面向5G移动通信系统的D2D可靠多播通信关键技术研究

Device-to-Device (D2D) communication is introduced into 5G mobile communication system as the supporting and extension technology to achieve the goal of high data rate, high spectrum efficiency, low latency, low energy consumption. Especially, in the scenario of public safety, emergency communication, data distribution in the campus, in the exhibition, in the concert or in the office, D2D reliable multicast not only can reduce the latency, the energy consumption and redundant transmission, but also can improve the resource utilization and system throughput. In this project，by taking the advantage of Sparse Code Multiple Access (SCMA) which supports massive connectivity and uplink grant-free multiple access, D2D reliable multicast based on SCMA will be proposed to resolve the problem of high demand of uplink resource and latency in the multicast cluster. In addition, the formation strategy of cluster in D2D reliable multicast based on fuzzy clustering and joint game, and the adaptive switching algorithm of single-hop and multi-hop D2D reliable multicast will be present in order to realize multicast reliably when the cluster members’ location are random and the channel conditions are various.

为了达到5G移动通信系统高速率、高频谱利用率、短时延、低能耗等目标，终端直通技术（Device-to-Device，D2D）被引入作为5G移动通信系统的支撑和扩展技术。特别是在公共安全、应急通信，校园、展会、演出、办公室等场所的数据分发以及车载网和社交网络信息共享等场景下，利用D2D技术实现可靠的多播通信可进一步降低延时和能耗、减少冗余传输、提高资源利用率和系统吞吐量。本项目将利用稀疏码多址接入技术支持大量接入且上行免调度的特点，提出基于稀疏码多址接入的D2D可靠多播通信机制，以解决D2D可靠多播通信多播簇中上行资源需求高和延迟要求高等问题。此外，本项目还将提出基于模糊聚类和联合博弈的D2D可靠多播通信多播簇划分建立算法及单跳和多跳D2D可靠通信自适应切换算法，从而解决多播簇中各个簇成员节点随机分布信道状况各异而导致的D2D多播通信难以可靠传输的问题。

未来5G通信系统当中，海量接入、低延时高可靠的通信传输是该系统的关键技术要求。面对传统移动通信系统中的正交接入方式无法满足海量接入的问题以及内容分发、应急告警等应用的业务需求，本项目提出了采用基于稀疏码多址接入技术采用D2D多播的方式进行内容分发、应急告警的信息传输，以实现提高网络效率、降低延时和网络负载的目的。. 首先、本项目提出了基于用户活跃度的SCMA资源单元CTU与用户之间的分配算法以及CTU与码本之间的分配算法，降低了码本冲突及码本空闲的概率，提升了码本资源的利用率。从而降低了系统丢包率及译码端译码的复杂度。. 其次、本项目以车联网为应用背景，提出了基于匈牙利算法、贪婪算法和启发式算法的车联网中D2D多播通信频谱和功率分配算法，其中启发式算法在系统性能上接近最优的匈牙利算法，但计算复杂度得到极大的降低。. 第三、本项目将SCMA技术引入到车联网中的D2D通信技术研究当中，提出了基于图着色法的用户分簇和信干噪比选择相结合的SCMA接入下的D2D通信资源分配算法。该算法在系统吞吐量的性能方面有较大改善。. 第四、本项目提出了基于模糊聚类的多播簇分簇算法用于单跳D2D多播簇的建立，综合考虑簇内最大距离和簇间最小距离通过模糊聚类来对分簇进行控制，可获得较理想的分簇结果。还提出了基于联合博弈的D2D多跳多播簇建立维护算法，D2D节点间进行信息交互反馈，根据业务需求的不同，采用不同的链路选择准则选取多播链路，从而合理建立维护多跳的多播簇。. 本项目的研究有着广泛的应用前景，可用于车联网络的信息分发、告警信息传递以及多媒体信息交互，可用于5G系统中的海量接入和密集组网，也可用于社交网络系统的信息共享等方面。具有一定的理论意义和应用价值。