毫米波D2D网络动态阻挡特性与抗阻挡优化方法研究

Millimeter wave communication， D2D communication，blockage effect，relay system.Millimeter-wave D2D communication has become the most promising technology in 5G short-distance communication because of its high-speed transmission rate that benefited from direct connection. However, the frequent occurrence of random dynamic blockage on transmission channel seriously affects the communication performance of millimeter-wave system. Due to the lack of blockage effect analysis and limitation of sufficient relay conditions, the existing blockage robust strategies based on relay forwarding encounter the bottleneck of difficulty in adapting to the actual blockage environment. In this regard, the project explores adaptive blockage robust strategies based on blockage effect analysis. By studying the correlation between relay deployment and dynamic blockage effect, we tries to find the lower limit of "minimum relay density" that guarantee acceptable transmission performance under blockage. Through studying the inherent mechanism between beam width and blockage effect, we try to verify the feasibility of anti-blocking by adjusting beam width. Then the joint optimization of "blockage probability-transmission rate" and "relay selection-beam width" is attempted to address the challenge of dynamic change of blockage state and insufficient relays. The project will test and validate the performance of the proposed scheme in typical application scenarios. The scientific essence lies in exploring the inner relationship among the relay location and number, signal beam, obstacle size and speed and dynamic blockage effect. The research results will provide valuable theoretical basis and technical reference for millimeter wave and D2D technology, and will be of important significance for promoting the application of 5G mobile communication and Internet of Things.

毫米波D2D通信因设备直连可实现高速传输，成为5G短距离通信中最具潜力技术，然而传输信道上面临的随机动态阻挡频繁发生严重影响了毫米波系统通信性能。现有基于中继转发的抗阻挡策略，因缺乏对阻挡特性的分析且受限于中继充足条件，面临难以适应实际阻挡环境的困境。对此，本项目探索基于阻挡特性的自适应抗阻挡策略。试图通过研究中继部署与动态阻挡特性相关规律，寻求保证抗阻挡性能的“最低中继密度”下限；研究波束宽度与阻挡特性间内在机理，尝试利用波束宽度调整实现抗阻挡的可行性；尝试将“阻挡概率-传输速率”与“中继选择-波束宽度”联合进行优化，解决阻挡动态变化及中继不充足挑战。项目将针对典型应用场景进行试验测试和系统验证。其科学实质是探索中继位置与数量、信号波束、障碍物大小与速率等物理属性与动态阻挡特性间内在关系，成果将为毫米波和D2D技术提供有价值的理论依据与技术参考，对推动5G移动通信和物联网应用有重要意义。

本项目主要针对未来移动通信关键问题之一毫米波通信展开研究，并紧跟应用热点对毫米波无人机通信中的关键难题进行探索。毫米波通信由于带宽大、速率高，在未来移动通信系统中占据重要地位，而毫米波无人机通信由于灵活性高、部署快，在灾难现场、偏远地区等按需通信应用场景将发挥重要作用。然而，毫米波信号极容易受障碍物所阻挡，使得传输稳定性变差，系统可靠性降低。已有关于毫米波信道阻挡特性及抗阻挡通信机制的研究仍严重不足，特别是对于中继辅助毫米波通信、毫米波无人机通信及考虑波束宽度下的动态阻挡特性问题及抗阻挡策略仍亟需研究。为此，本项目主要开展了以下研究内容，并取得了一定的研究成果：.（1）中继部署与动态阻挡特性调控规律数学建模和分析方法研究. 提出了“随机多中继毫米波D2D通信系统动态阻挡数学建模和分析方法”，得出了中继链路动态阻挡概率闭式解，并基于此得出了保证抗阻挡性能的“最低中继密度”下限，作为中继是否充足的判断依据。提出了“考虑高度波动下的毫米波无人机通信动态阻挡数学建模和分析方法”，建立了毫米波无人机通信动态阻挡特性理论分析模型，得出了动态阻挡及无人机高度波动对系统可靠性的影响机制及作用规律。.（2）波束宽度与动态阻挡特性调控规律数学建模和分析方法研究. 提出了“波束宽度作用下动态阻挡数学建模和分析方法”，建立了考虑波束宽度下的阻挡特性数学模型，得出了阻挡概率表达式，分析了天线波束宽度与阻挡概率及发射机覆盖率之间的作用关系。.（3）毫米波通信抗阻挡优化方法研究. 提出了“基于联合中继选择和资源优化的毫米波D2D通信抗阻挡和抗干扰传输方法”，通过选择最佳中继克服阻挡问题，通过资源优化降低链路间干扰，有效提升了系统吞吐量。提出了“基于建筑物几何分析的毫米波抗阻挡多无人机部署方法”，利用基于建筑物几何分析的阻挡检测结果构建用户分簇，并根据路径损耗振荡规律设计无人机位置最优部署策略，有效提高了视距通信用户数目，降低了系统总路径损耗。. 综上所述，本项目对毫米波通信动态阻挡特性进行了较全面理论分析，为设计抗阻挡毫米波通信机制提供了理论依据和设计参考。所提出的毫米波抗阻挡传输及部署策略，有效降低了障碍物阻挡对系统性能的影响，提升了系统传输性能和可靠性，对推动6G毫米波及无人机通信发展具有重要意义。