终端直通中继网络的速率控制与资源分配方案研究

作     者：王亚会 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：许晨;张迪

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：D2D中继网络 速率控制 功率分配 Lyapunov优化算法 ADMM算法 

摘      要：随着无线通信技术的发展与智能设备生产技术的日益成熟,接入网络的终端设备的数量呈现爆炸式增长。人们对于通信业务的需求由最初的语音通信逐渐扩展到生活的各个方面,包括远程课堂,远程医疗,在线游戏,在线视频等。多样化的用户服务体验对网络性能有着不同的要求,如通信网络时延条件、用户终端传输能耗、视频色彩和清晰程度、网络稳定性及信息准确率等。日益增长的用户服务需求与有限的网络资源的矛盾越来越突出,因此增加网络容量和提高资源利用效率的方案引起了人们的广泛关注。终端直通(Device-to-Device,D2D)通信技术可以使邻近的用户终端直接进行数据传输,大幅度降低了网络时延和传输功耗。协作中继通信技术通过在网络中引入中继节点,扩大了传统蜂窝网络的通信范围,保障了小区边缘用户设备的服务质量与用户体验。该研究通过将D2D通信技术与中继通信技术结合起来,组建了基于D2D中继的通信网络。选择通信链路良好的终端设备作为中继节点,协助边缘用户或者信道条件差的用户进行通信,有效地保障了用户服务质量。由于信道状态的时变特性,传统的方法获取网络全局信息不仅成本高而且难度大,给维持网络的长期性能带来了巨大的挑战。为了保障用户的长期满意度,该研究提出了一种跨层低复杂度资源分配算法,从网络长期性能和全局性能的角度联合优化速率控制和功率分配。通过采用李雅普诺夫(Lyapunov)优化算法和交替方向乘子法(Alternating Direction Methodof Multipliers,ADMM)算法,将跨层的通信网络优化问题化简成两个互相独立的子优化问题,同时将长期的优化目标分解成一系列瞬时的静态优化问题,然后通过在每次迭代中交替更新优化变量和对偶变量来获取原始优化问题的最优解。仿真结果显示,提出的算法在计算方面具有较低的复杂度,并且可以维持网络的长期稳定性。