LTE-A蜂窝网络中D2D通信资源分配机制的随机模型与性能评价研究

The introduction of Device-to-Device Communications in LTE-Advanced cellular networks can both improve resource utilization and enable flexible and fast neighbour device discovery. Since the topologies of D2D enabled cellular networks are different from those of traditional cellular networks and multi-hop networks, it is necessary to formulate new performance evaluation models to quantify the amount of performance gain achieved by D2D communications, and to provide guidelines for the optimizations of the resource allocation schemes. The researches on the resource management and performance evaluation of D2D enabled LTE-A cellular networks have just begun in recent years, and most existing works assume that the number of users in the system is fixed and each user has infinite backlog to transmit. Different from the above studies, this project formulates packet and flow level performance evaluation models based on stochastic and dynamic traffic arrival processes. The quality-of-service (QoS) performances of D2D enabled LTE-Advanced networks are analyzed with queueing theory, stochastic Petri Nets, and stochastic network calculas. The performance gains in terms of delay and throughput etc. achieved by the introduction of D2D function into LTE-Advanced networks are quantified, and the performances of various resource allocation schemes that taking in account link interferences are analyzed and compared.

在LTE-A蜂窝网络中引入设备间直接通信（D2D）功能能够提高系统的频谱利用率并使得设备间的发现更加快速灵活。由于具有D2D功能的蜂窝网络拓扑既不同于传统蜂窝网络，也不同于传统多跳网络，因此需要建立新的性能评价模型对D2D通信所带来的性能增益进行评估并对资源分配机制的优化设计进行指导。目前关于LTE-A蜂窝网络中D2D链路资源分配及性能评价的研究刚刚起步，大都假设用户数目不变且具有无限积压业务。与上述研究不同，本项目基于业务随机动态到达的假设建立D2D通信的分组级和流级性能评价模型，通过排队论、随机Petri网、随机网络演算等理论工具，对支持D2D功能的LTE-A无线蜂窝网络的统计服务质量等进行性能分析，定量得出LTE-A无线蜂窝网络中引入D2D功能后在时延，吞吐量等方面取得的性能增益，并对各种考虑链路之间可能存在的相互干扰的资源分配机制进行性能分析和比较。

终端直通（D2D）通信是使得设备间不需要经过基站等基础设施进行数据转发而可以直接进行空口通信的一类技术。作为第四代以及未来第五代移动通信系统的关键技术之一，D2D 通信通过单跳增益、邻近增益和重用增益可以提高无线传输的频谱效率、降低传输时延和发射功率，并提供更加快速灵活的邻居和业务发现。. 本项目系统地研究了D2D通信中的无线资源管理与控制问题。首先提出了运营商控制的D2D通信概念及系统模型，根据运营商的控制级别将D2D通信分为两大类：运营商完全控制的D2D通信和运营商松散控制的 D2D通信，并对两类模型的特点进行了深入分析和比较。. 接下来构建面向突发业务的分组级和流级随机模型，并通过模型迭代与分解技术解决了模型求解过程中的状态空间爆炸问题。以随机Petri网为理论工具建立D2D通信排队系统服务器模型，进而对动态干扰情况下的D2D 通信分组级性能进行分析。将系统建模为三种路由模式，建立D2D通信中模式选择机制的排队模型并通过对不同模式性能进行评价进行模式选择决策。基于排队论和随机几何理论，研究了OFDM蜂窝网系统中，D2D分别采用overlay和underlay两种频谱分配方式下的流级性能。. 最后研究了D2D通信中时延感知的动态优化问题，并通过近似动态规划技术解决了模型求解过程中的维数灾难问题。提出了分组级时延感知资源控制优化框架，对模式选择，资源分配和功率控制这三项重要机制进行联合优化，建立了相应的马尔可夫决策模型并指出其在在线策略更新和随机策略优化等方面存在的若干开放性问题。以流级动态业务模型为基础，定义了新的性能优化指标，实现了往来吞吐量最大化和传输功率最小化之间的最佳权衡。