tdltea系统下d2d通信资源分配方法研究（可编辑）

1、TD-LTE-A系统下D2D通信资源分配方法研究 硕士学位论文 TD-LTE-A 系统下 D2D 通信 资源分配方法研究 RESOURCE ALLOCATION AlGORITHM FOR DEVICE-TO-DEVICE COMMUNICATION UNDERLAYING TD-LTE-ADVANCED SYSTEM 管修挚 哈尔滨工业大学 2021 年 7 月 国内图书分类号：TN929.531 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开 工学硕士学位论文 TD-LTE-A 系统下 D2D 通信 资源分配方法研究 硕 士 研 究 生：管修挚 导 师：张中兆教授 申 请 学

2、 位：工学硕士 学 科：信息与通信工程 所 在 单 位：电子与信息工程学院 答 辩 日 期：2021 年 7 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index: TN929.531 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESOURCE ALLOCATION AlGORITHM FOR DEVICE-TO-DEVICE COMMUNICATION UNDERLAYING TD-LTE-ADVANCED SYSTEM Candidate ： Xiuzhi Guan Supervisor： P

3、rof. Zhongzhao Zhang Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Speciality： Information and Communication Engineering Affiliation ： School of Electronics Information Engineering Date of Defence ： July. 2021 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 随

4、着社会的开展，移动通信技术在社会生产、人们生活中起到了举足轻重 的作用。进入 21 世纪以来，由 3GPP 3rd Generation Partnership Project 组织提 出的 LTE 系统及后续的 LTE-Advanced 系统得到了广泛的研究。相对第三代蜂 窝通信系统，LTE-A 系统无论在结构、系统容量以及频谱效率上均有相当大的 进步，但是对热点区域或特殊场合的覆盖能力仍存在缺乏，鉴于此，研究人员 将终端直通技术 Device to Device, D2D 与 LTE-A 系统相结合已解决此问题。将 LTE-A 系统与 D2D 技术相结合，可以大大的减小基站的通信负荷、大大

5、扩展小 区的覆盖范围以及提高小区边缘用户的效劳质量，从而提高小区的总吞吐量。 本文的研究内容是 TD-LTE-A 系统中的 D2D 技术的资源分配研究，首先介 绍了研究目的、意义以及现阶段相关研究的进展和成果；其次对 TD-LTE-A 系 统体系进行介绍，主要包括物理层结构、物理层过程等，为之后的仿真做根底； 然后对 TD-LTE-A 系统下的 D2D 技术作了详细的阐述，其中主要对 TD-LTE-A 系统与 D2D 技术相结合后，系统中通信干扰进行了分析；最后本文提出了将扇 区频谱分配和基于信噪比选择资源分配相结合的 TD-LTE-A 系统下的 D2D 通信 资源分配方法。 本文通过理论及仿

6、真结果分别对 D2D 通信复用蜂窝系统的上/下行资源所 产生的干扰进行了详细的分析，得出了蜂窝通信用户、D2D 通信用户和基站之 间的干扰关系；通过仿真还得出了 TD-LTE-A 中，蜂窝通信用户和 D2D 通信用 户的最正确比例，并且证明在此比例下混合系统相对传统蜂窝通信系统在吞吐量 等性能上有较大改善。 关键词：TD-LTE-A ；终端直通技术；干扰分析；资源分配 - I - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract With the development of the society, Mobile communication technology has made great

7、 difference on the production of social and life of people. The systems of LTE and LTE-Advanced proposed by 3rd Generantion Partnership Project 3GPP have been widely studied. Compareing with the 3G cellular communication systems, the great improvements have made to the LTE-A, such as the strcture of

8、 system, the throughput capacity of the system, the spectrum effectiveness and so on. But in the hot region or the special occasion, the capabolity of the LTE-A coverage is still not enough. In order to solve the problem, the researchers have combined the Device-to-Device D2D communication tecolonog

9、y and the LTE-A system. The combining the D2D communication tecolonogy and the LTE-A system will reduce the communication load of the base station, extend coverage area, improve the quality of service for the users at the edge of the cell, and increase the total throughput of the cell. The reaearch

10、contents of this paper is the resource allocation optimization for D2D communiation underlaying the LTE-A network. Firstly, the purpose, the significance and the achievements of the LTE-A network and the D2D communication are proposed in the chapter one. Secondly, the strcture of the TD-LTE-A is dis

11、cussed including the structure of the physical layer, the process of the physical layer and so on. The interference will become more complex, if we combine the D2D communication tecolonogy and the LTE-A system. So thirdly, the interference is analyzed in the cellular system. At last, the algorithm o

12、f the resource allocation optimization is proposed, and this algorithm is the combining of the resource allocation for section and the resource allocation based on the selecting of the SINR. Through the theoretical derivation and the numerical simulation, we have got the interference relation of the

13、 cellular users, the D2D users and the base station when the D2D users reuse the resource of the cellular uplink/downlink. The optimal proportion of the cellular users and the D2D users is also got from the simulation, and the simulation also shows that the total throughput of the cell will have gre

14、at improvement compared to the traditional cellular communication system. Keywords: TD-LTE-A, Device-to-Device, Interference Analysis, Resource Allocation - II - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要 . I? ABSTRACT . II? 第 1 章 绪 论 . 1? 1.1 课题背景及研究的目的和意义 . 1? 1.2 国内外研究及开展概况 . 3? 1.2.1 蜂窝移动通信系统研究及开展概况 . 4? 1.2.2 D2D

15、 通信技术研究及开展概况 . 5? 1.2.3 文献综述的简析 . 7? 1.3 本文的主要研究内容及结构 . 8? 第 2 章 TD-LTE-A 系统概述 . 9? 2.1 LTE 及 LTE-A 演进过程 . 9? 2.2 LTE-A 系统综述 . 9? 2.2.1 LTE-A 系统框架 . 9? 2.2.2 LTE-A 系统设计要求 . 10? 2.2.3 TD-LTE-A 系统物理层结构 . 11? 2.3 TD-LTE-A 系统级仿真平台搭建 . 18? 2.3.1 路径传输损耗模型 . 19? 2.3.2 阴影衰落模型 . 20? 2.3.3 小区仿真结果 . 23? 2.4 本章

16、小结 . 24? 第 3 章 TD-LTE-A 系统下 D2D 通信技术 . 25? 3.1 D2D 通信技术概述 . 25? 3.1.1 D2D 通信场景分析 . 25? 3.1.2 实现 D2D 通信的根本假设 . 26? 3.2 D2D 通信的建立过程 . 27? 3.3 D2D 通信无线资源使用方式 . 30? 3.3.1 D2D 通信无线资源专用方式 . 30? 3.3.2 D2D 通信无线资源共享方式 . 31? 3.3.3 D2D 通信无线资源专用和共享方式比拟 . 32? 3.4 D2D 通信干扰分析 . 33? - III - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.4.1 D2

17、D 通信用户与 D2D 通信用户之间干扰分析. 33? 3.4.2 蜂窝通信用户与 D2D 通信用户之间干扰分析 . 34? 3.4.3 D2D 通信干扰分析总结 . 41? 3.5 本章小结 . 42? 第 4 章 TD-LTE-A 系统下 D2D 通信资源分配 . 43? 4.1 针对 D2D 通信传统的资源分配方法 . 43? 4.2 针对 D2D 通信改良的资源分配方法 . 45? 4.2.1 蜂窝小区内扇区的资源分配改良方法 . 45? 4.2.2 蜂窝小区内通信用户的资源分配改良方法 . 47? 4.3 蜂窝系统下 D2D 通信的仿真分析 . 50? 4.4 本章小结 . 55?

18、结 论 . 56? 参考文献 . 57? 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 61? 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 63? 致 谢 . 64? - IV - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 本课题来源于国家重大专项蜂窝移动通信终端直通技术研究 No.2021ZX0300311 。该国家重大专项的研究目标是，针对 IMT-A International Mobile Telecommunications Advanced 系统的后续演进，由于 我国下一代移动通信系统决定采用 TDD Time Division D

19、uplexing 模式，所 以该工程主要研究内容是在 TD-LTE-A Long Term Evolution Advance 系统的 TDD 制式系统中实现终端直通技术Device to Device, D2D 的相关技术难 题，并对 D2D 通信相关的增强技术，如信道与网络联合编码在 D2D 通信中的 应用、D2D 中继通信等相关增强技术进行研究。本课题以此国家重大专项作 为背景，重点研究 TD-LTE-A 系统中 D2D 通信的资源分配方法，主要是基于 干扰控制等因素来实现蜂窝系统的时频资源的分配。 随着电子技术的迅猛开展，特别是半导体技术、计算机技术及微电子技术， 使得蜂窝移动通信得到

20、了快速开展，特别是在近 20 年间蜂窝移动通信的开展 更是举世瞩目。世界上第一个蜂窝移动通信系统于 1978 年由美国贝尔实验室 的科学家在芝加哥试验成功，从此将蜂窝移动通信带进我们的生活当中来。而 我国的蜂窝移动通信的建成的标志是，1987 年在广东省开通的 TACS Total Access Communication System, 欧洲制定的标准制式模拟蜂窝移动 系统， 这也是我国的第一代移动蜂窝通信系统。我国在开通了第一代蜂窝移动通信系 统不久就开始着手进行第一代数字蜂窝移动通信系统技术的研究，但是由于市 场的巨大压力和国内技术水平及开发能力的缺乏，我国还是采取了引进国外技 术的策略

21、，采用技术成熟的欧洲技术 GSM Global System for Mobile Communications, 全球移动通信系统，并于 1993 年在浙江嘉兴地区建成向公 众开放使用，即我国的第一代蜂窝移动通信系统，也是我国第一个数字蜂窝移 动通信系统。而现在第三代蜂窝移动通信系统已经走进了我们的生活，我国也 拥有了自主知识产权的 TD-SCDMA 系统，广阔的 3G 用户们可以随时随地的 享受到宽带接入效劳，与互联网连接，宽带蜂窝移动通信技术成为关键技术。 越来越多的人正在使用着蜂窝移动通信，截止 2021 年 12 月 31 日全球的 蜂窝移动通信用户已经超过了 60 亿，其中 3G

22、用户已经超过了 20% 。这就对 现有的蜂窝移动通信网络提出了更高的要求：既要保持高的通信峰值速率，又 要保持低通信时延；既要保持高的频谱利用率，又要保持频谱使用的灵活性； 更高的蜂窝移动通信系统容量当然更是不可缺少的。在 2007 年的世界无线通 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 信会议上为移动通信系统分配的带宽还不到 600MHz ，依照现在的开展趋势， 预计到 2021 年，蜂窝移动通信系统所需要的带宽将在 1200MHz 到 1700MHz 1 之间，无线带宽资源将异常珍贵 ，如何有效的使用有线的带宽资源成为当今 世界急需解决的一个关键问题。因此，在 2004 年底 3GPP

23、 和 3GPP2 分别启动 了 LTE Long Term Evolution, 3G 技术的长期演进的研究工作，以此来适用 蜂窝移动通信产业的快速开展，使得未来的蜂窝移动通信系统具有更高的通信 速率、更大范围的信号覆盖以及允许终端用户获得更大的移动性的性能。2021 年 3 月，LTE 的标准化工作已经进入尾声，3GPP 在 LTE 的根底上，开展了一 个继续演进的工程LTE-A Long Term Evolution Advanced 的研究。在蜂 窝移动通信的定义中，LTE 由于在相关的指标上并没有到达 ITU International Telecommunications Union

24、 所规定的 4G 标准，所以 LTE 多被称为 3.9G 技术 或“准 4G 技术，而此时的 LTE-A 技术那么可以被称为名正言顺的 4G 技术， 原因在于 LTE-A 工程工作就是为了满足 ITU-R the ITU Radio Communication Sector 的 IMT-Advanced 技术而开展的。 国际电信联盟在 2021 年无线电通信全会上，正式审议通过了将 LTE-A2 技 术 规 范 和 Wireless MAN-Advanced 802.16m 3 技 术 规 范 确 定 为 IMT-Advanced 的国际标准的提议，我国主导研究的 TD-LTE-A 成为国际

25、4G 标 准之一4 。相对 Wireless MAN-Advanced 技术，LTE-A 技术得到了更多的公司 的支持，具有更强的竞争能力。LTE-A 系统为了满足 IMT-Advanced 系统性能 的要求，对相关技术及指标相对 LTE 做了较大的改良。LTE-A 系统下行采用 OFDMA 技术，实现超过 1Gbps 的下行峰值传输速率，频谱效率高达 30bps/Hz ； 上行采用 SC-FMDA 技术，实现超过 500Mbps 的上行峰值传输速率, 频谱效率 高达 15bps/Hz5 。但是随之传输速率的增加，在相同发射功率的条件下，每个 符号的能量会随之信息传输速率的增加而线性减少，如果

26、实现如果之高的通信 速率，这样导致符号的能量减少，直接结果就是小区的覆盖范围将大大减小。 而 且 LTE-A 的 潜 在 部 署 的 频 谱 资 源 主 要 包 括 3.4GHz-4.2GHz 和 4.4GHZ-4.99GHz 等6 。系统工作的频率越高，无线电波的衰减就越快，这样 的话，LTE-A 系统工作在如此高的频段上，小区的覆盖范围将进一步减小，如 果想实现高质量的通信，小区基站的分布密度就必须大大增加，而增加基站数 量带来的站址选择和本钱上升的问题将严重的困扰各大运营商。 LTE-A 技术对于传统的蜂窝通信系统的“重室外，轻室内的缺乏做了很 大的改良，其同样在室内场景优化方面做了很大

27、的研究。但是由于室外无线信 号在进入室内的时候，必须穿透墙壁，这样的话，从基站发射而来的无线信号 将产生巨大的衰减，使得室内的蜂窝用户的效劳质量大大下降，因此增强室内 - 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 覆盖仍是制约高速率通信，特别是数据业务开展的瓶颈。虽然 LTE-A 系统在 7 LTE 系统的根底上有使用了载波聚合Carrier Aggregation, CA 、多输入多 输出MIMO 天线增强Enhance MIMO 8 9 、中继技术Relay 和多点 9 协作传输Coordinated Multi-point Tx/Rx, CoMP 等技术，但是对于处于小 区边缘且同样需要高

28、速率通信的用户来说，这些技术还远远不能解决它们正常 通信的问题，而且在参加这些技术的同时，也给蜂窝网络带来了巨大的干扰。 这是由于以上的问题，国内外相关的专家学者呼吁将 D2D 通信技术引入 到 LTE-A 技术当中去10 ，在蜂窝移动通信系统中添加 D2D 通信，就可以很好 的解决以上问题。蜂窝移动通信系统中的 D2D 通信是指，邻近的终端用户可 以在近距离范围内通过直接建立链路连接并进行数据传输，大量的数据并不需 要经过基站的转发，基站只负责相应的控制信令及频繁的分配协调工作。传统 的蜂窝移动通信系统，通信双方进行数据的交换均要通过基站进行转发，D2D 通信技术同时兼顾了近距离通信和直接通

29、信优点，相对于传统的蜂窝移动通 信，D2D 通信技术具有明显的优势，具体如下所述。 1. D2D 通信技术是终端用户在互相距离较近的情况直接连接进行通信， 可以实现数据极高的传输速率和极低的传输延迟； 2. D2D 通信技术是实现近距离通信，对发射功率要求很低，可以实现终 端在低功耗情况实现正常通信，延迟 电池的使用时间，节约能源的消耗； 3. D2D 通信技术实现局部邻近终端用户之间的通信，发射功率极低，对 整个蜂窝移动通信系统的其他用户的影响很小，可以实现 D2D 通信用户与正 常蜂窝通信用户之间的频谱的复用，获得更高的频谱利用率； 4. D2D 通信技术效劳的对象是网络中数量巨大分布广泛

30、的终端用户，可 以极大的增加蜂窝移动通信系统的有效覆盖范围，可以极大的提高蜂窝移动通 信系统边缘用户的通信质量，增加蜂窝移动通信系统边缘通信吞吐量。 5. 与 Bluetooth 、WiFi 及 Zigbee 等工作在公共频段上的近距离通信技术 相比，D2D 通信技术使用的频段是 LTE-A 授权的频段，通信平安性可以得到 极大的保证，而且干扰也是在可以控制的范围 内，可以保证正常的通信质量。 综上所述，将 D2D 通信技术引入到 LTE-A 系统中，将会带来很大的好处， 可以极大的拓展 LTE-A 系统小区的覆盖范围；大大提高 LTE-A 蜂窝小区边缘 用户的通信质量；对蜂窝小区内的用户的吞

31、吐量也有很大的改善，特别是对小 区边缘用户的吞吐量的改善更熟明显。 国内外研究及开展概况 此局部主要介绍蜂窝移动通信系统和 D2D 通信技术的研究及开展概况。 - 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2.1 蜂窝移动通信系统研究及开展概况 st 1G 1 Generation 蜂窝通信系统是模拟蜂窝移动通信网，其主要应用在 20 世纪 70 年代中期到 80 年代中期。其开始的标志是 1978 年，美国贝尔实验 室成功研制的移动 系统，并将其建成 了蜂窝状的小区，也就是后来的 11 。美国建立 AMPS 蜂窝移动 AMPS 先进移动 系统蜂窝移动通信系统 通信系统之后，其他工业化较早的

32、国家也紧接着开发了自己的蜂窝移动通信系 统，著名的有日本的 NAMTS 蜂窝移动通信系统、北欧的 NMT 蜂窝移动通信 系统和英国的 TACS 蜂窝移动通信系统，普遍采用 FDMA Frequency Division Multiple Access, 频分多址接入模拟调制方式进行通信12 。第一代蜂窝移动 通信系统虽然实现了蜂窝通信网络，但是存在诸多的缺点，由于其使用的是模 拟技术使得 1G 系统的频谱利用率极低，系统的吞吐量也是很低。1G 所能支 持的业务也只有语音通信，并且其通信的平安性很低，非常容易被窃听。再者 1G 系统没有一个统一的国际标准，其体制杂乱互不兼容。但是 1G 蜂窝移动

33、 通信系统最重要的奉献是采用的蜂窝网络的概念，也就是采用小区制来实现频 谱的复用。 2G 2nd Generation 蜂窝移动通信系统是从 20 世纪 80 年代中期开始研 发应用的，它与 1G 移动通信系统有明显优势，其优势表现在：第二代蜂窝移 动通信系统已经是数字系统，其具有更高的保密性，频谱的利用率相对第一代 移动蜂窝系统又有明显提高，并且可以提供丰富的效劳业务，更重要的是其国 际标准化程度很高，各个厂商的系统可以互联，使得蜂窝移动通信得到了空前 的大开展13 。第二代蜂窝移动通信系统主要以欧洲的 GSM 系统和北美的 CDMA Code Division Multiple Acces

34、s, 码分多址接入系统。GSM 系统是欧 洲电信联盟研制的能够覆盖全欧洲的蜂窝移动通信系统，它于 1982 年开始研 制，1990 年完成技术定性及商用，在欧洲、亚洲除日本、韩国、澳大利亚、 南非等许多国家得到了肯定与支持。现在的 GSM 蜂窝通信系统已经遍布全世 界了，也就是我们国内所称的“全球通。GSM 蜂窝移动通信系统是基于 TDMA Time Division Multiple Access, 时分多址接入技术的数字蜂窝移动通信技 术，主要是由基站子系统、移动台、网络子系统、操作子系统等几局部构成14 。 CDMA 蜂窝移动通信系统首先是由美国高通公司提出，并于 1992 年成功研制

35、出了 CDMA 蜂窝移动通信系统，其网络结构域 GSM 系统相似，由基站收/ 发 信机、基站控制器、移动交换中心和操作管理中心等组成，虽然其性能在很多 地方都优于 GSM 系统，但是优于 CDMA 系统推出市场的时间相对 GSM 系统 要晚上几年，占领的市场远不如 GSM 大15 。但是第二代移动通信主要业务是 话音和低速的数据业务，为了解决数据的传输速度问题，1996 年开始，有出 - 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 现了 2.5G 蜂窝移动通信系统，也就是 GSM 的演进 GPRS 和 CDMA 的演进 IS-95B 。 第三代蜂窝移动通信的技术主要有三种，分别是 WCDMA 、C

36、DMA2000 和 TD-SCMDA ，其中 TD-SCMDA 是由我国主导开发11 。3G 蜂窝移动通信网 络可以实现高速率的数据传输，支持大数据流量的多媒体业务，具有世界漫游 功能，可以实现全球的无中断覆盖，并且 3G 蜂窝移动通信网与固定网络的兼 容性也十分好。其速率可以实现室内环境 2Mbit/s 以上，室内外步行环境 384Kbit/s 以上，室外车辆运动中 144Kbit/s 以上。WCDMA 系统的是由 GSM/GPGS 网络演进而来，其可以很好的兼容 GSM/GPGS 系统，其核心网可 以基于多种不同的技术，如 TDM 、ATM 和 IP 等，并且其核心网的结构演进 向全 IP 化方向进行；CDMA2000 是在 IS-95 的根底上提出的