摘 要

近年来，随着传统通信网络的流量不断增加，传统蜂窝网络的负载能力受到挑战，因此对5G通信的研究成为通信领域的研究趋势。其中D2D(Device-to-Device)技术作为5G通信的核心技术之一，能够完成终端到终端的直接通信，降低基站负载、提升频谱利用率，因此D2D技术成为5G领域的研究重点。

本论文主要研究了在5G通信网中D2D通信资源的分配与优化问题。论文将D2D资源分配问题分为三个步骤解决，首先根据基站、蜂窝用户和D2D用户最大功率限制以及最小信干噪比限制，建立功率控制模型，并采用几何匹配法进行求解，得到最佳功率分配方案。然后，建立信道增益模型，以最大化信道总增益为目标对D2D用户复用模式进行选择；最后，根据蜂窝用户和D2D用户的功率和复用模式，构建信道增益矩阵，并采用模糊匈牙利算法求解一对多的信道分配方案。

仿真结果表明，随着D2D设备数量的增加，系统数据速率也会提高。同时，通过仿真验证，该资源分配机制的系统数据速率比单独复用上行链路资源或者下行链路资源的方案更高。并且与传统的一对一的匈牙利算法分配方案相比，该方案的系统数据速率提升约40%。

本文设计的几何匹配法分配功率能降低算法的复杂度，同时，采用一对多的资源分配方案，能提升频谱利用率。仿真结果表明本论文设计的优化算法是有效的。

关键词：D2D通信；资源分配；功率控制；模糊匈牙利算法

Abstract

In recent years, with the increasing traffic of traditional communication network, the load capacity of traditional cellular network is challenged, so the research on 5G communication has become popular. D2D(device-to-device) technology, as one of the core technologies of 5G communication, can directly communicate from terminal to terminal, reduce the base station load and improve the spectrum utilization rate. Therefore, D2D technology has become the research focus in 5G field.

This paper mainly studies the allocation and optimization of D2D communication resources in 5G communication network. In this paper, the problem of D2D resource allocation is divided into three steps to solve. Firstly, the power control model is established according to the maximum power limit and minimum signal-to-noise ratio limit of base station, and the geometric matching method is adopted to solve the problem, so the optimal power distribution scheme is obtained. Then, the channel gain model is established to select the multiplexing mode for D2D users with the goal of maximizing the total channel gain. Finally, the channel gain matrix is constructed according to the power and multiplexing modes of cellular and D2D users, and the fuzzy Hungarian algorithm is used to solve the one-to-many channel allocation scheme.

The results show that the system data rate will increase with the increasing number of D2D devices. The simulation results show that the system data rate of this resource allocation mechanism is higher than the rate of the scheme reusing only uplink resources or only downlink resources. In addition, compared with the traditional one-to-one Hungarian algorithm, the system data rate of this scheme is improved by about 40%.

The geometric matching method designed in this paper can reduce the complexity of the algorithm, and the one-to-many resource allocation scheme can improve the spectrum utilization. The results show that the optimization algorithm is effective.

Key Words：D2D communication；resource allocation；power control；fuzzy Hungarian algorithm

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容 2

1.4 本文章节安排 3

第2章 D2D通信技术 5

2.1 D2D通信概念 5

2.2 D2D通信关键技术 5

2.2.1 D2D设备发现 6

2.2.2 模式选择 7

2.2.3 功率控制 7

2.2.4 信道分配 7

2.3 D2D通信干扰分析 8

2.3.1 复用上行资源的干扰分析 8

2.3.2 复用下行资源的干扰分析 9

2.4 D2D通信应用场景 10

2.5 本章小结 11

第3章 D2D资源分配模式优化 12

3.1 D2D资源分配问题系统模型 12

3.1.1 干扰和增益分析 12

3.1.2 系统模型 13

3.2 基于几何匹配的功率控制策略 14

3.3 基于信道增益的复用模式选择 17

3.4 基于模糊匈牙利算法的信道分配策略 18

3.4 本章小结 20

第4章 仿真结果及分析 21

4.1 仿真场景设计 21

4.2 资源分配方案 22

4.3 D2D性能对比分析 24

4.4 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1 总结分析 27

5.2 未来展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

全球移动通信业务需求日益增加，高速率、低延时和支持多业务类型的通信系统也在这个时代中发展起来。在新一代（第五代）通信系统中，用户体验速率、连接数密度和端到端延时等成为重要指标，D2D（Device-to-Device）通信技术作为5G通信的关键技术之一，能够降低延时、提升系统频谱利用率，因此对D2D研究对提升5G通信系统性能有重要意义。

1.1 研究背景和意义

移动通信技术始于20世纪70年代，在40多年的发展历程中，从只支持模拟语音业务，到支持数字语音、数字消息的数据业务，再到支持视频电话、多媒体的业务，移动通信系统经历了从第一代(1G)到第四代(4G)的飞跃[7]。

根据思科VNI报告，2015年度全球的移动流量为44.2EB，而2020年度将达到惊人的366.8EB[8]。为了更好的应对未来通信流量的爆炸性增长、越来越多的设备接入网络，需要更高速、延时更短、支持更多业务类型的新一代通信网络，于是5G通信网便逐渐发展起来，掀起了全球移动通信领域的新一轮浪潮。

2012年9月，欧盟在第七框架计划(FP7)下启动了面向第五代移动通信技术研究的5GNOW研究课题，拉开全球5G研究的序幕[9]。5G移动通信能够承载日益增长的流量负载，能够支持未来移动设备的技术，如虚拟现实等，此外还需要有较高的传输速率、高通信质量等。因此，5G通信的关键技术就需要在4G通信网的基础上有所突破。

终端直通(D2D)通信技术是指网络中设备器件之间在没有核心网参与情况下的直接连接通信。在5G通信系统中引入D2D技术，可以实现终端之间的直接通信，提升了频谱利用率，并降低了通信延时。D2D技术可以在基站的控制下共享蜂窝网络的资源，它能提升频谱利用率和增强系统吞吐量，因此D2D技术的研究对于推进5G通信有着重要意义。

本文主要针对5G通信网络中D2D的通信资源分配与优化问题进行研究，通过联合考虑蜂窝用户和D2D用户信干噪比、发射设备的最大发射功率、信道增益等参数，以最大化系统总数据速率为目标，建立面向5G通信网的D2D资源分配与优化方案。

1.2 国内外研究现状

目前国内外有许多研究者对D2D技术进行了研究，研究的内容主要集中在D2D工作模式的选择问题，蜂窝设备和D2D设备功率控制策略以及蜂窝链路与D2D链路之间资源分配机制。

对于模式选择机制的研究，文献[1]给出一种根据联合考虑接收信号强度指数和自由度(DoFs)来判断最佳模式方案，该方案能够使潜在D2D用户的总数据速率达到最高。文献[2]考虑了发射设备和接收设备距离、D2D和蜂窝链路质量和干扰情况来对模式进行选择。现有的研究D2D工作模式主要可以分为三个方面，即专用模式、复用模式和蜂窝模式[24]。但D2D工作在复用模式时会提高频谱利用率，系统的整体性能也会提升，因此对复用模式下D2D与蜂窝共存网络的研究更有意义。

对于D2D功率分配问题，文献[3]给出了一种多用户合作博弈的功率分配方案，通过玻尔兹曼常数等参数的约束限制，以最大化系统和数据速率为目标进行功率分配。文献[4]给出一种联合波束形成和功率控制的方案，目标为最小化发射功率同时保证通信质量，并采用支持向量机的方法求解。现有的大多数功率分配的研究多集中在通过信干噪比、吞吐量等参数对D2D功率进行有效控制，但没有联合考虑蜂窝用户功率和D2D设备功率。

对于资源分配的研究，Xu等人提出一种反向迭代组合拍卖的机制，以最大化下行链路系统数据速率为目标对资源进行分配[5]。文献[6]为D2D和蜂窝用户构建了一个二分图，二分图以最大化D2D数据速率为权重，并采用匈牙利算法进行资源分配。现有的资源分配机制大多研究一个D2D对只复用一个蜂窝链路资源，这样频谱将会有较多的浪费。

1.3 研究内容

本文在5G通信网络下的D2D资源优化问题进行了研究，提出了一种联合考虑上行链路和下行链路复用的资源优化方案。

在小区中蜂窝用户和D2D用户共同存在，本文为这样共存网络建立系统模型。该模型联合考虑了上行链路复用和下行链路复用机制，但该模型的求解复杂度较高，因此本文对D2D资源分配问题分解为三步依次求解。第一步对功率进行控制，在给定发射功率限制下能够尽可能提高系统性能；第二步以信道增益最大化为目标，选择D2D工作时的复用方式；第三步进行信道资源分配，以最大化系统数据速率为目标，在保证通信质量的情况下尽可能多的为D2D分配资源。

研究点1：针对现有功率控制机制比较复杂的情况，本文设计了一个复杂度较低的启发式算法对功率进行控制。根据功率控制模型，建立功率坐标图，对一个D2D用户复用一个蜂窝信道的情况进行分析，给出了四种可能的情况，并采用几何方法给出总数据速率最大时的功率分配方案。

研究点2：现有的复用方式多为单一的上行链路复用或者下行链路复用，本文建立信道增益模型，通过联合考虑上行复用和下行复用时信道增益来选择复用方式。

研究点3：针对现有的信道资源分配方式多为一对一的机制，本文采用模糊匈牙利算法实现一对多的信道资源分配机制。根据前两步得到的功率分配方案和模式选择方案，以最大化系统数据速率为目标，建立信道资源分配模型。然后采用模糊匈牙利算法求解，最终能够实现一对多的资源分配机制。

1.4 本文章节安排

文字详细的介绍了5G通信网络下D2D通信资源优化的研究工作，利用信干噪比、功率、信道增益等参数进行仿真。全文由五章节构成：

第1章为绪论，主要讨论了D2D通信技术的研究背景和研究现状，以及介绍了本文的研究点和各章节内容。

第2章为D2D通信技术，首先介绍了D2D通信的概念，然后对D2D通信的关键技术进行讨论，如D2D设备发现、模式选择、功率控制和信道发现技术，接着分析了D2D通信过程与蜂窝小区之间的相互干扰，最后对D2D通信应用场景进行了讨论。

第3章为本文所建立的D2D资源分配模型，首先分析D2D通信和蜂窝通信共享资源时的干扰和增益，并对系统进行建模。接着对系统模型分为三步依次求解，第一步介绍了功率控制的几何求解策略，第二步探讨了复用模式的选择方案，第三步讨论了应用模糊匈牙利算法求解信道分配方案。

第4章为仿真部分，首先对仿真场景进行程序设计，然后对初始场景的分配方案进行模拟和仿真，最后与不同的分配模式进行对比分析，观察不同策略下的D2D通信系统数据速率。

第5章为总结和展望，总结分析本文所做的工作，并指出了本文研究的结论和研究过程中存在的一些问题；立足于当今时代背景，进一步展望了D2D通信的应用前景。

第2章 D2D通信技术

终端直通技术(Device to Device, D2D)是指两个用户距离较近的地理位置之间没有经过基站直接通信[15]，可以降低数据传输时的延时，是支持5G的关键技术之一。本章将对D2D通信技术的概念、关键技术和应用场景进行介绍。

2.1 D2D通信概念

设备到设备(Device to Device)的通信技术是指要接收数据的设备可以直接与要传输数据的设备进行通信[25]。D2D技术工作在许可频段，并且能够在系统的控制下允许终端设备接入到蜂窝网中共享蜂窝资源，其干扰将会受到较好的控制和管理，传输的可靠性也会得到保障[10]。

在传统的小区蜂窝通信网络中，设备数据之间的交换或者用户之间相互通信需要基站的参与，这种通信的模式适用于低速率需求的移动服务，如发送声音或文本信息等。D2D通信技术可以提升网络的频谱利用率，还可以改善系统吞吐率、能量效率和延时等。当然，在传统蜂窝网络中采用D2D技术也会带来一些目前没有最佳解决方案的困扰，如由于D2D复用蜂窝资源而对蜂窝用户产生的干扰等[11]。本文主要解决D2D通信技术中的资源分配和干扰控制。

D2D技术的特点，一方面表现为蜂窝系统中距离较近的设备可以直接进行通信，另一方面表现为D2D通信可以与蜂窝系统共享频谱，并且可以在蜂窝系统的控制下进行通信[12]。此外，智能终端设备之间直接交互，没有其他设备的参与，这样能很好的降低延时(delay)，使得5G通信的一些需要低delay的业务能够实现，例如车联网、机器人控制等。

2.2 D2D通信关键技术

根据相互交互的终端设备之间是否有设备进行统一控制，可以将D2D通信分为集中式和分布式两种通信方式[26]。图2.1为集中式分布和分布式端到端的通信示意图。

图2.1 集中式和分布式的端到端通信

在第一种通信方式（即集中式）中，D2D终端设备可以在基站的控制下建立连接，但之后的通信不再通过基站进行，而是端到端的直接通信。在第二种通信方式（即分布式）中，终端设备处于小区边缘或小区外，其相互交互的智能通过终端本身的控制来完成。

在下一代(5G)通信网络中D2D通信的资源的管理，一方面是通过D2D设备终端的控制，同时还通过蜂窝通信网络中的基站对D2D设备终端的工作模式、发射功率以及信道载波资源的分配等信息进行分配和管理[12]，提高D2D系统通信的效率，降低了D2D终端与蜂窝网络或者5G网络之间的干扰，提高整体通信网络的系统性能。

2.2.1 D2D设备发现

D2D通信的前提是两个设备完成了设备发现、建立连接的过程，在两个设备之间建立起这样的直接连接后，才可以传输数据。D2D设备发现就是用于判断设备之间的邻近性以及在设备间建立D2D通信链路的可能性。

根据发现的角色划分，直接发现的两个用户可以分别称为播报用户和监听用户。播报用户的行为是在空口广播自己的信息，而监听用户则是在空口监听自己想要获取的用户信息。

邻近通信的发现过程需要用户与ProSe function（邻近业务功能）交互完成。其具体过程为播报用户需要从ProSe function获取其在空口播报的编码，而监听用户也需要从ProSe funtion获取其想要监听的用户在空口广播的编码。

2.2.2 模式选择

在蜂窝用户和D2D用户共存时，D2D设备需要使用蜂窝网络的资源，而根据使用资源的形式不同可以分为三种模式。

第一种为专用模式，在该模式下D2D通信有单独的信道资源；第二种为蜂窝模式，该模式D2D设备作为中继设备进行通信；第三种为复用模式，复用模式又可以分为上行链路复用和下行链路复用模式，这种模式下D2D设备可以与蜂窝用户共享频谱资源，能提升频谱利用率。

因此，以上的几种模式中，复用模式最值得研究。其他两种模式不会有相互干扰，在这两种模式下可以通过提高设备的发射功率来提升系统网络性能，但能源是有限的，功率也不能无限制的提升。因此，本文主要讨论复用模式的选择策略。

2.2.3 功率控制

为了控制干扰，D2D通信技术中引入了功率控制技术。一个合理的功率控制机制，可以使蜂窝系统中容纳更多的D2D设备，从而可以提升基站的频谱利用率。功率控制可以节省能源，同时也能够保证通信的质量要求，因此一个合理的功率控制策略对于系统整体性能的提升很重要。

本文基于路径损耗、相对位置、面向整体网络性能、多D2D用户和多蜂窝用户等复杂的判决条件，与模式选择和信道分配相结合，以获得更优的网络系统综合性能。

2.2.4 信道分配

信道分配是为D2D设备选择合适的蜂窝信道，与模式选择相对应，不同模式下的信道分配方案也会有所差异。特别是D2D工作在复用模式下，研究信道分配能够减少蜂窝网络和D2D通信之间的干扰，提高体系的性能。

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