基于免授权频段端到端通信系统中的资源优化算法设计

作     者：吴哲奕 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：殷锐;童军民

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：D2D-U 免授权频段 分布式方法 资源分配 系统功耗 

摘      要：作为第五代移动通信（the 5th Generation,5G）系统的关键技术之一,端到端（Device-to-Device）通信具有低时延、低功耗、高传输速率和高频谱效率等优势。与此同时,相较于有限且昂贵的授权频段,免费的免授权频段受到了广大用户的青睐,因此工业及学术界提出了基于免授权频段的D2D通信（D2D on Unlicensed Bands,D2D-U）,即允许D2D系统与其他通信系统共享免授权频谱资源,能有效缓解授权频谱资源短缺的问题,同时提升频谱效率（Spectrum Efficiency,SE）和能量效率（Energy Efficiency,EE）。此外,未来的通信网络将含有多样的终端设备,也给无线通信技术带来了多方面的挑战,特别是在能耗和能量效率方面。因此,本论文在考虑免授权频谱公平共享原则及D2D-U系统的分布式结构的基础上,围绕如何利用资源分配算法设计,降低D2D-U系统的能耗、提升能效展开研究工作。首先,本文对D2D在免授权频段上的信道访问机制进行了研究,在D2D端采用扩展卡尔曼滤波方法估计Wi-Fi传输在免授权信道上的负载,并根据此估计为D2D用户设计了一种基于占空比静音（Duty-Cycle-Muting,DCM）的信道接入机制,从而为每个D2D确定使用的免授权信道及相应的时隙资源占比。其次,本文提出了一种最小化D2D-U系统总功耗的半分布式资源分配方法,构建以最小化系统总功耗为目标的优化问题,该优化问题包含对D2D用户在BS处产生的同信道干扰进行限制的全局约束项。提出了一种半分布式算法对该优化问题求解,使用该算法每对D2D无需获取其他D2D的本地信息可独立地进行资源分配。所提算法能自适应系统信道状态变化,在系统状态发生变化时无需进行额外操作,能直接收敛到新的最优分配策略。经分析,所设计的算法可以获得与中心式算法相同的最优性能,同时能够有效减少信令开销。进一步,综合考虑D2D-U系统的功耗和传输速率,提出一种最大化系统总EE的半分布式资源分配方法。构建以最大化系统总EE为目标的优化问题,由于该目标函数为非凸优化问题,将目标函数转换为等效的凸函数,提出一种迭代算法以获得原优化问题的最优解。并在此对上述转化后的等效凸优化问题采用半分布式算法求解。最后为D2D-U系统提出了完整的资源分配调度机制,在保证性能的前提下对资源分配过程进行了优化,以减小计算开销。