随着LTE网络相关技术的日益成熟，人们对基于LTE网络的业务种类需求也逐渐多样化，蜂窝网络用户追求终端对网络随时随地的无缝接入，进而在5G技术中，终端直通通信（Device-to-Device,D2D）被纳入了研究范围。它作为5G移动通信中的关键技术之一，可以使得邻近的终端设备直接通信而不经过基站中转，在两终端设备间直接建立通信信道 [1]-[4]。一方面，它避免了蜂窝通信中的用户数据经过网络转发，因此能够产生链路增益，同时降低基站负载，提供比基站转发更高速率、更低功耗的短距离传输服务；另一方面，D2D用户之间以及蜂窝用户与D2D用户之间的资源可以复用，能够提高资源的复用增益，因此有效增加蜂窝网络容量。通过链路增益和资源复用增益能够提升通信系统的频谱效率，进而提高吞吐量，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。

D2D 通信模式依据资源利用方式，通常分为两种:

1. 专用模式 Overlay。D2D 用户在基站的控制下占用蜂窝系统的空闲资源进行通信，由于D2D 用户占用的资源与蜂窝用户的资源相互正交，不会产生干扰；

2. 复用模式 Underlay。当小区中用户密度较高时，D2D用户（UserEquipment, UE）在基站的控制下复用蜂窝用户 ( Cellular User，CU) 用户的资源进行通信。当复用上行链路的资源时，基站会受到同频干扰。当复用下行链路的资源时，下行链路上的用户会受到D2D 信号的干扰。若受干扰用户和D2D用户的距离较近时，则干扰现象将会较为严重。

因互联网用户的需求快速增长而导致通信资源的持续消耗，而由于D2D复用蜂窝频带资源所带来的频谱效率提升，使其成为研究中的热点。 典型文献 [5]-[7]便对D2D网络与蜂窝网络共存的环境进行了分析。在实际情况中，网络内存在大量多媒体流量而造成的数据需求的爆炸式增长，如文件传输，广告宣传以及车载电台等。因此，该模式下的传输过程中，会涉及干扰抑制，以及资源分配等问题。例如，文献 [8]-[10]研究了多D2D链路和蜂窝用户的资源分配问题。文献 [8]则通过能量控制D2D设备间进行通信；以及文献 [9][10]中计算通信系统的速率和来控制资源分配，实现能量效率的最大化。在D2D通信技术的应用上，文献 [11]提出了针对车联网的D2D通信资源分配问题。在文献 [12]中则研究了对单D2D链路和单蜂窝用户之间的模式选择和功率控制方案。

除了资源分配等问题的提出，一些针对D2D通信的优化技术也迅速发展，比如能够提高传输效率并降低网络拓扑复杂度的分簇技术。在某些应用场景下，如剧院、电影院、演唱会等终端数目较多时，终端直通技术可以大大地降低基站的负载并提高蜂窝系统的频谱效率，但是如果使用传统的两两终端结合传输方式会造成资源浪费，并且传输效率较低，有可能造成终端耗电过多。因此为了解决终端数目较多时 D2D通信的问题，在此研究使用多播传输方式进行 D2D通信，同时为了提高传输效率，使距离数据源较远的终端可以较好地接收到数据，可以使用分簇算法对终端进行分簇，构造分层的拓扑，进行以D2D设备作为中继的多播转发传输。这种拓扑结构的形成和维护需要依赖于某种分簇算法，因此分簇算法的好坏直接影响蜂窝网络中D2D通信的各项性能指标。

近年来分簇算法的研究和应用十分广泛。文献 [13]提出了基于无线网络的自适应分簇技术，经典的分簇算法一般是基于各D2D设备间距离、与蜂窝用户之间的干扰等因素进行分簇，因此，基于分簇场景的需求不同，在设计分簇算法过程中所衡量的因素亦有不同。另外，文献 [14]中有提到，簇头的选举也是分簇算法中重要的一点，簇头节点的连接度、移动性、发射功率、簇头服务时间和剩余电池电量等均是衡量一个系统是否稳定的性能指标。

2. 研究的基本内容与方案

本次毕设需要学习和研究通信原理、无线通信、数字通信等课程，以及掌握部分数学优化方法的应用。其中，本论文将重点研究D2D分簇技术领域的资源分配等问题，并基于MATLAB环境进行仿真实验，并基于实验结果进行研究分析。

首先，需要系统了解D2D通信的相关进展，学习D2D技术的相关基础理论，包括但不限于LTE系统关于4G通信技术的基础概念、核心技术，进而了解D2D技术发展的由来。从Ad hoc技术、移动自组网技术开始，演进到面向5G技术需求的D2D通信技术，其中相关的理论模型、分析算法可以相互参考应用。

本文拟主要完成的工作有：