大规模mimo技术毕业论文

关于D2D通信抗干扰的问题研究

论文摘要： 在这个信息化时代，人们已经无法适应没有信息的传递和交流的现代化、快节奏的生活和工作。无线移动通信的迅猛发展，无线移动通信技术已经与人们的生活密切相关，人们的日常生活中已经离不开各种无线通信设备。

论文关键词： D2D 通信 信息

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景

在无线技术短短的几十年的发展历程中，从第一代模拟蜂窝移动通信网(AMPS)发展到支持低速率数据业务的第二代数字蜂窝移动通信网络(GSM)，然后发展到支持移动多媒体通信业务的第三代数字移动通信网络(3G)[1][2]，进而发展到现在能够支持更高的数据传输速率的多媒体业务的第四代移动通信技术，与此同时,更多的工作已经投入到下一代移动通信技术的研究计划。无线移动通信技术的发展趋势是开发更高的频段、有效地利用频谱资源、数字化，将为设备制造商和业务运营商提供更大的市场空间，而且造就一个庞大的业务服务群体并为其提供良好的市场空间。各种移动通信系统不断的演进，带宽需求随之日益增加，频带资源短缺成为世界通信业的共同问题[3]，如何更大效用的利用频谱资源并创造新的价值是一项具有现实意义的研究问题。由于频谱资源有限，如何进一步提高频谱资源利用率已经成为无线通信技术的一个核心课题。为解决日趋紧缺的频带资源问题，研究者提出一种在蜂窝网络中引入 D2D(Device-to-Device)通信技术[3]，D2D 通信技术是指短距离的两个用户设备在基站控制下，可以通过复用小区频谱资源的方式实现终端间直接数据传输。D2D 通信可以在现有的蜂窝网络中直接升级而来，无需大规模的铺设重建过程。D2D 系统与蜂窝系统的结合，不但能够扩大蜂窝容量，而且能提高频谱利用率，有效降低基站负荷，减少移动终端的电池功耗，缩短延时等优点，还能支持新型的小范围点对点数据服务。如今，D2D 通信技术与大规模MIMO(Multiple-Input-Multiple-Output 多输入多输出)、中继技术、超密集部署、灵活双工等技术一并确定为 IMT-Advanced(高级国际移动通信)研究的关键技术。D2D 以其灵活的工作方式和实用性在 4G LTE-A 系统中将会得到越来越多的应用。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

D2D 通信技术已受到了越来越多的关注，研究者在相关的领域里做出了许多的研究，国内外关于 D2D 的研究主要存在以下几个方向：应用场景研究、理论架构研究以及抗干扰性研究。文献[4]提出通过基站在其数据库中建立“用户动态匹配数据库”(DynamicMapping Users, DMU)，用来及时追踪所有蜂窝频段的被复用状况，而 D2D 设备主动选择复用干扰水平较低的蜂窝资源，来避免或减小干扰的最优模式选择策略。此机制和算法,充分考虑了蜂窝网络的服务质量(QoS, Quality of Service)以及两种用户之间的相互干扰。文献[5]通过以小区内用户的空间隔离度为出发点，选出合理蜂窝用户和 D2D用户对，这样减少了两种通信模式之间产生的干扰问题，改善了蜂窝的吞吐量。文献[6]提出一种用户分组的资源分配方案，将小区中 D2D 用户依据其地理位置分成几个 D2D 用户组，然后依据不同分配法给不同的 D2D 用户组分别分配不同的资源频带，再将分配到的资源在 D2D 组内用户进行分配，各个用户组使用不同的资源分配算法。文献[7]给出了一种 D2D 通信用户模式映射方案。在这种方案中，基站首先确定系统中通信用户的地理位置，然后根据位置信息决策适合各用户的通信模式，最后为其分配相应的资源。这种模式映射方案以损失有限的性能增益为代价，较大降低系统决策的复杂度。文献[8]基于单小区蜂窝多天线场景，提议了两类复用蜂窝下行链路的预编码算法来消除因为频谱复用所引起的干扰问题。一类是穷尽搜索已知码本中所有预编码，采用最好预编码，该方案系统开销比较大。另一类采用分布式算法，如果能够获得准确的信道反馈，即使相比穷尽搜索获得的最优的预编码对，也可以获得更高的增益。

第 2 章 D2D 通信技术

2.1 D2D 概念

D2D(Device-to-Device)通信是一种短距离间直接通信技术，它允许用户在基站控制下通过复用小区资源直接进行通信。这种通信方式有利于近距离的本地用户直接进行通信，可以有效减少用户间干扰,降低传输信号功率，提高资源利用效率，对本地数据的传输业务尤其适用。D2D 通信是一种能够在通信两端之间建立直接的链路，使通信双方不通过基站转发就能进行通信的方式。如图 2.1 所示，D2D 通信与传统的蜂窝通信模式不同，D2D 通信不需要通过基站来转发数据，而是用户间直接进行通信，这样节省了数据传输的时间以及通信的开销，同时还节约了网络资源。D2D 用户也有与蜂窝用户相同的地方，D2D 用户需要受到小区的基站的控制和管理，D2D 通信在基站的控制下获得所需的通信频谱资源以及传输功率，在基站的协助与监控下进行数据传输。D2D 用户与蜂窝用户之间，可以分别使用独立的资源，也可以共用相同的资源，合理配置使用的资源可以提高蜂窝网络的资源利用率。如若进行 D2D通信的双方都是以较低的功率进行传输，则能够减轻网络的负载，并减少终端的电量损耗,电池的使用期限就会延长。D2D 通信这种短距离的通信带来的高数率和良好的通信质量，能够提高蜂窝网络的容量和频谱的利用率。并且随着移动网络热点覆盖的'增加,数率的不断提高以及互联网业务的不断普及，D2D 通信将会得到越来越多的应用。

2.2 D2D 通信关键技术

移动通信的研究和发展方向与互联网应用密切相关，这意味着越来越多的关注将集中于数据业务，这也是未来运营商们竞争的焦点。从移动通信的发展趋势来看，移动通信网络目前正处于从以语音为主要业务逐渐转向以高速数据为主要业务的阶段，而且，移动多媒体业务的快速发展也对移动通信系统的带宽提出了新的难题。D2D 通信也是基于对数据业务的一种应用方式，同样需要移动通信系统提供足够的带宽支持。目前 D2D 技术已经成为无线通信技术行业的重要研究课题之一。如何在现有的通信网络基础设施上使其得以实现，并解决其关键技术问题已经吸引了学术界和产业界较多注意。D2D 关键技术主要包括设备发现，功率控制，资源管理以及信道测量等[14]。在蜂窝通信中引入 D2D 通信，D2D 用户可以复用蜂窝用户上行资源或下行资源，而在引入 D2D 通信后，保证对原有蜂窝用户不产生干扰或产生的干扰能保证蜂窝通信正常很重要。一般情况下干扰主要通过功率控制和资源分配来解决，尽管 D2D 干扰特性还没有完全得到认识。功率控制只在上行链路传输中对移动通信用户的发射功率以及下行链路传输中对基站的发射功率的控制[15]，用以保证通信的正常。在蜂窝通信中引入 D2D 通信，需要进一步控制 D2D 用户的发射功率，这样才能保证蜂窝用户不受到干扰。在保证 D2D 接收端的信干噪比 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)最小时，D2D 发射端功率越大越好，这样可以可以使得接收功率越高，进而获得的容量越高。但是，发射功率越高，对蜂窝用户产生的干扰越大，系统容量也会受到影响。因此，在使得功率最大化和限制其产生的干扰之间找到平衡点是功率控制的目的。

第 3 章 部分频率复用 D2D 通信抗干扰研究 ..16

3.1 系统模型..16

3.2 核心区域 D2D 通信的频率复用 17

3.3 边缘区域 D2D 通信的频率复用 21

3.4 性能分析..25

第 4 章 基于隔离区的 D2D 通信干扰控制 28

4.1 系统模型..28

4.2 隔离区域..30

4.3 干扰分析..30

4.4 频谱效率..324.5 性能分析..33

第 5 章 基于联盟博弈的 D2D 通信干扰控制 ..37

增长中的本地服务需求以及逐渐增长的频谱拥塞引发了针对在蜂窝网络中提高频谱效率的研究活动。D2D 通信作为一个能够复用蜂窝资源的底层蜂窝网络可以提高频谱利用率与增强小区吞吐量。D2D 通信中一个关键问题是由 D2D 通信与传统蜂窝通信的资源分享造成的干扰管理问题，而这个问题会大大影响网络吞吐量和通信可靠性。在本章中，探讨资源共享的问题，从分布式和合作前景的角度来优化在蜂窝网络下的 D2D 通信的系统性能，特别的，制定一个可转移效用的联盟博弈[46 47]，在其中，每一个用户在最大化自己的效用的同时，和其他用户合作形成更强的用户组以获得更佳的频谱资源。此外，在新定义的联盟最大次序下，基于联盟形成算法，设计了一个分布式的融合与分裂方案以有效的处理资源分配问题。如图 5.1 所示，考虑在蜂窝网络中的下行链路传输方案，其中存在两种类型的通信方式，即 BS 和 UE 之间的传统蜂窝通信方式以及直接的 D2D 通信方式，其中 D2D 通信被作为传统蜂窝通信的衬底。重点放在由于 D2D 与传统蜂窝通信的资源共享带来的小区内部干扰。假设在研究的网络中有 M 个传统蜂窝用户，N 个 D2D对。Am，m=1,2,…..M,表示传统蜂窝用户，Dn,t 和 Dn,r，n=1,2,…..N 表示潜在的D2D 对，这些 D2D 对的距离近到足以满足直接 D2D 通信距离的约束。Dn,t代表D2D 对的发射机，Dn,r代表 D2D 对的接收机。正交频分复用(OFDM)技术用于同时支持传统蜂窝通信和 D2D 通信。R={RB1,RB2…RBk}表示总共的 K 个用于数据传输的模块。每个模块由一定确定量的副载波组成，在 LTE 的物理层标准，每个模块由 12 个副载波组成。集合{1,2…M}，{1,2….N}以及传统蜂窝用户集合，D2D对集合用 M，N，A 和 D 来表示。

总结

随着无线通信业的发展，人们期望随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流，提高工作的效率和经济效益，各种满足人们需求的无线通信技术取得了巨大的发展。经过统计研究，目前大量的通信都发生在近距离间的传输，所以更多的工作需求投入到近距离的通信传输中，其中 D2D 技术就是近距离的用户间通过复用蜂窝网络的资源直接进行进行数据传输的一项新技术[50 51]，D2D 通信不仅提高了数据传输速率，而且能够减小功耗延长电池的使用。同时还能够在边缘地区或热点区域提供网络覆盖，从而增加网络的容量。本文对 D2D 技术的几个关键问题都进行了研究,包括 D2D 设备查找技术，多跳的 D2D 通信,以及与 D2D 通信抗干扰问题等。针对干扰这个关键问题,本文进行深入的探讨和研究，并提出了具体抗干扰性的研究方案，具有一定的借鉴价值。本文首先对 D2D 的研究背景，D2D 的概念以及国内外研究现状进行了详细的介绍。对于目前日趋匮乏的频谱资源，D2D 复用技术在 LTE 蜂窝移动通信系统中得到广泛的关注。而对于在蜂窝网中两种通信间造成的相互干扰控制成为 D2D 应用中的一个关键性问题，也是本论文研究的重点。接着，本文针对 D2D 通信的抗干扰问题提出了三种干扰抑制和控制的方案，一种是基于部分频率复用的干扰控制，根据用户的位置，将蜂窝分成核心区域和边缘区域，分别提出对处于核心区域和边缘区域的 D2D 通信的部分频率复用干扰控制方案，并通过性能分析来证明此方案是可行的。另一种是基于隔离区的 D2D 干扰控制，通过干扰分析和频谱效率分别解决 D2D 通信对原有蜂窝通信的干扰和蜂窝通信对 D2D 通信的干扰问题。最后一种是基于联盟形成博弈的干扰控制，解释了联盟形成博弈，主要是基于联盟形成的融合与分裂的资源分配来控制干扰，最后介绍了联盟形成博弈的算法。

参考文献(略)

超大规模MIMO技术是大规模MIMO技术的进一步演进升级。天线和芯片集成度的不断提升将推动天线阵列规模的持续增大，通过应用新材料，引入新的技术和功能（如超大规模口径阵列、可重构智能表面（RIS）、人工智能和感知技术等），超大规模MIMO技术可以在更加多样的频率范围内实现更高的频谱效率、更广更灵活的网络覆盖、更高的定位精度和更高的能量效率。 超大规模MIMO具备在三维空间内进行波束调整的能力，除地面覆盖之外，还可以提供非地面覆盖，如覆盖无人机、民航客机甚至低轨卫星等。随着新材料技术的发展，以及天线形态、布局方式的演进，超大规模MIMO将与环境更好地融合，进而实现网络覆盖、多用户容量等指标的大幅度提高。分布式超大规模MIMO有利于构造超大规模的天线阵列，网络架构趋近于无定形网络，有利于实现均匀一致的用户体验，获得更高的频谱效率，降低系统的传输能耗。此外，超大规模MIMO阵列具有极高的空间分辨能力，可以在复杂的无线通信环境中提高定位精度，实现精准的三维定位；超大规模MIMO的超高处理增益可有效补偿高频段的路径损耗，能够在不增加发射功率的条件下提升高频段的通信距离和覆盖范围；引入人工智能的超大规模MIMO技术有助于在信道探测、波束管理、用户检测等多个环节实现智能化。 超大规模MIMO所面临的挑战主要包括成本高、信道测量与建模难度大、信号处理运算量大、参考信号开销大和前传容量压力大等问题，此外，低功耗、低成本、高集成度天线阵列及射频芯片是超大规模MIMO技术实现商业化应用的关键。