《基于一般NP-hard的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題的D2D通信資源分配算法》7700字

基于一般NP-hard的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題的D2D通信資源分配算法摘要：設(shè)備對設(shè)備（D2D）通信是一種能夠有效提高蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的技術(shù)。在本文中，我們研究了在保證蜂窩用戶設(shè)備（CUEs）和D2D用戶設(shè)備（DUEs）服務(wù)質(zhì)量的前提下，使系統(tǒng)總數(shù)據(jù)率最大化的聯(lián)合上行下行資源分配問題。特別地，我們共同考慮了上行下行子載波資源的復(fù)用問題，并將優(yōu)化問題描述為一般NP-hard的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題(MINLP)。為了讓這個(gè)問題更容易處理，我們提出了一個(gè)包含兩個(gè)步驟的計(jì)劃。首先，將最優(yōu)功率分配問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題，通過在有限集合中搜索得到最優(yōu)解。然后，提出一種最大權(quán)值二部匹配方案，為每個(gè)D2D用戶設(shè)備選擇最優(yōu)子載波。仿真結(jié)果顯示，我們提出的方法可以有效地提高系統(tǒng)的性能。關(guān)鍵詞：設(shè)備對設(shè)備，通信，上行和下行子載波分配，功率分配，最大權(quán)值二部匹配1緒論51.1背景和意義51.2研究現(xiàn)狀51.3主要工作與結(jié)構(gòu)安排61.3.1主要工作61.3.2結(jié)構(gòu)安排62系統(tǒng)模型和問題表述72.1系統(tǒng)模型72.2問題表述93基于匹配的聯(lián)合上行和下行鏈路資源分配方案103.1功率分配113.2問題描述134仿真結(jié)果155結(jié)束語19參考文獻(xiàn)21緒論1.1背景和意義為了滿足第五代無線通信網(wǎng)絡(luò)的要求（即1000倍以上的數(shù)據(jù)流量），人們在提高頻譜效率方面做了很大努力。在5G系統(tǒng)中，設(shè)備對設(shè)備（D2D）通信是一種能夠有效提高頻譜利用率的技術(shù)，它允許兩個(gè)附近的終端用戶直接通信，而不是通過基站，這吸引了越來越多的學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的興趣。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的D2D通信中，D2D用戶設(shè)備能夠復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備的子載波，這樣會(huì)引起更多干擾。沒有有效的干擾管理，這種網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能可能會(huì)退化而不是增強(qiáng)。因此，設(shè)計(jì)出有效的資源管理方案來探索D2D帶來的性能效益是很重要的。1.2研究現(xiàn)狀最近，有大量的D2D通信資源分配的研究工作，主要分為兩個(gè)種類。一種是D2D通信的上行資源分配（例如D2D用戶設(shè)備只復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備的上行子載波）。具體來說，在保證D2D用戶設(shè)備和蜂窩用戶設(shè)備服務(wù)質(zhì)量需求的前提下，最大化系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)速率。參考[10]中的作者進(jìn)一步研究了加權(quán)系統(tǒng)數(shù)據(jù)率最大化問題，同時(shí)保證了個(gè)體蜂窩用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)率最小值和D2D用戶設(shè)備之間的比例公平。參考[11]旨在最小化蜂窩用戶設(shè)備和D2D用戶設(shè)備的系統(tǒng)總功耗，從而保證所有用戶所需的基本速率要求。參考[12]致力于最小化所有用戶之間的干擾。而另外一種分類就是D2D的下行資源分配（例如D2D用戶設(shè)備只復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備的下行子載波）。參考[13]的作者分析了當(dāng)D2D用戶設(shè)備復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備下行子載波資源時(shí)D2D通信的表現(xiàn)。參考[14]—[17]通過不同的數(shù)學(xué)工具最大化系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)速率。為了實(shí)現(xiàn)綠色通信，參考[18]-[20]研究了能量效率的最大化問題，其中[18]只考慮了所有D2D用戶設(shè)備的能量效率最大化問題，參考[19]最大化了系統(tǒng)整體的能量效率，而參考[20]進(jìn)一步平衡了系統(tǒng)的能量效率和光譜效率。但是，如上所示，參考[6]-[12]只考慮了上行子載波的復(fù)用，而參考[13]-[20]只允許D2D用戶設(shè)備分享下行子載波。他們還沒有研究如何共同復(fù)用上行子載波和下行子載波，由于D2D用戶設(shè)備只能復(fù)用系統(tǒng)的上行或下行子載波，使得整個(gè)擁擠的無線頻譜沒有得到充分利用。相反，參考[21]-[23]聯(lián)合考慮了蜂窩網(wǎng)絡(luò)中上行和下行子載波的復(fù)用。特別地，參考[21]、[22]旨在最大化所有D2D用戶設(shè)備的和速率，其中[21]提出一種新型的獲得感知上行下行資源分配方法，[22]研究了干擾管理算法，包括接納控制、功率分配和信道分配。然而，這兩篇文獻(xiàn)只是最大限度地提高了D2D用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)率，從系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)率的角度來看并不是最優(yōu)的。參考[23]在全雙工蜂窩網(wǎng)絡(luò)中采用D2D通信概念來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量，但缺乏對蜂窩用戶設(shè)備的保護(hù)機(jī)制。因此，[23]中的解決方案并不能保證蜂窩用戶設(shè)備的服務(wù)質(zhì)量。1.3主要工作與結(jié)構(gòu)安排1.3.1主要工作據(jù)我們所知，還沒有人通過將上行和下行鏈路子載波共同分配到D2D用戶設(shè)備來提高系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保證蜂窩用戶設(shè)備和D2D用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)速率要求。因此，為充分提高D2D用戶設(shè)備的頻譜使用效率，設(shè)計(jì)有效的聯(lián)合上行和下行資源分配方案至關(guān)重要。與參考[6]-[23]不同的是，我們研究了聯(lián)合的上行和下行資源分配，以最大限度地提高系統(tǒng)中所有用戶的總數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保證蜂窩用戶設(shè)備和D2D用戶設(shè)備的服務(wù)質(zhì)量。特別地，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)由兩個(gè)步驟組成的聯(lián)合上行和下行鏈路資源分配方案。首先，為每個(gè)可能的蜂窩用戶設(shè)備-D2D用戶設(shè)備設(shè)計(jì)了最優(yōu)功率控制方案，以最大限度地提高總體數(shù)據(jù)速率。然后，在第二步中，提出一種最大權(quán)值二部匹配方案，為每個(gè)D2D用戶設(shè)備分配最優(yōu)子載波，結(jié)果表明，所提出的聯(lián)合上行下行資源分配方案在D2D接入速率和系統(tǒng)總數(shù)據(jù)速率方面都能顯著提高系統(tǒng)性能。1.3.2結(jié)構(gòu)安排本文的其余部分組織如下。第二章介紹了我們的系統(tǒng)模型，闡述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率最大化問題。本文提出的功率控制和子載波分配算法在第三章中給出。第四章給出了仿真結(jié)果，最后第五章總結(jié)了本文。第2章.系統(tǒng)模型和問題表述2.1系統(tǒng)模型我們考慮由一個(gè)基站和多個(gè)D2D用戶設(shè)備和蜂窩用戶設(shè)備共存的單細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)?；矩?fù)責(zé)將子載波資源分配給D2D用戶設(shè)備和蜂窩用戶設(shè)備。我們用j，i來表示蜂窩用戶設(shè)備j和D2D用戶設(shè)備i，分別地，j∈C={1,2,...,M},i∈D={1,2,...,N},假設(shè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用頻分雙工，上行子載波和下行子載波分別占據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)頻譜的一半。此外，我們假設(shè)每個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都預(yù)先分配了一個(gè)正交上行子載波和一個(gè)正交下行子載波。為了管理干擾，我們假設(shè)每個(gè)子載波(無論是上行還是下行)最多可以被一個(gè)D2D通信設(shè)備復(fù)用，每個(gè)D2D通信設(shè)備最多可以復(fù)用一個(gè)子載波。我們假設(shè)所有的鏈路不僅經(jīng)歷了慢速的陰影和路徑丟失，而且還經(jīng)歷了參考[24]中多徑傳播引起的快速衰落。即，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備j與基站之間的瞬時(shí)信道增益建模為：gj,B=Gβj,BΓj,Bl-αj,B(1)式中G，βj,B，Γj,B,lj,B，α分別為路徑損耗常數(shù)，指數(shù)分布的快衰落增益，對數(shù)正態(tài)分布的慢衰落增益，蜂窩用戶與基站之間的距離，和路徑損耗指數(shù)。類似地，我們定義gB,j,gi,B,gB,i,gj,i,gi,j，和gi,i分別作為基站和蜂窩用戶設(shè)備之間的信道增益，通信用戶設(shè)備i和基站之間的信道增益，基站和通信用戶設(shè)備i之間的信道增益，蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備j和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備i之間的信道增益，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備i和蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備j之間的信道增益，D2D發(fā)射器和D2D接收器之間的信道增益，我們假設(shè)基站具有所涉及的所有鏈路的完美信道狀態(tài)信息，從而可以設(shè)計(jì)一個(gè)集中的資源分配方案1。圖一如圖一所示:設(shè)備對設(shè)備底層通信的系統(tǒng)場景。系統(tǒng)中有M個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和N個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以在底層模式下復(fù)用上行和下行子載波，同時(shí)保持在基站的控制下。定義二元變量ρui,j和ρdi,j，如果D2D用戶設(shè)備i復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的上行子載波，則ρui,j=1，否則ρui,j=0。類似地，如果D2D用戶設(shè)備i復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的下行子載波，則ρdi,j=1，否則ρdi,j=0。對于蜂窩用戶設(shè)備j，其接收信號的干擾加噪聲比(SINR)可表示為：(2)式中pj、pi、pB、j分別表示蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備j的發(fā)射功率、D2D通信設(shè)備i的發(fā)射功率、BS到蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備j的發(fā)射功率。N0是零均值加性高斯白噪聲的方差。因此，蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備j的可達(dá)上行數(shù)據(jù)速率和可達(dá)下行數(shù)據(jù)速率可分別表示為Ruj=log2(1+γuj)(3)Raj=log2(1+γdj)(4)類似地，D2D通信設(shè)備i的干擾加噪聲比可以表示為D2D通信設(shè)備i可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率為Ri=log2(1+γi)(6)整個(gè)系統(tǒng)的和數(shù)據(jù)速率為2.2問題表述在本文中，我們研究了聯(lián)合上行和下行鏈路的資源分配問題，以最大限度地提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保證通信用戶設(shè)備和蜂窩用戶設(shè)備的最小干擾加噪聲比要求。特別地，我們將其表述為以下優(yōu)化問題：在P1中，p是發(fā)射功率的集合，包括蜂窩用戶設(shè)備、通信用戶設(shè)備和基站的發(fā)射功率，ρ是二元變量的集合，它指示了通信用戶設(shè)備子載波的分配。約束C1保證了蜂窩用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)速率要求，其中γju,req和γjd,req表示蜂窩用戶設(shè)備j的上行和下行干擾加噪聲比的最小要求。同樣，C2保證D2D用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)速率要求。C3、C4、C5為功率約束，其中pimax、pjmax、pmaxB、j分別為D2D用戶設(shè)備i、蜂窩用戶設(shè)備j、基站的最大發(fā)射功率。約束C6保證蜂窩用戶設(shè)備j的每個(gè)上行或下行子載波最多可以被一個(gè)D2D用戶設(shè)備共享，約束C7表示每個(gè)D2D用戶設(shè)備只能復(fù)用一個(gè)上行或下行子載波。第3章．基于匹配的聯(lián)合上行下行鏈路資源分配方案問題P1包含連續(xù)變量和離散變量，它是一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃(MINLP)，通常在數(shù)學(xué)上是棘手的。因此，我們提出了一個(gè)聯(lián)合上行和下行鏈路資源分配方案來解決混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題P1。為了降低計(jì)算復(fù)雜度，聯(lián)合上行和下行鏈路資源分配算法將復(fù)雜問題分解為兩個(gè)子問題，即功率分配子問題和子載波分配子問題。具體來說，對于每個(gè)D2D用戶設(shè)備i和每個(gè)蜂窩用戶設(shè)備j，我們首先將功率分配問題表述為一個(gè)非線性規(guī)劃問題，然后給出最優(yōu)功率解。如果功率控制問題是可行的，則允許D2D用戶設(shè)備i復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的子載波，我們選擇它們作為第二個(gè)問題的候選合作伙伴;否則我們就把他們從可行合作伙伴名單上除名。然后，我們需要利用最大權(quán)值二部匹配在所有可行候選對象中為每個(gè)D2D用戶設(shè)備找到最優(yōu)的子載波，使系統(tǒng)總數(shù)據(jù)率最大化。圖2可行的功率分配區(qū)域R有以下不同的情況。pY0j>pmaxj或pY0i>pmaxi,，(b)pY0j≤pmaxj,和pY0i≤pmaxi,和pY1j<pmaxj,pY3i<pmaxi,(c)pY0j≤pmaxj,和pY0i≤pmaxi,和pY4i≤pmaxi,和pY3i≤pmaxi,(d)pY0j≤pmaxj,和pY0i≤pmaxi,和pY1j<pmaxj,pY5j<pmaxj。3.1．功率分配為了確定D2D用戶設(shè)備i是否可以復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的上行或下行子載波，以及找到可行D2D用戶設(shè)備和蜂窩用戶設(shè)備的最優(yōu)發(fā)射功率，我們制定了問題P2。P2是問題P1的簡化版本，它只考慮一個(gè)D2D用戶設(shè)備和一個(gè)蜂窩用戶設(shè)備，目標(biāo)是最大化它們的總數(shù)據(jù)率。特別地，當(dāng)D2D用戶設(shè)備i復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的上行子載波時(shí)，P2問題給出如下備注1.需要指出的是，當(dāng)D2D用戶設(shè)備復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備的下行子載波資源時(shí)，也可以采用相同的方法來解決功率分配問題。在P2中，目標(biāo)函數(shù)Rui,j=Ri+Ruj，這表示D2D用戶設(shè)備i復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的上行子載波時(shí)D2D用戶設(shè)備i和蜂窩用戶設(shè)備j的數(shù)據(jù)速率之和?？梢钥闯鯬2仍然是一個(gè)非線性規(guī)劃。下面，我們使用幾何規(guī)劃來解決這個(gè)問題。如圖2所示，閉合區(qū)域R為蜂窩用戶設(shè)備j和D2D用戶設(shè)備i的可行功率分配區(qū)域，為求P2的最優(yōu)功率解(pi,pj)，我們有以下引理:引理1.P2的最佳發(fā)射功率中至少有一個(gè)等于最大發(fā)射功率，即(p*i,p?j)=(p?i=pmaxi)或(p?j=pmaxj)。證明：我們用反證法證明引理1。根據(jù)P2中的約束，R是一個(gè)封閉有界的集合或空集。對于非空的R，我們假設(shè)最佳功率解(p*i,p?j)落在R區(qū)域內(nèi)，且p*i,p?j低于最大發(fā)射功率。我們進(jìn)一步用(ηp*i，ηp?j)代替P2中的(p*i,p?j)，得到?η>1，η∈R+和(p*i,p?j)∈R，我們有也就是說，當(dāng)η>1時(shí)，我們有Rui,j(ηp*i，ηp?j)>Rui,j(p*i,p?j)，這與(p*i,p?j)是最佳解的假設(shè)相矛盾。因此，P2的功率分配將使p*i或p?j等于最大發(fā)射功率pmaxi或pmaxj。根據(jù)引理1，可以在R的邊界處搜索最優(yōu)功率解。由圖2可知，根據(jù)信道增益、所需信噪比和最大發(fā)射功率的不同，可行域有四種可能情況?？梢钥闯觯顑?yōu)功率解位于圖2(b)中的線或EQ\*jc0\*hps14\o(\s\up10(————),Y2Y3)線或圖2(c)中的線或圖2(d)中的線。為了得到最優(yōu)功率分配，我們接下來證明引理2。引理2：P2的最優(yōu)發(fā)射功率分配(pi,pj)僅存在于其可行區(qū)域R的角落。證明：設(shè)?R是區(qū)域R的邊界。R和?R的輪廓隨約束參數(shù)的值而變化。然而，根據(jù)引理1，最優(yōu)功率分配只存在于邊界?R。區(qū)域R由四條邊包圍，分別表示為E1:γuj=γu,reqj,E2:γi=γreqi,E3:pj=pmaxj,E4:pi=pmaxi。讓E’n:En∩?R(n=1,2,3,4)和Rui,j=log2((1+γi)?(1+γuj))。由于對數(shù)是一個(gè)單調(diào)遞增的函數(shù)，我們在?R的邊界上尋找極值點(diǎn)。如果(pi,pj)∈E’1∪E’2，則Rui,j隨著pi和pj的增大而增大。因此，從Y1、Y2、Y3點(diǎn)開始搜索最優(yōu)功率分配。參考[26]中證明了Rui,j是凸函數(shù)。因此，如果(pi,pj)∈E’3，就有。然后從Y3和Y4點(diǎn)搜索最優(yōu)功率分配。如果(pi,pj)∈E’4，則有≥0。然后從Y1和Y5點(diǎn)開始搜索最優(yōu)功率分配。因此，我們可以得出(pi,pj)只在R的角落上。引理2得到了證明。根據(jù)引理1和引理2，我們可以在圖2中標(biāo)記出功率分配的可能目的地。設(shè)Y0(pY0j,pY0i)表示E1和E2的交點(diǎn)。同理，點(diǎn)Y1(pY1j,pmaxi)、Y2(pmaxj,pmaxi)、Y3(pmaxj,pY3i)、Y4(pmaxj,pY4i)、Y5(pY5j,pmaxi)也可以表示在圖中。特別地，pY0j,pY0i,pY1j,pY3i,pY4i,pY5j的值如下式給出：根據(jù)上述引理和公式，在有限集合{Y1,Y2,Y3,Y4,Y5}的某一點(diǎn)上分配最優(yōu)的功率解。我們可以搜索集合中的所有元素，得到最大的Rui,j(pi,pj)。從而求解出D2D用戶設(shè)備i復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的上行子載波資源時(shí)的最優(yōu)功率方案。同樣，當(dāng)D2D用戶設(shè)備復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備的下行子載波資源時(shí)，也可以用同樣的方法得到最優(yōu)功率解Rdi,j(pi,pB,j)。3.2子載波分配在上文中，我們?yōu)槊總€(gè)D2D用戶設(shè)備—蜂窩用戶設(shè)備對制定了最優(yōu)的功率分配方案。對于每個(gè)蜂窩用戶設(shè)備j，當(dāng)其子載波不被D2D用戶設(shè)備復(fù)用時(shí)，其上行鏈路可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率為當(dāng)蜂窩用戶設(shè)備j與D2D用戶設(shè)備i共享其上行子載波資源時(shí)，蜂窩用戶設(shè)備j與D2D用戶設(shè)備i的可實(shí)現(xiàn)總數(shù)據(jù)速率為Rui,j。因此，我們可以將上行容量增益定義為即D2D用戶設(shè)備i復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的上行子載波時(shí)數(shù)據(jù)速率提高。同樣，當(dāng)D2D用戶設(shè)備i復(fù)用蜂窩用戶設(shè)備j的下行子載波時(shí)，我們可以得到下行容量增益(?Rdi,j=Rdi,j?Rd,maxj)。然后將最優(yōu)蜂窩用戶設(shè)備-D2D用戶設(shè)備配對問題轉(zhuǎn)化為最大權(quán)值二部匹配問題?？梢员硎緸槠渲?，D2D用戶設(shè)備和?Rui,j，?Rdi,j對應(yīng)于二部圖中的頂點(diǎn)集合，連接D2D用戶設(shè)備i和蜂窩用戶設(shè)備j的上行子載波權(quán)重為?Rui,j，連接D2D用戶設(shè)備i和蜂窩用戶設(shè)備j的下行子載波權(quán)重為?Rdi,j。經(jīng)典的Kuhn-Munkres算法可以在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)解決二部匹配問題。第4章．仿真結(jié)果在本節(jié)中，我們將給出數(shù)值結(jié)果來驗(yàn)證所提出的聯(lián)合上下行資源分配算法。我們考慮一個(gè)半徑為500(m)的圓細(xì)胞，其中蜂窩用戶設(shè)備和D2D用戶設(shè)備是均勻隨機(jī)分布的。我們使用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)我們的聯(lián)合上下行資源分配算法。為了平滑模擬隨機(jī)性，每個(gè)數(shù)據(jù)平均超過1000次模擬。表1中列出了默認(rèn)參數(shù)。表1參數(shù)值細(xì)胞半徑(R)0.5KM蜂窩用戶設(shè)備和D2D用戶設(shè)備的位置均勻分布在[0,R]多路徑衰落指數(shù)分布單位均值路徑衰減指數(shù)3路徑衰減常數(shù)10-2遮蔽對數(shù)正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為8dB噪聲譜密度(N0)-174dBm/赫茲蜂窩用戶設(shè)備的最大發(fā)射功率(Pmaxj)24dBmD2D用戶設(shè)備的最大發(fā)射功率(Pmaxi)24dBm基站的最大發(fā)射功率（PmaxB,J）46dBm蜂窩用戶設(shè)備的數(shù)量（M）20D2D用戶設(shè)備的數(shù)量（N）10—50D2D距離值(d)5—45（m）γd,reqj,γu,reqj,γreqi7dB評價(jià)系統(tǒng)性能的指標(biāo)有兩個(gè):系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率，即整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)速率;D2D接入速率，即接入流量占總流量的比例。此外，我們將所提出的聯(lián)合上下行資源分布配方案與以下基準(zhǔn)案例進(jìn)行了比較:案例1中所有D2D用戶設(shè)備僅復(fù)用上行子載波資源(OU)，如參考文獻(xiàn)[6];案例2中所有D2D用戶設(shè)備僅復(fù)用下行子載波資源(OD)。圖3比較了不同D2D用戶設(shè)備數(shù)量下三種方案的系統(tǒng)數(shù)據(jù)率性能?？梢钥闯?，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率隨D2D用戶設(shè)備數(shù)量的增加而單調(diào)增加。其原因是由于D2D用戶設(shè)備能夠帶來更高的容量增益，從而具有接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)的潛在機(jī)會(huì)。此外，我們提出的聯(lián)合上下行資源方案的性能優(yōu)于其他基準(zhǔn)方法，因?yàn)樗械淖虞d波(無論是上行還是下行)都可以選擇被D2D用戶設(shè)備復(fù)用。僅復(fù)用上行子載波資源方案比僅復(fù)用下行子載波資源方案性能更好。這是因?yàn)椋c僅復(fù)用上行子載波資源方案(D2D用戶設(shè)備受蜂窩用戶設(shè)備干擾)相比，僅復(fù)用下行子載波資源方案(D2D用戶設(shè)備受基站干擾)對D2D用戶設(shè)備的干擾較大。圖3系統(tǒng)數(shù)據(jù)率與D2D用戶設(shè)備數(shù)目，其中M=20,d=10(M)圖4顯示了接入率與D2D用戶設(shè)備數(shù)量的關(guān)系。隨著與D2D用戶設(shè)備數(shù)目的增加，D2D用戶設(shè)備的接入率單調(diào)下降。這意味著對于一個(gè)固定數(shù)量的蜂窩用戶設(shè)備，M，當(dāng)D2D用戶設(shè)備N增加到一定數(shù)量時(shí)，將不再有潛在的候選D2D用戶設(shè)備可供選擇和復(fù)用。但是，與僅復(fù)用上行子載波資源方案和僅復(fù)用下行子載波資源方案相比，我們提出的來聯(lián)合上下行資源分配方案的訪問速率下降緩慢。這是因?yàn)樵诼?lián)合上下行資源分配方案中，不僅上行和下行的蜂窩用戶設(shè)備子載波可以被復(fù)用。因此，更多的D2D用戶設(shè)備可以訪問蜂窩網(wǎng)絡(luò)。圖4D2D接入率與D2D用戶設(shè)備數(shù)目之比，其中M=20,d=10(M)圖5為系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率隨D2D距離的變化情況。系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率隨D2D距離的增大而減小。由于隨著半徑的增大，D2D用戶設(shè)備的信道增益減小，需要更多的發(fā)射功率來保證其服務(wù)質(zhì)量要求，從而對蜂窩用戶設(shè)備產(chǎn)生更多的干擾。也就是說，在較短的距離內(nèi)，可以獲得較好的信道增益和較高的數(shù)據(jù)速率，這反映了D2D通信的接近增益。雖然所提出的聯(lián)合上行下行資源分配方案的系統(tǒng)數(shù)據(jù)率明顯下降，但其性能仍然是最好的。圖5所示系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率與D2D距離值的關(guān)系，其中M=20,N=25第5章．結(jié)束語本文研究了蜂窩網(wǎng)絡(luò)底層D2D通信的上行和下行聯(lián)合資源分配問題，該問題的目標(biāo)是在保證蜂窩用戶設(shè)備和D2D用戶設(shè)備的服務(wù)質(zhì)量要求的同時(shí)最大限度地提高系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)速率。優(yōu)化問題是一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題，是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題。為了解決這一問題，我們將問題分解為兩個(gè)子問題，即功率分配子問題和子載波分配子問題。仿真結(jié)果表明，與其他基準(zhǔn)方案相比，我們提出的聯(lián)合上行和下行方案在系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率和D2D訪問速率方面都具有較好的性能。在未來的研究中，我們將考慮在基站中不完美信道狀態(tài)信息（CSI）下的最優(yōu)資源配置問題。還應(yīng)該解決多個(gè)D2D用戶設(shè)備復(fù)用同一子載波以及一個(gè)子載波被多個(gè)D2D用戶設(shè)備復(fù)用的情況。參考文獻(xiàn)[1]IMT-20205GPromotionGroup,“5Gvisionandrequirements,”WhitePaper,may2015.[2]Z.Sun,M.Sheng,D.Zhai,Y.Zhang,andJ.Li,“ResourcemanagementforD2Dunderlayingcellularnetworkwithhybridmultipleaccesstechnologies,”in20168thInternationalConferenceonWirelessCommunicationsSignalProcessing(WCSP),Oct.2016,pp.1–5.[3]V.W.Wong,R.Schober,D.W.K.Ng,andL.-C.Wang,Keytechnologiesfor5Gwirelesssystems.Cambridgeuniversitypress,2017.[4]C.H.Kai,H.Li,andL.Qian,“Game-theoreticradioresourcemanagementforrelay-assistedaccessinwirelessnetworks,”IETCommunications,vol.12,no.5,pp.566–572,2018.[5]F.Jameel,Z.Hamid,F.Jabeen,S.Zeadally,andM.A.Javed,“Asurveyofdevice-to-devicecommunications:Researchissuesandchallenges,”IEEECommunicationsSurveysTutorials,pp.1–1,2018.[6]D.Feng,L.Lu,Y.Y.Wu,G.Y.Li,G.Feng,andS.Li,“Device-to-DeviceCommunicationsUnderlayingCellularNetworks,”IEEETransactionsonCommunications,vol.61,no.8,pp.3541–3551,Aug.2013.[7]Y.KaiandH.Zhu,“Resourceallocationformultiple-pairD2Dcommunicationsincellularnetworks,”in2015IEEEInternationalConferenceonCommunications(ICC),Jun.2015,pp.2955–2960.[8]L.Xu,G.Yu,andR.Yin,“Jointpowerallocationandreusepartnerselectionfordevice-to-devicecommunications,”inVehicularTechnologyConference(VTCSpring),2015IEEE81st.IEEE,May2015,pp.1–5.[9]H.H.Esmat,M.M.Elmesalawy,andI.I.Ibrahim,“AdaptiveResourceSharingAlgorithmforDevice-to-DeviceCommunicationsUnderlayingCellularNetworks,”IEEECommunicationsLetters,vol.20,no.3,pp.530–533,Mar.2016.[10]X.Li,R.Sankaran,M.Orgun,G.Fang,andY.Xu,“ResourceAllocationforUnderlayD2DCommunicationwithProportionalFairness,”IEEETransactionsonVehicularTechnology,vol.PP,no.99,pp.1–1,2018.[11]C.Kai,H.Li,L.Xu,Y.Li,andT.Jiang,“Energy-EfficientDevice-to-DeviceCommunicationsforGreenSmartCities,”IEEETransactionsonIndustrialInformatics,vol.14,no.4,pp.1542–1551,Apr.2018.[12]M.Y.Hassan,F.Hussain,M.S.Hassen,S.Choudhury,andM.M.Alam,“AnearoptimalinterferenceminimizationresourceallocationalgorithmforD2Dcommunication,”in2017IEEEInternationalConferenceonCommunications(ICC),May2017,pp.1–6.[13]M.NiandJ.Pan,“Throughputanalysisfordownlinkresourcereusingd2dcommunicationsincellularnetworks,”inGLOBECOM2017–2017IEEEGlobalCommunicationsConference,Dec.2017,pp.1–7.[14]C.H.Lee,R.Y.Chang,C.T.Lin,andS.M.Cheng,“Sum-ratemaximizationforenergyharvesting-aidedD2Dcommunicationsunderlaidcellularnetworks,”in2017IEEE28thAnnualInternationalSymposiumonPersonal,Indoor,andMobileRadioCommunications(PIMRC),Oct.2017,pp.1–6.[15]S.DominicandL.Jacob,“DistributedResourceAllocationforD2DCommunicationsUnderlayingCellularNetworksinTime-VaryingEnvironment,”IEEECommunicationsLetters,vol.22,no.2,pp.388–391,Feb.2018.[16]T.D.Hoang,L.B.Le,andT.Le-Ngoc,“ResourceallocationforD2Dcommunicationsunderproportionalfairness,”in2014IEEEGlobalCommunicationsConference,Dec.2014,pp.1259–1264.[17]H.Wang,J.Wang,G.Ding,andZ.Han,“D2DCommunicationsUnderlayingWirelessPoweredCommunicationNetworks,”IEEETransactionsonVehicularTechnology,pp.1–1,2018.[18]J.Hu,W.Heng,X.Li,andJ.Wu,“Energy-EfficientResourceReuseSchemeforD2DCommunicationsUnderlayingCellularNetworks,”IEEECommunicationsLetters,vol.21,no.9,pp.2097–2100,Sept.2017.[19]Y.Zhang,J.Zhang,Y.Sun,andD.W.K.Ng,“Energy-efficienttransmissionforwirelesspoweredD2Dcommunicationnetworks,”in2017IEEEInternationalConferenceonCommunications(ICC),May2017,pp.1–7.[20]F.Idris,J.Tang,andD.K.C.So,“Resourceandenergyefficientdevicetodevicecommunicationsindownlinkcellularsystem,”in2018IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),April2018,pp.1–6.[21]P.Zhao,P.Yu,L.Feng,W.Li,andX.Qiu,“Gain-AwareJointUplink-DownlinkResourceAllocationforDevice-to-DeviceCommunications,“in2017IEEE85thVehicularTechnologyConference(VTCSpring),Jun.2017,pp.1–5.[22]T.Huyn