通信工程论文参考资料：D2D通信科技研究
第一章 引言
1.1课题背景
随着无线通信技术的迅猛发展，在下一代无线网络中，用户希望得到高速率、广覆盖的服务，为此 ITU 定义了 IMT-Advanced 来满足这些期望。为了支持更多更快的业务，IMT-A系统支持在 100Mhz 带宽上达到 1Gbps 的数据速率。这样的速率现有的 3G 网络架构无法达到。考虑到这些限制，现在一种主流的方案是在宏小区中部署多个微小区，但是该方案随着微小区数目的增多，增加了操作复杂度和设备成本。另一方面，研究表明现有的频谱利用率较低，特别是 ISM（Industrial Scientific Medical）非授权频段，由此激发了认知无线电技术的研究，使得认知用户可以使用蜂窝频谱。尽管如此，认知无线电在授权频段上搜寻频率空点依然十分困难，同时蜂窝网络运营商对向其他系统共享自己授权频谱持保留态度。因此一种类似于认知无线电技术，但是是处于蜂窝网络控制下的技术将会促使蜂窝网络运营商愿意共享他们的授权频谱。D2D 通信技术因此被提出，它与蜂窝网络共享使用频谱，通过在用户间使用 D2D 通信，来提高网络的容量。D2D 通信能降低 eNodeB 的负载，降低端到端的传输时延，用户间可以直接进行用户面数据传输而不需要 eNodeB 的介入。然而由于与蜂窝共享频谱资源，必然带来系统间干扰。因此 D2D 通信技术的最大挑战是如何设计有效的无线资源管理算法来保证系统的协调运作。虽然已有不少文献对 D2D 资源共享算法进行了研究，但是都有其局限性，因此需要设计出有效的算法来最大化频谱利用率。
1.2论文主要工作与内容结构
本课题来自于国家自然科学基金项目《基于跨层跨系统合作的异构网络融合关键技术研究》。本课题研究 D2D 系统与 LTE 系统融合的主要技术，并将重点放在无线资源管理方面。研究目标是通过对当前 D2D 系统的网络架构，及会话建立和信道测量相关机制的研究，以及对 D2D 功率分配，资源调度策略和算法的总结，提出自己的 D2D 无线资源管理算法，以提高 D2D 与 LTE 系统的总资源利用率，增加网络容量，为用户提供更好的服务。本文在总结现有算法不足的基础上，首先提出了一种新的 D2D 资源共享算法，该算法采用贪心策略和动态功率控制使得单 D2D 可复用多个蜂窝用户的资源，且不会对蜂窝造成较大干扰。然后又提出一种基于非合作博弈论的 D2D 资源共享算法，该算法考虑了多个D2D 对同时复用多个蜂窝用户资源的情况。在课题研究的过程中，笔者分三个阶段对 D2D通信技术进行研究。第一阶段，调研 D2D 相关文献和国际专利，对 D2D 通信技术进展状况进行跟踪，重点研究 D2D 无线资源管理的国际发展动态。第二阶段，开发 D2D 系统级仿真平台。第三阶段，研究 D2D 资源共享算法。在调研现有的 D2D 资源分配算法的基础上，分别提出了基于贪心策略和非合作博弈论的 D2D 资源共享算法，并用自行开发的仿真平台对所提算法进行仿真分析。
第二章 D2D 通信系统
2.1 概述
近年来，3GPP 组织提出的 LTE 系统得到了迅猛发展。LTE 包括 E-UTRA 和 SAE，其中E-UTRA 能提供更高数据速率的无线接入，SAE 定义的核心网则采用扁平化的架构，可节约操作成本。3GPP 目前制定了 LTE-Advanced 的研究项目，该项目致力于为 LTE 研究新的关键技术，以满足 IMT-Advanced 的要求，其中包括支持本地区域高速率接入。IMT-Advanced 将支持高达 100M 的带宽，以满足高速率的要求，同时支持多种业务类型。未来的无线接入网在载频和带宽上具有很大的灵活性。本文研究一种目前处于起步阶段的 LTE 未来关键技术Device-to-Device 通信。D2D 通信早先作为通用移动通信系统 UMTS 网络下的一种 Ad-Hoc 多跳中继协议[1]，它要求 UE 在规定的时间间隔内，侦听附近的 UE，判断其是否可能成为可能的中继点。2008年 4 月在中国深圳由 3GPP 举办的 IMT-Aworshop 会议上，高通公司首次提出了 D2D 通信，随后摩托罗拉公司也将 D2D 通信提交给了 802.16m 工作组。D2D 通信已经被认为是在IMT-Advanced 范畴下，增强未来蜂窝网络性能的技术之一，与协同多点传输载波聚合、多天线技术共同用于 IMT-Advanced 网络。目前 3GPP 已将 D2D 融合到 LTE-Advanced 中，并提出了 D2D 设备发现与通信和 LTE-Direct 的概念， D2D 应用场景和业务要求也在讨论之中。欧洲的 WINNER+项目也从 2009 年开始了 D2D 的研究，并希望其能在 IMT-Advacned 中全面提升小区容量和降低基站负荷。
图 2.1 给出了 D2D 系统与蜂窝网络工作在同一频带上的示意图。图中除了有通过 eNodeB进行通信的 UE，还有直接通过 D2D 链路进行通信的 UE。但处于 D2D 连接的 UE 仍然要受到 eNodeB 的控制。eNodeB 可以对 D2D 传输端的发射功率进行限制，以减小对蜂窝网络的干扰。在高负载的 LTE 网络中，eNodeB 仍能为 D2D 链路分配资源，而认知无线电在这样的场景下，很难监测到未使用的频谱。D2D 能提供高速率的多媒体本地业务。例如，在某音乐会场安装一台媒体服务器后，观众就可以使用 D2D 技术从该服务器下载相关的宣传视频和图片。只要主办方向运营商支付一定的注册费用，之后当会场附近的基站接收到会场内用户向该媒体服务器发出的请求，就透明的在该用户与媒体服务器间直接建立 D2D 链路。这样大量的本地多媒体业务流通过 D2D链路传输，而蜂窝网络的语音业务和 Inter 数据业务不受影响。
目前支持设备到设备间通信的标准已有不少，WLAN（Wireless Local Area Networs）具有收费低廉、设备成本低、能快速接入非授权频段（2.4Ghz）的特点。其采用 CSMA/CD（carriersense multiple access/collision detected）机制，但是 AP（Access Point）对设备间的链路没有直接的控制；Bluetooth 配对时需要手动进行设置；Hiperlan 是欧洲的一种无线局域网标准，其物理层使用 OFDM 技术，但设备间的通信链路不得与蜂窝系统共享带宽；摩托罗拉向 802.16m工作组提议，保留几个 OFDM 符号专门用作 D2D 通信使用。以上系统都基于一个共同的假设，即 D2D 链路使用独立的时频资源，这样能限制干扰，但是资源利用率低，特别是当系统带宽较大时。因此 IMT-Advanced 规定让 D2D 通信可以使用蜂窝频谱，从而提高频谱利用率。所以设计合适的 RRM 机制来协调蜂窝系统和 D2D 系统变得十分重要。目前 D2D 的研究主要包括：D2D 设备发现机制，D2D 会话发起与管理，D2D 与蜂窝的切换，D2D 与蜂窝网络的干扰协调等。本章将关注目前 D2D 系统的关键技术发展，首先介绍其中的 D2D 会话建立机制，和相关信道测量机制，最后详细讨论 D2D 系统的无线资源管理，从无线资源管理角度，探讨 D2D 与蜂窝网络干扰协调问题。
第三章 仿真平台设计........ 18
3.1 概述 ..... 18
3.2 系统仿真框架 ....... 18
3.3 系统仿真功能模块 ..... 20
3.4 仿真流程 ......... 26
3.5 数据处理 ......... 27
3.6 本章小结 ......... 29
第四章 基于动态功率控制的 D2D .... 30
4.1 概述.... 30
4.2 系统架构........ 31
4.3 问题分析........ 32
4.4 数学模型........ 33
4.5 算法流程........ 34
4.6 仿真结果及性能分析...... 35
4.7 本章小结........ 38
第五章 基于非合作博弈的 D2D 资源共享算法........ 39
5.1 概述 ..... 39
5.2 非合作博弈论 ....... 40
5.3 系统模型 ......... 42
结论
随着无线通信技术的发展，在下一代无线网络中，移动用户期望得到高速率，广覆盖的服务，为此 ITU 定义了 IMT-Advanced 的要求来满足这些期望。Device-to-Device 通信技术是IMT-Advanced 其中的一项技术，其将部署在 LTE 蜂窝网络中，可与蜂窝网络共享相同频谱资源，从而有效地提高频谱利用率。在这样的网络环境下，如何协调系统间干扰，在保证蜂窝网络性能的同时，最大化小区的无线资源的利用率，已经成为业界高度关注的热点研究课题。本文就是在这样的背景下开展研究的。论文研究的主要内容有：
（1）调研 D2D 相关文献和国际专利，对 D2D 通信技术进展状况进行跟踪，重点研究和分析 D2D 资源共享算法国际发展动态，掌握 D2D 资源共享算法的相关原理、应用场景。
（2）详细研究现有的各种开源的系统级仿真器，掌握各种信道模型与仿真方法，使用C++语言自行开发了 D2D 系统仿真平台用于验证后续提出的 D2D 资源共享算法。
（3）针对当前 D2D 资源分配算法没有考虑一个 D2D 复用多个蜂窝用户资源的情况，提出一种综合考虑资源分配与动态功率控制的联合控制方案，并进行了详尽的仿真分析，证明了所提算法的有效性。
（4）详细研究了非合作博弈论的理论基础，各种博弈模型以及问题建模方法。将非合作博弈理论运用到 D2D 通信系统中，设计了能让多个 D2D 复用多个蜂窝用户资源，并且保护蜂窝性能的博弈模型，仿真结果验证了算法性能。
参考文献
[1] Doppler , Rinne M, Cássio B. Device-to-Device http://sblunwen./txgclw/ munication as an underlay to LTE-Advancedwors[]. Communications Magazine, IEEE, 2009, Volume: 47,Issue: 12 :42-49.
[2] Doppler , Rinne M. Device-to-Device munications: functional prospects for LTE-Advancedwors[C]. IEEE International Conference on ICC ,2009 :1-6.
[3] Noia Corporation. Method and apparatus for providing interference measurement for D2Dmunication [P]. Pub. No: US 2021/0093364 A1, Apr, 2021.
[4] anis P, Chia-Hao Yu, Doppler . Device-to-Device munication underlaying cellular municationsystems[]. International ournal on Communications, Networing and System Science, une 2009, vol.2:169–178.
[5] anis P, oivunen V, Ribeiro C. Interference-aware resource allocation for device-to-device radiounderlaying cellular wors[C]. IEEE International Conference on VTC Spring 2009:1-5.
[6] Tao Peng, Qianxi Lu, Haiming Wang. Interference avoidance mechanisms in the hybrid cellular anddevice-to-device systems[C]. IEEE 20th International Symposium on PIMRC 2009:617-621.
[7] Zulhasnine M, Changcheng Huang, Srinivasan A. Efficient resource allocation for device-to-devicemunication underlaying LTE wor[C]. IEEE International Conference on WIMOB, Oct.2021:368-375.
[8] Hongian X, Sami H. The Investigation of power control schemes for a device-to-device municationintegrated into OFDMA cellular system[C]. IEEE 21st International Symposium on PIMRC Sept.2021:1775-1780.
[9] aheon G , Sueng B, Bumgon C. Dynamic power control mechanism for interference coordination ofdevice-to-device munication in cellular wors [C]. IEEE International Conference on ICUFN ,2021:71-75.
[10] Doppler , Chia-HaoYu, Pea . Mode selection for device-to-device munication underlaying anLTE-Advanced wor[C]. IEEE International Conference on WCNC, 2021:1-6.