基于毫米波无线传输的D2D通信理论与关键技术研究

The fifth generation (5G) cellular networks are heterogeneous, while the high-speed services are required in hotspot area. To overcome the heterogeneity and provide the high-speed services, it has attracted more and more attentions in exploring the frame of the millimeter-wave (mmWave) D2D communication, as well as, the wireless transmission theory and the resource allocation scheme. However, the related research remains in its initial stage, and lots of challenges still reside in the fundamental theory and the key technologies. This proposal intends to carry out the fundamental theory and the key technologies of mmWave D2D communications for 5G networks. We will study the efficient joint spectrum-energy optimization scheme with low complexity based on the dynamic beamforming and beam tracking technologies. Then we focus on the cooperative communication strategy for the mmWave D2D communication which can overcome the high path-loss and turn around the blockages. Finally, we explore the mode selection scheme for the new network architecture which is mixed high and low frequencies networks. We expect to present the interference management and resource allocation strategies for the mmWave D2D communication based on the prior information. Through the theoretical analysis and simulations, it will lay a foundation for the practical applications in the 5G networks.

为满足5G移动通信中网络业务不均匀性和热点地区业务高速数据分发的需求，研究适用于毫米波D2D通信系统架构、无线传输理论、以及资源分配方案等，正得到国际上越来越广泛的关注，而相关理论与方法的探索尚在起步阶段，仍存在许多具有挑战性的基础理论和关键技术。本项目拟开展基于毫米波无线传输的D2D通信理论与关键技术研究，从低复杂度波束赋形和波束追踪技术出发，深入研究低复杂度高效谱-能联合优化理论和方法，着力解决可有效克服毫米波信道高衰耗易被阻挡特性的协作传输方案，探寻面向高低频搭配的资源共享模式切换算法，提出基于环境先验知识的毫米波D2D通信高效干扰管控机制与优化方法。通过深入的理论分析与实验仿真，为基于毫米波无线传输的D2D通信在5G中的实际应用打下基础。

1）针对高传输速率需求的网络，通过复用宏用户的时频资源，在距离较近的用户之间进行端到端直接通信，提升系统容量的同时提升用户的数据传输速率。针对D2D通信模式下的复杂干扰，本研究提出BF和IC策略下D2D通信系统的理论分析框架，分析了系统主要性能指标，在解析分析的基础上提出了系统资源优化方案。.2）针对D2D用户之间的距离不够近，或D2D用户间存在阻挡，且受限于D2D通信模式下的干扰，无法满足高速数据传输需求的场景，本研究有效结合中继技术，利用不同的中继转发协议进行协作传输，提升覆盖性能。针对中继辅助的D2D通信系统，通过建立闭式分析方法，获得定量的分析结果，并基于此建立资源分配方案，提升系统性能。.3）针对不同的实际应用场景（车联网、城市市区、郊区等），考虑存在LOS分量，建立更为通用的D2D通信系统理论分析框架，进而去分析D2D通信系统的实际性能，并据此设计有效的功率分配算法。.4）面向6G，将成本更低的智能超表面技术应用于D2D通信系统中，弥补D2D通信系统中用户设备计算能力和资源受限且高度依赖于传播环境的缺陷，研究建立基于智能超表面辅助的D2D通信理论框架，并在获得解析解的基础上分析参数对系统主要性能的影响，设计相应的资源优化方案，有效提升无线通信质量。.5）针对中继、智能超表面共存的实际应用场景中，在多种D2D通信模式（中继辅助模式、RIS辅助模式、直通模式等）之间进行资源共享模式动态切换，保证用户始终保持最佳的通信体验。