Massive MIMO-D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化研究.pdf

1、蜂窩系統(tǒng)中的D2D(device-to-device)通信被視為5G關(guān)鍵技術(shù)之一。在D2D通信過程中，D2D用戶(DUE)通過復(fù)用蜂窩用戶(CUE)的頻譜資源進行直接通信，這種方式通信距離短、頻帶利用率高，因此可以極大地提升系統(tǒng)的頻譜效率（頻效）和能量效率（能效）。然而，由于移動設(shè)備的能量有限且頻譜的復(fù)用會導(dǎo)致嚴(yán)重的用戶間干擾，這使得網(wǎng)絡(luò)中的資源分配和功率控制變得更加棘手，因此在D2D通信系統(tǒng)中如何通過合理的資源分配和功率優(yōu)化來降低干擾

2、、提升系統(tǒng)能效是十分重要的問題。另一方面，Massive MIMO(multiple-input multiple-output)技術(shù)是5G的另一關(guān)鍵技術(shù)之一，將D2D引入Massive MIMO系統(tǒng)中可以進一步地提升網(wǎng)絡(luò)的頻效和能效。然而，D2D用戶的加入也會導(dǎo)致更加嚴(yán)重的信道估計干擾，因此設(shè)計合理的導(dǎo)頻復(fù)用方案是Massive MIMO系統(tǒng)中D2D通信需要解決的首要問題。基于以上挑戰(zhàn)，論文首先分析了傳統(tǒng)單天線蜂窩系統(tǒng)中D2D通信能效

3、優(yōu)化問題，然后在此基礎(chǔ)上進一步擴展到Massive MIMO系統(tǒng)這一特殊場景中，重點研究了Massive MIMO-D2D網(wǎng)絡(luò)中面向能效優(yōu)化的功率控制、導(dǎo)頻復(fù)用以及導(dǎo)頻長度優(yōu)化等問題。論文的主要貢獻和創(chuàng)新點總結(jié)如下:
　　1)研究了傳統(tǒng)單天線蜂窩系統(tǒng)中D2D通信基于能效優(yōu)化的分布式資源分配方案和功率控制算法，為Massive MIMO系統(tǒng)中的D2D通信能效優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)。首先，綜合考慮干擾限制和能效約束，提出了一種資源分組方

4、案。然后，基于分組方案，研究了如何在保證所有用戶服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求的基礎(chǔ)上，通過在每一個分組中進行功率控制實現(xiàn)整個系統(tǒng)能效的最大化。由于所建立的能效最大化問題是非凸的且變量眾多，因此無法求解其全局最優(yōu)解。針對這一點，分析并提出了一種分布式的迭代算法。最后，通過仿真驗證所提算法的性能，結(jié)果表明，所提算法可以很快的收斂，系統(tǒng)的總能效也得到了極大的提升。
　　2)研究了Massive MIMO-D2D蜂窩系統(tǒng)中基于能效優(yōu)化的導(dǎo)頻復(fù)用

5、方案與功率控制算法。在Massive MIMO-D2D蜂窩網(wǎng)絡(luò)的上行數(shù)據(jù)傳輸過程中，盡管基站端裝備大規(guī)模天線可以有效抑制D2D用戶對系統(tǒng)中傳統(tǒng)蜂窩用戶的干擾，但是蜂窩用戶對D2D用戶的干擾和導(dǎo)頻復(fù)用導(dǎo)致的信道估計干擾仍然非常嚴(yán)重。針對以上問題，首先，為了減小信道估計誤差，提出了一種基于能效優(yōu)化的新型導(dǎo)頻復(fù)用方案。然后，綜合考慮所有用戶之間的干擾和功率消耗，在保證所有用戶QoS需求的基礎(chǔ)上，通過功率控制算法來優(yōu)化每一個用戶的功率以最終實現(xiàn)

6、整個系統(tǒng)能效的最大化。最后，通過仿真驗證所提方案的性能，結(jié)果表明所提導(dǎo)頻復(fù)用方案和功率控制算法可以顯著提升整個系統(tǒng)的能效。
　　3)研究了Massive MIMO-D2D網(wǎng)絡(luò)中基于能效和頻效的導(dǎo)頻長度優(yōu)化問題。首先，為了減小由導(dǎo)頻復(fù)用導(dǎo)致的信道估計誤差，通過最小化信道估計干擾強度，建立了導(dǎo)頻優(yōu)化與導(dǎo)頻分配機制。然后，考慮所有用戶之間的干擾，以最大化系統(tǒng)能效和頻效為目標(biāo)求解出最優(yōu)導(dǎo)頻長度。最后，通過仿真研究了導(dǎo)頻長度與D2D用戶數(shù)目