D2D使能的毫米波小蜂窝子信道分配机制研究

Deploying small cells in the millimeter wave band densely underlying the macrocell to form the heterogeneous cellular networks can take advantage of broad coverage and high reliability of macrocells and also high capacity of millimeter wave small cells. With millimeter wave small cells densely deployed, D2D communications in the millimeter wave band can save power and improve spectral efficiency. In the system of D2D communications enabled heterogeneous cellular networks, sub-channel allocation for access, backhaul, and D2D links has a big impact on system performance. Existing sub-channel allocation schemes do not consider the directivity and sensitivity to blockage of millimeter wave communications, and the scenario of heterogeneous cellular networks is also not considered. This project focuses on the sub-channel allocation problem in the scenario of millimeter wave small cells densely deployed with D2D communications enabled. Specially, we first design the sub-channel allocation scheme for access and D2D links to maximize the sum rate of access and D2D links in the system. Second, with wireless backhaul in the millimeter wave band considered, we further design the joint sub-channel allocation for access, backhaul, and D2D links. Third, we will design the sub-channel allocation scheme for D2D links in the heterogeneous cellular network to maximize the statistical mean sum rate. The purpose of this project is to provide theoretical foundation and technical support for the deployment of millimeter wave small cells in heterogeneous cellular networks.

毫米波小蜂窝密集部署在低频段宏蜂窝构成异构蜂窝网，可充分发挥宏蜂窝广覆盖、可靠性高以及毫米波小蜂窝高容量的优势。在毫米波小蜂窝密集部署场景中，毫米波D2D通信可节省功耗且提高频谱效率。在D2D使能的异构蜂窝网系统中，接入、回传和D2D链路的子信道分配机制对系统性能有重要影响。现有的子信道分配方法没有考虑毫米波通信的定向性和遮挡敏感特性，且没有考虑异构蜂窝网场景。为此，课题针对D2D使能的毫米波小蜂窝密集部署场景子信道分配问题展开研究：1）设计毫米波小蜂窝接入与D2D链路子信道分配机制，最大化系统中接入和D2D链路的和速率；2）考虑毫米波无线回传，设计接入、回传与D2D链路联合子信道分配机制；3）设计用于异构蜂窝网场景的D2D链路子信道分配机制以最大化统计平均意义上的和速率。本项目的研究成果可为异构蜂窝网中毫米波小蜂窝的部署提供理论基础和技术支撑。

毫米波小蜂窝密集部署在低频段宏蜂窝构成异构蜂窝网，可充分发挥宏蜂窝广覆盖、可靠性高以及毫米波小蜂窝高容量的优势。在毫米波小蜂窝密集部署场景中，毫米波D2D通信可节省功耗且提高频谱效率。在D2D使能的异构蜂窝网系统中，接入、回传和D2D链路的子信道分配机制对系统性能有重要影响。为此，课题针对D2D使能的毫米波小蜂窝密集部署场景子信道分配问题展开研究：1）设计毫米波小蜂窝接入与D2D链路子信道分配机制，最大化系统中接入和D2D链路的和速率；2）考虑毫米波无线回传，设计接入、回传与D2D链路联合子信道分配机制；3）设计用于异构蜂窝网场景的D2D链路子信道分配机制以最大化统计平均意义上的和速率。项目在SCI检索学术刊物上发表论文18篇， EI检索刊物和国际会议上发表论文7篇。具体来说，重要成果如下。1）考虑异构蜂窝网络D2D链路的资源分配问题，提出一种启发式算法来充分利用蜂窝网络和毫米波网络的优势，以最大化系统总速率。性能评估表明，从统计平均意义上，所提算法比全毫米波频段操作算法可以使系统总的传输速率性能提升近36%。2）考虑异构蜂窝网小蜂窝密集部署场景，sub-6 GHz频段用于接入与D2D用户，同时D2D链路可共享毫米波频段。针对全双工接入与D2D链路子信道分配问题，基于联盟博弈理论，提出一种信道分配方案，以较低复杂度实现优异的性能。3）考虑毫米波小蜂窝多播服务场景，提出一种有效的多播调度方案，基于多级天线码本利用并发传输和D2D通信优化网络性能。性能评估表明，与其他最新方案相比，所提方案在网络吞吐量和能效方面有显著提高。4）考虑毫米波的遮挡敏感性，同时满足流的服务质量要求，提出一种用于毫米波回传网络的中继辅助调度方案。性能评估结果表明，与其它方案相比，所提方案能有效地克服遮挡敏感问题，提高网络吞吐量和完成流的数量。本项目的研究成果对于未来移动网络中毫米波小蜂窝的部署有重要推动作用，相关关键技术有望应用在下一代蜂窝网络中。