TD-LTE-A系统下D2D通信资源分配方法研究

1、TDTD- -LTELTE- -A A 系统下系统下 D2DD2D 通信资源分配方法研究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 2013 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

2、 硕 士 研 究 生：管修挚 导 师：张中兆教授 申 请 学 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：2013 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 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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 随着社会的发展，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不足，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

5、统与 D2D 技术相结合，可以大大的减小基站的通信负荷、大大扩展小 区的覆盖范围以及提高小区边缘用户的服务质量， 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，为之后的仿真做基础； 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

6、-A 系统下的 D2D 通信 资源分配方法。 本 文 通 过 理 论 及 仿 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 户的最佳比例， 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, 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 国内外研究及发展

15、概况 . 3? 1.2.1 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 研 究 及 发 展 概况 . 4? 1.2.2 D2D 通信技术研究及发展概况 . 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

16、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 基 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

17、资 源 专 用 和 共 享 方 式 比较 . 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 D2D 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 进 的 资 源 分 配 方法 .

18、45? 4.2.1 蜂 窝 小 区 内 扇 区 的 资 源 分 配 改 进 方法 . 45? 4.2.2 蜂窝小区内通信用户的资源分配改进方法 . 47? 4.3 蜂 窝 系 统 下 D2D 通 信 的 仿 真 分析 . 50? 4.4 本章小结 . 55? 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

19、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.2012ZX0300311 ） 。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 Duplexing ）模式，所 以该项目主要研究内容是在 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 ）

20、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发展，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了快速发展， 特别是在近 20 年间蜂窝移动通信的发展 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

21、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不足， 我国还是采取了引进国外技 术 的 策 略 ， 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

22、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， 广大的 3G 用户们可以随时随地的 享受到宽带接入服务，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 2012 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 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

23、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 ， 依照现在的发展趋势， 预计到 2020 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 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

24、产业的快速发展， 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。2008 年 3 月，LTE 的标准化工作已经进入尾声，3GPP 在 LTE 的基础上，开展了一 个继续演进的项目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达到 ITU （International Telecommunications Union ）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 技术则可以被称为名

25、正言顺的 4G 技术， 原因在于 LTE-A 项目工作就是为了满足 ITU-R （the ITU Radio Communication Sector ）的 IMT-Advanced 技术而开展的。 国际电信联盟在 2012 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 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

26、 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 做了较大的改进。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

27、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成本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”的不足做了很 大的改进，其同样在室内场景优化方面做了很大的研究。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

28、，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服务质量大大下降，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，特别是数据业务发展的瓶颈。虽然 LTE-A 系统在 7 LTE 系统的基础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速率通信的用户来说， 这些技术还远远不能解决

29、它们正常 通信的问题，而且在加入这些技术的同时，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信优点， 相对于传统的蜂窝移动通 信

30、，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 通信技术服务的对象是网络中数量巨大分布广泛的终端用户，可 以极大的增加蜂窝移

31、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，通信安全性可以得到 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吐量也有很大的改善，特别是对

32、小 区边缘用户的吞吐量的改善更熟明显。 国内外研究及发展概况 此部分主要介绍蜂窝移动通信系统和 D2D 通信技术的研究及发展概况。 - 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发展概况 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， 其他工业化较早的国家也紧接着开发

33、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，并且其通信的安全性很低，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 通信系统最

34、重要的贡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服务业务，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 的大发展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 Access,

35、 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、操作子系统等几部分构成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

36、 年成功研制 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

37、术主要有三种，分别是 WCDMA 、CDMA2000 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

38、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 的基础上提出的第三代蜂窝移动 通信标准；TD-SCMDA 标准是由我国提出的，与 WCDMA 系统相似， TD-SCMDA 系统也是由 GSM/GPGS 网络演进而来， 同时它也使用大量的较先 进的技术，如软件无线电、智能天线和同步 CDMA 等技术，具有非常优良的 性能。 LTE-A 技术为 4G 技术的一种，是由 3GPP 标准化组织负责其标准化工作。 3GPP 于 1998 年成立，就不断对蜂窝移动通信系统继续演进演进，于 2005 年 启动了长期演

39、进（LTE ）技术，并于 2008 年 6 月完成了对 LTE-A 系统的技术 需求报告的发布。 LTE-A 系统采用 OFDMA 和 SC-FDMA 的传输方式，实现下 行峰值速率 1Gbp/s，上行 500Mbp/s 。LTE-A 系统可以满足更低的传输延时， 更高的传输速率，更大的系统容量和覆盖范围，由于 LTE-A 系统网络的扁平 化，使其网络的铺设和优化更加方便，减少运营经费，成为以分组数据业务传 16,17 输 为 目 标 的 新 一 代 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 标准 。 1.2.2 D2D 通信技术研究及发展概况 D2D 通信技术并不是一项新的技术， 在以往的很多技术或相

40、关协议中均 已经实现了 D2D 通信，例如 WLAN 技术、蓝牙技术等等，但是这些技术有着 共同的缺点，那就是他们所采用的频谱是非授权的，这样就会带来诸多的不足 之处，例如现在无线电频谱资源已经相当的紧缺了，在非授权等公共频段上聚 集了大量的用户，造成非授权频段非常拥挤；由于非授权频谱上聚集大量用户， 其带来的干扰也是非常复杂的，通信的安全和质量都得不到保障；这些技术仅 仅铺设在相应的人口密集的地方，可以覆盖的范围非常有限等等。 本课题说讨论的 D2D 通信技术是为了进一步提升 LTE-A 系统的性能的， 其工作在 LTE-A 授权的频段上。在 LTE-A 通信系统中的 D2D 通信是指在系统

41、 中邻近的两个用户终端，在基站的控制下，进行直接连接通信。这样的话，对 - 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 于蜂窝系统来说，大量的数据信息不需要通过基站进行转发，大大减轻了基站 的负荷；对于 D2D 通信用户来说，其工作在授权的频段上，所受到的干扰可 以保持在可以控制的范围内，可以得到安全可靠、干扰可控及高质量的服务。 对于将 D2D 通信技术引入到 LTE-A 蜂窝移动通信系统中来的研究，首先 是有 Doppler 教授于 2009 年提出的18,19 ，其阐述了在蜂窝移动通信系统下， 实现 D2D 通信基本问题，其中包括 D2D 通信的应用场景分析，网络架构的布 局、D2D 通信建

42、立与通信的过程，及蜂窝小区内 D2D 通信用户与蜂窝通信用 户之间的干扰分析等方面。 LTE-A 蜂窝移动通信系统下实现 D2D 通信的网络 架构如图 1-1 所示，LTE-A 的各项业务均是由分组域所承载，采用 SAE 的网 络架构，D2D 通信的建立和通信是基于会话初始协议（ Session Initiation Protocol, SIP ）和 IP （Internet Protocol ）协议，SIP 协议和 IP 协议的连接于断 开都是 MME （Mobility Management Entity, 移动管理实体）负责进行的。MME 通过数据报网络网关（Package Data N

43、etwork Gateway, PDN Gateway ）为终端 通信用户获得其 IP 地址，并作为 D2D 通信相关操作的中心控制器。 图 1-1 SAE 架构下 D2D 通信 在实现 D2D 通信的过程中，功率控制是一个重要的问题，文献20首选 使用较简单的功率控制方法去验证 D2D 通信的性能。 每个终端用户的信干噪 比（Signal to Interference Plus Noise Ratio, SINR ）作为功率控制的决定条件， 而 SINR 值的确定是通过 D2D 通信用户在小区内的位置信息所决定的，位置 信息的的精度在实际系统中较低，这种方法很难应用。通过 D2D 通信用户

44、和 蜂窝通信用户之间的干扰程度来进行功率控制的方法在文献21 中得到了研 究，并且通过对两种场景（一种是蜂窝通信用户与 D2D 通信用户互为竞争关 系，采用传输量最大化的贪婪思路对其进行分析；另一种是蜂窝通信用户具有 通信的优先权，D2D 通信操作是辅助系统，保证蜂窝通信用户通信速率大于 某一给定的速率门限的思想）进行了仿真，证明 D2D 通信对整个蜂窝移动通 信系统带来的增益情况。 在蜂窝移动通信系统中引入 D2D 通信之后，蜂窝移动通信系统中的通信 - 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 模式相应的增多了，模式的选择和切换也相应复杂了很多。此时的蜂窝移动通 信系统通信模式主要分蜂窝通信

45、和 D2D 通信两种22 。而且 D2D 通信按照频率 使用上又可以分为两种：一种是在蜂窝移动通信系统负载不重视，D2D 通信 使用蜂窝移动通信系统中的空闲的频谱资源（又称正交频谱资源） ，此时 D2D 通信与蜂窝通信之间由于采用不同的频率，之间不产生干扰；另一种是在蜂窝 移动通信系统负载较重时， 蜂窝系统没有多余的正交的频谱资源分配给 D2D 通信使用， D2D 通信在基站的控制下复用蜂窝通信用户正在使用的频谱，此 时可以通过功率控制、时隙分配等机制来进行干扰抑制。 在实现 D2D 通信的方法中，时隙的分配时非常重要的一步，文献23,24 对相关方面问题做了详细的研究。 LTE-A 系统有

46、FDD 和 TDD 两种模式，在实 现 D2D 通信的问题，TDD 系统具有更大的优势。原因在于在 TDD 模式下， 实现 D2D 通信，对网络和终端的改动可以达到最小，对终端模式要求较低， 复杂度也较低。 在遵循 3GPP 给定的 LTE-A 上/下行时隙分配的前提下，通过 分析 D2D 通信业务类型， 自适应的分配给 D2D 通信相应的时隙配置方式，达 到在时间遇上进行干扰的避免， 但是这样的系统对时间的同步精度要求非常 高。 将网络编码技术与 D2D 通信技术相结合的研究得到了关注25 ，为了进一 步节约频谱资源，基站与蜂窝通信用户之间采用多播方式，发送端在同一时间 发送相对独立的信息，

47、发送数据先经过网络编码在进行信道编码，最后经过调 制发送至信道中去。接收端接收数据先经过缓存，之后进行发送端的逆过程， 实现不增加带宽的情况下发送多个用户的信息。 1.2.3 文献综述的简析 通过总结查阅的相关文献发现， 将 D2D 通信应用到 LTE-A 蜂窝移动通信 系统中自提出以来，得到了广泛的关注。许多学者在相关方面进行了大量的研 究，学者们的只要研究方向是如何实现蜂窝移动通信系统下得 D2D 通信技术， 其中包括设计可以兼容 D2D 通信的蜂窝移动通信系统的网络架构、分析 D2D 通信与蜂窝通信之间的影响、 如何使用频率/ 时间等方面分配来优化并提升蜂 窝移动通信网络的系统吞吐量等等

48、。 但是相关文献的假设或多或少都与实际的 通信系统有所差异，再者对一个完整的场景的分析较少，多是只针对资源分配 或只针对功率控制，并且使用的方法也相对简单，对性能的提升有限。 对于蜂窝移动通信系统下 D2D 通信国内的研究相关文献相对较少，多数 文献是对 D2D 通信进行说明概述1,26 ；相关专利的申请都是在高层精心资源 控制操作，都是假定 D2D 通信已经实现应用27,28 ；而国内的博硕论文也是相 当极少，而且多数论文中缺少相关仿真，对核心技术资源分配、功率控制机干 - 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 扰抑制等问题研究不够深入。 1.3 本文的主要研究内容及结构 在 TD-LTE

49、-A 蜂窝通信系统下使用 D2D 通信技术， 将大大的增加小区的 通信容量和提高小区用户的服务质量， 本文研究的就是蜂窝通信网络下的 D2D 通信，其中研究重点是蜂窝通信系统在引入 D2D 通信之后，基站、蜂窝通信 用户以及 D2D 通信用户之间干扰问题，以及蜂窝通信系统下 D2D 通信的资源 分配问题。 本文共分四章，安排如下： 本文第一章，也就是这章主要介绍了本研究课题的背景及研究目的和意 义，并蜂窝移动通信和 D2D 通信的发展历程进行了概述，因此本研究课题的 主要研究内容，是本文的总述。 第二章对 TD-LTE-A 蜂窝通信系统做了详细的介绍，包括TD-LTE-A 系统 的发展演进、系

50、统的整体架构等。详细对 TD-LTE-A 系统的物理层帧结构、 物理层信道划分及物理数据流的操作过程做了论述。还对 LTE-A系统的关键 技术载波聚合、多天线增强、协作多点传输以及无线中继技术做了简要介绍。 第三章介绍了 TD-LTE-A 系统下的 D2D 通信技术， 从 D2D 通信技术的应用 场景及相关假设开始， 然后对 D2D 通信在现存的蜂窝通信系统中的建立方法 进行论述，接着在 D2D 通信无线资源使用方面，分别在专用方式和共享方式 上做了详细讨论， 并给出采用共享方式进行通信的 D2D 通信用户和蜂窝通信 用户之间的干扰分析和仿真验证。 第四章是本文的重点章节， 介绍了本文提出的

51、TD-LTE-A 系统下的 D2D 通信的资源分配方法。先对系统级仿真的环境进行了简要的介绍，然后对当 前的相关算法进行总结，根据传统算法计算量极大的问题，提出结合小区扇 区频谱分配相结合的 D2D 通信资源分配方法， 并对提出的改进算法进行仿真 验证，证明课题研究提出的算法的可行性。 最后，对全文进行了总结。 - 8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 TD-LTE-A 系统概述 2.1 LTE 及 LTE-A 演进过程 随 着 蜂 窝 移 动 通 信 的 快 速 发 展 ， 3G 网络已经走进了我们的生活，越来越 多的人们享用着随处的宽带接入服务， 但是随之全球移动通信用户的不

52、断激 增，对移动通信网络提出了更高的要求：更高的峰值通信速率，更低的通信延 时，更高的更灵活的频谱使用等等。由于这些服务质量的要求，全球的移动通 信明显向宽带化和 IP 化发展，但是蜂窝移动通信系统对移动宽带服务的支持 并不令人满意， 相反 WIFI 和 Wi 等无线宽带技术却得到了人们的青睐。 并且 2005 年 12 月，IEEE 正式通过了 802.16e 标准，其具有覆盖范围大、高速 率、低成本，以及全 IP 化等诸多优点29 ，很适合为城市中的用户提供移动宽 带数据业务。 宽带无线接入技术向移动化发展给移动通信技术带来了直接的竞 争压力，就在这种情况下，3GPP 和 3GPP2 在

53、2004 年底启动了 3G 技术的长期 演进（LTE ）的研究工作。 LTE 项目启动以来， 3GPP 组织就频繁的召开会议推进 LTE 的研究工作， 最终确定 LTE 系统下行采用 OFDMA 技术，上行采用 SC-FDMA 技术。到 2008 年 3 月，3GPP LTE 研究工作已经完成了大约 95% ，LTE 也被列入 3GPP R8 版 本的正式标准，同年 12 月，3GPP 公布了 FDD-LTE 和 TDD-LTE 标准，其定义 了 LTE 的基本功能和绝大部分的特性，LTE 进入实质的推广阶段。于此同时， LTE-A 项目在 3GPP 的推动下，也拉开了帷幕。 LTE 技术是

54、3G 技术向 4G 技术的一个过渡， 而 LTE-A 则是名副其实的 4G 技术，LTE-A 项目的启动正是为了满足 ITU-R 的 IMT-A 技术而开展的。LTE-A 技术在 LTE 技术的基础上，有添加了新的技术：载波聚合，多天线增强，中继 以及多点协作（CoMP ）技术。国际电信联盟在 2012 年无线电通信全会上，正 式审议通过了将 LTE-A 技术确定为 IMT-Advanced 的国际标准的提议，这样我 国主导研究的 TD-LTE-A 也成为国际 4G 标准之一。 2.2 LTE-A 系统综述 2.2.1 LTE-A 系统框架 LTE 移动通信系统主要由 E-UTRAN （Evo

55、lved UTRAN, 通用地面无线接入 网）和 EPC （Evolved Packet Core Network, 分组域核心网）组成30 ，如图 2-1 所示。 - 9 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 EPC MME / S-GW MME / S-GW EPS X2 E-UTRAN eNB eNB eNB 图 2-1 LTE 系统框架 由图 2-1 可知，LTE 系统中的网元主要包括：eNodeB 、MME 、S-GW 。主 要的网络接口有 eNodeB 之间的 X2 接口、eNodeB 与核心网 EPC 之间的 S1 接 口。 2.2.2 LTE-A 系统设计要求 LTE 系统的设计

56、要求主要可以从频段设置、数据速率、时延以及兼容性等 方面进行概括说明31,32 。 1. 频谱带宽配置：为了适应不同通信容量的需求，LTE-A 系统的频谱配置 非常灵活，支持不同大小带宽和非对称的频谱部署。 2. 数据传输速率和频谱利用率：当系统的带宽为 20MHz 时，系统上行、 下行可实现的最大传输速率分别为 100Mbps 和 50Mbps， 相对应的频谱效率分 别可以达到 5bit/s/Hz 和 2.5bit/s/Hz 。 3. 低时延：在 LTE 系统中无论是是用户平面延时还是控制平面的延时，均 远远低于现有的蜂窝通信系统。 4. 移动性 要求 ： LTE 系统需 要对 较低 的移

57、动速 度（0-15km/s ）下的性能进 行优化；在更高的移动速度（15-120km/s）下，可以实现较高的通信性能；在 120-350km/s 的移动速度下，要保持蜂窝系统的正常移动性。LTE 系统还被要 求设计应该能够在最高 350km/s 的移动速度（在某些频段上甚至可以支持 500km/s ）下保持用户终端能够与系统保持正常连接。 5. 业务需求： E-UTRAN 系统应该可以支持现有的所有业务，如浏览网 页、文件传输、视频流及 VoIP （Voice over Internet Protocol ） 。还应该支持更 先进的业务，如实时视频等。 - 10 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位

58、论文 2.2.3 TD-LTE-A 系统物理层结构 LTE 系统支持两种帧结构33 ， 分别支持 FDD 和 TDD 两种模式。本课题主 要研究的是 TDD 系统，TDD 系统所对应的帧结构为帧结构类型 2 ，结构如图 2-2 所示。 图 2-2 LTE 帧 结 构 类 型 2 （TDD 模式） LTE 系统中帧结构类型 2 中的时间基本单位为 T ，其他时域中的所有时间 s 均是时间单位 T 的整数倍，该时间基本单位定义为 T 1/ 150002048 秒。如 s s 图 2-2 所示，每个无线帧（Radio Frame ）的长度为 T 307200 T 10ms ，一个 f s 无 线 帧 是 由 两 个 半 帧 组 成 的 。 每 个 半 帧 （ Half-Frame ） 的 长 度 为 153600T 5ms ，一个半帧是由五个子帧组成。每个子帧（Subframe ）的长度 s 为 30720 T 1ms ，一个子帧是由 2 个时隙组成，每个时隙（Slot ）的长度为 s T 15360 T 0.5ms 。 Slot s 图 2-2 中的 DwPTS 、 UpPTS 和 GP 这三个时隙分别表示下行导频时隙、上 行导频时隙和保护间隔，这三个时隙组成的子帧称为特殊子帧，并且 DwPTS 、 GP 和 UpPTS 总长度为 30720 T 1ms