蜂窝系统面向多模D2D通信的延迟感知联合调度方法

Device-to-device (D2D) communication has been identified as one of the key technologies for the next-generation cellular systems. A hot topic on the research of D2D communications is the algorithm design for joint scheduling on communication mode selection, radio resource allocation, and power control. However, existing research on joint scheduling commonly consider only the direct D2D communication mode, which may limit the capability of D2D communications on traffic offloading in cellular systems, because the source and destination D2D-capable user equipments (DUEs) may not be able to perform direct communication owing to long separation distance and poor channel condition between them. In such cases, it is necessary to bring in relay nodes to further extend the range of D2D communications. Based on such a background, this project, for the first time, takes into account two new types of relay-assisted D2D modes, dedicated/reuse relay D2D mode and dedicated/reuse cooperative D2D mode, in the joint scheduling algorithm design. New system model for cellular multi-mode D2D communications is proposed. Based on the system model, researches are pushed ahead under both the conditions of completely-known channels state information (CSI) and partly-known CSI, respectively. By using related mathematical theories, analytical models are first established to derive the end-to-end transmission delay for each D2D mode. Then corresponding mathematical models for the joint scheduling problems are carried out, followed by solving processes, according to which, delay-aware joint scheduling algorithms combinedly considering both transmission delay criteria on link layer and spectrum efficiency/energy efficiency criteria on physical layer are designed.

D2D通信被认为是下一代蜂窝系统的关键技术之一。综合考虑通信模式选择、频率资源分配和功率控制的联合调度方案设计是D2D通信技术研究中的热点，但现有联合调度方案一般只考虑直接D2D模式，这会限制D2D通信在蜂窝系统中的流量分流能力，因为具有D2D功能的收发用户可能会由于距离较远或信道条件较差而不能直接通信。因此有必要引入中继节点来进一步拓展D2D通信的距离。基于这一背景，本课题首次将正交/复用中继D2D和正交/复用协作D2D两类新的有中继辅助的D2D通信模式纳入到联合调度方案的设计中，提出新的蜂窝多模D2D通信系统模型，并分别在信道状态信息完全确知和部分确知两种情形下，运用相关数学理论，先针对该系统模型建立用于估计各D2D模式端到端数据传输时延的理论模型，进而对联合调度问题进行数学建模并求解，给出综合考虑链路层数据传输时延和物理层频效/能效指标的对延迟敏感的联合调度方案设计。

D2D通信提升蜂窝系统资源利用率的关键技术之一，但只考虑直接D2D模式会限制D2D通信在蜂窝系统中的流量分流能力，因为具有D2D功能的收发用户可能会由于距离较远或信道条件差而不能直接通信。因而有必要引入中继辅助的D2D模式来进一步拓展D2D通信距离。本课题提出了涉及中继辅助的蜂窝多模D2D通信系统模型，并基于该模型重点对基站侧综合考虑模式选择、资源分配和功率控制的联合调度算法进行了深入研究，取得的主要研究成果如下：.(1)针对涉及的D2D通信模式，分别在信道状态信息(CSI)完全确知和部分确知场景下，提出了基于排队论的端到端传输时延估计模型，模型充分考虑了数据包达到率、各节点缓存大小及信道状态对数据包传输时延的影响，并将链路的数据包传输错误和数据包重传纳入到了模型中。.(2)在CSI完全确知场景下，以最大化小区吞吐量为目标，提出了涉及中继辅助模式的多模D2D通信联合调度问题模型，模型的求解从中继选择、接入控制、模式选择以及信道分配等方面逐步进行，最终求得最优的基站联合调度决策。.(3)在CSI部分确知场景下，以最大化小区吞吐量为目标，对联合调度问题进行了建模，通过逐步考虑中继选择、接入控制、功率分配和模式选择，完成了对问题的求解，进而给出了有效的联合调度算法设计。特别地，我们将信道不确定性建模为服从概率分配的随机变量，较好地解决了建模中的信道不确定性问题。.(4) 在CSI部分确知场景下，完成了在满足用户服务质量和时延要求情况下以最大化整个系统传输速率为目标的基站侧跨层联合调度问题的建模，并通过对模型的求解给出了跨层联合调度方案设计。.项目研究工作旨在探索频率资源受限情况下，D2D通信技术对蜂窝系统性能提升的理论上限。研究中，我们给出综合考虑D2D用户通信模式选择、频率资源分配和功率控制的基站联合调度问题的建模方法，研究工作从体制角度提升了蜂窝系统中D2D通信的自由度。研究结果完善了蜂窝多模D2D通信联合调度问题研究的理论框架，对实际蜂窝D2D通信的调度方案设计具有指导意义。