基于D2D通信的移动流量卸载性能优化研究

Device-to-device(D2D)-based traffic offloading has been validated as an effective way to relieve the pressure of cellular networks. However, existing works seldom fully consider the requirements of both network operators and users, which leaves large space for optimizing the traffic offloading performance. This project studies how to jointly optimize both offloading efficiency and users' energy consumption, on the premise of satisfying users' delay requirements. The project will conduct research on the conditions with/without cellular network assist, to meet the challenges of reasonable and accurate optimization bases, convenient and excellent optimization means, and reliable and practical optimization guarantees. For the problem with network assist, we will study the on-demand D2D transmission policy with adaptive adjustment of seed set, based on the theoretical analysis of the relationship among seed set, offloading efficiency and energy consumption, while designing practical feedback schemes to maintain the accuracy of the adjustment. For the problem without network assist, we will first model the user relationship based on the historical information of mobility and social contacts, and then study the D2D transmission optimization policy with delay guarantees, while designing effective D2D link interference management scheme to guarantee the effectiveness of the optimization policy. This study can provide effective solutions for relieving the contradiction between 5G users' huge traffic demand and limited spectrum resource.

基于D2D通信的流量卸载已被验证为缓解蜂窝网流量压力的有效途径，但当前研究未全面考虑运营商和用户的需求，还存在较大优化空间。本项目力求在满足用户时延需求的前提下，联合优化运营商着重关心的流量卸载效率和用户所关心的能耗性能。项目紧紧围绕面临的“合理准确的优化依据、方便完备的优化手段、可靠实用的优化保证”三大挑战，在有无蜂窝网络辅助两种条件下展开研究。对于有蜂窝网络辅助的情况，理论分析种子集与卸载效率、能耗性能的关系，以此为基础研究自适应种子集调整的按需D2D传输策略，同时设计实用的移动用户信息反馈机制来保证传输调整的准确性；对于无蜂窝网络辅助的情况，建立基于移动与社交历史信息的用户关系模型，以此为基础研究具有时延保证能力的D2D传输优化策略，同时设计高效的D2D链路干扰管理机制保证优化策略的有效性。项目研究成果可以为缓解5G网络用户海量流量需求与有限频谱网络资源的矛盾提供有效解决方案。

本项目研究如何利用D2D直连通信的优势，将拥塞基站的流量卸载到邻近的空闲基站上，利用邻近空闲基站的蜂窝网资源来解决基站拥塞的问题，以提高网络容量、实现负载均衡。具体而言，主要有以下三个方面的研究进展。. 1）通过单跳D2D中继通信将流量从拥塞基站卸载到邻近的空闲基站，可以解决局部网络拥塞的问题。我们联合单跳D2D中继通信和重叠区域用户关联的优势提出一个流量卸载方案，在保证D2D中继通信过程稳定的条件下，推导出基于稳定性约束的最大化系统吞吐量优化模型。之后，我们设计了基于稳定性的流量卸载算法来实现稳定的D2D中继通信流量卸载。结果显示，相较于其他方案，所提算法能够在保证网络稳定的情况下，将拥塞基站内的流量卸载到空闲基站上，以解决网络拥塞的问题，同时有效提高系统的吞吐量。. 2）引入多跳D2D通信扩大流量卸载范围。在满足用户延迟约束的需求下，我们提出一个基于负载公平的多跳D2D流量卸载方案。之后，我们在延迟约束和负载公平性约束条件下，推导出最大化流量卸载范围的优化模型，并提出基于公平性的流量卸载算法来实现这个过程。结果显示，所提算法能够保证卸载到每个空闲基站的流量公平，同时有效扩大流量卸载范围，进一步整合蜂窝网资源服务更多的用户。. 3）在实际网络环境中，我们需要基于对网络拥塞情况的判断，提出一种自适应流量卸载方案来动态解决蜂窝网拥塞的问题。通过设定自适应选择条件，根据网络拥塞情况，选择基于单跳D2D通信的流量卸载方案或者基于多跳D2D通信的流量卸载方案来解决网络拥塞问题。结果显示，所提自适应方案能有效适应网络环境，可以根据网络环境来选择合适的方案卸载流量，有效地提升网络的性能。