摘 要

随着信息时代高速发展带来的数据量爆炸式增长，迫切需要新的通信技术提高频谱资源的利用效率以及数据传输效率，终端直通通信（Device-to-Device, D2D）被纳入了5G移动通信中的关键技术研究范围。它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。本文考虑充分利用D2D通信优势提升资源利用率，提出一种分簇D2D多播模型，并对该模型进行干扰分析、资源分配等技术研究。

本文主要完成的工作有：

（1）学习分簇D2D多播通信场景的相关概念，包括 D2D复用蜂窝资源模式下的信号干扰噪声比的定义，中断概率表达式的推导和理解。

（2）建立分簇D2D多播场景下的自适应资源分配最优化问题模型，并应用匈牙利算法解决该问题并与已有经典方案曲线的性能比较。针对所研究的模型在不同条件限制下的不同形式，比较本算法方案在不同参数设置下的性能差异。

（3）本文尝试进一步提出一种基于部分位置信息的资源分配方案，在保障D2D簇吞吐量性能的情况下，极大的降低了算法的复杂度。

关键词：D2D通信；分簇技术；自适应资源分配；干扰控制

Abstract

With the explosive growth of data volume brought about by the rapid development of the information age, new communication technologies are urgently needed to improve the efficiency of spectrum resource utilization and data transmission efficiency. Device-to-Device (D2D) is incorporated into the scope of key technologies of 5G mobile communications. It can enable nearby terminal devices to communicate directly without transiting the base station, and establish a communication channel directly between the two terminal devices. This paper considers to make full use of the advantages of D2D communication to improve resource utilization, proposes a clustered D2D multicast model, and performs interference analysis and resource allocation for this model.

The main work accomplished in this article is:

(1) Learning related concepts of clustered D2D multicast communication scenarios, including the definition of signal to interference and noise ratio in D2D multiplexed cellular resource mode, and the derivation and understanding of outage probability expressions.

(2) Set up an adaptive resource allocation optimization problem model in a clustered D2D multicast scenario, and apply the Hungarian algorithm to solve this problem and compare it with the performance of existing classical scenario curves. For the different forms of the studied model under different conditions, the performance differences of the proposed algorithm under different parameter settings were compared.

(3) This paper attempts to further propose a resource allocation scheme based on partial position information, which greatly reduces the complexity of the algorithm under the condition of guaranteeing the throughput performance of D2D clusters.

Keywords: D2D communication; clustering algorithm; adaptive resource allocation; interference control

目 录

第1章 绪 论 1

1.1研究背景、目的和意义 1

1.2 D2D通信技术的发展及研究现状 2

1.3论文主要工作和体系结构 3

第2章 分簇D2D多播通信方案设计 4

2.1通信方案设计 4

2.2 D2D多播通信 4

2.3分簇算法 6

2.4干扰抑制 7

2.5资源分配 9

2.6本章小结 9

第3章 蜂窝网络中多对D2D的干扰抑制技术 10

3.1系统模型 10

3.2中断概率限制的蜂窝链路保护 12

3.2.1中断概率限制 12

3.2.2 D2D功率限制 12

3.3本章小结 13

第4章 分簇D2D多播通信的自适应资源分配 14

4.1分簇D2D多播场景建模 14

4.2 D2D簇的资源分配 17

4.2.2资源分配目标函数 17

4.2.3基于匈牙利算法的自适应信道选择 18

4.3仿真及性能分析 20

4.4多CUE与多D2DC匹配 23

4.5簇半径大小、蜂窝用户QoS指标对系统性能影响 25

4.6本章小结 26

第5章 基于部分位置信息的分簇D2D多播通信方案 27

5.1基于部分位置信息的自适应资源分配方案 27

5.1.1中心极限定理近似的中断概率推导 28

5.1.2部分位置信息的资源分配 30

5.2仿真及性能分析 31

5.3本章小结 33

第6章 总结与展望 34

6.1论文工作总结 34

6.2未来工作展望 35

参考文献 36

附录A：英文缩略词对照表 38

致 谢 39

第1章 绪 论

1.1研究背景、目的和意义

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^[1][2]。它作为5G移动通信中的关键技术之一^[3]，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。如图1.1所示。

图1.1 D2D通信技术

一方面，它避免了蜂窝通信中的用户数据经过基站转发，增加了通信链路，并降低了基站负载，提供更高速率、更低功耗的近距离传输服务；另一方面，D2D用户可以对蜂窝用户的资源进行复用，能有效增加蜂窝网络容量。通过D2D通信的这些优势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^[4]。

D2D通信模式依据资源利用方式，通常分为两种：