計(jì)一新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或信令來(lái)兼容兩種網(wǎng)絡(luò)，使得該設(shè)備能同時(shí)與兩種不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，就像連接兩個(gè)不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)的路由器需要有兩套不同的協(xié)議一樣。第三，在本來(lái)就較為復(fù)雜的混合網(wǎng)絡(luò)中引入新的未知設(shè)備會(huì)給網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度帶來(lái)

44、更大的挑戰(zhàn)，越是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，可靠性也越低。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中都向簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展相對(duì)于其他系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，LTE系統(tǒng)的扁平化網(wǎng)絡(luò)就是最好的例子2）推舉D2D網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備作為混合系統(tǒng)的控制設(shè)備，為了不給網(wǎng)絡(luò)引入可能的瓶頸，D2D網(wǎng)絡(luò)中一般不存在中央處理單元即客戶/服務(wù)器模型中的服務(wù)器以及類似蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站的設(shè)備。D2D網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備幾乎具有同等的處理能力，也就是一般網(wǎng)絡(luò)中用戶終端的處理能力。這種用戶級(jí)別的處理能力顯然不能滿足控制混合系統(tǒng)的要求。另外，即使在D2D網(wǎng)絡(luò)中引入所謂的超級(jí)用戶，它們的處理能力可能也不能完全滿足系統(tǒng)的要求這些超級(jí)用戶一般只負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入，保存網(wǎng)絡(luò)中

45、相互通信的直連用戶信息及相應(yīng)的資源信息，只提供一種索引方式，不存儲(chǔ)具體的資源內(nèi)容。所以這種超級(jí)用戶只是相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的普通用戶而言的，其處理能力并沒(méi)有達(dá)到可以協(xié)調(diào)混合系統(tǒng)中兩種不同網(wǎng)絡(luò)的程度。更重要的是，這些超級(jí)用戶并沒(méi)有協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的相互干擾并完成相應(yīng)的調(diào)度的經(jīng)驗(yàn)。如果要讓這些超級(jí)用戶完成混合網(wǎng)絡(luò)管理的任務(wù)，無(wú)疑需要重新設(shè)計(jì)一整套實(shí)現(xiàn)方案和算法。綜上所述，一個(gè)D2D網(wǎng)絡(luò)中的超級(jí)用戶依然沒(méi)有足夠的能力完成這項(xiàng)艱巨的任務(wù)。3） 推舉蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備作為混合系統(tǒng)的控制設(shè)備。蜂窩網(wǎng)絡(luò)本身就是一種類似客戶/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，用戶間進(jìn)行通信需要由基站進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。用戶的調(diào)度、資源分配等也都

46、由基站基于網(wǎng)絡(luò)的干擾環(huán)境和用戶的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS: Quality of Service)等因素進(jìn)行調(diào)整。由于D2D通信用戶不需要由基站轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，只需要基站對(duì)其進(jìn)行合理的資源調(diào)度和功率分配，因此，直觀上混合系統(tǒng)中的基站并沒(méi)有比蜂窩系統(tǒng)中的基站增加太多的負(fù)擔(dān)?？梢哉f(shuō)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站具有混合網(wǎng)絡(luò)控制器所需的一切處理能力。如果還是不能滿足網(wǎng)絡(luò)的要求，那需要升級(jí)的空間也比上述的超級(jí)用戶擔(dān)任混合網(wǎng)絡(luò)控制器所需要的升級(jí)空間小很多，這就降低了升級(jí)的成本。需要注意的是，如果要控制D2D網(wǎng)絡(luò)中的用戶使得整個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到最優(yōu)，基站需要獲得比現(xiàn)在更多的系統(tǒng)信息?；谶@些信息，基站就可以將網(wǎng)絡(luò)中的D2D用

47、戶當(dāng)作普通的用戶，在對(duì)原蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)成算法進(jìn)行升級(jí)的情況下可以對(duì)整個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，包括資源分配、功率控制等。唯一需要區(qū)別對(duì)待的是在為D2D用戶分配完資源之后，基站不再為其轉(zhuǎn)發(fā)消息。綜上，原蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站可以較為簡(jiǎn)單地升級(jí)為混合系統(tǒng)的控制設(shè)備1。3.2 系統(tǒng)模型 本文后續(xù)的仿真都是基于LTE- FDD上行蜂窩系統(tǒng)，這主要有以下幾個(gè)方面的含義:1)系統(tǒng)中的蜂窩用戶采用兩個(gè)不同的頻段來(lái)區(qū)分上行和下行傳輸;2)本文基于的系統(tǒng)平臺(tái)中只關(guān)注蜂窩用戶的上行傳輸;3)系統(tǒng)中的D2D用戶只能共享蜂窩用戶的上行傳輸資源。為了對(duì)系統(tǒng)的性能有一個(gè)全面的評(píng)估，本文同時(shí)設(shè)計(jì)了單小區(qū)和多小區(qū)的仿真場(chǎng)景。其中單小區(qū)的

48、仿真場(chǎng)景主要用于一些算法的前期研究(如前文提到的模式映射方法就是在單小區(qū)場(chǎng)景下進(jìn)行研究的)，并用于計(jì)算系統(tǒng)的容量極限;多小區(qū)的仿真場(chǎng)景主要用于模擬更加實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，用于評(píng)估各種優(yōu)化算法在實(shí)際系統(tǒng)中的優(yōu)化效果以及系統(tǒng)在各種優(yōu)化算法作用下能夠達(dá)到的實(shí)際吞吐量。下面分別對(duì)單小區(qū)仿真場(chǎng)景和多小區(qū)仿真場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。3.2.1 單小區(qū)仿真場(chǎng)景 假設(shè)系統(tǒng)中存在一個(gè)中心基站，一個(gè)蜂窩用戶和一個(gè)D2D用戶對(duì)。其中基站的位置固定在小區(qū)中心，D2D用戶對(duì)的位置由參數(shù)D和L確定，蜂窩用戶的位置由參數(shù)d以及相應(yīng)的相角確定。這里D指的是D2D用戶對(duì)距離中心基站的距離，L指的是D2D用戶對(duì)的內(nèi)部距離。對(duì)于一個(gè)特定的

49、仿真周期，D2D用戶對(duì)的位置由一組特定的D和L確定。而蜂窩用戶在小區(qū)中隨機(jī)分布，即系統(tǒng)為其產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的d和一個(gè)隨機(jī)的相角。針對(duì)每一個(gè)隨機(jī)的蜂窩用戶位置，設(shè)為位置p，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出當(dāng)蜂窩用戶處于位置p時(shí)，處于(D, L)位置上的D2D用戶對(duì)的最優(yōu)模式以及此時(shí)系統(tǒng)的總吞吐量。對(duì)于一組特定的(D，L)，系統(tǒng)會(huì)遍歷蜂窩用戶的位置并執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)算，得到一張模式圖譜和一張?jiān)鲆鎴D譜。最終，系統(tǒng)會(huì)遍歷所有的(D, L )，得到不同的(D, L)場(chǎng)景下的一系列模式圖譜和配套的增益圖譜。圖3.2 單小區(qū)場(chǎng)景示意圖3.2.2 多小區(qū)仿真場(chǎng)景 多小區(qū)仿真場(chǎng)景采用多個(gè)單小區(qū)場(chǎng)景組成的正六邊形蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括19個(gè)小區(qū)

50、，每個(gè)小區(qū)3個(gè)扇區(qū)。仿真中以扇區(qū)一為觀察單位。每個(gè)扇區(qū)中含有N個(gè)蜂窩用戶和M個(gè)D2D用戶對(duì)。其中，蜂窩用戶和D2D用戶對(duì)均在系統(tǒng)中隨機(jī)均勻分布，基本的參數(shù)設(shè)置足N=10 , N=10。然而，為了研究不同的系統(tǒng)負(fù)載對(duì)系統(tǒng)性能的影響，系統(tǒng)中峰窩用戶數(shù)N和D2D用戶對(duì)數(shù)M會(huì)根據(jù)具體的場(chǎng)景需要變化，這會(huì)在具體的變化場(chǎng)景中給出說(shuō)明。3.3 仿真平臺(tái)說(shuō)明 為了研究蜂窩系統(tǒng)中加入D2D用戶對(duì)之后的性能變化，系統(tǒng)需要一個(gè)沒(méi)有加入D2D用戶對(duì)的參照平臺(tái)。在系統(tǒng)中不加入D2D用戶對(duì)的情況下，得出的仿真結(jié)果即為參照數(shù)據(jù)。另外，系統(tǒng)中會(huì)對(duì)前文所述的各種優(yōu)化算法進(jìn)行建模并進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估。因此，平臺(tái)中加入了各種算法的控制

51、信號(hào)，可以控制是否采用特定的某種算法。通過(guò)采用與不采用某種算法的系統(tǒng)性能對(duì)比，可以更好地得出某種算法對(duì)系統(tǒng)的影響。整個(gè)平臺(tái)的架構(gòu)包含輸入文件、平臺(tái)實(shí)現(xiàn)代碼以及輸出文件。其中輸入文件包含基站位置信息，快衰值以及一些基本的系統(tǒng)仿真參數(shù)如噪聲系數(shù)、最大發(fā)射功率等:在完成仿真之后，系統(tǒng)會(huì)輸出基站、移動(dòng)臺(tái)、D2D用戶對(duì)的相關(guān)性能數(shù)據(jù)文件。平臺(tái)基于一種動(dòng)態(tài)的仿真流程，即在仿真過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的時(shí)間采用，采樣間隔不大于系統(tǒng)的最小控制時(shí)間。因此，整個(gè)仿真過(guò)程是隨著時(shí)間的推進(jìn)而不斷進(jìn)行的，又可以成為時(shí)間驅(qū)動(dòng)仿真。下面會(huì)對(duì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的具體流程以及一些關(guān)鍵的模塊進(jìn)行具體的介紹。3.3.1 仿真流程1)基站和系統(tǒng)信

52、息初始化: 首先需要完成的是系統(tǒng)的初始化工作。這部分工作主要包含:a)創(chuàng)建系統(tǒng)中所有的基站對(duì)象;b)讀入外部文件配置各個(gè)基站的位置參數(shù);c)配置基站天線方向并對(duì)基站其他信息(調(diào)度隊(duì)列等)進(jìn)行初始化。這些信息是網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)束之后就確定好的，所以需要在系統(tǒng)初始化部分完成。2)用戶初始化: a)創(chuàng)建系統(tǒng)中所有的移動(dòng)臺(tái)對(duì)象、D2D用戶對(duì)象; b)對(duì)移動(dòng)臺(tái)和D2D用戶對(duì)進(jìn)行撒點(diǎn)操作并配置其位置信息; c)鏈路矩陣和主服務(wù)基站計(jì)算，在計(jì)算完鏈路矩陣之后，可以據(jù)此計(jì)算每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的主服務(wù)基站，同時(shí)配置每個(gè)基站的激活集；3)時(shí)間驅(qū)動(dòng)操作:在每一個(gè)時(shí)間片上(又稱為時(shí)隙)，系統(tǒng)需要完成的工作主要有:鏈路時(shí)隙操作、移動(dòng)

53、臺(tái)(特指蜂窩用戶)時(shí)隙操作、D2D用戶對(duì)的時(shí)隙操作和基站時(shí)隙操作。下面將對(duì)各實(shí)體的時(shí)隙操作進(jìn)行單獨(dú)的介紹。a)鏈路時(shí)隙操作:鏈路時(shí)隙操作是在每個(gè)時(shí)隙中對(duì)鏈路狀態(tài)進(jìn)行更新，主要是更新快衰的取值。由于系統(tǒng)的快衰文件是從外部文件讀入的，在需要獲取當(dāng)前的快衰值時(shí)只要根據(jù)當(dāng)前的時(shí)隙以及鏈路的快衰初始狀態(tài)就可以直接得到。b)移動(dòng)臺(tái)時(shí)隙操作: 移動(dòng)臺(tái)時(shí)隙操作是指移動(dòng)臺(tái)(此處特指蜂窩用戶)的時(shí)隙操作。由于本平臺(tái)基于LTE- FDD上行蜂窩系統(tǒng)，因此，移動(dòng)臺(tái)所有的時(shí)隙操作包括從基站獲取調(diào)度信息，并按照基站指示的調(diào)度信息發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)。c) D2D用戶對(duì)時(shí)隙操作: D2D用戶對(duì)的時(shí)隙操作要根據(jù)平臺(tái)中的控制信號(hào)決定

54、是否執(zhí)行。如果執(zhí)行的話，那么由于D2D用戶對(duì)不存在上下行的區(qū)別，那么在每個(gè)時(shí)隙中D2D用戶對(duì)中的接收機(jī)需要完成對(duì)上一個(gè)時(shí)隙信號(hào)的接收，D2D用戶對(duì)中的發(fā)射機(jī)需要將信號(hào)發(fā)射出去。由于還沒(méi)有研究文獻(xiàn)表明D2D用戶對(duì)的發(fā)射消息格式由基站或其他設(shè)備進(jìn)行控制，本文的處理方案是假設(shè)D2D發(fā)射機(jī)能夠通過(guò)與接收機(jī)之間的協(xié)調(diào)，將調(diào)制編碼等級(jí)調(diào)整到最優(yōu)的狀態(tài)，使得誤碼率小于10%。因此，只要接收到的信噪比高于D2D接收機(jī)的最低信噪比要求，那么此次傳輸就對(duì)系統(tǒng)吞吐量有所貢獻(xiàn)。d)基站時(shí)隙操作:基站作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，同時(shí)作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行鏈路的接收機(jī)需要完成諸多工作。除了基本的接收機(jī)操作以外，基站最重要的功能就是

55、完成對(duì)系統(tǒng)中蜂窩用戶和D2D用戶對(duì)的調(diào)度。在對(duì)蜂窩用戶的調(diào)度中，主要包含非自適應(yīng)的同步HARQ(即規(guī)定移動(dòng)臺(tái)在特定時(shí)刻采用與初始傳輸一致的傳輸格式、調(diào)制編碼等級(jí)、占用的資源等需要重傳的消息)、為不需要重傳的蜂窩用戶確定新的調(diào)制編碼等級(jí)以及時(shí)頻資源分配;在對(duì)D2D用戶對(duì)的調(diào)度中，主要完成用戶的模式選擇、時(shí)頻資源的分配以及功率的控制。需要注意的是在對(duì)D2D用戶對(duì)的調(diào)度過(guò)程中不包含對(duì)傳輸信息的調(diào)制編碼等級(jí)的控制，這是與蜂窩用戶調(diào)度不同的地方。4)計(jì)算系統(tǒng)性能相關(guān)指標(biāo)并將結(jié)果輸出到文件。3.4 仿真參數(shù)描述3.4.1 基本仿真參數(shù)下表中給出了仿真中使用到的基本參數(shù)，主要包括小區(qū)拓?fù)?、帶寬等方面的信息?/p>

56、表格中給出的每個(gè)扇區(qū)中10個(gè)蜂窩用戶和10個(gè)D2D用戶對(duì)只是一組標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。如在具體的場(chǎng)景中有所不同，會(huì)在具體的結(jié)果給出時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的說(shuō)明。具體參數(shù)參照表3.1 。參數(shù)數(shù)值發(fā)射功率46dBm最小接收SINR2dB噪聲系數(shù)5dBm天線高度25m天線類型三扇區(qū)表3.1 基本仿真參數(shù)3.4.2 基站參數(shù)下表中主要給出了系統(tǒng)中與基站相關(guān)的一些參數(shù)。其中天線參數(shù)主要用于計(jì)算基站與其他節(jié)點(diǎn)之間的路徑損耗。表中給出的基站端最小接收SINR是根據(jù)蜂窩用戶的誤幀率門限(0.1)結(jié)合FER ( Frame Error Rare)曲線得到的。參數(shù)數(shù)值最大發(fā)射功率24dBm最小發(fā)射功率-50dBm噪聲系數(shù)9dB天線高度1

57、.5m天線增益0 dBi天線類型全向表3.2基站參數(shù)3.4.3 移動(dòng)臺(tái)參數(shù)下表中主要給出了系統(tǒng)中與蜂窩用戶相關(guān)的參數(shù)。參數(shù)數(shù)值Underlay D2D用戶對(duì)最大發(fā)射功率16 dBmOverlay D2D用戶對(duì)最大發(fā)射功率24dBmD2D用戶對(duì)最小發(fā)射功率-50 dBm噪聲系數(shù)9 dB天線高度1.5m天線類型全向天線增益0 dBi內(nèi)部距離10mD2D接收機(jī)最小SINR-2.5 dB表3.3 移動(dòng)臺(tái)參數(shù)3.4.4 D2D用戶對(duì)參數(shù)下表中給出了系統(tǒng)中與D2D用戶相關(guān)的一些參數(shù)。為了限制Underlay D2D用戶對(duì)同信道上蜂窩用戶的干擾，系統(tǒng)中將其最大發(fā)射功率限制為16dBm; Overlay D2D用戶不對(duì)蜂窩用戶產(chǎn)生干擾，因此其最大發(fā)射功率與蜂窩用戶相同。表中給出的內(nèi)部距離是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，如有不同，會(huì)在具體的結(jié)果給出時(shí)進(jìn)行具體的說(shuō)明。參數(shù)數(shù)值系統(tǒng)帶寬10MHZRB的大小180KHZ基站數(shù)19扇區(qū)數(shù)/基站3蜂窩用戶數(shù)