【摘 要】
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随着无线通信技术的飞速发展,移动终端设备及其流量的需求呈现出爆炸式增长,蜂窝网络正面临着频谱资源短缺和能量消耗过高的双重考验。因此,如何有效卸载基站的数据流量、提高频谱资源利用率,并降低通信系统的能耗成为目前亟待解决的问题。在传统蜂窝网络中引入复用蜂窝资源的设备对设备（Device-to-Device,D2D）通信虽能有效解决上述问题,但也面临着众多难题,有限的蜂窝资源如何满足更多D2D设备的接入
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随着无线通信技术的飞速发展,移动终端设备及其流量的需求呈现出爆炸式增长,蜂窝网络正面临着频谱资源短缺和能量消耗过高的双重考验。因此,如何有效卸载基站的数据流量、提高频谱资源利用率,并降低通信系统的能耗成为目前亟待解决的问题。在传统蜂窝网络中引入复用蜂窝资源的设备对设备（Device-to-Device,D2D）通信虽能有效解决上述问题,但也面临着众多难题,有限的蜂窝资源如何满足更多D2D设备的接入,以及大规模连接、高速率传输带来的能耗问题仍未得到有效解决。基于上述问题,本文围绕D2D的不同复用模式,以无线信息与能量同传（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT）和非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）为核心技术,研究蜂窝网络中D2D协作通信的资源分配方法,在保证用户传输速率的前提下,实现D2D通信的高能效传输,主要研究内容如下:（1）针对一对一复用模式,研究了蜂窝网络中D2D协作双向通信的能耗问题,为提升数据传输可靠性并补偿协作中继的能量开销,提出双向中继和SWIPT技术相结合的资源分配策略。建立以D2D对能量效率（Energy Efficiency,EE）最大化为目标的分式规划模型,并将其转变成易求解的非分式优化问题。由于各优化变量间的耦合性,将该问题拆分为功率控制、功率分割因子优化和中继选择三个独立的子问题。然后通过Dinkelbach迭代算法同时优化两个发射功率;利用一维搜索算法分析出能效随功率分割因子变化的规律;提出基于EE的最优D2D中继选择策略来寻找最佳中继节点。仿真实验结果表明,本文提出的算法具有较快的收敛性,相较于单向中继传输以及固定中继算法,在提升系统能量效率性能上具有更好的优势。（2）针对多对一复用模式,为平衡D2D用户容量与能耗的关系,设计了基于NOMA增强的节能传输机制,通过引入NOMA技术的思想,将多D2D用户转化为“D2D簇”,以增加有限蜂窝资源的D2D复用数量。同时,在中继设备中引入SWIPT技术,在协助转发过程中不产生额外能量开销。建立了以最大化D2D簇能量效率为目标的非线性分式规划问题,为克服目标函数的非凸性及参数的耦合性,基于分式规划和序贯凸近似理论,求解原优化问题的近似问题来获得次优解。首先通过二分法得到最大的能量效率;然后利用序贯凸近似方法求解对应的最优发射功率;最后采用遗传算法得出系统的最优配置参数,以上步骤交替迭代直到收敛获得最优解。仿真实验结果表明,本文提出的算法具有较快的收敛性,在能量效率性能的提升上优于正交多址接入（Orthogonal Multiple Access,OMA）技术。
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