蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信性能的研究

1、蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信性能的研究XXXX，物理與電子信息學(xué)院摘 要：隨著目前移動通信的發(fā)展，人們對高帶寬，高效率，高質(zhì)量和低延時性業(yè)務(wù)的需求不斷加強，然而有限的頻譜資源成為了阻礙蜂窩系統(tǒng)性能提高的最主要因素，然而隨著大數(shù)據(jù)量的本地業(yè)務(wù)的興起會對頻譜資源造成更大的消耗，這也要求未來網(wǎng)絡(luò)具備相應(yīng)的技術(shù)來更好地支持這種局部通信形式。蜂窩網(wǎng)落下的D2D通信技術(shù)是一種充分利用頻譜資源的技術(shù)，這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)本地大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，兩個直連通信用戶之間采用很小的功率進行通信，并且對蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生很小的干擾，只需通過基站控制即可，D2D通信系統(tǒng)允許終端通過復(fù)用小區(qū)資源直接進行通信，這能有效地提高蜂窩系統(tǒng)的頻譜效率。所以

2、，在LTE系統(tǒng)中引入D2D通信的同時降低系統(tǒng)內(nèi)之間的干擾問題成為現(xiàn)在的研究熱點。關(guān)鍵詞：蜂窩網(wǎng)絡(luò)；直連通信；模式選擇；功率控制；資源分配Performance Research of D2D in Cellular NetworksXXXX，College of Physics and Electronic InformationAbstract：Withthedevelopmentofmobilecommunication，people needs continue to strengthenof high bandwidth,high efficiency, however limited

3、 of spectrum resources became has hinder cellular systemiccan improve of most main factors, but with big data volumeof local business of rise will on spectrum resources caused more big ofconsumption, this also requirements future network has corresponding oftechnology to better to support this local

4、 communications form. Cellular network falling D2D communication technology is a technique to fully utilize spectrum resources, this technique enables a large local data services, the use of communication between two directly connected users communicate very little power, and no transfer station by

5、simply controlled by the base station, this system allows the terminal by multiplexing cell resources to communicate directly, which can effectively improve the spectrum efficiency of cellular systems. Therefore, the introduction of D2D communication in the LTE system and reducing interference betwe

6、en the systems now become a research hotspot. Key words：cellular network; Device-to-Device (D2D) communication; mode selection; power control; resource allocation目錄摘要1一 移動通信和D2D通信系統(tǒng)介紹31.1 引言31.2 移動通信發(fā)展和現(xiàn)狀31.3 D2D直連通信技術(shù)41.4 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信技術(shù)4二 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信性能研究62.1 D2D通信系統(tǒng)簡介62.2 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信工作模式選擇82.3 功率控制92.4

7、 D2D通信遠近效應(yīng)92.5 資源分配10三 系統(tǒng)建模和設(shè)計仿真123.1 蜂窩網(wǎng)下愛的D2D建模123.1.1硬性合并123.1.2 軟合并123.2 系統(tǒng)模型133.2.1 單小區(qū)仿真場景143.2.2 多小區(qū)仿真模型143.3 仿真平臺說明153.3.1 仿真流程153.4 仿真參數(shù)描述163.4.1 基本方針參數(shù)163.4.2基站參數(shù)163.4.3 移動臺參數(shù)173.4.4 D2D用戶對參數(shù)17四 仿真結(jié)果及其分析184.1 功率控制效果184.2 蜂窩系統(tǒng)中引入D2D通信技術(shù)的增益和影響因素194.2.1 單小區(qū)場景194.2.2多小區(qū)場景204.3 優(yōu)化機制的干擾協(xié)調(diào)效果的評估20

8、五 結(jié)束語22參考文獻22致謝23一 移動通信和D2D通信系統(tǒng)介紹1.1 引言 自從十九世紀九十年代，馬可尼第一次完成了無線通信試驗，目前移動通信技術(shù)在我們生活中漸漸的普及開來。從模擬通信到2G通信，再到目前的3G通信技術(shù)，為了獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的系統(tǒng)容量，人們發(fā)展第三代合作項目計劃（3GPP）下的長期演進項目(Long Term Evolution, LTE )LTE被稱為第四代（4G）移動通信技術(shù)，為了滿足更高的頻譜利用率和支持更多種類業(yè)務(wù)的要求,D2D通信在眾多備用技術(shù)中脫穎而出。其成本低，耗能少，帶寬資源使用效率高等特點也正是它引人注目的地方。 無線頻譜資源的不可再生性及其較

9、低的利用率一直是無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，但隨著大數(shù)據(jù)量的本地業(yè)務(wù)的興起會對頻譜資源造成更大的消耗，這也要求未來網(wǎng)絡(luò)具備相應(yīng)的技術(shù)來更好地支持這種局部通信形式。本文的研究點包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)下直連通信用戶的連接建立方法、性能影響因素、干擾協(xié)調(diào)及性能優(yōu)化方案等。其中性能優(yōu)化方案包括直連通信用戶的功率控制、資源分配和模式選擇。目前在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下D2D通信已經(jīng)日趨與成熟，增加了用戶的同時又增加了系統(tǒng)的性能和吞吐量，在許多場景下都發(fā)揮了重要的角色。1.2 移動通信發(fā)展和現(xiàn)狀1946年，根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的計劃，貝爾系統(tǒng)在圣路易斯城建立了世界上第一個公用汽車電話網(wǎng)。之后各個國家都推出了自己的第一代通

10、信網(wǎng)。模擬通信網(wǎng)雖然取得了很大成功，但也暴露了一些問題。例如，頻譜利用率低，移動設(shè)備復(fù)雜，費用較貴，業(yè)務(wù)種類受限制以及通話易被竊聽等，最主要的問題是其容量已不能滿足日益增長的移動用戶需求。解決這些問題的方法是開發(fā)新一代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。第二代數(shù)字通信系統(tǒng)（GSM）的出現(xiàn)使頻譜利用率大大提高，同時也提高系統(tǒng)容量。另外，數(shù)字網(wǎng)能提供語音、數(shù)據(jù)多種業(yè)務(wù)服務(wù)，并與ISDN等兼容。并且GSM系統(tǒng)的功耗低，靈活和其安全性使其逐漸成為廣泛接受的標準。隨著人們對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的依賴，第三代通信系統(tǒng)（3G）在第二代系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展來的寬帶碼分多址（WCDMA），它與前兩代系統(tǒng)相比主要在語音和數(shù)據(jù)傳輸速率上有

11、了很大的提升，可以實現(xiàn)無縫漫游。 隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，全球微波互聯(lián)接入技術(shù)(World interoperability Microwave Access, WiMAX)也得到了迅速的發(fā)展。在2004年，第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project , 3GPP)組織提出了通用移動通信系統(tǒng)(Universal Mobile Telecommunication System, UMTS)的長期演進技術(shù)。目前，移動通信面臨著更多地困難：1）無線環(huán)境性能差，無線傳播環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境中有大量的散射物，建筑物的阻擋，同時在空間中有各種繞射波，反射波，散射波的

12、疊加，造成電場強度的起伏不定，導(dǎo)致無線信號的傳播常常經(jīng)歷深度的衰落，從而接收端接收性能很差，最大可相差2030dB；并且當終端運動時，接收端的衰落也會隨著終端的運動而發(fā)生變化，嚴重影響通信的性能；2）無線頻譜資源有限，無線頻譜是一種不可再生的資源，為了提高目前的頻譜利用率，人們開始采取措施，如窄帶化，縮小頻帶之間的間隔，同時實現(xiàn)頻譜的再利用；3）強干擾環(huán)境，在信號的傳播時經(jīng)常會處于深度衰落中，在加上一些外部干擾（發(fā)動機點火噪聲等）和系統(tǒng)自身的干擾對移動通信的性能造成嚴重的影響。1.3 D2D直連通信技術(shù) Device-to-Device(D2D)通信是一種在系統(tǒng)的控制下，兩個對等的設(shè)備之間不需

13、通過基站傳輸而直接進行短距離傳輸，允許終端之間通過復(fù)用小區(qū)資源直接進行通信的新型技術(shù)，它能夠增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，在一定程度上解決無線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問題。直連通信技術(shù)指在不同的場景中他有不同詮釋，在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的P2P（Peer to Peer）、物聯(lián)網(wǎng)中的M2M（Machine to Machine）,其實這些只是在特殊場景下的特殊應(yīng)用而已。D2D技術(shù)可以應(yīng)用于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，以提高資源利用率和網(wǎng)絡(luò)容量。D2D通信將在宏蜂窩基站的控制下獲得通信所需的頻率資源和傳輸功率。它與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共享無線資源的同時，也會帶來一定的干擾。 D2D 通信對所有用戶是公平、明確的

14、。用戶向基站提出D2D 通信的請求，基站接收到請求后將用戶的通信方式切換到D2D 連接模式。設(shè)計D2D 通信時不能只局限于一種服務(wù)，應(yīng)當支持多種服務(wù)，另外，當沒有采用D2D 通信時，不能給系統(tǒng)帶來額外的信令開銷。D2D 可應(yīng)用于多種本地通信業(yè)務(wù)，近距離或同一房間內(nèi)的通信。如一個巡回音樂會的視頻服務(wù)，觀眾可以通過無線D2D 下載音樂會提供的材料。當然也可以通過系統(tǒng)小區(qū)基站來提供視頻服務(wù)，但是通過D2D 方式可以減少小區(qū)基站負載，在進行D2D 通信的同時，系統(tǒng)可以提供話音和因特網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 D2D 通信的主要問題之一是復(fù)用小區(qū)用戶的資源所帶來的干擾問題。D2D 通信復(fù)用上行鏈路資源時，系統(tǒng)中受D2

15、D通信干擾的是基站，基站可調(diào)節(jié)D2D 通信的發(fā)送功率以及復(fù)用的資源來控制干擾，可以將小區(qū)的功率控制信息應(yīng)用到D2D 通信的控制中來。此時D2D通信的發(fā)送功率需要減小到一個閥值以保證系統(tǒng)上行鏈路SINR 大于目標SINR，而當D2D 通信采用系統(tǒng)分配的專用資源時，D2D 用戶可以用最大功率發(fā)送。 D2D 通信復(fù)用下行鏈路資源時，系統(tǒng)中受D2D通信干擾的是下行鏈路的用戶。而受干擾的下行用戶的位置決定于基站的短期調(diào)度。因此受D2D 傳輸干擾的用戶可能是小區(qū)服務(wù)的任何用戶。當D2D 鏈路建立后，基站控制D2D 傳輸?shù)陌l(fā)送功率來保證系統(tǒng)小區(qū)用戶的通信。合適的D2D 發(fā)送功率控制可以通過長期觀察不同功率對

16、系統(tǒng)小區(qū)用戶的影響來確定。在資源分配方面，基站可以將復(fù)用資源的小區(qū)用戶和D2D 用戶在傳播空間上分開。如基站可分配室內(nèi)的D2D 用戶和室外的小區(qū)用戶相同的系統(tǒng)資源。同時基站可以根據(jù)小區(qū)用戶的鏈路質(zhì)量反饋來調(diào)節(jié)D2D 通信，當用戶鏈路質(zhì)量過度下降時降低D2D 通信的發(fā)送功率。1.4 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信技術(shù) 移動通信不斷向著高數(shù)據(jù)速率，高容量發(fā)展。正因為這樣，移動通信技術(shù)也從原來的模擬通信發(fā)展到現(xiàn)在的第四代通信技術(shù)。目前，國際電信聯(lián)盟正積極的研究各項無線接口技術(shù)來更好的為新系統(tǒng)服務(wù)，在眾多的技術(shù)中，直連通信技術(shù)（D2D）由于低成本，高效率，即插即用和更高的資源利用率以及更好的支持未來的大數(shù)據(jù)本地

17、業(yè)務(wù)被廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而隨著用戶的爆發(fā)式增長，當前的資源頻譜和資源利用率無法為如此多的用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，解決的方法只有在一些人口眾多的地方架設(shè)蜂窩基站或家庭基站等，可這些基站的干擾近似全局干擾，范圍相對較大。并且這種方法成本相對較大。 移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，除了來自市場經(jīng)濟的驅(qū)動之外，還應(yīng)該有相應(yīng)的技術(shù)力量來支持，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的無線通信需求。但是隨著社會的發(fā)展，通信用戶終端的數(shù)量急劇增多，并且，移動通信對于數(shù)據(jù)的傳輸速率要求越來越高。通信系統(tǒng)的容量和可以使用的頻譜資源己經(jīng)成為阻礙移動通信技術(shù)發(fā)展的主要因素，需要通過引入新的通信技術(shù)來提高通信系統(tǒng)的資源利用率和擴大通信系統(tǒng)的容量。

18、為了提高通信系統(tǒng)的資源利用率，人們提出把蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)相互結(jié)合的想法。目前，蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)與WLAN技術(shù)相互融合的技術(shù)比較成熟，己經(jīng)廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)實生活中。蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的相互融合也受到了廣泛的關(guān)注。 但是只有工作在許可頻段，才能夠提供干擾可控、穩(wěn)定的工作環(huán)境。由于最近幾年提出的D2D通信技術(shù)工作在許可頻段，因此，D2D通信技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。D2D通信技術(shù)是指相距很近的用戶終端可以直接進行數(shù)據(jù)的通信，他們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息不需要經(jīng)過基站的轉(zhuǎn)發(fā)。在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù)可以減少基站的負載，增加統(tǒng)的容量。并且，D2D通信技術(shù)可以共用小區(qū)內(nèi)其他蜂

19、窩通信用戶的無線資源，從而可以提高蜂窩通信系統(tǒng)的無線資源利用率。但是，基站通過控制鏈路控制D2D通信用戶所使用的無線資源和發(fā)射功率。 由于D2D通信用戶之間的距離很近，他們可以利用較小的發(fā)射功率來獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。 在蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中引入D2D通信技術(shù)，可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率、減少傳輸功率、提高通信網(wǎng)絡(luò)容量、擴大小區(qū)的覆蓋范圍。蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)可以給D2D通信用戶提供加密密鑰，因此，可以不用手工的用戶配對或者輸入密鑰來建立保密的直接通信連接。由于D2D通信技術(shù)工作的距離很近，因此，D2D通信用戶可以利用較小的發(fā)射功率來進行高速率的數(shù)據(jù)通信，因此，用戶終端設(shè)備的能量效率可以得到有效地提高。 當D2

20、D通信重用通信系統(tǒng)內(nèi)其他蜂窩通信用戶的無線資源時，D2D通信與蜂窩通信之間會產(chǎn)生干擾，如果干擾不被有效控制的話，將會嚴重影響系統(tǒng)的性能。為了提高通信系統(tǒng)的性能，基于干擾感知的無線資源分配機制被提出。蜂窩通信系統(tǒng)可以通過控制D2D通信的最大發(fā)射功率來限制D2D通信對于蜂窩通信的干擾?；谕ㄐ啪嚯x的無線資源共享機制可以降低來自蜂窩通信對于 D2D通信產(chǎn)生的干擾。并且，可以通過利用分段頻率重用技術(shù)(Fractional Frequency Reuse FFR)來降低D2D通信與蜂窩通信之間的相互干擾。二 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信性能研究第一章已經(jīng)簡單的闡述了在蜂窩網(wǎng)下的D2D通信的優(yōu)勢及目前亟需解決的問

21、題，在一種原有的通信構(gòu)架中加入一種新的通信方式，必然會引起兩種系統(tǒng)的沖突。當解決沖突后，使得通信的容量和頻譜的利用率大大的提高。本章主要講在蜂窩網(wǎng)下引入D2D通信時的性能研究。2.1 D2D通信系統(tǒng)簡介圖2.1 單蜂窩小區(qū)中D2D通信示意圖 在蜂窩網(wǎng)通信系統(tǒng)中引入D2D通信技術(shù)后的系統(tǒng)模型如圖2.1所示。在這里，我們假設(shè)只有一個蜂窩通信小區(qū)，其中，eNB是小區(qū)的演進型基站，UE 1(用戶終端1)與基站進行普通的蜂窩通信，UE2(用戶終端2)與UE3(用戶終端3)進行直接的D2D通信。其中，UE2和UE3需要在小區(qū)基站的控制鏈路控制下，利用基站分配的無線資源和發(fā)射功率值進行可靠的直接通信。 在傳

22、統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)中，當兩個用戶終端需要進行通信時，他們所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息需要先經(jīng)過基站進行轉(zhuǎn)發(fā)。但是，如果兩個相距很近的用戶終端需要進行通信，我們可以考慮讓他們直接進行數(shù)據(jù)的通信，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息不需要經(jīng)過基站進行轉(zhuǎn)發(fā)。由于D2D通信用戶之間相距很近，他們可以利用較小的發(fā)射功率來進行通信，可以提高終端設(shè)備的電池使用壽命。 可以考慮這樣一種情形:在一個音樂會現(xiàn)場有一個媒體主服務(wù)器，客人可以利用D2D通信技術(shù)從這個媒體主服務(wù)器上直接下載音樂。目前，只有工作在非許可頻段的藍牙技術(shù)或者WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)可以用于設(shè)置到媒體主服務(wù)器的直接連接。但是，無線通信只有工作在許可頻段才能夠提供干擾可控、穩(wěn)定

23、的工作環(huán)境。因此，當非許可頻段變得非常擁擠的時候，本地服務(wù)提供者可能會想通過花費少量的金錢來工作在許可頻段獲得較好的服務(wù)質(zhì)量。蜂窩通信運營商將會提出在蜂窩通信系統(tǒng)中引入這種便宜的并且干擾可控的D2D通信技術(shù)來獲得通信系統(tǒng)性能的提升。圖2.2 多個蜂窩小區(qū)中D2D通信示意圖 圖2.2描述了在多個蜂窩小區(qū)中引入D2D通信技術(shù)的情形。在一個蜂窩小區(qū)中，基站協(xié)調(diào)蜂窩通信與D2D通信之間的干擾?；就ㄟ^控制鏈路控制D2D通信使用的發(fā)射功率和無線資源，限制D2D通信用戶對于蜂窩通信用戶產(chǎn)生的干擾。D2D通信的操作過程對于用戶來說是透明的，其中，如果這些用戶簡單地輸入統(tǒng)一資源定位符(URL)通信網(wǎng)絡(luò)就會檢測

24、到用戶終端和媒體服務(wù)提供者之間的通信，通信網(wǎng)絡(luò)就可以把它們之間的通信模式設(shè)置為D2D通信模式。在D2D通信模式中，用戶終端不需要配置WLAN接入點或者藍牙的配對過程，而且，這些處理過程可能會是冗余繁雜的，特別是對于一個需要保密的通信連接。和其他一些本地的通信連接技術(shù)相比，例如，藍牙技術(shù)或者WLAN技術(shù)，這里提出的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的D2D通信技術(shù)具有更多的優(yōu)勢。首先，通信網(wǎng)絡(luò)可以廣播目前小區(qū)里的所有的本地服務(wù)。因此，對于自動的服務(wù)發(fā)現(xiàn)而言，UE不需要經(jīng)常地瀏覽可用的WLAN接入點或者可用的藍牙通信設(shè)備。因為用戶終端經(jīng)常地掃描藍牙通信設(shè)備或者WLAN接入點，這可能會造成功率資源的浪費。其次，蜂窩通信

25、網(wǎng)絡(luò)可以給D2D通信用戶提供加密密鑰，因此，可以免去手工的用戶配對或者輸入密鑰來建立保密的直接通信連接的麻煩。D2D通信技術(shù)的典型的應(yīng)用場景是，用戶終端需要和附近的其他用戶終端共享文件。在D2D通信系統(tǒng)中，不需要選擇非描述性藍牙通信設(shè)備的名字或者一個WLAN設(shè)備的服務(wù)區(qū)標示符，蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)可以把設(shè)備標示符和用戶標示符連接起來。通過用戶終端之間的直接通信，可以極大地改善通信系統(tǒng)內(nèi)本地用戶的文件共享體驗。在蜂窩通信系統(tǒng)中引入本地的D2D通信技術(shù)后，需要引入有效的干擾控制技術(shù)。在干擾受控的情形下，D2D通信技術(shù)可以共用系統(tǒng)內(nèi)其他蜂窩通信用戶的無線資源，從而提高通信系統(tǒng)的資源利用率。在通信量較小的通信

26、系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)內(nèi)有空閑的無線資源時，系統(tǒng)可以讓D2D通信使用專用的無線資源進行通信。此時，D2D通信不會對蜂窩通信產(chǎn)生干擾。相距很近的用戶終端設(shè)備可以工作在D2D通信模式來提高通信系統(tǒng)的性能。如果系統(tǒng)的通信量比較大，系統(tǒng)內(nèi)沒有多余的無線資源時，系統(tǒng)可以讓D2D通信共用小區(qū)內(nèi)其他蜂窩通信用戶的無線資源，此時，系統(tǒng)的無線資源利用率可以得到有效的提升。當在通信系統(tǒng)內(nèi)引入D2D通信技術(shù)后，為了提高通信系統(tǒng)的性能，通信系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)當前系統(tǒng)的工作情況來進行最優(yōu)的無線資源管理。2.2 蜂窩網(wǎng)下的D2D通信工作模式選擇在蜂窩通信系統(tǒng)中引入D2D通信技術(shù)后，根據(jù)通信系統(tǒng)給D2D通信分配的無線資源，D2D通信技

27、術(shù)可以工作在多種通信模式: 非正交的資源共享模式、正交的資源共享模式、蜂窩模式。不同的D2D通信模式將會帶來不同的系統(tǒng)性能，為了取得系統(tǒng)性能的提升，我們應(yīng)該選擇最佳的D2D通信模式。并且，當D2D通信共用蜂窩通信用戶的無線資源時，他們之間會產(chǎn)生干擾，應(yīng)該采取有效的干擾控制技術(shù)來避免通信系統(tǒng)性能的惡化。（1）D2D非正交的資源共享模式(Underlay Mode): D2D用戶與蜂窩用戶使用相同的時頻資源，相互之間會形成干擾，但資源利用率很高。為了避免使用相同資源的用戶之間的干擾，這些用戶一般不能使用最大發(fā)射功率。通常情況下，基站會按照一定的規(guī)則(如系統(tǒng)吞吐量最大化、系統(tǒng)功率效率最大化等)對兩類

28、用戶的功率進行設(shè)定，也會分配由哪些D2D用戶和蜂窩用戶共享相同的資源。（2）D2D正交的資源共享模式(Overlay Mode ) : D2D用戶與蜂窩用戶使用正交的時頻資源，相互之間不會形成干擾，但資源的利用效率較低。這種情況下，如果不考慮小區(qū)間的干擾，則兩類用戶都可以使用最大的發(fā)射功率進行發(fā)射1。綜上，在一個混合網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以選擇的工作模式有三種，即蜂窩用戶模式、D2D非正交的資源共享模式和D2D正交的資源共享模式。系統(tǒng)會根據(jù)算法為每一個用戶選擇最優(yōu)的工作模式。模式選擇的原則是選擇的通信模式能保證在蜂窩用戶的基本通信要求的條件下使得系統(tǒng)吞吐量最大化。假設(shè)系統(tǒng)中所有占用正交資源的用戶均分資

29、源。因此，系統(tǒng)中每增加一個占用正交資源的用戶，系統(tǒng)中已存在的其他正交資源用戶能夠占用的資源將減小。因此，在模式選擇過程中計算某種模式下的系統(tǒng)吞吐量單位、帶寬吞吐量以及當前系統(tǒng)中用戶的模式選擇情況。確定用戶是采用蜂窩模式還是D2D模式的關(guān)鍵是比較用戶和基站之間的鏈路與D2D用戶對之間的鏈路。由于蜂窩通信模式和D2D正交資源共享模式都是占用正交的資源。則可以直接根據(jù)鏈路質(zhì)量來確定這兩種模式中哪種模式是更優(yōu)，記為TI。計算模式TI下系統(tǒng)的總吞吐量。計算如果用戶采用非正交D2D共享模式時系統(tǒng)的總吞吐量。比較TI模式與非正交的D2D共享模式下系統(tǒng)的吞吐量。選擇吞吐量較大的模式并確定選擇為用戶的最終通信模

30、式2。模式選擇的流程圖如下圖2.3所示圖2.3 模式選擇示意圖2.3 功率控制當D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶資源時，蜂窩用戶會對D2D用戶產(chǎn)生干擾，同樣D2D用戶也會對蜂窩用戶產(chǎn)生干擾。如圖2.4所示，用戶UE2和UE3進行D2D通信。UE 1以蜂窩通信的方式與eNB進行上行鏈路通信。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，由于通信終端設(shè)備使用的是全向天線，D2D發(fā)送端發(fā)給D2D接收端的信號會同時被eNB接收，這樣會對eNB收到來自蜂窩用戶 UE1 的信號產(chǎn)生了一定的干擾，從圖可以看出，UE1距離eNB較遠，如果D2D通信用戶復(fù)用了UE 1上行鏈路資源，會對UE1上行通信產(chǎn)生很強的干擾，使其通信性能下降。但是從圖中可以看出

31、，在混合網(wǎng)絡(luò)中，D2D通信終端仍然有可能對一蜂窩系統(tǒng)上行資源進行復(fù)用，例如蜂窩用戶距離eNB很近時，功率控制一般仍然具有較人的余量，可以抵抗較強的干擾。因此D2D發(fā)送者在進行D2D通信時應(yīng)該避免復(fù)用蜂窩終端用戶UE 1的上行鏈路資源，可以優(yōu)先選擇復(fù)用峰窩終端用戶離基站較近的上行鏈路資源。并且，只要D2D發(fā)送者的發(fā)射功率控制得當，便可以獲得較好的系統(tǒng)性能3。圖2.4 直連通信與蜂窩用戶之間的干擾2.4 D2D通信遠近效應(yīng) 遠近效應(yīng)是指當基站同時接收兩個離基站距離不同的移動臺發(fā)來的信號時，由于距離基站較近的移動臺發(fā)來的信號較強，距離基站較遠的移動臺發(fā)來的信號較弱，則距離基站近的移動臺的強信號將會對

32、距離遠的移動臺弱信號產(chǎn)生嚴重的干擾。 由于在移動通信系統(tǒng)中同時進行通信的是多個用戶，這多個用戶的信號之間一定要采用一類正交隔離手段，否則就會相互干擾，在通話時串話。在移動通信系統(tǒng)中，第一代頻分多址系統(tǒng)采用頻段隔離，一個用戶使用一個頻段。只要濾波器隔離度做得好，基本上能防止多用戶干擾，因此不存在遠近效應(yīng)。在第二代時分多址的GSM系統(tǒng)中，采用時隙隔離，即每一個用戶分配一個正交的時隙，只要時間選通隔離度做得好，也能基本上防止多用戶干擾，也不會帶來遠近效應(yīng)的問題。 但在CDMA通信系統(tǒng)中，由于不同用戶之間采用的是同一時隙、同一頻段，而相互之間的隔離是利用碼的自、互相關(guān)特性。但是在實際通信中很難做到不同

33、碼是完全正交的，此時就會帶來遠近效應(yīng)的問題。 D2D通信中的遠近效應(yīng)與CDMA中的遠近效應(yīng)有所不同。在D2D通信建立之后，各個D2D終端用戶之間直接進行數(shù)據(jù)傳輸而不再通過基站進行中轉(zhuǎn)。在D2D通信過程中會面臨多個D2D用戶同時發(fā)送，一個D2D用戶接收的時候，接收UE會收到多個功率級別的發(fā)送功率信號。但由于接收UE中的中射頻動態(tài)范圍受限等原因，存在接收端對大信號接收能力正常，小信號超出接收范圍而接收不到的情況，這就帶來了D2D通信場景下的遠近效應(yīng)問題。如圖2.6所示，UE 1, UE2和UE3正在進行D2D通信，UE 1和UE2為D2D信號發(fā)送方，UE3接收同時發(fā)來的UEI和UE2的D2D信號。

34、由于UE1離UE3近，UE2離UE3較遠，UE1發(fā)出的D2D信號到達UE3時比較強，會對UE2發(fā)來的弱的D2D信號造成強干擾，產(chǎn)生遠近效應(yīng)4。圖2.6 D2D通信中的遠近效應(yīng)2.5 資源分配 D2D的資源分配是和模式選擇相結(jié)合的，對于使用蜂窩模式進行D2D通信的用戶，把D2D用戶當作蜂窩用戶加到蜂窩用戶隊列進行全局分配，對于使用專有模式進行D2D通信的用戶，基站會給D2D用戶劃分一塊專有的資源，D2D用戶使用專有資源進行通信;對于使用復(fù)用模式進行D2D通信的用戶，要考慮系統(tǒng)整體性能來為其選擇合適的復(fù)用資源，一般都會將這種情況建模為一個優(yōu)化模型，然后通過求解這個優(yōu)化方程來獲得最優(yōu)化復(fù)用方案。 現(xiàn)

35、有技術(shù)中，研究D2D用戶的資源分配主要是研究復(fù)用模式下的資源分配。復(fù)用模式又分為復(fù)用下行資源和復(fù)用上行資源。當D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的下行資源時，蜂窩鏈路的干擾受害方是用戶，D2D的發(fā)射端會對本小區(qū)及鄰居小區(qū)的蜂窩用戶產(chǎn)生干擾;D2D鏈路的干擾受害方是接收端，D2D的接收端會收到本小區(qū)及鄰小區(qū)基站發(fā)射信號的干擾。當D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶的上行資源時，蜂窩鏈路的干擾受害方是基站，D2D的發(fā)射端會對所屬基站及鄰居基站產(chǎn)生干擾;D2D鏈路的受害方是接收端，D2D接收端會收到本小區(qū)及鄰小區(qū)蜂窩用戶發(fā)射信號的干擾。圖2.6和圖2.7中基站和用戶都會相互干擾。D2D用戶的資源分配一般會根據(jù)實際需要來設(shè)計不

36、同的優(yōu)化目標，如最大化系統(tǒng)的吞吐量，最小化系統(tǒng)的干擾，最小化系統(tǒng)的功率，最大化頻譜利用率等。圖2.6 D2D用戶復(fù)用蜂窩下行資源干擾情況圖2.7 D2D用戶復(fù)用蜂窩上行資源干擾情況 文獻5考慮了蜂窩系統(tǒng)中D2D用戶復(fù)用蜂窩用戶上行資源時的干擾避免問題，利用基站和用戶聯(lián)合決策D2D用戶使用的資源。為D2D分配資源時，基站先計算并更新每一個上行資源塊RB對D2D傳輸?shù)母蓴_容忍度，將這些值組成一個列表并廣播，D2D根據(jù)聽到的廣播信息選擇干擾容忍度較高的資源塊進行通信。但是這種方法廣播的信令開銷較大，增加了基站負載。文獻6提出一個貪婪啟發(fā)式算法來解決資源分配問題。文章假設(shè)一個D2D用戶只能選擇其中一個

37、蜂窩用戶的資源進行共享，且一個資源塊只能被一個D2D用戶復(fù)用。該文獻分上行和下行分別建立了資源分配的優(yōu)化模型，優(yōu)化目標是最大化蜂窩用戶和D2D用戶的速率之和。文獻7提出一個距離驅(qū)使的資源分配算法，通過設(shè)定復(fù)用的最小距離(即選被選用戶到D2D用戶的距離)來控制他們之間的干擾。文中假設(shè)兩個D2D用戶間的距離遠小于D2D用戶到基站的距離，且D2D用戶的發(fā)射功率比蜂窩用戶的發(fā)射功率低得多，因此D2D用戶對蜂窩用戶的干擾可以忽略不計，主要考慮蜂窩用戶對D2D用戶的干擾。設(shè)定一個距離門限，當蜂窩用戶到D2D用戶的距離大于這個門限值時，蜂窩用戶的資源才可以被D2D用戶復(fù)用。此外，還有一些文獻89 將模式選擇

38、、資源分配，功率控制聯(lián)合起來，解決D2D通信中的問題。文獻9提出了一種OFDMA系統(tǒng)下的D2D通信的新方案，該方案將功率控制、資源分配和模式選擇結(jié)合起來。通過聯(lián)合資源分配和模式選擇，實現(xiàn)下行總發(fā)射功率的最優(yōu)化。其中子載波分配和自適應(yīng)調(diào)制被用來分配子載波和比特，每個D2D用戶對可以智能的進行模式選擇。仿真結(jié)果表明，該方法不僅節(jié)省了發(fā)射功率，而且降低了系統(tǒng)的整體功耗。三 系統(tǒng)建模和仿真設(shè)計 第二章已對本文提出的各種性能做了詳細的介紹。這一章將會對仿真中采用的系統(tǒng)模型、仿真平臺和仿真參數(shù)進行簡單的描述。3.1 蜂窩網(wǎng)下的D2D建模 第一章已經(jīng)簡單地闡述了在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下引入D2D通信技術(shù)的需求和優(yōu)勢。然

39、而，在一種現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入一種新的通信技術(shù)勢必與原有的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一定的沖突。如果不能很好地處理兩種技術(shù)之間的關(guān)系，使得兩種技術(shù)在同一個網(wǎng)絡(luò)部署下不能很好地融合，那么在蜂窩網(wǎng)絡(luò)下引入D2D技術(shù)不僅不會成為一種優(yōu)勢，反而會成為一種災(zāi)難。因此，本章會對蜂窩網(wǎng)絡(luò)下引入D2D技術(shù)場景下蜂窩技術(shù)與D2D技術(shù)的各種合并方案進行描述，然后對蜂窩網(wǎng)絡(luò)下加入D2D技術(shù)的場景進行必要的系統(tǒng)假設(shè)。3.1.1 硬性合并 硬性合并是指在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D網(wǎng)絡(luò)之后，任何一種網(wǎng)絡(luò)都不為另一種網(wǎng)絡(luò)進行必要的改動。換句話說，兩個系統(tǒng)只是簡單地利用同一塊資源，而不做任何的協(xié)調(diào)和退讓。在本文所說的場景之下，就是蜂窩網(wǎng)絡(luò)依然按照原

40、先的方式進行運作，只是網(wǎng)絡(luò)中有部分用戶接入了D2D網(wǎng)絡(luò)或者說采用了D2D通信方式，系統(tǒng)中的蜂窩用戶和D2D用戶并不進行相互協(xié)調(diào)。顯然，當一部分用戶不再通過基站的轉(zhuǎn)接進行通信時，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的負載(主要體現(xiàn)在基站端需要處理的用戶數(shù)上)能得到有效的緩解。然而，這或許是硬性合并能帶來的唯一好處，而兩種網(wǎng)絡(luò)之間的相互干擾將是災(zāi)難性的。在這種互不避讓的環(huán)境下，蜂窩通信用戶和D2D通信用戶會產(chǎn)生強烈的互干擾，雙方的通信性能都不可能令人滿意。 蜂窩網(wǎng)絡(luò)對一些用于傳輸系統(tǒng)控制信息的控制信道有嚴格的保護，而這些控制信道上傳輸?shù)男畔ⅲ缯{(diào)度信息、信道測量信息等，是網(wǎng)絡(luò)正常運行的必要因素。如果硬性合并場景下的D2D通

41、信用戶不對自己使用的頻率資源以及采用的發(fā)射功率等進行有效的控制，很可能對蜂窩網(wǎng)絡(luò)的控制信道產(chǎn)生嚴重的干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信息出錯，最終導(dǎo)致用戶不能進行正確的解調(diào)和解碼，通信系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂。對于用戶數(shù)據(jù)信道也是同樣的道理。相反，如果D2D用戶不與蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)商而隨意使用網(wǎng)絡(luò)中的資源，那么其自身的通信質(zhì)量也有可能遭受到嚴重的影響。如圖2.6所示。在這個以蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行通信系統(tǒng)為參考的場景中，有一對距離基站很近的采用D2D方式進行通信的用戶，記D2D用戶對1。還有一對采用D2D方式進行通信的用戶對，記為D2D用戶對2，處在距離一個邊緣蜂窩用戶很近的位置上。如果D2D用戶對1與其他蜂窩用戶共享資源，那么接收信

42、號的基站會受到嚴重的干擾;D2D用戶對2恰好與邊緣蜂窩用戶(發(fā)射功率較大)占用相同的資源，那么D2D用戶對2中的接收用戶將受到嚴重的干擾。以上所說的嚴重干擾都是由于不合理的資源共享方式造成的。綜上所述，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入D2D技術(shù)時需要將兩種技術(shù)很好地融合，否則兩個系統(tǒng)將產(chǎn)生嚴重的互干擾，造成任何一個系統(tǒng)都無法正常有效地通信1。3.1.2 軟合并 為了對引入D2D通信技術(shù)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行有效的控制，系統(tǒng)需要引入專門的控制設(shè)備對整個網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)督管理或“推舉”現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為混合網(wǎng)絡(luò)的管理者。幾種備選的方案分別為:1） 引入蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2 D 網(wǎng)絡(luò)之外的一個控制設(shè)備對系統(tǒng)的兩種共存網(wǎng)絡(luò)進行資源分配和

43、干擾協(xié)調(diào)等操作。即在雙方形成僵持的情況下，請求更高層的設(shè)備進行調(diào)節(jié)和管理。不過這種方法的缺點也十分明顯。第一，新的設(shè)備會引入新的資源開銷。這種能同時協(xié)調(diào)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和D2D網(wǎng)絡(luò)的高層設(shè)備的處理能力至少是基站級別的。第二，引入新的設(shè)備來調(diào)節(jié)兩種不同的網(wǎng)絡(luò)必然需要設(shè)計一新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或信令來兼容兩種網(wǎng)絡(luò)，使得該設(shè)備能同時與兩種不同的網(wǎng)絡(luò)進行通信，就像連接兩個不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)的路由器需要有兩套不同的協(xié)議一樣。第三，在本來就較為復(fù)雜的混合網(wǎng)絡(luò)中引入新的未知設(shè)備會給網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度帶來更大的挑戰(zhàn)，越是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，可靠性也越低。因此，在實際設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的過程中都向簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展相對于其他系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，LTE系統(tǒng)的

44、扁平化網(wǎng)絡(luò)就是最好的例子2）推舉D2D網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備作為混合系統(tǒng)的控制設(shè)備，為了不給網(wǎng)絡(luò)引入可能的瓶頸，D2D網(wǎng)絡(luò)中一般不存在中央處理單元即客戶/服務(wù)器模型中的服務(wù)器以及類似蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站的設(shè)備。D2D網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備幾乎具有同等的處理能力，也就是一般網(wǎng)絡(luò)中用戶終端的處理能力。這種用戶級別的處理能力顯然不能滿足控制混合系統(tǒng)的要求。另外，即使在D2D網(wǎng)絡(luò)中引入所謂的超級用戶，它們的處理能力可能也不能完全滿足系統(tǒng)的要求這些超級用戶一般只負責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的用戶接入，保存網(wǎng)絡(luò)中相互通信的直連用戶信息及相應(yīng)的資源信息，只提供一種索引方式，不存儲具體的資源內(nèi)容。所以這種超級用戶只是相對于網(wǎng)絡(luò)中的普通用戶而言的，

45、其處理能力并沒有達到可以協(xié)調(diào)混合系統(tǒng)中兩種不同網(wǎng)絡(luò)的程度。更重要的是，這些超級用戶并沒有協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的相互干擾并完成相應(yīng)的調(diào)度的經(jīng)驗。如果要讓這些超級用戶完成混合網(wǎng)絡(luò)管理的任務(wù)，無疑需要重新設(shè)計一整套實現(xiàn)方案和算法。綜上所述，一個D2D網(wǎng)絡(luò)中的超級用戶依然沒有足夠的能力完成這項艱巨的任務(wù)。3） 推舉蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備作為混合系統(tǒng)的控制設(shè)備。蜂窩網(wǎng)絡(luò)本身就是一種類似客戶/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，用戶間進行通信需要由基站進行信息轉(zhuǎn)發(fā)。用戶的調(diào)度、資源分配等也都由基站基于網(wǎng)絡(luò)的干擾環(huán)境和用戶的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS: Quality of Service)等因素進行調(diào)整。由于D2D通信用戶不需

46、要由基站轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，只需要基站對其進行合理的資源調(diào)度和功率分配，因此，直觀上混合系統(tǒng)中的基站并沒有比蜂窩系統(tǒng)中的基站增加太多的負擔(dān)。可以說，蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站具有混合網(wǎng)絡(luò)控制器所需的一切處理能力。如果還是不能滿足網(wǎng)絡(luò)的要求，那需要升級的空間也比上述的超級用戶擔(dān)任混合網(wǎng)絡(luò)控制器所需要的升級空間小很多，這就降低了升級的成本。需要注意的是，如果要控制D2D網(wǎng)絡(luò)中的用戶使得整個混合網(wǎng)絡(luò)的性能達到最優(yōu)，基站需要獲得比現(xiàn)在更多的系統(tǒng)信息?；谶@些信息，基站就可以將網(wǎng)絡(luò)中的D2D用戶當作普通的用戶，在對原蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)成算法進行升級的情況下可以對整個混合網(wǎng)絡(luò)進行管理，包括資源分配、功率控制等。唯一需要區(qū)別對待的

47、是在為D2D用戶分配完資源之后，基站不再為其轉(zhuǎn)發(fā)消息。綜上，原蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站可以較為簡單地升級為混合系統(tǒng)的控制設(shè)備1。3.2 系統(tǒng)模型 本文后續(xù)的仿真都是基于LTE- FDD上行蜂窩系統(tǒng)，這主要有以下幾個方面的含義:1)系統(tǒng)中的蜂窩用戶采用兩個不同的頻段來區(qū)分上行和下行傳輸;2)本文基于的系統(tǒng)平臺中只關(guān)注蜂窩用戶的上行傳輸;3)系統(tǒng)中的D2D用戶只能共享蜂窩用戶的上行傳輸資源。為了對系統(tǒng)的性能有一個全面的評估，本文同時設(shè)計了單小區(qū)和多小區(qū)的仿真場景。其中單小區(qū)的仿真場景主要用于一些算法的前期研究(如前文提到的模式映射方法就是在單小區(qū)場景下進行研究的)，并用于計算系統(tǒng)的容量極限;多小區(qū)的仿真場

48、景主要用于模擬更加實際的網(wǎng)絡(luò)場景，用于評估各種優(yōu)化算法在實際系統(tǒng)中的優(yōu)化效果以及系統(tǒng)在各種優(yōu)化算法作用下能夠達到的實際吞吐量。下面分別對單小區(qū)仿真場景和多小區(qū)仿真場景進行簡要的介紹。3.2.1 單小區(qū)仿真場景 假設(shè)系統(tǒng)中存在一個中心基站，一個蜂窩用戶和一個D2D用戶對。其中基站的位置固定在小區(qū)中心，D2D用戶對的位置由參數(shù)D和L確定，蜂窩用戶的位置由參數(shù)d以及相應(yīng)的相角確定。這里D指的是D2D用戶對距離中心基站的距離，L指的是D2D用戶對的內(nèi)部距離。對于一個特定的仿真周期，D2D用戶對的位置由一組特定的D和L確定。而蜂窩用戶在小區(qū)中隨機分布，即系統(tǒng)為其產(chǎn)生一個隨機的d和一個隨機的相角。針對每一

49、個隨機的蜂窩用戶位置，設(shè)為位置p，系統(tǒng)會計算出當蜂窩用戶處于位置p時，處于(D, L)位置上的D2D用戶對的最優(yōu)模式以及此時系統(tǒng)的總吞吐量。對于一組特定的(D，L)，系統(tǒng)會遍歷蜂窩用戶的位置并執(zhí)行相應(yīng)的計算，得到一張模式圖譜和一張增益圖譜。最終，系統(tǒng)會遍歷所有的(D, L )，得到不同的(D, L)場景下的一系列模式圖譜和配套的增益圖譜。圖3.2 單小區(qū)場景示意圖3.2.2 多小區(qū)仿真場景 多小區(qū)仿真場景采用多個單小區(qū)場景組成的正六邊形蜂窩拓撲結(jié)構(gòu)，包括19個小區(qū)，每個小區(qū)3個扇區(qū)。仿真中以扇區(qū)一為觀察單位。每個扇區(qū)中含有N個蜂窩用戶和M個D2D用戶對。其中，蜂窩用戶和D2D用戶對均在系統(tǒng)中隨

50、機均勻分布，基本的參數(shù)設(shè)置足N=10 , N=10。然而，為了研究不同的系統(tǒng)負載對系統(tǒng)性能的影響，系統(tǒng)中峰窩用戶數(shù)N和D2D用戶對數(shù)M會根據(jù)具體的場景需要變化，這會在具體的變化場景中給出說明。3.3 仿真平臺說明 為了研究蜂窩系統(tǒng)中加入D2D用戶對之后的性能變化，系統(tǒng)需要一個沒有加入D2D用戶對的參照平臺。在系統(tǒng)中不加入D2D用戶對的情況下，得出的仿真結(jié)果即為參照數(shù)據(jù)。另外，系統(tǒng)中會對前文所述的各種優(yōu)化算法進行建模并進行相應(yīng)的評估。因此，平臺中加入了各種算法的控制信號，可以控制是否采用特定的某種算法。通過采用與不采用某種算法的系統(tǒng)性能對比，可以更好地得出某種算法對系統(tǒng)的影響。整個平臺的架構(gòu)包含

51、輸入文件、平臺實現(xiàn)代碼以及輸出文件。其中輸入文件包含基站位置信息，快衰值以及一些基本的系統(tǒng)仿真參數(shù)如噪聲系數(shù)、最大發(fā)射功率等:在完成仿真之后，系統(tǒng)會輸出基站、移動臺、D2D用戶對的相關(guān)性能數(shù)據(jù)文件。平臺基于一種動態(tài)的仿真流程，即在仿真過程中對系統(tǒng)進行連續(xù)的時間采用，采樣間隔不大于系統(tǒng)的最小控制時間。因此，整個仿真過程是隨著時間的推進而不斷進行的，又可以成為時間驅(qū)動仿真。下面會對平臺實現(xiàn)的具體流程以及一些關(guān)鍵的模塊進行具體的介紹。3.3.1 仿真流程1)基站和系統(tǒng)信息初始化: 首先需要完成的是系統(tǒng)的初始化工作。這部分工作主要包含:a)創(chuàng)建系統(tǒng)中所有的基站對象;b)讀入外部文件配置各個基站的位置參

52、數(shù);c)配置基站天線方向并對基站其他信息(調(diào)度隊列等)進行初始化。這些信息是網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)束之后就確定好的，所以需要在系統(tǒng)初始化部分完成。2)用戶初始化: a)創(chuàng)建系統(tǒng)中所有的移動臺對象、D2D用戶對象; b)對移動臺和D2D用戶對進行撒點操作并配置其位置信息; c)鏈路矩陣和主服務(wù)基站計算，在計算完鏈路矩陣之后，可以據(jù)此計算每個移動臺的主服務(wù)基站，同時配置每個基站的激活集；3)時間驅(qū)動操作:在每一個時間片上(又稱為時隙)，系統(tǒng)需要完成的工作主要有:鏈路時隙操作、移動臺(特指蜂窩用戶)時隙操作、D2D用戶對的時隙操作和基站時隙操作。下面將對各實體的時隙操作進行單獨的介紹。a)鏈路時隙操作:鏈路時隙

53、操作是在每個時隙中對鏈路狀態(tài)進行更新，主要是更新快衰的取值。由于系統(tǒng)的快衰文件是從外部文件讀入的，在需要獲取當前的快衰值時只要根據(jù)當前的時隙以及鏈路的快衰初始狀態(tài)就可以直接得到。b)移動臺時隙操作: 移動臺時隙操作是指移動臺(此處特指蜂窩用戶)的時隙操作。由于本平臺基于LTE- FDD上行蜂窩系統(tǒng)，因此，移動臺所有的時隙操作包括從基站獲取調(diào)度信息，并按照基站指示的調(diào)度信息發(fā)送相應(yīng)的信號。c) D2D用戶對時隙操作: D2D用戶對的時隙操作要根據(jù)平臺中的控制信號決定是否執(zhí)行。如果執(zhí)行的話，那么由于D2D用戶對不存在上下行的區(qū)別，那么在每個時隙中D2D用戶對中的接收機需要完成對上一個時隙信號的接收

54、，D2D用戶對中的發(fā)射機需要將信號發(fā)射出去。由于還沒有研究文獻表明D2D用戶對的發(fā)射消息格式由基站或其他設(shè)備進行控制，本文的處理方案是假設(shè)D2D發(fā)射機能夠通過與接收機之間的協(xié)調(diào)，將調(diào)制編碼等級調(diào)整到最優(yōu)的狀態(tài)，使得誤碼率小于10%。因此，只要接收到的信噪比高于D2D接收機的最低信噪比要求，那么此次傳輸就對系統(tǒng)吞吐量有所貢獻。d)基站時隙操作:基站作為整個系統(tǒng)的控制中心，同時作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行鏈路的接收機需要完成諸多工作。除了基本的接收機操作以外，基站最重要的功能就是完成對系統(tǒng)中蜂窩用戶和D2D用戶對的調(diào)度。在對蜂窩用戶的調(diào)度中，主要包含非自適應(yīng)的同步HARQ(即規(guī)定移動臺在特定時刻采用與初始傳輸

55、一致的傳輸格式、調(diào)制編碼等級、占用的資源等需要重傳的消息)、為不需要重傳的蜂窩用戶確定新的調(diào)制編碼等級以及時頻資源分配;在對D2D用戶對的調(diào)度中，主要完成用戶的模式選擇、時頻資源的分配以及功率的控制。需要注意的是在對D2D用戶對的調(diào)度過程中不包含對傳輸信息的調(diào)制編碼等級的控制，這是與蜂窩用戶調(diào)度不同的地方。4)計算系統(tǒng)性能相關(guān)指標并將結(jié)果輸出到文件。3.4 仿真參數(shù)描述3.4.1 基本仿真參數(shù)下表中給出了仿真中使用到的基本參數(shù)，主要包括小區(qū)拓撲、帶寬等方面的信息。表格中給出的每個扇區(qū)中10個蜂窩用戶和10個D2D用戶對只是一組標準設(shè)置。如在具體的場景中有所不同，會在具體的結(jié)果給出時進行相應(yīng)的說

56、明。具體參數(shù)參照表3.1 。參數(shù)數(shù)值發(fā)射功率46dBm最小接收SINR2dB噪聲系數(shù)5dBm天線高度25m天線類型三扇區(qū)表3.1 基本仿真參數(shù)3.4.2 基站參數(shù)下表中主要給出了系統(tǒng)中與基站相關(guān)的一些參數(shù)。其中天線參數(shù)主要用于計算基站與其他節(jié)點之間的路徑損耗。表中給出的基站端最小接收SINR是根據(jù)蜂窩用戶的誤幀率門限(0.1)結(jié)合FER ( Frame Error Rare)曲線得到的。參數(shù)數(shù)值最大發(fā)射功率24dBm最小發(fā)射功率-50dBm噪聲系數(shù)9dB天線高度1.5m天線增益0 dBi天線類型全向表3.2基站參數(shù)3.4.3 移動臺參數(shù)下表中主要給出了系統(tǒng)中與蜂窩用戶相關(guān)的參數(shù)。參數(shù)數(shù)值Und

57、erlay D2D用戶對最大發(fā)射功率16 dBmOverlay D2D用戶對最大發(fā)射功率24dBmD2D用戶對最小發(fā)射功率-50 dBm噪聲系數(shù)9 dB天線高度1.5m天線類型全向天線增益0 dBi內(nèi)部距離10mD2D接收機最小SINR-2.5 dB表3.3 移動臺參數(shù)3.4.4 D2D用戶對參數(shù)下表中給出了系統(tǒng)中與D2D用戶相關(guān)的一些參數(shù)。為了限制Underlay D2D用戶對同信道上蜂窩用戶的干擾，系統(tǒng)中將其最大發(fā)射功率限制為16dBm; Overlay D2D用戶不對蜂窩用戶產(chǎn)生干擾，因此其最大發(fā)射功率與蜂窩用戶相同。表中給出的內(nèi)部距離是一種標準設(shè)置，如有不同，會在具體的結(jié)果給出時進行具體的說明。參數(shù)數(shù)值系統(tǒng)帶寬10MHZRB的大小180KHZ基站數(shù)19扇區(qū)數(shù)/基站3蜂窩用戶數(shù)/扇區(qū)10D2