TD-LTE-A系統(tǒng)下D2D通信資源分配方法研究

1、TDTD- -LTELTE- -A A 系統(tǒng)下系統(tǒng)下 D2DD2D 通信資源分配方法研究通信資源分配方法研究 碩士學位論文 TD-LTE-A 系統(tǒng)下 D2D 通信 資源分配方法研究 RESOURCE ALLOCATION AlGORITHM FOR DEVICE-TO-DEVICE COMMUNICATION UNDERLAYING TD-LTE-ADVANCED SYSTEM 管修摯 哈爾濱工業(yè)大學 2013 年 7 月 國內(nèi)圖書分類號：TN929.531 學校代碼：10213 國際圖書分類號：621.3 密級：公開 工學碩士學位論文 TD-LTE-A 系統(tǒng)下 D2D 通信 資源分配方法研究

2、 碩 士 研 究 生：管修摯 導 師：張中兆教授 申 請 學 位：工學碩士 學 科：信息與通信工程 所 在 單 位：電子與信息工程學院 答 辯 日 期：2013 年 7 月 授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學 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 Candida

3、te ： Xiuzhi Guan Supervisor： Prof. Zhongzhao Zhang Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Speciality： Information and Communication Engineering Affiliation ： School of Electronics Information Engineering Date of Defence ： July. 2013 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Te

4、chnology 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 摘 要 隨著社會的發(fā)展，移動通信技術(shù)在社會生產(chǎn)、人們生活中起到了舉足輕重 的作用。進入 21 世紀以來，由 3GPP 3rd Generation Partnership Project 組織提 出的 LTE 系統(tǒng)及后續(xù)的 LTE-Advanced 系統(tǒng)得到了廣泛的研究。相對第三代蜂 窩通信系統(tǒng)，LTE-A 系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)容量以及頻譜效率上均有相當大的 進步，但是對熱點區(qū)域或特殊場合的覆蓋能力仍存在不足，鑒于此，研究人員 將終端直通技術(shù) Device to Device, D2D 與 LTE-A 系統(tǒng)相結(jié)合已解決此問題。將 LTE-A 系

5、統(tǒng)與 D2D 技術(shù)相結(jié)合，可以大大的減小基站的通信負荷、大大擴展小 區(qū)的覆蓋范圍以及提高小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量， 從而提高小區(qū)的總吞吐量。 本文的研究內(nèi)容是 TD-LTE-A 系統(tǒng)中的 D2D 技術(shù)的資源分配研究，首先介 紹了研究目的、意義以及現(xiàn)階段相關(guān)研究的進展和成果；其次對 TD-LTE-A 系 統(tǒng)體系進行介紹，主要包括物理層結(jié)構(gòu)、物理層過程等，為之后的仿真做基礎(chǔ)； 然后對 TD-LTE-A 系統(tǒng)下的 D2D 技術(shù)作了詳細的闡述，其中主要對 TD-LTE-A 系統(tǒng)與 D2D 技術(shù)相結(jié)合后，系統(tǒng)中通信干擾進行了分析；最后本文提出了將扇 區(qū)頻譜分配和基于信噪比選擇資源分配相結(jié)合的 TD-LTE

6、-A 系統(tǒng)下的 D2D 通信 資源分配方法。 本 文 通 過 理 論 及 仿 真 結(jié) 果 分 別 對 D2D 通信復(fù)用蜂窩系統(tǒng)的上/下行資源所 產(chǎn)生的干擾進行了詳細的分析，得出了蜂窩通信用戶、D2D 通信用戶和基站之 間的干擾關(guān)系；通過仿真還得出了 TD-LTE-A 中，蜂窩通信用戶和 D2D 通信用 戶的最佳比例， 并且證明在此比例下混合系統(tǒng)相對傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)在吞吐量 等性能上有較大改善。 關(guān)鍵詞：TD-LTE-A ；終端直通技術(shù)；干擾分析；資源分配 - I - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 Abstract With the development of the society, Mo

7、bile communication technology has made great 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 hav

8、e made to the LTE-A, such as the strcture of 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

9、Device-to-Device D2D communication tecolonogy 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

10、 total throughput of the cell. The reaearch 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. S

11、econdly, the strcture of the TD-LTE-A is discussed 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 t

12、he cellular system. At last, the algorithm of 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,

13、we have got the interference relation of the 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 th

14、e total throughput of the cell will have great improvement compared to the traditional cellular communication system. Keywords: TD-LTE-A, Device-to-Device, Interference Analysis, Resource Allocation - II - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 目 錄 摘 要 . I? ABSTRACT . II? 第 1 章 緒 論 . 1? 1.1 課題背景及研究的目的和意義 . 1? 1.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展

15、概況 . 3? 1.2.1 蜂 窩 移 動 通 信 系 統(tǒng) 研 究 及 發(fā) 展 概況 . 4? 1.2.2 D2D 通信技術(shù)研究及發(fā)展概況 . 5? 1.2.3 文獻綜述的簡析 . 7? 1.3 本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu) . 8? 第 2 章 TD-LTE-A 系統(tǒng)概述 . 9? 2.1 LTE 及 LTE-A 演進過程 . 9? 2.2 LTE-A 系統(tǒng)綜述 . 9? 2.2.1 LTE-A 系統(tǒng)框架 . 9? 2.2.2 LTE-A 系統(tǒng)設(shè)計要求 . 10? 2.2.3 TD-LTE-A 系統(tǒng)物理層結(jié)構(gòu) . 11? 2.3 TD-LTE-A 系統(tǒng)級仿真平臺搭建 . 18? 2.3.1 路徑

16、傳輸損耗模型 . 19? 2.3.2 陰影衰落模型 . 20? 2.3.3 小區(qū)仿真結(jié)果 . 23? 2.4 本章小結(jié) . 24? 第 3 章 TD-LTE-A 系 統(tǒng) 下 D2D 通 信 技術(shù) . 25? 3.1 D2D 通信技術(shù)概述 . 25? 3.1.1 D2D 通信場景分析 . 25? 3.1.2 實 現(xiàn) D2D 通 信 的 基 本 假設(shè) . 26? 3.2 D2D 通信的建立過程 . 27? 3.3 D2D 通信無線資源使用方式 . 30? 3.3.1 D2D 通信無線資源專用方式 . 30? 3.3.2 D2D 通信無線資源共享方式 . 31? 3.3.3 D2D 通 信 無 線

17、資 源 專 用 和 共 享 方 式 比較 . 32? 3.4 D2D 通信干擾分析 . 33? - III - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 3.4.1 D2D 通信用戶與 D2D 通信用戶之間干擾 分析. 33? 3.4.2 蜂窩通信用戶與 D2D 通信用戶之間干擾分析 . 34? 3.4.3 D2D 通信干擾分析總結(jié) . 41? 3.5 本章小結(jié) . 42? 第 4 章 TD-LTE-A 系 統(tǒng) 下 D2D 通 信 資 源 分配 . 43? 4.1 針 對 D2D 通 信 傳 統(tǒng) 的 資 源 分 配 方法 . 43? 4.2 針 對 D2D 通 信 改 進 的 資 源 分 配 方法 .

18、45? 4.2.1 蜂 窩 小 區(qū) 內(nèi) 扇 區(qū) 的 資 源 分 配 改 進 方法 . 45? 4.2.2 蜂窩小區(qū)內(nèi)通信用戶的資源分配改進方法 . 47? 4.3 蜂 窩 系 統(tǒng) 下 D2D 通 信 的 仿 真 分析 . 50? 4.4 本章小結(jié) . 55? 結(jié) 論 . 56? 參考文獻 . 57? 攻 讀 碩 士 學 位 期 間 發(fā) 表 的 論 文 及 其 它 成果 . 61? 哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學 學 位 論 文 原 創(chuàng) 性 聲 明 及 使 用 授 權(quán) 說明 . 63? 致 謝 . 64? - IV - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第 1 章 緒 論 1.1 課題背景及研究的目的

19、和意義 本課題來源于國家重大專項蜂窩移動通信終端直通技術(shù)研究 （No.2012ZX0300311 ） 。該國家重大專項的研究目標是，針對 IMT-A （ International Mobile Telecommunications Advanced ）系統(tǒng)的后續(xù)演進，由于 我 國 下 一 代 移 動 通 信 系 統(tǒng) 決 定 采 用 TDD （Time Division Duplexing ）模式，所 以該項目主要研究內(nèi)容是在 TD-LTE-A （Long Term Evolution Advance 系統(tǒng)的 TDD 制式）系統(tǒng)中實現(xiàn)終端直通技術(shù)（Device to Device, D2D ）

20、的相關(guān)技術(shù)難 題，并對 D2D 通信相關(guān)的增強技術(shù)，如信道與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合編碼在 D2D 通信中的 應(yīng)用、D2D 中繼通信等相關(guān)增強技術(shù)進行研究。本課題以此國家重大專項作 為背景， 重點研究 TD-LTE-A 系統(tǒng)中 D2D 通信的資源分配方法，主要是基于 干擾控制等因素來實現(xiàn)蜂窩系統(tǒng)的時頻資源的分配。 隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是半導體技術(shù)、計算機技術(shù)及微電子技術(shù)， 使得蜂窩移動通信得到了快速發(fā)展， 特別是在近 20 年間蜂窩移動通信的發(fā)展 更是舉世矚目。 世界上第一個蜂窩移動通信系統(tǒng)于 1978 年由美國貝爾實驗室 的科學家在芝加哥試驗成功， 從此將蜂窩移動通信帶進我們的生活當中來。而 我國的

21、蜂窩移動通信的建成的標志是， 1987 年在廣東省開通的 TACS （Total Access Communication System, 歐洲制定的標準）制式模擬蜂窩移動 系統(tǒng)， 這也是我國的第一代移動蜂窩通信系統(tǒng)。 我國在開通了第一代蜂窩移動通信系 統(tǒng)不久就開始著手進行第一代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)技術(shù)的研究，但是由于市 場的巨大壓力和國內(nèi)技術(shù)水平及開發(fā)能力的不足， 我國還是采取了引進國外技 術(shù) 的 策 略 ， 采 用 技 術(shù) 成 熟 的 歐 洲 技 術(shù) GSM （Global System for Mobile Communications, 全球移動通信系統(tǒng)） ， 并于 1993 年在浙江

22、嘉興地區(qū)建成向公 眾開放使用，即我國的第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)，也是我國第一個數(shù)字蜂窩移 動通信系統(tǒng)。 而現(xiàn)在第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)已經(jīng)走進了我們的生活，我國也 擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)的 TD-SCDMA 系統(tǒng)， 廣大的 3G 用戶們可以隨時隨地的 享受到寬帶接入服務(wù)，與互聯(lián)網(wǎng)連接，寬帶蜂窩移動通信技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)。 越來越多的人正在使用著蜂窩移動通信， 截止 2012 年 12 月 31 日全球的 蜂窩移動通信用戶已經(jīng)超過了 60 億， 其中 3G 用戶已經(jīng)超過了 20% 。這就對 現(xiàn)有的蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求： 既要保持高的通信峰值速率，又 要保持低通信時延；既要保持高的頻譜利用率，又

23、要保持頻譜使用的靈活性； 更高的蜂窩移動通信系統(tǒng)容量當然更是不可缺少的。 在 2007 年的世界無線通 - 1 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 信會議上為移動通信系統(tǒng)分配的帶寬還不到 600MHz ， 依照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢， 預(yù)計到 2020 年， 蜂窩移動通信系統(tǒng)所需要的帶寬將在 1200MHz 到 1700MHz 1 之間，無線帶寬資源將異常珍貴 ，如何有效的使用有線的帶寬資源成為當今 世界急需解決的一個關(guān)鍵問題。因此，在 2004 年底 3GPP 和 3GPP2 分別啟動 了 LTE （Long Term Evolution, 3G 技術(shù)的長期演進）的研究工作，以此來適用 蜂窩移動通信

24、產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展， 使得未來的蜂窩移動通信系統(tǒng)具有更高的通信 速率、 更大范圍的信號覆蓋以及允許終端用戶獲得更大的移動性的性能。2008 年 3 月，LTE 的標準化工作已經(jīng)進入尾聲，3GPP 在 LTE 的基礎(chǔ)上，開展了一 個繼續(xù)演進的項目LTE-A （Long Term Evolution Advanced ）的研究。在蜂 窩移動通信的定義中，LTE 由于在相關(guān)的指標上并沒有達到 ITU （International Telecommunications Union ）所規(guī)定的 4G 標準，所以 LTE 多被稱為 3.9G 技術(shù) 或“準 4G ”技術(shù)，而此時的 LTE-A 技術(shù)則可以被稱為名

25、正言順的 4G 技術(shù)， 原因在于 LTE-A 項目工作就是為了滿足 ITU-R （the ITU Radio Communication Sector ）的 IMT-Advanced 技術(shù)而開展的。 國際電信聯(lián)盟在 2012 年無線電通信全會上， 正式審議通過了將 LTE-A2 技 術(shù) 規(guī) 范 和 Wireless MAN-Advanced （802.16m ） 3 技 術(shù) 規(guī) 范 確 定 為 IMT-Advanced 的國際標準的提議，我國主導研究的 TD-LTE-A 成為國際 4G 標 準之一4 。相對 Wireless MAN-Advanced 技術(shù)，LTE-A 技術(shù)得到了更多的公司 的

26、 支 持 ， 具 有 更 強 的 競 爭 能 力 。 LTE-A 系 統(tǒng) 為 了 滿 足 IMT-Advanced 系統(tǒng)性能 的要求，對相關(guān)技術(shù)及指標相對 LTE 做了較大的改進。LTE-A 系統(tǒng)下行采用 OFDMA 技術(shù)，實現(xiàn)超過 1Gbps 的下行峰值傳輸速率，頻譜效率高達 30bps/Hz ； 上行采用 SC-FMDA 技術(shù)， 實現(xiàn)超過 500Mbps 的上行峰值傳輸速率, 頻譜效率 高達 15bps/Hz5 。但是隨之傳輸速率的增加，在相同發(fā)射功率的條件下，每個 符號的能量會隨之信息傳輸速率的增加而線性減少， 如果實現(xiàn)如果之高的通信 速率，這樣導致符號的能量減少，直接結(jié)果就是小區(qū)的覆蓋

27、范圍將大大減小。 而 且 LTE-A 的 潛 在 部 署 的 頻 譜 資 源 主 要 包 括 3.4GHz-4.2GHz 和 4.4GHZ-4.99GHz 等6 。系統(tǒng)工作的頻率越高，無線電波的衰減就越快，這樣 的話，LTE-A 系統(tǒng)工作在如此高的頻段上，小區(qū)的覆蓋范圍將進一步減小，如 果想實現(xiàn)高質(zhì)量的通信，小區(qū)基站的分布密度就必須大大增加，而增加基站數(shù) 量帶來的站址選擇和成本上升的問題將嚴重的困擾各大運營商。 LTE-A 技術(shù)對于傳統(tǒng)的蜂窩通信系統(tǒng)的“重室外，輕室內(nèi)”的不足做了很 大的改進，其同樣在室內(nèi)場景優(yōu)化方面做了很大的研究。但是由于室外無線信 號在進入室內(nèi)的時候，必須穿透墻壁，這樣的話

28、，從基站發(fā)射而來的無線信號 將產(chǎn)生巨大的衰減，使得室內(nèi)的蜂窩用戶的服務(wù)質(zhì)量大大下降，因此增強室內(nèi) - 2 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 覆蓋仍是制約高速率通信，特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的瓶頸。雖然 LTE-A 系統(tǒng)在 7 LTE 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上有使用了載波聚合（Carrier Aggregation, CA ） 、多輸入多 輸出（MIMO ）天線增強（Enhance MIMO ）8 9 、中繼技術(shù)（Relay ） 和多點 9 協(xié)作傳輸（Coordinated Multi-point Tx/Rx, CoMP ） 等技術(shù)，但是對于處于小 區(qū)邊緣且同樣需要高速率通信的用戶來說， 這些技術(shù)還遠遠不能解決

29、它們正常 通信的問題，而且在加入這些技術(shù)的同時，也給蜂窩網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的干擾。 這是由于以上的問題，國內(nèi)外相關(guān)的專家學者呼吁將 D2D 通信技術(shù)引入 到 LTE-A 技術(shù)當中去10 ，在蜂窩移動通信系統(tǒng)中添加 D2D 通信，就可以很好 的解決以上問題。蜂窩移動通信系統(tǒng)中的 D2D 通信是指，鄰近的終端用戶可 以在近距離范圍內(nèi)通過直接建立鏈路連接并進行數(shù)據(jù)傳輸， 大量的數(shù)據(jù)并不需 要經(jīng)過基站的轉(zhuǎn)發(fā)， 基站只負責相應(yīng)的控制信令及頻繁的分配協(xié)調(diào)工作。傳統(tǒng) 的蜂窩移動通信系統(tǒng)， 通信雙方進行數(shù)據(jù)的交換均要通過基站進行轉(zhuǎn)發(fā)，D2D 通信技術(shù)同時兼顧了近距離通信和直接通信優(yōu)點， 相對于傳統(tǒng)的蜂窩移動通 信

30、，D2D 通信技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，具體如下所述。 1. D2D 通信技術(shù)是終端用戶在互相距離較近的情況直接連接進行通信， 可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)極高的傳輸速率和極低的傳輸延遲； 2. D2D 通信技術(shù)是實現(xiàn)近距離通信，對發(fā)射功率要求很低，可以實現(xiàn)終 端在低功耗情況實現(xiàn)正常通信，延遲 電池的使用時間，節(jié)約能源的消耗； 3. D2D 通信技術(shù)實現(xiàn)局部鄰近終端用戶之間的通信，發(fā)射功率極低，對 整個蜂窩移動通信系統(tǒng)的其他用戶的影響很小，可以實現(xiàn) D2D 通信用戶與正 常蜂窩通信用戶之間的頻譜的復(fù)用，獲得更高的頻譜利用率； 4. D2D 通信技術(shù)服務(wù)的對象是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量巨大分布廣泛的終端用戶，可 以極大的增加蜂窩移

31、動通信系統(tǒng)的有效覆蓋范圍， 可以極大的提高蜂窩移動通 信系統(tǒng)邊緣用戶的通信質(zhì)量， 增加蜂窩移動通信系統(tǒng)邊緣通信吞吐量。 5. 與 Bluetooth 、 WiFi 及 Zigbee 等工作在公共頻段上的近距離通信技術(shù) 相比，D2D 通信技術(shù)使用的頻段是 LTE-A 授權(quán)的頻段，通信安全性可以得到 極大的保證，而且干擾也是在可以控制的范圍 內(nèi)，可以保證正常的通信質(zhì)量。 綜上所述，將 D2D 通信技術(shù)引入到 LTE-A 系統(tǒng)中，將會帶來很大的好處， 可以極大的拓展 LTE-A 系統(tǒng)小區(qū)的覆蓋范圍；大大提高 LTE-A 蜂窩小區(qū)邊緣 用戶的通信質(zhì)量；對蜂窩小區(qū)內(nèi)的用戶的吞吐量也有很大的改善，特別是對

32、小 區(qū)邊緣用戶的吞吐量的改善更熟明顯。 國內(nèi)外研究及發(fā)展概況 此部分主要介紹蜂窩移動通信系統(tǒng)和 D2D 通信技術(shù)的研究及發(fā)展概況。 - 3 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 1.2.1 蜂窩移動通信系統(tǒng)研究及發(fā)展概況 st 1G （1 Generation ）蜂窩通信系統(tǒng)是模擬蜂窩移動通信網(wǎng)，其主要應(yīng)用在 20 世紀 70 年代中期到 80 年代中期。其開始的標志是 1978 年，美國貝爾實驗 室成功研制的移動 系統(tǒng)，并將其建成 了蜂窩狀的小區(qū)，也就是后來的 11 。 美國建立 AMPS 蜂窩移動 AMPS （先進移動 系統(tǒng)）蜂窩移動通信系統(tǒng) 通信系統(tǒng)之后， 其他工業(yè)化較早的國家也緊接著開發(fā)

33、了自己的蜂窩移動通信系 統(tǒng)，著名的有日本的 NAMTS 蜂窩移動通信系統(tǒng)、北歐的 NMT 蜂窩移動通信 系統(tǒng)和英國的 TACS 蜂窩移動通信系統(tǒng)，普遍采用 FDMA （Frequency Division Multiple Access, 頻分多址接入）模擬調(diào)制方式進行通信12 。第一代蜂窩移動 通信系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，但是存在諸多的缺點，由于其使用的是模 擬技術(shù)使得 1G 系統(tǒng)的頻譜利用率極低，系統(tǒng)的吞吐量也是很低。1G 所能支 持的業(yè)務(wù)也只有語音通信，并且其通信的安全性很低，非常容易被竊聽。再者 1G 系統(tǒng)沒有一個統(tǒng)一的國際標準，其體制雜亂互不兼容。但是 1G 蜂窩移動 通信系統(tǒng)最

34、重要的貢獻是采用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的概念， 也就是采用小區(qū)制來實現(xiàn)頻 譜的復(fù)用。 2G （2nd Generation ）蜂窩移動通信系統(tǒng)是從 20 世紀 80 年代中期開始研 發(fā)應(yīng)用的，它與 1G 移動通信系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢，其優(yōu)勢表現(xiàn)在：第二代蜂窩移 動通信系統(tǒng)已經(jīng)是數(shù)字系統(tǒng)，其具有更高的保密性，頻譜的利用率相對第一代 移動蜂窩系統(tǒng)又有明顯提高，并且可以提供豐富的服務(wù)業(yè)務(wù)，更重要的是其國 際標準化程度很高，各個廠商的系統(tǒng)可以互聯(lián)，使得蜂窩移動通信得到了空前 的大發(fā)展13 。第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)主要以歐洲的 GSM 系統(tǒng)和北美的 CDMA （Code Division Multiple Access,

35、 碼分多址接入）系統(tǒng)。GSM 系統(tǒng)是歐 洲電信聯(lián)盟研制的能夠覆蓋全歐洲的蜂窩移動通信系統(tǒng)，它于 1982 年開始研 制，1990 年完成技術(shù)定性及商用，在歐洲、亞洲（除日本、韓國） 、澳大利亞、 南非等許多國家得到了肯定與支持?，F(xiàn)在的 GSM 蜂窩通信系統(tǒng)已經(jīng)遍布全世 界了，也就是我們國內(nèi)所稱的“全球通” 。GSM 蜂窩移動通信系統(tǒng)是基于 TDMA （Time Division Multiple Access, 時分多址接入）技術(shù)的數(shù)字蜂窩移動通信技 術(shù)，主要是由基站子系統(tǒng)、移動臺、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、操作子系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成14 。 CDMA 蜂窩移動通信系統(tǒng)首先是由美國高通公司提出， 并于 1992

36、 年成功研制 出了 CDMA 蜂窩移動通信系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)域 GSM 系統(tǒng)相似，由基站收/ 發(fā) 信機、基站控制器、移動交換中心和操作管理中心等組成，雖然其性能在很多 地方都優(yōu)于 GSM 系統(tǒng)，但是優(yōu)于 CDMA 系統(tǒng)推出市場的時間相對 GSM 系統(tǒng) 要晚上幾年，占領(lǐng)的市場遠不如 GSM 大15 。但是第二代移動通信主要業(yè)務(wù)是 話音和低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為了解決數(shù)據(jù)的傳輸速度問題，1996 年開始，有出 - 4 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 現(xiàn) 了 2.5G 蜂 窩 移 動 通 信 系 統(tǒng) ， 也 就 是 GSM 的演進 GPRS 和 CDMA 的演進 IS-95B 。 第三代蜂窩移動通信的技

37、術(shù)主要有三種，分別是 WCDMA 、CDMA2000 和 TD-SCMDA ，其中 TD-SCMDA 是由我國主導開發(fā)11 。3G 蜂窩移動通信網(wǎng) 絡(luò)可以實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸，支持大數(shù)據(jù)流量的多媒體業(yè)務(wù)，具有世界漫游 功能，可以實現(xiàn)全球的無中斷覆蓋，并且 3G 蜂窩移動通信網(wǎng)與固定網(wǎng)絡(luò)的兼 容 性 也 十 分 好 。 其 速 率 可 以 實 現(xiàn) 室 內(nèi) 環(huán) 境 2Mbit/s 以上，室內(nèi)外步行環(huán)境 384Kbit/s 以 上 ， 室 外 車 輛 運 動 中 144Kbit/s 以上。WCDMA 系統(tǒng)的是由 GSM/GPGS 網(wǎng)絡(luò)演進而來，其可以很好的兼容 GSM/GPGS 系統(tǒng)，其核心網(wǎng)可 以

38、基于多種不同的技術(shù)，如 TDM 、ATM 和 IP 等，并且其核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)演進 向全 IP 化方向進行；CDMA2000 是在 IS-95 的基礎(chǔ)上提出的第三代蜂窩移動 通信標準；TD-SCMDA 標準是由我國提出的，與 WCDMA 系統(tǒng)相似， TD-SCMDA 系統(tǒng)也是由 GSM/GPGS 網(wǎng)絡(luò)演進而來， 同時它也使用大量的較先 進的技術(shù)，如軟件無線電、智能天線和同步 CDMA 等技術(shù)，具有非常優(yōu)良的 性能。 LTE-A 技術(shù)為 4G 技術(shù)的一種，是由 3GPP 標準化組織負責其標準化工作。 3GPP 于 1998 年成立，就不斷對蜂窩移動通信系統(tǒng)繼續(xù)演進演進，于 2005 年 啟動了長期演

39、進（LTE ）技術(shù)，并于 2008 年 6 月完成了對 LTE-A 系統(tǒng)的技術(shù) 需求報告的發(fā)布。 LTE-A 系統(tǒng)采用 OFDMA 和 SC-FDMA 的傳輸方式，實現(xiàn)下 行峰值速率 1Gbp/s，上行 500Mbp/s 。LTE-A 系統(tǒng)可以滿足更低的傳輸延時， 更高的傳輸速率，更大的系統(tǒng)容量和覆蓋范圍，由于 LTE-A 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的扁平 化，使其網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)和優(yōu)化更加方便，減少運營經(jīng)費，成為以分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳 16,17 輸 為 目 標 的 新 一 代 蜂 窩 移 動 通 信 系 統(tǒng) 標準 。 1.2.2 D2D 通信技術(shù)研究及發(fā)展概況 D2D 通信技術(shù)并不是一項新的技術(shù)， 在以往的很多技術(shù)或相

40、關(guān)協(xié)議中均 已經(jīng)實現(xiàn)了 D2D 通信，例如 WLAN 技術(shù)、藍牙技術(shù)等等，但是這些技術(shù)有著 共同的缺點，那就是他們所采用的頻譜是非授權(quán)的，這樣就會帶來諸多的不足 之處，例如現(xiàn)在無線電頻譜資源已經(jīng)相當?shù)木o缺了，在非授權(quán)等公共頻段上聚 集了大量的用戶，造成非授權(quán)頻段非常擁擠；由于非授權(quán)頻譜上聚集大量用戶， 其帶來的干擾也是非常復(fù)雜的，通信的安全和質(zhì)量都得不到保障；這些技術(shù)僅 僅鋪設(shè)在相應(yīng)的人口密集的地方，可以覆蓋的范圍非常有限等等。 本課題說討論的 D2D 通信技術(shù)是為了進一步提升 LTE-A 系統(tǒng)的性能的， 其工作在 LTE-A 授權(quán)的頻段上。在 LTE-A 通信系統(tǒng)中的 D2D 通信是指在系統(tǒng)

41、 中鄰近的兩個用戶終端，在基站的控制下，進行直接連接通信。這樣的話，對 - 5 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 于蜂窩系統(tǒng)來說，大量的數(shù)據(jù)信息不需要通過基站進行轉(zhuǎn)發(fā)，大大減輕了基站 的負荷；對于 D2D 通信用戶來說，其工作在授權(quán)的頻段上，所受到的干擾可 以保持在可以控制的范圍內(nèi)，可以得到安全可靠、干擾可控及高質(zhì)量的服務(wù)。 對于將 D2D 通信技術(shù)引入到 LTE-A 蜂窩移動通信系統(tǒng)中來的研究，首先 是有 Doppler 教授于 2009 年提出的18,19 ，其闡述了在蜂窩移動通信系統(tǒng)下， 實現(xiàn) D2D 通信基本問題，其中包括 D2D 通信的應(yīng)用場景分析，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的布 局、D2D 通信建

42、立與通信的過程，及蜂窩小區(qū)內(nèi) D2D 通信用戶與蜂窩通信用 戶之間的干擾分析等方面。 LTE-A 蜂窩移動通信系統(tǒng)下實現(xiàn) D2D 通信的網(wǎng)絡(luò) 架構(gòu)如圖 1-1 所示，LTE-A 的各項業(yè)務(wù)均是由分組域所承載，采用 SAE 的網(wǎng) 絡(luò)架構(gòu)，D2D 通信的建立和通信是基于會話初始協(xié)議（ Session Initiation Protocol, SIP ）和 IP （Internet Protocol ）協(xié)議，SIP 協(xié)議和 IP 協(xié)議的連接于斷 開都是 MME （Mobility Management Entity, 移動管理實體）負責進行的。MME 通過數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)（Package Data N

43、etwork Gateway, PDN Gateway ）為終端 通信用戶獲得其 IP 地址，并作為 D2D 通信相關(guān)操作的中心控制器。 圖 1-1 SAE 架構(gòu)下 D2D 通信 在實現(xiàn) D2D 通信的過程中，功率控制是一個重要的問題，文獻20首選 使用較簡單的功率控制方法去驗證 D2D 通信的性能。 每個終端用戶的信干噪 比（Signal to Interference Plus Noise Ratio, SINR ）作為功率控制的決定條件， 而 SINR 值的確定是通過 D2D 通信用戶在小區(qū)內(nèi)的位置信息所決定的，位置 信息的的精度在實際系統(tǒng)中較低，這種方法很難應(yīng)用。通過 D2D 通信用戶

44、和 蜂窩通信用戶之間的干擾程度來進行功率控制的方法在文獻21 中得到了研 究，并且通過對兩種場景（一種是蜂窩通信用戶與 D2D 通信用戶互為競爭關(guān) 系，采用傳輸量最大化的貪婪思路對其進行分析；另一種是蜂窩通信用戶具有 通信的優(yōu)先權(quán)，D2D 通信操作是輔助系統(tǒng)，保證蜂窩通信用戶通信速率大于 某一給定的速率門限的思想）進行了仿真，證明 D2D 通信對整個蜂窩移動通 信系統(tǒng)帶來的增益情況。 在蜂窩移動通信系統(tǒng)中引入 D2D 通信之后，蜂窩移動通信系統(tǒng)中的通信 - 6 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 模式相應(yīng)的增多了，模式的選擇和切換也相應(yīng)復(fù)雜了很多。此時的蜂窩移動通 信系統(tǒng)通信模式主要分蜂窩通信

45、和 D2D 通信兩種22 。而且 D2D 通信按照頻率 使用上又可以分為兩種：一種是在蜂窩移動通信系統(tǒng)負載不重視，D2D 通信 使用蜂窩移動通信系統(tǒng)中的空閑的頻譜資源（又稱正交頻譜資源） ，此時 D2D 通信與蜂窩通信之間由于采用不同的頻率，之間不產(chǎn)生干擾；另一種是在蜂窩 移動通信系統(tǒng)負載較重時， 蜂窩系統(tǒng)沒有多余的正交的頻譜資源分配給 D2D 通信使用， D2D 通信在基站的控制下復(fù)用蜂窩通信用戶正在使用的頻譜，此 時可以通過功率控制、時隙分配等機制來進行干擾抑制。 在實現(xiàn) D2D 通信的方法中，時隙的分配時非常重要的一步，文獻23,24 對相關(guān)方面問題做了詳細的研究。 LTE-A 系統(tǒng)有

46、FDD 和 TDD 兩種模式，在實 現(xiàn) D2D 通信的問題，TDD 系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。原因在于在 TDD 模式下， 實現(xiàn) D2D 通信，對網(wǎng)絡(luò)和終端的改動可以達到最小，對終端模式要求較低， 復(fù)雜度也較低。 在遵循 3GPP 給定的 LTE-A 上/下行時隙分配的前提下，通過 分析 D2D 通信業(yè)務(wù)類型， 自適應(yīng)的分配給 D2D 通信相應(yīng)的時隙配置方式，達 到在時間遇上進行干擾的避免， 但是這樣的系統(tǒng)對時間的同步精度要求非常 高。 將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)與 D2D 通信技術(shù)相結(jié)合的研究得到了關(guān)注25 ，為了進一 步節(jié)約頻譜資源，基站與蜂窩通信用戶之間采用多播方式，發(fā)送端在同一時間 發(fā)送相對獨立的信息，

47、發(fā)送數(shù)據(jù)先經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼在進行信道編碼，最后經(jīng)過調(diào) 制發(fā)送至信道中去。接收端接收數(shù)據(jù)先經(jīng)過緩存，之后進行發(fā)送端的逆過程， 實現(xiàn)不增加帶寬的情況下發(fā)送多個用戶的信息。 1.2.3 文獻綜述的簡析 通過總結(jié)查閱的相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)， 將 D2D 通信應(yīng)用到 LTE-A 蜂窩移動通信 系統(tǒng)中自提出以來，得到了廣泛的關(guān)注。許多學者在相關(guān)方面進行了大量的研 究，學者們的只要研究方向是如何實現(xiàn)蜂窩移動通信系統(tǒng)下得 D2D 通信技術(shù)， 其中包括設(shè)計可以兼容 D2D 通信的蜂窩移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、分析 D2D 通信與蜂窩通信之間的影響、 如何使用頻率/ 時間等方面分配來優(yōu)化并提升蜂 窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)吞吐量等等

48、。 但是相關(guān)文獻的假設(shè)或多或少都與實際的 通信系統(tǒng)有所差異，再者對一個完整的場景的分析較少，多是只針對資源分配 或只針對功率控制，并且使用的方法也相對簡單，對性能的提升有限。 對于蜂窩移動通信系統(tǒng)下 D2D 通信國內(nèi)的研究相關(guān)文獻相對較少，多數(shù) 文獻是對 D2D 通信進行說明概述1,26 ；相關(guān)專利的申請都是在高層精心資源 控制操作，都是假定 D2D 通信已經(jīng)實現(xiàn)應(yīng)用27,28 ；而國內(nèi)的博碩論文也是相 當極少，而且多數(shù)論文中缺少相關(guān)仿真，對核心技術(shù)資源分配、功率控制機干 - 7 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 擾抑制等問題研究不夠深入。 1.3 本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 在 TD-LTE

49、-A 蜂窩通信系統(tǒng)下使用 D2D 通信技術(shù)， 將大大的增加小區(qū)的 通信容量和提高小區(qū)用戶的服務(wù)質(zhì)量， 本文研究的就是蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)下的 D2D 通信，其中研究重點是蜂窩通信系統(tǒng)在引入 D2D 通信之后，基站、蜂窩通信 用戶以及 D2D 通信用戶之間干擾問題，以及蜂窩通信系統(tǒng)下 D2D 通信的資源 分配問題。 本文共分四章，安排如下： 本文第一章，也就是這章主要介紹了本研究課題的背景及研究目的和意 義，并蜂窩移動通信和 D2D 通信的發(fā)展歷程進行了概述，因此本研究課題的 主要研究內(nèi)容，是本文的總述。 第二章對 TD-LTE-A 蜂窩通信系統(tǒng)做了詳細的介紹，包括TD-LTE-A 系統(tǒng) 的發(fā)展演進、系

50、統(tǒng)的整體架構(gòu)等。詳細對 TD-LTE-A 系統(tǒng)的物理層幀結(jié)構(gòu)、 物理層信道劃分及物理數(shù)據(jù)流的操作過程做了論述。還對 LTE-A系統(tǒng)的關(guān)鍵 技術(shù)載波聚合、多天線增強、協(xié)作多點傳輸以及無線中繼技術(shù)做了簡要介紹。 第三章介紹了 TD-LTE-A 系統(tǒng)下的 D2D 通信技術(shù)， 從 D2D 通信技術(shù)的應(yīng)用 場景及相關(guān)假設(shè)開始， 然后對 D2D 通信在現(xiàn)存的蜂窩通信系統(tǒng)中的建立方法 進行論述，接著在 D2D 通信無線資源使用方面，分別在專用方式和共享方式 上做了詳細討論， 并給出采用共享方式進行通信的 D2D 通信用戶和蜂窩通信 用戶之間的干擾分析和仿真驗證。 第四章是本文的重點章節(jié)， 介紹了本文提出的

51、TD-LTE-A 系統(tǒng)下的 D2D 通信的資源分配方法。先對系統(tǒng)級仿真的環(huán)境進行了簡要的介紹，然后對當 前的相關(guān)算法進行總結(jié)，根據(jù)傳統(tǒng)算法計算量極大的問題，提出結(jié)合小區(qū)扇 區(qū)頻譜分配相結(jié)合的 D2D 通信資源分配方法， 并對提出的改進算法進行仿真 驗證，證明課題研究提出的算法的可行性。 最后，對全文進行了總結(jié)。 - 8 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 第 2 章 TD-LTE-A 系統(tǒng)概述 2.1 LTE 及 LTE-A 演進過程 隨 著 蜂 窩 移 動 通 信 的 快 速 發(fā) 展 ， 3G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)走進了我們的生活，越來越 多的人們享用著隨處的寬帶接入服務(wù)， 但是隨之全球移動通信用戶的不

52、斷激 增，對移動通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求：更高的峰值通信速率，更低的通信延 時，更高的更靈活的頻譜使用等等。由于這些服務(wù)質(zhì)量的要求，全球的移動通 信明顯向?qū)拵Щ?IP 化發(fā)展，但是蜂窩移動通信系統(tǒng)對移動寬帶服務(wù)的支持 并不令人滿意， 相反 WIFI 和 Wi 等無線寬帶技術(shù)卻得到了人們的青睞。 并且 2005 年 12 月，IEEE 正式通過了 802.16e 標準，其具有覆蓋范圍大、高速 率、低成本，以及全 IP 化等諸多優(yōu)點29 ，很適合為城市中的用戶提供移動寬 帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 寬帶無線接入技術(shù)向移動化發(fā)展給移動通信技術(shù)帶來了直接的競 爭壓力，就在這種情況下，3GPP 和 3GPP2 在

53、2004 年底啟動了 3G 技術(shù)的長期 演進（LTE ）的研究工作。 LTE 項目啟動以來， 3GPP 組織就頻繁的召開會議推進 LTE 的研究工作， 最終確定 LTE 系統(tǒng)下行采用 OFDMA 技術(shù)，上行采用 SC-FDMA 技術(shù)。到 2008 年 3 月，3GPP LTE 研究工作已經(jīng)完成了大約 95% ，LTE 也被列入 3GPP R8 版 本的正式標準，同年 12 月，3GPP 公布了 FDD-LTE 和 TDD-LTE 標準，其定義 了 LTE 的基本功能和絕大部分的特性，LTE 進入實質(zhì)的推廣階段。于此同時， LTE-A 項目在 3GPP 的推動下，也拉開了帷幕。 LTE 技術(shù)是

54、3G 技術(shù)向 4G 技術(shù)的一個過渡， 而 LTE-A 則是名副其實的 4G 技術(shù)，LTE-A 項目的啟動正是為了滿足 ITU-R 的 IMT-A 技術(shù)而開展的。LTE-A 技術(shù)在 LTE 技術(shù)的基礎(chǔ)上，有添加了新的技術(shù)：載波聚合，多天線增強，中繼 以及多點協(xié)作（CoMP ）技術(shù)。國際電信聯(lián)盟在 2012 年無線電通信全會上，正 式審議通過了將 LTE-A 技術(shù)確定為 IMT-Advanced 的國際標準的提議，這樣我 國主導研究的 TD-LTE-A 也成為國際 4G 標準之一。 2.2 LTE-A 系統(tǒng)綜述 2.2.1 LTE-A 系統(tǒng)框架 LTE 移動通信系統(tǒng)主要由 E-UTRAN （Evo

55、lved UTRAN, 通用地面無線接入 網(wǎng)）和 EPC （Evolved Packet Core Network, 分組域核心網(wǎng)）組成30 ，如圖 2-1 所示。 - 9 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 EPC MME / S-GW MME / S-GW EPS X2 E-UTRAN eNB eNB eNB 圖 2-1 LTE 系統(tǒng)框架 由圖 2-1 可知，LTE 系統(tǒng)中的網(wǎng)元主要包括：eNodeB 、MME 、S-GW 。主 要的網(wǎng)絡(luò)接口有 eNodeB 之間的 X2 接口、eNodeB 與核心網(wǎng) EPC 之間的 S1 接 口。 2.2.2 LTE-A 系統(tǒng)設(shè)計要求 LTE 系統(tǒng)的設(shè)計

56、要求主要可以從頻段設(shè)置、數(shù)據(jù)速率、時延以及兼容性等 方面進行概括說明31,32 。 1. 頻譜帶寬配置：為了適應(yīng)不同通信容量的需求，LTE-A 系統(tǒng)的頻譜配置 非常靈活，支持不同大小帶寬和非對稱的頻譜部署。 2. 數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜利用率：當系統(tǒng)的帶寬為 20MHz 時，系統(tǒng)上行、 下行可實現(xiàn)的最大傳輸速率分別為 100Mbps 和 50Mbps， 相對應(yīng)的頻譜效率分 別可以達到 5bit/s/Hz 和 2.5bit/s/Hz 。 3. 低時延：在 LTE 系統(tǒng)中無論是是用戶平面延時還是控制平面的延時，均 遠遠低于現(xiàn)有的蜂窩通信系統(tǒng)。 4. 移動性 要求 ： LTE 系統(tǒng)需 要對 較低 的移

57、動速 度（0-15km/s ）下的性能進 行優(yōu)化；在更高的移動速度（15-120km/s）下，可以實現(xiàn)較高的通信性能；在 120-350km/s 的移動速度下，要保持蜂窩系統(tǒng)的正常移動性。LTE 系統(tǒng)還被要 求設(shè)計應(yīng)該能夠在最高 350km/s 的移動速度（在某些頻段上甚至可以支持 500km/s ）下保持用戶終端能夠與系統(tǒng)保持正常連接。 5. 業(yè)務(wù)需求： E-UTRAN 系統(tǒng)應(yīng)該可以支持現(xiàn)有的所有業(yè)務(wù)，如瀏覽網(wǎng) 頁、文件傳輸、視頻流及 VoIP （Voice over Internet Protocol ） 。還應(yīng)該支持更 先進的業(yè)務(wù)，如實時視頻等。 - 10 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位

58、論文 2.2.3 TD-LTE-A 系統(tǒng)物理層結(jié)構(gòu) LTE 系統(tǒng)支持兩種幀結(jié)構(gòu)33 ， 分別支持 FDD 和 TDD 兩種模式。本課題主 要研究的是 TDD 系統(tǒng)，TDD 系統(tǒng)所對應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)為幀結(jié)構(gòu)類型 2 ，結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。 圖 2-2 LTE 幀 結(jié) 構(gòu) 類 型 2 （TDD 模式） LTE 系統(tǒng)中幀結(jié)構(gòu)類型 2 中的時間基本單位為 T ，其他時域中的所有時間 s 均是時間單位 T 的整數(shù)倍，該時間基本單位定義為 T 1/ 150002048 秒。如 s s 圖 2-2 所示，每個無線幀（Radio Frame ）的長度為 T 307200 T 10ms ，一個 f s 無 線 幀 是 由 兩 個 半 幀 組 成 的 。 每 個 半 幀 （ Half-Frame ） 的 長 度 為 153600T 5ms ，一個半幀是由五個子幀組成。每個子幀（Subframe ）的長度 s 為 30720 T 1ms ，一個子幀是由 2 個時隙組成，每個時隙（Slot ）的長度為 s T 15360 T 0.5ms 。 Slot s 圖 2-2 中的 DwPTS 、 UpPTS 和 GP 這三個時隙分別表示下行導頻時隙、上 行導頻時隙和保護間隔，這三個時隙組成的子幀稱為特殊子幀，并且 DwPTS 、 GP 和 UpPTS 總長度為 30720 T 1ms