协作D2D通信网络的资源分配

### 协作D2D通信网络的资源分配 #### 1. 引言 设备到设备（D2D）通信是一种无线电技术，它允许附近的设备（如手机和计算机）相互建立本地通信链路。这些本地通信链路可以在授权或非授权频谱上建立，使流量能够直接在设备之间流动，而无需通过基站（BS）的传统路径。 例如，当两个彼此靠近的用户设备（UE）需要定期通过无线介质共享大量数据时，如果启用了D2D通信，协调这些设备的基站将不再是源和目的地之间的流量瓶颈。D2D通信可以通过降低网络延迟、降低功耗、提高峰值数据速率以及促进多种基于近距离的服务，潜在地改善最终用户的体验。此外，由于D2D是一种基于短距离的通信技术，充分分离的D2D链路可以在同一频段上同时运行，从而促进网络中的密集频谱复用。 然而，D2D也给网络设计者带来了一系列独特的研究挑战，包括智能设备的设计、信息安全、干扰管理和移动性管理等。 #### 1.1 协作D2D作为5G的技术推动者 D2D通信也被认为是5G网络架构的先进技术之一。D2D使能的5G网络可以支持大量服务，如蜂窝网络卸载、低延迟触觉应用、车对车通信、国家安全和服务广告等。 D2D通信在共享蜂窝频谱中可实现以下潜在收益： - **频谱或网络容量增益**：通过在传统和支持D2D的UE之间有效共享无线电资源。 - **用户数据速率增益**：当UE彼此靠近且它们之间的传播链路很强时，可以实现高峰值速率。 - **延迟增益**：UE之间绕过网络基础设施的直接通信减少了端到端延迟。 此外，D2D连接使多层5G网络架构中的移动设备能够相互作为传输中继。这种协作移动中继方法最近受到了广泛关注，因为它们可以在不部署新基站的情况下大大提高网络性能。与传统的固定中继站相比，移动UE作为中继不仅可以降低运营商的基础设施和维护成本，还能显著降低功耗。 #### 1.2 内容组织 D2D中继的概念促使研究人员探索结合D2D和中继技术优势的设计方法。主要研究领域包括机会性中继UE选择、中继UE功率分配、干扰管理、最小化中继电池功率、最大化网络能源效率和改善覆盖范围等。 后续将讨论不同架构设置下协作D2D网络的资源分配问题，具体如下： - **OFDMA系统中的资源分配**：研究基于OFDMA的缓冲辅助D2D中继网络中下行链路传输的资源分配问题，开发有效算法以解决功率和子载波分配问题，使系统容量最大化。 - **能量收集技术在OFDMA系统中的应用**：考虑UE能够使用“无线电力传输（WPT）”技术收集能量，并仅使用收集的能量进行协作D2D中继，研究功率分配、子载波分配和中继UE选择的联合优化问题。 - **认知无线电网络中的协作D2D中继**：考虑不同小小区主用户（PU）网络中的次用户（SU）之间的通信，利用协作D2D中继实现SU之间的通信，开发在信道不确定情况下适用于实际网络的有效中继CR选择和功率分配方案。 #### 2. 基于OFDMA的缓冲辅助D2D中继网络的资源分配 在某些情况下，由于障碍物或阴影的影响，基站无法与目标UE直接通信。此时，一些与基站连接良好的UE可以作为中继，帮助建立基站与被阻挡UE之间的间接通信链路。通过D2D中继利用“阴影分集”，可以提高系统性能。 ##### 2.1 系统模型 假设所有能够直接与基站通信的移动UE都有意愿作为中继，但仅根据它们能为系统带来的性能增益，机会性地选择部分UE作为中继。在D2D通信中，UE只能在短距离内通信，因此中继UE和处于覆盖盲区的目标UE必须在彼此的覆盖范围内。为了使问题具有普遍性，假设目标UE可以从多个中继获得帮助。 系统中有N个正交子载波，每个子载波的带宽为W。假设有K个需要中继协助的目标UE，分别用B、R和U表示基站、中继UE和目标UE。能够协助第k个UE的中继集合记为Rk。基站到中继mk在子载波i上的信道增益和传输功率分别用gB;R k;mk;i;t和PB;R k;mk;i;t表示，中继mk到第k个UE在子载波j上的信道增益用gR;U k;mk;j;t表示。候选集合Rk中任何中继在任何子载波上的传输功率为固定值PR，采用放大转发（AF）协议进行中继。 ##### 2.2 无频率复用的D2D中继 当所有D2D对彼此靠近且覆盖区域重叠时，频率复用可能会给系统带来过多干扰。在这种情况下，下行链路传输从基站到目标UE需要两个时隙。第一个时隙，基站将信息传输到中继UE；第二个时隙，中继UE将信息转发给目标UE。假设每个中继UE的缓冲区大小为1。 在AF中继协议下，通过中继mk在子载波i上从基站到第k个UE的下行链路传输的可实现吞吐量Rk;mk;i为： \[R_{k,m_k,i} = \frac{1}{2}\log_2\left(1 + \frac{P_{B,R_{k,m_k,i}}P_Rg_{B,R_{k,m_k,i}}g_{R,U_{k,m_k,i}}}{P_{B,R_{k,m_k,i}}g_{B,R_{k,m_k,i}} + P_Rg_{R,U_{k,m_k,i}} \cdot \frac{1}{N_0W}}\right)\] 其中，N0是加性高斯白噪声（AWGN）信道的噪声方差。在正交传输情况下，由于假设所有中继的缓冲区大小为1，省略了时间索引。 为了最大化系统的总吞吐量，我们制定了以下资源分配问题： \[ \begin{align*} &\text{maximize}_{P,S} \sum_{k = 1}^{K} \sum_{m_k \in R_k} \sum_{i = 1}^{N} s_{k,m_k,i}R_{k,m_k,i}\\ &\text{subject to:}\\ &C1: \sum_{k = 1}^{K} \sum_{m_k \in R_k} \sum_{i = 1}^{N} s_{k,m_k,i}P_{B,R_{k,m_k,i}} \leq P_{max}\\ &C2: s_{k,m_k,i} \in \{0, 1\}, \forall i, k, m_k\\ &C3: \sum_{k = 1}^{K} \sum_{m_k \in R_k} s_{k,m_k,i} \leq 1, \forall i\\ &C4: P_{B,R_{k,m_k,i}} \geq 0, \forall i, k, m_k \end{align*} \] 其中，P = {PB;R k;mk;i} 和S =